浅析紫外光在植物工厂中的作用及应用前景

在农业生产中，光照条件的好坏直接关系着露地农业生产的效率和效益。因此，认识、利用和调控太阳光谱成分一直是农业研究的重要内容。尤其在现代农业生产中，设施农业发展成为支柱产业，人工光环境调控的技术客观需求变得现实且迫切，调控目标得到了拓展，以人工照明为手段的光环境调控已经成为设施农业发展的必然选择。 太阳光是连续光谱，其波长范围从100nm的X射线到100m的无线电波。太阳辐射中99%的能量集中在280~500nm波段范围内。太阳光中不同光谱对植物光合作用贡献大小不一，仅400~700nm范围的光为植物光合有效辐射，参与了植物的碳水化合物合成的光反应过程。而根据人眼的感知能力，通常把太阳光谱分为可见光和不可见光，不可见光包括红外光和紫外光，其中波长小于380nm的波段称为紫外光。根据紫外线的物理和生物学特性，将其分为3个波段：即波长为320~380nm长波紫外线(UV-A)，波长280~320nm的中波紫外线(UV-B)和波长100~280nm的短波紫外线(UV-C)。在全部太阳辐射中可见光约占50%，红外线约占48%~49%，其余紫外光约占1%~2%。研究表明，在太阳光光谱中光合有效辐射、UV和远红光对植物生长发育具有调控功能，对农业生产具有应用价值。 1露地农业系统中UV辐射特征 太阳辐射通过大气层后，光强和光谱均发生了变化。表现为X射线和一些超短波辐射减少，主要是被电离层氧、氮及其他大气成分强烈吸收过滤了。对紫外线而言，大气平流层中的臭氧几乎能吸收全部UV-C，而UV-A和UV-B能够达到地面，到达地面的UV中95%为UV-A，5%为UV-B。波长大于2500nm的射线由于大气层CO2和水蒸气的强烈吸收，到达地面的能量微乎其微。太阳辐射中只有可见光部分较为完整地到达地面，在大气层中损失较小。因此，在到达地面的太阳光谱中，UV-A和可见光丰富，UV-B及其他波长的光质较少，这决定了露地植物所能接收到的太阳能量及光信号的种类。就辐射能量而言，太阳光经过大气层到达海平面处或地球表面，再到植物叶片表面辐射能量逐渐降低，*终植物光合作用固定的太阳能仅占照到植物叶片表面太阳辐射的5%。 近年来，由于氯氟烷烃(CFCs)和氮氧化合物等化学物质大量释放，致使大气平流层臭氧含量下降。大气臭氧层遭到破坏削弱了其对太阳UV-B辐射的吸收作用，导致到达植物叶片表面的UV-B辐射强度有增加趋势。臭氧层破坏对UV-A和UV-C辐射的空间变化无影响，研究表明即使臭氧层减少90%也不会有UV-C到达地面。到达地面的UV-B辐射增强，对暴露的地球植物而产生严重的生物学效应。据估计，大气臭氧每减少1%，到达地表的辐射强度将增加2%~3%，粮食将减产2%。1978 1991年大气层臭氧降低了1%~5%，到2060年将减少16%。UV-B辐射增强、温室效应、酸雨并称为全球3大环境问题。 2植物工厂中紫外光的分布特征 植物工厂作为设施园艺的一种生产形式，是通过设施内高精度环境控制，实现作物周年连续生产的高效设施农业系统，不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。植物工厂被国际上公认为设施农业的*高级发展阶段，是衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一。较传统设施园艺，植物工厂具有众多生产优势，生产效率高，可控性好，应用前景广阔。因此，植物工厂是设施园艺发展的必然趋势，对解决21世纪人口、资源、环境问题的具有重要意义，也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段。