论文部分内容阅读
|摘要|光照和温度是设施黄瓜生长的主要限制因子。秋冬季节，北欧高纬度地区、俄罗斯及中国北方温室光照严重不足，增加人工补光设备，为设施黄瓜生长提供适合的光源光谱、光照强度和电器灯具配置，可改善设施内的光照质量并显著提升黄瓜的品质和产量。研究表明，大功率农用高压钠灯（HPS）顶部补光加中小功率农用高压钠灯（HPS）株间补光组合方案，更适宜这些地区设施黄瓜种植的补光需要。通过确定光照设备的最佳补光照射夹角、配置密度和配置方位规律，以及调节补光设备光源和主要配件的更换周期，可增加设施黄瓜生产效益。
黄瓜（Cucumis sativus L.）是设施种植最广泛的蔬菜种类之一，其单果重量、果实长度、果实横径、果实营养、果实表观和保质期等影响着黄瓜产品的等级，而光照和温度则是设施黄瓜生长的主要限制因子[1]。秋冬季节，北欧等高纬度地区、俄罗斯以及中国北方，设施内自然光照长期不足，会严重影响黄瓜的生长。通过合理配置人工补光设备，改善设施内的光照质量，调节光照强度等措施可以提升黄瓜的品质与产量。生产中，部分园区采用HPS顶部补光（Toplight）加LED株间补光（Interlight）的补光组合[2]，珠海美光原科技股份有限公司经试验研究证实，不同功率和规格的HPS（TL，1000 W;IL，250 W）组合（图 1），可以取得更理想的效果。以芬兰的3 hm2设施黄瓜为例，黄瓜品质等级高，年产量达到了300 kg/m2以上。本文结合芬兰设施黄瓜生产案例，详细阐释了设施黄瓜补光设备的配置和应用方法。
设施黄瓜的生长条件
黄瓜是喜温喜光作物，最适宜生长温度为18～32℃，最适宜光合作用的温度是25～32℃。芬兰地处北欧高纬度地区（北纬60°～70°），冬季多数以多云或雨雪天气为主，冬季平均气温在-15～3℃左右，远低于黄瓜正常生长的光照和温度条件，所以增加设施内的人工补光设备和供暖设备必不可少。俄罗斯和中国北方的高纬度地区，气候条件与此类似。配合利用自然光，设施黄瓜的补光系统包括TL和IL。TL提供温室内人工补光的大部分来源，但并不会100%被作物吸收。这是因为，一方面来自温室顶部的人工补光会被植株冠层上部遮蔽，冠层中下部的叶片和果实受光面积减少;另一方面植株行间相互遮蔽，导致作物植株中下部受光面积减少，这两种情况都会影响补光效果，因此增加作物株间补光非常必要[3]，实际增产效果也非常显著。采用大功率HPS（TL）在植株行宽的正上方[4]，与植株冠层的上下叶面之间构成不同夹角，确保植株上下叶面均能受光，平均3～4 m2/盏。株间辅以小功率可升降管式HPS（IL），可以确保不同方位的植株均匀受光，不留补光死角。
温室照明设备性能对比
HPS和LED性能对比
设施内人工补光的电力费用相当高，占到生产成本的30%～40%[5]。因此选择有效的光源至关重要，且在此基础上光源的光合光子通量（PPF）越高越好。HPS具备成本低、功率大、光输出量大且寿命长、光谱适合作物生长需要等特点。结合设施黄瓜温室的地理位置和实际补光强度需要，一般可以选用600～1000 W的HPS（TL）。例如，HPS 1000 W，PPF 2100 μmol/s，寿命大于20000 h（约4～5年使用寿命）。而LED实际应用效果暂时没有明显优势：①相比HPS，LED确实节能，目前一般按照HPS功率数值的60%替换为相应的LED产品（即1000 W的HPS以600W的LED替代），但在实际使用过程中LED促进植物光合作用，提升黄瓜产量的效果并不突出[6]，主要原因是光源光谱、表面的热辐射和其它能量输出不足[7]。②目前LED的设备投资成本很高，同样的光通量，单价成本远高于同规格的HPS产品。③温室运营商会觉得采用LED补光不经济。1.5倍的补光能源成本，仅能应用于HPS补光系统下温室面积的1/5。使用LED补光设备，温室黄瓜产量也比HPS补光系统低10%～20%。而且LED补光设备尺寸较大，其外壳会遮挡15%～30%的自然光线。
HPS的功率和电压对比
芬兰设施黄瓜温室的主要光源是功率为1000 W的HPS（TL），以400 V电压为主，有230 V和400 V电压电源可以选择。补光灯在不同电压下的光谱和光强度表现得都很好（I1=5.5 A;I2=4.1 A;I3=3.1 A）。由表1和图2可看到温室内HPS与LED的特点比较。
相比于400 V，HPS在230 V电压下的光输出差异并不大，但是1000 W/400 V的HPS补光强度更大，且分布在Y（黄光）-R（红光）谱区，促进植物光合作用的效果最好，这款大功率的高光效补光灯广泛用于芬兰设施黄瓜项目的顶部补光。HPS具体配置何种功率和电压，用不用内反灯（图3），需要专业人员根据具体情况测算后才能确定。
电感和数字镇流器特点
任何气体放电灯，包括HPS，都在镇流器上工作。镇流器使用特点产生的影响体现在整体照明设备的有效性和技术上。现在HPS主要使用电感镇流器和数字镇流器，两种镇流器的特点见表2。
数字镇流器优点是启动电流小，较高功率因数，在灯电压波动下功率稳定性好，可远程控制，能够调节光通量，光输出稳定，重量更轻。数字镇流器应用前景广泛，能够提升温室照明设备有效性20%～30%。在不同的人工光系统设计方案中选择合适的配光设备、额定技术参数可以提高温室照明设备的有效性。
人工光系统设计方案优化
合理的配光方案需要结合温室材料的透光性和当地自然光的照射规律，综合考虑TL、TL加IL等不同的补光选择及补光时间，以确保设计的补光方案让作物植株冠层受光面积最大、光源输出量最大、补光时长适宜、设施黄瓜产量最高，经济性最好。
有效活動系数和配光曲线
有效活动系数和配光曲线是影响温室光照设备有效性的主要因子。有效活动系数是指光源光通量从电器获得的比例。显然，有效活动系数越高越好。目前电器有效活动系数大约在0.8～0.95，并且很接近理论最大值1。配光曲线描绘的是电器射线在空间中的分配，它取决于光的最大强度电压，配光曲线分为宽的（max=55°～85°），半宽的（max=35°～55°），余弦（max=0°～35°）。
黄瓜（Cucumis sativus L.）是设施种植最广泛的蔬菜种类之一，其单果重量、果实长度、果实横径、果实营养、果实表观和保质期等影响着黄瓜产品的等级，而光照和温度则是设施黄瓜生长的主要限制因子[1]。秋冬季节，北欧等高纬度地区、俄罗斯以及中国北方，设施内自然光照长期不足，会严重影响黄瓜的生长。通过合理配置人工补光设备，改善设施内的光照质量，调节光照强度等措施可以提升黄瓜的品质与产量。生产中，部分园区采用HPS顶部补光（Toplight）加LED株间补光（Interlight）的补光组合[2]，珠海美光原科技股份有限公司经试验研究证实，不同功率和规格的HPS（TL，1000 W;IL，250 W）组合（图 1），可以取得更理想的效果。以芬兰的3 hm2设施黄瓜为例，黄瓜品质等级高，年产量达到了300 kg/m2以上。本文结合芬兰设施黄瓜生产案例，详细阐释了设施黄瓜补光设备的配置和应用方法。
设施黄瓜的生长条件
黄瓜是喜温喜光作物，最适宜生长温度为18～32℃，最适宜光合作用的温度是25～32℃。芬兰地处北欧高纬度地区（北纬60°～70°），冬季多数以多云或雨雪天气为主，冬季平均气温在-15～3℃左右，远低于黄瓜正常生长的光照和温度条件，所以增加设施内的人工补光设备和供暖设备必不可少。俄罗斯和中国北方的高纬度地区，气候条件与此类似。配合利用自然光，设施黄瓜的补光系统包括TL和IL。TL提供温室内人工补光的大部分来源，但并不会100%被作物吸收。这是因为，一方面来自温室顶部的人工补光会被植株冠层上部遮蔽，冠层中下部的叶片和果实受光面积减少;另一方面植株行间相互遮蔽，导致作物植株中下部受光面积减少，这两种情况都会影响补光效果，因此增加作物株间补光非常必要[3]，实际增产效果也非常显著。采用大功率HPS（TL）在植株行宽的正上方[4]，与植株冠层的上下叶面之间构成不同夹角，确保植株上下叶面均能受光，平均3～4 m2/盏。株间辅以小功率可升降管式HPS（IL），可以确保不同方位的植株均匀受光，不留补光死角。
温室照明设备性能对比
HPS和LED性能对比
设施内人工补光的电力费用相当高，占到生产成本的30%～40%[5]。因此选择有效的光源至关重要，且在此基础上光源的光合光子通量（PPF）越高越好。HPS具备成本低、功率大、光输出量大且寿命长、光谱适合作物生长需要等特点。结合设施黄瓜温室的地理位置和实际补光强度需要，一般可以选用600～1000 W的HPS（TL）。例如，HPS 1000 W，PPF 2100 μmol/s，寿命大于20000 h（约4～5年使用寿命）。而LED实际应用效果暂时没有明显优势：①相比HPS，LED确实节能，目前一般按照HPS功率数值的60%替换为相应的LED产品（即1000 W的HPS以600W的LED替代），但在实际使用过程中LED促进植物光合作用，提升黄瓜产量的效果并不突出[6]，主要原因是光源光谱、表面的热辐射和其它能量输出不足[7]。②目前LED的设备投资成本很高，同样的光通量，单价成本远高于同规格的HPS产品。③温室运营商会觉得采用LED补光不经济。1.5倍的补光能源成本，仅能应用于HPS补光系统下温室面积的1/5。使用LED补光设备，温室黄瓜产量也比HPS补光系统低10%～20%。而且LED补光设备尺寸较大，其外壳会遮挡15%～30%的自然光线。
HPS的功率和电压对比
芬兰设施黄瓜温室的主要光源是功率为1000 W的HPS（TL），以400 V电压为主，有230 V和400 V电压电源可以选择。补光灯在不同电压下的光谱和光强度表现得都很好（I1=5.5 A;I2=4.1 A;I3=3.1 A）。由表1和图2可看到温室内HPS与LED的特点比较。
相比于400 V，HPS在230 V电压下的光输出差异并不大，但是1000 W/400 V的HPS补光强度更大，且分布在Y（黄光）-R（红光）谱区，促进植物光合作用的效果最好，这款大功率的高光效补光灯广泛用于芬兰设施黄瓜项目的顶部补光。HPS具体配置何种功率和电压，用不用内反灯（图3），需要专业人员根据具体情况测算后才能确定。
电感和数字镇流器特点
任何气体放电灯，包括HPS，都在镇流器上工作。镇流器使用特点产生的影响体现在整体照明设备的有效性和技术上。现在HPS主要使用电感镇流器和数字镇流器，两种镇流器的特点见表2。
数字镇流器优点是启动电流小，较高功率因数，在灯电压波动下功率稳定性好，可远程控制，能够调节光通量，光输出稳定，重量更轻。数字镇流器应用前景广泛，能够提升温室照明设备有效性20%～30%。在不同的人工光系统设计方案中选择合适的配光设备、额定技术参数可以提高温室照明设备的有效性。
人工光系统设计方案优化
合理的配光方案需要结合温室材料的透光性和当地自然光的照射规律，综合考虑TL、TL加IL等不同的补光选择及补光时间，以确保设计的补光方案让作物植株冠层受光面积最大、光源输出量最大、补光时长适宜、设施黄瓜产量最高，经济性最好。
有效活動系数和配光曲线
有效活动系数和配光曲线是影响温室光照设备有效性的主要因子。有效活动系数是指光源光通量从电器获得的比例。显然，有效活动系数越高越好。目前电器有效活动系数大约在0.8～0.95，并且很接近理论最大值1。配光曲线描绘的是电器射线在空间中的分配，它取决于光的最大强度电压，配光曲线分为宽的（max=55°～85°），半宽的（max=35°～55°），余弦（max=0°～35°）。