為什么說生菜是最適合植物工廠生產(chǎn)的作物
作者: 時(shí)間: 2024-06-19
受控環(huán)境農(nóng)業(yè)(CEA)中種植的最重要的作物類別之一是“短周期、單次收獲的綠葉作物”，例如生菜、羅勒和微型蔬菜：播種后約20天收獲的幾種幼葉蔬菜的混合物(Kozai,2018a)。生菜是一種生長相對(duì)較快的作物，生長周期短、種植密度高、能量需求低(Bantis等人，2018；Zhang等人，2018)。植物工廠設(shè)置中，21天的生長期是生菜正常生長的常見時(shí)間(Ahmed等人，2020)。通過優(yōu)化LED光強(qiáng)度、光周期和二氧化碳濃度，可以減少不同生菜品種的栽培時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高效的光合作用和植物生長(Kozai,2013)。生菜需水量相對(duì)較高，根系較淺，因此非常適合在受控系統(tǒng)中進(jìn)行水培生產(chǎn)。人工照明植物工廠(PFAL)的栽培環(huán)境應(yīng)通過調(diào)節(jié)光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)元素和水分等因素進(jìn)行控制(JAS0012:2019)。所有這些因素的組合將決定新鮮農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量(Kameoka和Hashimoto,2019)。
無論是否利用日光照明，植物工廠均可分為兩類。PFAL用于在封閉環(huán)境中種植蔬菜，依靠LED作為唯一光源（Kim等人，2022年；Kozai，2018a），而高科技溫室主要利用自然光，并使用LED作為補(bǔ)充照明（Kameoka和Hashimoto，2019年）。微型PFAL設(shè)計(jì)有多種不同的功能，可用于餐廳、超市（步入式微型PFAL）、家庭、公共場(chǎng)所和城市社區(qū)（Lu等人，2022年；Nakamura和Shimizu，2019年）。室內(nèi)農(nóng)業(yè)主要采用的生產(chǎn)技術(shù)是水培（51%）、氣培（20%）、土培（13%）和水產(chǎn)養(yǎng)殖（9%）（Shahbandeh，2022年）。低細(xì)菌和真菌污染是人工照明植物工廠(PFAL)生產(chǎn)的蔬菜的主要特征(Armanda等，2019)。外部和內(nèi)部環(huán)境之間的低空氣交換可以防止病原體和害蟲入侵(Ahmed等，2020b；Benke和Tomkins，2017；Mytton-Mills，2018)。由于CEA生產(chǎn)的最終產(chǎn)品是供人類食用的，因此必須引入HACCP系統(tǒng)，這在封閉和受控的環(huán)境和工藝系統(tǒng)中更容易實(shí)現(xiàn)。
從生物學(xué)角度來看，水培生菜生產(chǎn)的成功取決于環(huán)境，環(huán)境參數(shù)是根據(jù)物種、品種類型和品種的需求而制定的。在這種綜合方法中，必須考慮與植物需求相關(guān)的非生物因素（光、水、溫度、氣流速度、O2、CO2、營養(yǎng)物質(zhì)）和生物因素，此外，還必須對(duì)所有因素進(jìn)行優(yōu)化。在這些因素中，光是一個(gè)關(guān)鍵因素；然而，文獻(xiàn)中仍然缺少對(duì)生菜生產(chǎn)光參數(shù)的引入和表征的全面綜述。由于封閉生產(chǎn)系統(tǒng)的特殊性以及近年來LED照明技術(shù)的改進(jìn)，可以使用復(fù)雜的設(shè)置來為植物生產(chǎn)提供最佳條件。然而，科學(xué)文獻(xiàn)中關(guān)于在室內(nèi)設(shè)施中生長的生菜對(duì)光的反應(yīng)的陳述往往是矛盾的（Bergstrand等人，2016年）。這是由于生菜品種、實(shí)驗(yàn)設(shè)置、研究設(shè)施、營養(yǎng)液和其他幾個(gè)非控制因素的差異造成的（Loconsole等人，2019年）。大量研究涉及作物對(duì)特定LED照明設(shè)置的反應(yīng)，但很少同時(shí)研究作物生產(chǎn)力、資源利用效率和產(chǎn)品質(zhì)量。最后，來自植物工廠和公司的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都不對(duì)外公開（Zhou等人，2022年）。
最近的綜述中，關(guān)于光作為單一因素的論述較少；Ahmed等人(2020a)專注于復(fù)雜的生長環(huán)境。Wong等人(2020)廣泛綜述了不同的波長及其組合以及生化背景。文獻(xiàn)計(jì)量綜述(Nájera等人，2023)總結(jié)了典型的光照設(shè)置（光譜、強(qiáng)度、光周期、每日光積分）。然而，關(guān)于空間光均勻性以及向上照明、間照和光脈動(dòng)的論述較少。Xiao等人(2022)廣泛綜述了光控制技術(shù)對(duì)番茄營養(yǎng)特性的影響。幾位作者（Ili?和Fallik，2017年；Mahendran等人，2019年；ThiliniDeepashikaPerera等人，2022年；Urban等人，2018年）回顧了采后照明對(duì)蔬菜的利用，重點(diǎn)關(guān)注采后品質(zhì)。Shafiq等人（2021年）修訂了光質(zhì)和強(qiáng)度對(duì)某些蔬菜的影響，特別強(qiáng)調(diào)了光合作用相關(guān)性狀。幾位作者（Tan等人，2022年；Urban等人，2018年）回顧了單一光譜對(duì)不同質(zhì)量和數(shù)量參數(shù)的影響。幾位作者提出了用于太空溫室的LED環(huán)境（Berkovich等人，2017年；Nguyen等人，2023年）。
顯然，有幾項(xiàng)研究涉及在PFAL系統(tǒng)中進(jìn)行的植物生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。其中一部分研究側(cè)重于生菜生產(chǎn)，主要關(guān)注有限的子主題，例如光譜、光譜組合或PPFD設(shè)置對(duì)發(fā)育或植物營養(yǎng)素積累的影響。此類研究的局限性在于它們使用的多樣性。由于實(shí)驗(yàn)因素（品種、生長介質(zhì)、施加的光質(zhì)量、數(shù)量）的多種組合，結(jié)果幾乎無法比較。在我們的工作中，我們嘗試收集和綜合1990年至2023年期間零散但相關(guān)的科學(xué)結(jié)果。
在我們的工作中，我們旨在了解生菜生產(chǎn)的光相關(guān)機(jī)制，這需要對(duì)生菜品種和生長階段以及環(huán)境因素（如光質(zhì)（光譜特性）、數(shù)量（PPFD）、均勻性、持續(xù)時(shí)間和脈動(dòng)）采取系統(tǒng)的方法。除了光之外，我們還討論了環(huán)境條件及其在受控環(huán)境中與人工光的可能最佳范圍之間的相互作用，這些人工光對(duì)生菜幼苗和后期生長的影響。為了在智能PFAL系統(tǒng)中成功生產(chǎn)生菜，有關(guān)自動(dòng)光配方、生長預(yù)測(cè)因子、機(jī)器視覺、生長配方以及控制系統(tǒng)和自動(dòng)化的知識(shí)至關(guān)重要。在本綜述中，使用了書目數(shù)據(jù)庫（ScienceDirect、Scopus、WebofScience、GoogleScholar）來查找1990年至2023年期間發(fā)表的出版物。應(yīng)用的關(guān)鍵詞涵蓋了與生菜PFAL生產(chǎn)相關(guān)的生產(chǎn)生物學(xué)短語；詳細(xì)列表見附表S1。與以前的研究相比，還介紹了生菜PFAL生產(chǎn)系統(tǒng)的未來預(yù)期趨勢(shì)，特別強(qiáng)調(diào)了光參數(shù)和測(cè)量的技術(shù)發(fā)展、PFAL育種、植物營養(yǎng)素優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化、植物廢棄物、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和基于人工智能的有效性
文章來源：葉菜俠科技
無論是否利用日光照明，植物工廠均可分為兩類。PFAL用于在封閉環(huán)境中種植蔬菜，依靠LED作為唯一光源（Kim等人，2022年；Kozai，2018a），而高科技溫室主要利用自然光，并使用LED作為補(bǔ)充照明（Kameoka和Hashimoto，2019年）。微型PFAL設(shè)計(jì)有多種不同的功能，可用于餐廳、超市（步入式微型PFAL）、家庭、公共場(chǎng)所和城市社區(qū)（Lu等人，2022年；Nakamura和Shimizu，2019年）。室內(nèi)農(nóng)業(yè)主要采用的生產(chǎn)技術(shù)是水培（51%）、氣培（20%）、土培（13%）和水產(chǎn)養(yǎng)殖（9%）（Shahbandeh，2022年）。低細(xì)菌和真菌污染是人工照明植物工廠(PFAL)生產(chǎn)的蔬菜的主要特征(Armanda等，2019)。外部和內(nèi)部環(huán)境之間的低空氣交換可以防止病原體和害蟲入侵(Ahmed等，2020b；Benke和Tomkins，2017；Mytton-Mills，2018)。由于CEA生產(chǎn)的最終產(chǎn)品是供人類食用的，因此必須引入HACCP系統(tǒng)，這在封閉和受控的環(huán)境和工藝系統(tǒng)中更容易實(shí)現(xiàn)。
從生物學(xué)角度來看，水培生菜生產(chǎn)的成功取決于環(huán)境，環(huán)境參數(shù)是根據(jù)物種、品種類型和品種的需求而制定的。在這種綜合方法中，必須考慮與植物需求相關(guān)的非生物因素（光、水、溫度、氣流速度、O2、CO2、營養(yǎng)物質(zhì)）和生物因素，此外，還必須對(duì)所有因素進(jìn)行優(yōu)化。在這些因素中，光是一個(gè)關(guān)鍵因素；然而，文獻(xiàn)中仍然缺少對(duì)生菜生產(chǎn)光參數(shù)的引入和表征的全面綜述。由于封閉生產(chǎn)系統(tǒng)的特殊性以及近年來LED照明技術(shù)的改進(jìn)，可以使用復(fù)雜的設(shè)置來為植物生產(chǎn)提供最佳條件。然而，科學(xué)文獻(xiàn)中關(guān)于在室內(nèi)設(shè)施中生長的生菜對(duì)光的反應(yīng)的陳述往往是矛盾的（Bergstrand等人，2016年）。這是由于生菜品種、實(shí)驗(yàn)設(shè)置、研究設(shè)施、營養(yǎng)液和其他幾個(gè)非控制因素的差異造成的（Loconsole等人，2019年）。大量研究涉及作物對(duì)特定LED照明設(shè)置的反應(yīng)，但很少同時(shí)研究作物生產(chǎn)力、資源利用效率和產(chǎn)品質(zhì)量。最后，來自植物工廠和公司的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都不對(duì)外公開（Zhou等人，2022年）。
最近的綜述中，關(guān)于光作為單一因素的論述較少；Ahmed等人(2020a)專注于復(fù)雜的生長環(huán)境。Wong等人(2020)廣泛綜述了不同的波長及其組合以及生化背景。文獻(xiàn)計(jì)量綜述(Nájera等人，2023)總結(jié)了典型的光照設(shè)置（光譜、強(qiáng)度、光周期、每日光積分）。然而，關(guān)于空間光均勻性以及向上照明、間照和光脈動(dòng)的論述較少。Xiao等人(2022)廣泛綜述了光控制技術(shù)對(duì)番茄營養(yǎng)特性的影響。幾位作者（Ili?和Fallik，2017年；Mahendran等人，2019年；ThiliniDeepashikaPerera等人，2022年；Urban等人，2018年）回顧了采后照明對(duì)蔬菜的利用，重點(diǎn)關(guān)注采后品質(zhì)。Shafiq等人（2021年）修訂了光質(zhì)和強(qiáng)度對(duì)某些蔬菜的影響，特別強(qiáng)調(diào)了光合作用相關(guān)性狀。幾位作者（Tan等人，2022年；Urban等人，2018年）回顧了單一光譜對(duì)不同質(zhì)量和數(shù)量參數(shù)的影響。幾位作者提出了用于太空溫室的LED環(huán)境（Berkovich等人，2017年；Nguyen等人，2023年）。
顯然，有幾項(xiàng)研究涉及在PFAL系統(tǒng)中進(jìn)行的植物生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。其中一部分研究側(cè)重于生菜生產(chǎn)，主要關(guān)注有限的子主題，例如光譜、光譜組合或PPFD設(shè)置對(duì)發(fā)育或植物營養(yǎng)素積累的影響。此類研究的局限性在于它們使用的多樣性。由于實(shí)驗(yàn)因素（品種、生長介質(zhì)、施加的光質(zhì)量、數(shù)量）的多種組合，結(jié)果幾乎無法比較。在我們的工作中，我們嘗試收集和綜合1990年至2023年期間零散但相關(guān)的科學(xué)結(jié)果。
在我們的工作中，我們旨在了解生菜生產(chǎn)的光相關(guān)機(jī)制，這需要對(duì)生菜品種和生長階段以及環(huán)境因素（如光質(zhì)（光譜特性）、數(shù)量（PPFD）、均勻性、持續(xù)時(shí)間和脈動(dòng)）采取系統(tǒng)的方法。除了光之外，我們還討論了環(huán)境條件及其在受控環(huán)境中與人工光的可能最佳范圍之間的相互作用，這些人工光對(duì)生菜幼苗和后期生長的影響。為了在智能PFAL系統(tǒng)中成功生產(chǎn)生菜，有關(guān)自動(dòng)光配方、生長預(yù)測(cè)因子、機(jī)器視覺、生長配方以及控制系統(tǒng)和自動(dòng)化的知識(shí)至關(guān)重要。在本綜述中，使用了書目數(shù)據(jù)庫（ScienceDirect、Scopus、WebofScience、GoogleScholar）來查找1990年至2023年期間發(fā)表的出版物。應(yīng)用的關(guān)鍵詞涵蓋了與生菜PFAL生產(chǎn)相關(guān)的生產(chǎn)生物學(xué)短語；詳細(xì)列表見附表S1。與以前的研究相比，還介紹了生菜PFAL生產(chǎn)系統(tǒng)的未來預(yù)期趨勢(shì)，特別強(qiáng)調(diào)了光參數(shù)和測(cè)量的技術(shù)發(fā)展、PFAL育種、植物營養(yǎng)素優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化、植物廢棄物、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和基于人工智能的有效性
文章來源：葉菜俠科技