植物工厂是人工光植物工厂研发与应用的方向，建立基于植物种类高效生产的光配方、营养液配方及环控配方是LED智能植物工厂植物生理学研究的核心目标。植物工厂领域光配方是指基于植物种类或品种及其生育期的佳的光环境配置数据库，实现节能条件下光环境的智能控制和植物的优质高产的目标。因此，光配方的构建需要先确立植物种类和品种，确定通过植物工厂条件下的生育期阶段划分的数量及其时长，根据生产评价指标，多波次研究确定各生育期的优光质、光强和光周期及其变化模式，从数量和质量双重角度定义光环境匹配的整体方案。本书以新的科技成果和先端的学术研究结论提出了我国植物工厂发展的趋势。

第一章植物工厂光环境及其调控概述

11植物工厂概述

12植物工厂环境要素

13植物工厂环境要素调控方式

14植物工厂光环境及其内涵

15植物光质生理学定义与内涵

16植物有效辐射光质

17LED半导体光源及其单色光质

18设施园艺LED光源设计与应用策略

19设施园艺半导体照明定义及其应用领域

110植物工厂光质调控

111植物工厂光环境调控原理

第二章植物工厂光质调控的植物生理基础

21植物光合作用生理机制

22植物光形态建成生理机制

23植物光质生理作用

24植物光响应与光适应

25叶片与冠层光质的截获与利用

第三章植物工厂植物生长发育光质调控生理

31植物工厂光质种子萌发调控

32植物工厂种苗光质调控

33植物工厂蔬菜生产光质调控

34植物工厂药用植物生产光质调控

35植物工厂农作物栽培光质调控

36植物工厂花卉生产光质调控

37植物工厂草莓生产光质调控

第四章植物工厂植物光质营养生理

41植物矿质营养元素与无土栽培

42植物工厂养分生理光质调控

43元素盈亏型功能性蔬菜

第五章植物工厂植物光质代谢生理

51植物碳代谢及其影响因素

52植物氮代谢及其影响因素

53光质与植物碳代谢

54光质与植物氮代谢

55光质与植物次生代谢

第六章植物工厂植物光质产量生理

61植物产量生理概述

62光质与碳水化合物合成与累积

63光质与碳水化合物运输利用

64光质与种子生产

65光质与植物源—库关系

66育苗光质及移栽产量效应

67光质在植物增产中的应用策略

68连续光照产量调控效应

第七章植物工厂植物光质品质生理

71光质对蔬菜营养品质的影响

72光质对药用植物药用成分含量的影响

73UV辐射对蔬菜营养品质的影响

74LED光质对蔬菜外观品质的影响

75LED光质调控园艺作物营养品质的影响因素

76采收前连续光照蔬菜品质调控作用

第八章植物工厂植物光质逆境生理

81植物的抗逆生理及其光质的调控作用

82光逆境及光质调控作用

83其他非生物逆境及光质调控作用

84生物逆境及光质调控作用

第九章植物工厂植物光质光合生理

91植物光质需求规律的研究史

92植物光质需求规律（Plant spectral requirement rule,PSRR）

建立

93植物生理有效辐射光合生理

94光质与植物光合荧光

第十章植物工厂植物光质环境生理

101光质与温度互作生理

102光质与湿度互作生理

103光质与CO2浓度互作生理

104光质与风速互作生理

105光质与养分互作生理

106植物种类及品种光质生理差异

第十一章人工光植物工厂LED光质调控

111人工光植物工厂植物种类及其采收器官

112人工光植物工厂药用植物调控

113人工光植物工厂水培叶菜调控

114人工光植物工厂水培叶菜LED光源研发现状

115人工光植物工厂植物生理障碍及光质调控机制

116植物工厂营养液自毒物质去除技术

第一章植物工厂光环境及其调控概述

摘要：植物工厂是设施园艺发展的必然趋势和高级阶段，是颠覆性的土地利用方式和农作方式，可以通过替代或补充传统设施园艺模式实现我国设施园艺科技和产业的跨越式发展，解决当前我国设施园艺以简易设施（日光温室和塑料大棚）、土壤栽培和设施内被动式环控为特征的生产方式中的诸多的资源、环境和生产效率问题，也是实现21世纪农业可持续发展和食物安全保障的有效途径。植物工厂作为技术高度密集、资源高效利用型的立体化集约化的现代农业生产方式，被认为是突破资源环境约束，保障食物安全，提升生产效率，发展现代农业，实现乡村振兴和生态文明的重要途径，东亚、欧美等一些国家和地区高度重视植物工厂的发展。我国是植物工厂技术装备研发与产业化发展最快的国家，在引进消化吸收再创新的基础上，在国家研发项目和产业政策引导下，在农业企业和照明企业的转型探索下，仅用十几年的时间使该领域的研发由跟跑发展到世界先进水平。我国植物工厂产业发展受到多元背景因素的直接或间接驱动，包括气候变化、资源、环境、食物安全、国内外设施园艺发展、社会发展水平和科技发展水平等。从概念上讲，植物工厂是有档次级别之分的，其本质优势在于植物生产要素的智能化管控水平，按此标准可分为4类。20世纪60—90年代，LED光源的陆续发明与半导体照明技术的成熟是推动植物工厂21世纪快速发展的最直接、最有效、最持久和综合效益最高的技术装备因素，兼具多重效益目标、多元调控内涵、多样应用场景，成为替代传统光源，实现植物工厂生产全要素智能化管控的关键且不可或缺的一环。植物工厂是LED光源应用的最佳场所,LED光源植物工厂应用的优选光源，LED植物工厂是人工光植物工厂的发展基本方向。LED光源植物工厂研发与应用激发了植物工厂产业和农业照明产业活力，成为农业和照明行业跨界交叉发展的原动力和产业增长点；同时，也催生了植物光生物学的分支即植物光质生理学学科。植物工厂是植物光质生理学研究与应用的理想场所和设施类型，光环境调控对植物优质高产稳产的农学意义重大。植物工厂高效运营有待于植物光质生理学的深入揭示，植物光质生理学规律的揭示将为植物工厂光环境调控乃至环控策略建立提供科学依据。本章总结了植物工厂的定义与内涵、发展背景、生产优势、环境调控因素及调控方法、光环境内涵、植物光质生理学的定义与内涵、植物工厂光源特征及应用方法。

根据Science杂志和联合国预测，世界人口至21世纪将持续增长，到2050年将达到96亿人，而到2100年可达110亿人。我国人口也将大幅增加，到2030年将达到145亿～16亿人，粮食等农产品需要大幅度增产才能满足消费需求。逐年递增的世界人口将对食物和粮食、燃料、纤维、饲料类农产品及功能化合物需求逐年增加，而土地等农业资源数量减少和质量降低，农田环境污染日益恶化，气候变化导致的极端天气和自然灾害日趋频繁，农田生态系统产能受自然条件的束缚难以持续增长且增长潜力有限，粮食和食物产出难以保证，供给侧与需求侧在粮食和食物数量与质量关系上出现矛盾，食物数量安全与质量安全问题日益凸显。如何保障粮食和食物安全与农产品有效供应已成为21世纪必须解决的重大现实问题。为此，我国必须大力发展现代农业，保障粮食、食物安全和农产品有效供给，消灭隐形饥饿，提高农业生产的现代化水平和生产效率，这已成为是国家长期发展战略，国计民生意义十分重大。我国农业资源有限，现在用占世界1/10的耕地、6%的淡水生产了占世界1/4粮食，养活了占世界1/4的人口。2017年全国粮食总产量为618亿t，比2016年增加了166万t，增长了03%（国家统计局数据）。根据估算，我国2030年需要粮食为72亿t，而露地农田单产采用传统技术提升空间有限，在耕地面积有限情况下，亟待开发新的粮食或食物生产方式。

设施农业在保障我国食物安全和农产品有效供给，尤其是在确保“菜篮子”安全方面具有不可或缺的作用，是现代农业的重要组成部分。设施农业作为环境可控，周年生产的高效农业生产方式，越来越受到人们的关注，在动植物和食用菌等农产品生产，尤其是高品质鲜活食物供给，均衡农产品四季供给，解决人类隐性饥饿等方面具有十分重要的应用价值，已成为现代农业的主体业态。设施园艺可通过环境控制促进或延迟农业生物的生长发育与繁殖过程，按照人类的时空要求获得所需要的植物和食用菌产品。从2018年中国工程科技论坛—智慧农业论坛获取信息可知，我国设施园艺栽培面积高居世界首位，业界估计2016年已达到4765万hm2，产值超146万亿元。其中，设施蔬菜面积占78%。设施园艺通过强化设施内光照、温度和CO2等可再生环境要素，对植物及水肥等非可再生要素实施精准控制，可根据作物不同生长发育阶段的水肥需求进行定量供给，提高资源利用率，充分体现了“环境替代资源的战略”发展思路。

设施农业可通过环境因子调控来提高农业生产

前言

发展现代农业，保障粮食安全和农产品有效供给已成为国家长期发展战略。提高农业生产的现代化水平和生产效率对实现现代农业绿色发展、乡村振兴、生态文明具有战略意义。设施农业作为环境可控，周年生产的高效农业生产系统越来越受到人们的关注，在动物、植物和食用菌等农产品生产，尤其是在保障反季节鲜活农产品均衡供给，解决人类隐性饥饿等方面具有十分重要产业价值。通过环境因子调控来提高生产效率是设施农业的本质特征，可摆脱自然条件的束缚，实现资源环境的调节与耦合利用，从而不同程度地具备了周年生产的能力。纵观我国设施园艺发展史，从简易塑料大棚、日光温室直至连栋温室、植物工厂，展示了园艺设施随科技发展不断进步的轨迹。植物工厂是设施园艺发展的高级阶段和必然趋势，是颠覆性农作方式和土地利用方式，对解决21世纪人口、资源环境和食物安全问题具有重要应用价值。植物工厂的发展具有深刻的技术、社会、资源环境、人口和气候变化等背景，多种驱动因素促进了植物工厂技术研发和产业发展。植物工厂是在通过设施内高精度环境控制实现作物周年连续生产的系统，是一种不受或很少受自然条件制约的高效农业生产方式，是设施园艺发展的高级阶段。植物工厂广义上分为太阳光植物工厂和人工光植物工厂，分别兴起于欧美国家和日本。植物工厂狭义上是指人工光植物工厂。太阳光植物工厂可用于所有园艺作物种类的生产，特别是植株高大且生育期较长的园艺作物。人工光植物工厂则主要生产植株矮小且生育期较短的园艺作物，两者具有互补性和差异性，人工光植物工厂可用于种苗、茎叶菜、根菜、药用植物、苗菜、花卉和组培苗等植物产品的规模化生产，自动化完成由种子到产品的过程。

光作为环境信号和光合作用的能量来源，是设施动植物、食用菌生长发育和产量品质形成的必需环境要素。在自然界中，太阳光照不仅存在日变化，且随地理纬度、季节和天气状况的不同而发生改变。人工光在农业生产（蔬菜、药用植物、种苗和食用菌等）中的应用规模正在大幅增加，已成为设施农业的重要环控手段，人工光的适宜性及智能管控水平很大程度上决定了设施园艺生产效率的高低。很显然，人工光调控在保障设施园艺智能化控制、优质、高产、稳产中具有不可或缺的作用，是一种现代农业发展的必需工程手段，其技术装备研发与产业化需求日益迫切。实际上，根据设施生物的光生物学需求，设置人工光环境及其管理策略，进行动态智能化管控，设施农业才能彻底摆脱自然光照的束缚，实现人为操控，按需调控光照条件。确切地讲，光照是设施园艺生产中最后一个实现智能调控的环境因子，其决定性科技进步是第4代半导体电光源LED照明技术的发展进步。LED光质丰富，光谱可组合调制，光环境智能可控，环保节能，体积小冷光源，被业界人士誉为设施农业的理想光源和替代光源，半导体固态照明的农业应用是必然趋势。LED可作为唯一光源或补光光源满足设施园艺作物光环境配置需求，最大限度地增加生物光效，实现设施园艺生产的大幅节能，提质增效。基于LED的固态照明的应用是过去几十年来设施园艺照明的最大进步之一，其广泛应用具有里程碑式的意义。植物照明属于非视觉照明、农业照明或超越照明的范畴。

LED智能植物工厂是人工光植物工厂研发与应用的方向，建立基于植物种类的高效生产的光配方、营养液配方及环控配方是LED智能植物工厂植物生理学研究的核心目标。植物工厂领域光配方是指基于植物种类或品种及其生育期的最佳的光环境配置数据库，实现节能条件下光环境的智能控制和植物的优质高产。因此，光配方的构建需要先确立植物种类和品种，确定通过植物工厂条件下的生育期阶段划分的数量及其时长，根据生产评价指标，多波次研究确定各生育期的最优光质、光强和光周期及其变化模式，从数量和质量双重层次定义光环境匹配的整体方案。光配方是一个规模不等的数据库，具有复杂性。光配方的组成强烈依赖于植物种类和品种，同时光配方构成具有时空特性，随生育期的延伸发生改变。通常，光配方的核心内容应包括每个生育期的光强、光质和光周期参数以及末端调控特殊光环境手段组成，只能依赖智能控制系统来执行实施。基于光配方的植物工厂光环境动态管理水平高低决定着LED智能植物工厂运行效率（高产、优质和节能）的高低，智能光环境管理是植物工厂核心关键技术。光质是指光源所发射光照的光谱能量分布。光质的本质属性是光谱组成特征，而光谱组成具有空间和能量特征。植物光质生理学是植物光生物学的分支，是研究LED植物生理有效辐射（可见光、UV和远红光）单色光与其组合光及其数量属性对植物生长发育和产量品质形成调控的生理学规律，包括群体、个体、组织、器官、细胞和分子尺度，可为设施园艺光环境调控提供生理学依据。植物光质生理学是光生物学的重要内容，是设施农业尤其是设施园艺光调控技术研发与规模化应用的科学基础和技术关键。植物光