為什么說生菜是最適合植物工廠生產的作物
作者: 時間: 2024-06-19
受控環境農業(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)。植物工廠設置中，21天的生長期是生菜正常生長的常見時間(Ahmed等人，2020)。通過優化LED光強度、光周期和二氧化碳濃度，可以減少不同生菜品種的栽培時間，從而實現高效的光合作用和植物生長(Kozai,2013)。生菜需水量相對較高，根系較淺，因此非常適合在受控系統中進行水培生產。人工照明植物工廠(PFAL)的栽培環境應通過調節光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度、營養元素和水分等因素進行控制(JAS0012:2019)。所有這些因素的組合將決定新鮮農產品的數量和質量(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作為補充照明（Kameoka和Hashimoto，2019年）。微型PFAL設計有多種不同的功能，可用于餐廳、超市（步入式微型PFAL）、家庭、公共場所和城市社區（Lu等人，2022年；Nakamura和Shimizu，2019年）。室內農業主要采用的生產技術是水培（51%）、氣培（20%）、土培（13%）和水產養殖（9%）（Shahbandeh，2022年）。低細菌和真菌污染是人工照明植物工廠(PFAL)生產的蔬菜的主要特征(Armanda等，2019)。外部和內部環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生產的最終產品是供人類食用的，因此必須引入HACCP系統，這在封閉和受控的環境和工藝系統中更容易實現。
從生物學角度來看，水培生菜生產的成功取決于環境，環境參數是根據物種、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的非生物因素（光、水、溫度、氣流速度、O2、CO2、營養物質）和生物因素，此外，還必須對所有因素進行優化。在這些因素中，光是一個關鍵因素；然而，文獻中仍然缺少對生菜生產光參數的引入和表征的全面綜述。由于封閉生產系統的特殊性以及近年來LED照明技術的改進，可以使用復雜的設置來為植物生產提供最佳條件。然而，科學文獻中關于在室內設施中生長的生菜對光的反應的陳述往往是矛盾的（Bergstrand等人，2016年）。這是由于生菜品種、實驗設置、研究設施、營養液和其他幾個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特定LED照明設置的反應，但很少同時研究作物生產力、資源利用效率和產品質量。最后，來自植物工廠和公司的大部分數據都不對外公開（Zhou等人，2022年）。
最近的綜述中，關于光作為單一因素的論述較少；Ahmed等人(2020a)專注于復雜的生長環境。Wong等人(2020)廣泛綜述了不同的波長及其組合以及生化背景。文獻計量綜述(Nájera等人，2023)總結了典型的光照設置（光譜、強度、光周期、每日光積分）。然而，關于空間光均勻性以及向上照明、間照和光脈動的論述較少。Xiao等人(2022)廣泛綜述了光控制技術對番茄營養特性的影響。幾位作者（Ili?和Fallik，2017年；Mahendran等人，2019年；ThiliniDeepashikaPerera等人，2022年；Urban等人，2018年）回顧了采后照明對蔬菜的利用，重點關注采后品質。Shafiq等人（2021年）修訂了光質和強度對某些蔬菜的影響，特別強調了光合作用相關性狀。幾位作者（Tan等人，2022年；Urban等人，2018年）回顧了單一光譜對不同質量和數量參數的影響。幾位作者提出了用于太空溫室的LED環境（Berkovich等人，2017年；Nguyen等人，2023年）。
顯然，有幾項研究涉及在PFAL系統中進行的植物生產實驗。其中一部分研究側重于生菜生產，主要關注有限的子主題，例如光譜、光譜組合或PPFD設置對發育或植物營養素積累的影響。此類研究的局限性在于它們使用的多樣性。由于實驗因素（品種、生長介質、施加的光質量、數量）的多種組合，結果幾乎無法比較。在我們的工作中，我們嘗試收集和綜合1990年至2023年期間零散但相關的科學結果。
在我們的工作中，我們旨在了解生菜生產的光相關機制，這需要對生菜品種和生長階段以及環境因素（如光質（光譜特性）、數量（PPFD）、均勻性、持續時間和脈動）采取系統的方法。除了光之外，我們還討論了環境條件及其在受控環境中與人工光的可能最佳范圍之間的相互作用，這些人工光對生菜幼苗和后期生長的影響。為了在智能PFAL系統中成功生產生菜，有關自動光配方、生長預測因子、機器視覺、生長配方以及控制系統和自動化的知識至關重要。在本綜述中，使用了書目數據庫（ScienceDirect、Scopus、WebofScience、GoogleScholar）來查找1990年至2023年期間發表的出版物。應用的關鍵詞涵蓋了與生菜PFAL生產相關的生產生物學短語；詳細列表見附表S1。與以前的研究相比，還介紹了生菜PFAL生產系統的未來預期趨勢，特別強調了光參數和測量的技術發展、PFAL育種、植物營養素優化、標準化、植物廢棄物、循環經濟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作為補充照明（Kameoka和Hashimoto，2019年）。微型PFAL設計有多種不同的功能，可用于餐廳、超市（步入式微型PFAL）、家庭、公共場所和城市社區（Lu等人，2022年；Nakamura和Shimizu，2019年）。室內農業主要采用的生產技術是水培（51%）、氣培（20%）、土培（13%）和水產養殖（9%）（Shahbandeh，2022年）。低細菌和真菌污染是人工照明植物工廠(PFAL)生產的蔬菜的主要特征(Armanda等，2019)。外部和內部環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生產的最終產品是供人類食用的，因此必須引入HACCP系統，這在封閉和受控的環境和工藝系統中更容易實現。
從生物學角度來看，水培生菜生產的成功取決于環境，環境參數是根據物種、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的非生物因素（光、水、溫度、氣流速度、O2、CO2、營養物質）和生物因素，此外，還必須對所有因素進行優化。在這些因素中，光是一個關鍵因素；然而，文獻中仍然缺少對生菜生產光參數的引入和表征的全面綜述。由于封閉生產系統的特殊性以及近年來LED照明技術的改進，可以使用復雜的設置來為植物生產提供最佳條件。然而，科學文獻中關于在室內設施中生長的生菜對光的反應的陳述往往是矛盾的（Bergstrand等人，2016年）。這是由于生菜品種、實驗設置、研究設施、營養液和其他幾個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特定LED照明設置的反應，但很少同時研究作物生產力、資源利用效率和產品質量。最后，來自植物工廠和公司的大部分數據都不對外公開（Zhou等人，2022年）。
最近的綜述中，關于光作為單一因素的論述較少；Ahmed等人(2020a)專注于復雜的生長環境。Wong等人(2020)廣泛綜述了不同的波長及其組合以及生化背景。文獻計量綜述(Nájera等人，2023)總結了典型的光照設置（光譜、強度、光周期、每日光積分）。然而，關于空間光均勻性以及向上照明、間照和光脈動的論述較少。Xiao等人(2022)廣泛綜述了光控制技術對番茄營養特性的影響。幾位作者（Ili?和Fallik，2017年；Mahendran等人，2019年；ThiliniDeepashikaPerera等人，2022年；Urban等人，2018年）回顧了采后照明對蔬菜的利用，重點關注采后品質。Shafiq等人（2021年）修訂了光質和強度對某些蔬菜的影響，特別強調了光合作用相關性狀。幾位作者（Tan等人，2022年；Urban等人，2018年）回顧了單一光譜對不同質量和數量參數的影響。幾位作者提出了用于太空溫室的LED環境（Berkovich等人，2017年；Nguyen等人，2023年）。
顯然，有幾項研究涉及在PFAL系統中進行的植物生產實驗。其中一部分研究側重于生菜生產，主要關注有限的子主題，例如光譜、光譜組合或PPFD設置對發育或植物營養素積累的影響。此類研究的局限性在于它們使用的多樣性。由于實驗因素（品種、生長介質、施加的光質量、數量）的多種組合，結果幾乎無法比較。在我們的工作中，我們嘗試收集和綜合1990年至2023年期間零散但相關的科學結果。
在我們的工作中，我們旨在了解生菜生產的光相關機制，這需要對生菜品種和生長階段以及環境因素（如光質（光譜特性）、數量（PPFD）、均勻性、持續時間和脈動）采取系統的方法。除了光之外，我們還討論了環境條件及其在受控環境中與人工光的可能最佳范圍之間的相互作用，這些人工光對生菜幼苗和后期生長的影響。為了在智能PFAL系統中成功生產生菜，有關自動光配方、生長預測因子、機器視覺、生長配方以及控制系統和自動化的知識至關重要。在本綜述中，使用了書目數據庫（ScienceDirect、Scopus、WebofScience、GoogleScholar）來查找1990年至2023年期間發表的出版物。應用的關鍵詞涵蓋了與生菜PFAL生產相關的生產生物學短語；詳細列表見附表S1。與以前的研究相比，還介紹了生菜PFAL生產系統的未來預期趨勢，特別強調了光參數和測量的技術發展、PFAL育種、植物營養素優化、標準化、植物廢棄物、循環經濟和基于人工智能的有效性
文章來源：葉菜俠科技