论文标题：Optimizing Light Environment for Pakchoi in Plant Factories: Interactive Effects of Photoperiod and Light Intensity on Growth, Photosynthesis, and Energy-Use Efficiency

论文链接：https://www.mdpi.com/2311-7524/12/2/215

期刊名：Horticulturae

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/horticulturae

导读

植物工厂作为闭合且严格控制的设施农业模式，可提供稳定的生产、较高的产量和洁净的产品，且不受外部气候影响。然而，这类系统存在高能耗问题，其中人工光源既是保障作物高产的核心条件，也是主要能耗来源之一。如何在提升产量的同时实现节能增效，是该领域亟待突破的关键问题。

光强与光周期是构建人工光环境的两个重要因子，共同影响作物的日照积分（DLI）及生长表现，但二者交互作用下青菜光合生理与能量利用效率的响应机制仍有待进一步明确。近期，上海应用技术大学姜玉萍副教授团队和上海市农业科学院丁小涛研究员团队在 Horticulturae 期刊发表的文章“Optimizing Light Environment for Pakchoi in Plant Factories: Interactive Effects of Photoperiod and Light Intensity on Growth, Photosynthesis, and Energy-Use Efficiency”，系统揭示了光强与光周期对青菜生长、光合性能及能量利用效率的综合调控机制。研究发现，产量最大化与能量效率最优分别对应不同的光环境组合，二者之间存在一定权衡关系。该研究为植物工厂叶菜类作物光环境优化，提供了兼顾产量与能耗的理论参考。

研究过程与结果

本研究以青菜（Brassica rapa ssp. chinensis var. communis）“新夏青9号”为材料，在植物工厂条件下设置3个光强（100、175、250 μmol·m^-2·s^-1）和4个光周期（8、12、16、20 h·d^-1）处理，共形成12种光环境组合，系统研究了青菜的生长指标、叶绿素含量、光合气体交换参数、CO₂响应曲线、叶绿素荧光参数（包括快速诱导动力学OJIP）及能量利用效率。研究结果表明，光强与光周期对青菜生物量、光合能力和能量效率具有显著的交互作用。在20 h光周期配合175 μmol·m^-2·s^-1光强（20-175）处理下，青菜实现了最高的光能利用效率（9.69%）和电能利用效率（4.98%）。光合性能方面，16 h光周期配合250 μmol·m^-2·s^-1（16-250）处理下，最大净光合速率（A_max）达到32.61 μmol·m^-2·s^-1，且光系统II和I的协调性最佳。进一步分析发现，尽管20-250处理产量较高，但其能量利用效率并未同步达到最优，反映出产量与能耗之间的典型权衡关系，且该处理在青菜生长后期，对其产生了一定的抑制作用。进一步通过叶绿素荧光快速诱导动力学（OJIP曲线）和JIP-test分析发现，16-250处理下光系统II的电子传递效率最高，活性反应中心密度增加，能量耗散损失最小。而20-250处理虽延长了光照时间，但光系统II的有效量子产量提升有限，非光化学淬灭并未同步增强，光合稳定性受到一定影响。主成分分析进一步揭示，光强与光周期的协同作用主要通过两条路径影响青菜：一条关联于生长与光合能力（PC1），另一条则反映光能分配策略（PC2）。其中，16-250处理在两条主成分上均表现优异，而20-250处理在PC2上偏离明显，反映出其在光能利用策略上的特殊性。

图1. 不同光强与光周期组合下青菜光能利用效率、电能利用效率及能量消耗的综合评价。（A）不同处理下电能利用效率（EUE）；（B）不同处理下光能利用效率（LUE）；（C）鲜重与LUE、EUE的相关性分析；（D）鲜重、LUE与EUE综合表现的雷达图；（E）单位产量照明能耗；（F）总电能消耗。不同字母表示差异显著（p < 0.05）。

研究总结

本研究系统阐明了光强与光周期对青菜生长、光合生理及能量利用效率的综合调控机制，揭示了产量与能量效率之间存在的明确生理权衡。在本试验条件下，中等光强（（175 μmol·m^-2·s^-1））配合长光周期（20 h）能在保证较高产量的同时，显著提升能量利用效率，是实现植物工厂节能生产的优选策略。此外，光系统I与光系统II的协同效率以及光能分配策略，是决定不同光环境组合下能量利用效率差异的关键生理基础。该研究为植物工厂光环境优化提供了从生理机制到应用策略的系统性参考。

Horticulturae 期刊介绍

主编：Luigi De Bellis, Università del Salento, Italy

期刊重点关注温带到热带园艺的所有领域及相关学科，主题包括果树、蔬菜、花卉、苗圃和风景、以及草药和香料作物等，研究涉及整个园艺供应链。