用于通過光增強(qiáng)可食用植物部分中的營養(yǎng)價(jià)值的方法以及為此的照明設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于通過光增強(qiáng)可食用植物部分中的營養(yǎng)價(jià)值的方法，以及涉及為此的照明設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]園藝照明在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。例如，US2010031562描述了一種用于在溫室耕作中使用以用于照明溫室中的農(nóng)作物的照明裝置，其包括提供在要被照明的農(nóng)作物上方的數(shù)個(gè)光源(諸如燈)，以及用于光源的數(shù)個(gè)調(diào)光器設(shè)備，所述照明裝置的特征在于調(diào)光器設(shè)備提供有用于與調(diào)光器設(shè)備協(xié)作地根據(jù)預(yù)確定的圖案周期性地自動(dòng)改變光源的光強(qiáng)度的控制構(gòu)件。US2010031562旨在提供一種分別用于溫室耕作的方法和照明裝置。特別地，光源被分成數(shù)個(gè)組，照明設(shè)置被設(shè)計(jì)使得在使用中每一個(gè)組的功率根據(jù)預(yù)確定的圖案變化，而不同組的圖案相對(duì)于彼此相移使得由聯(lián)合組消耗的電功率相比各個(gè)組的功率變化的總和變化得較少，更特別地使得由聯(lián)合組消耗的電功率相比單個(gè)組的功率變化變化得較少，更特別地還使得由聯(lián)合組消耗的電功率變化至最小可能程度，或者至少實(shí)質(zhì)上不改變。特別地，所有圖案相同，但是僅相對(duì)彼此相移。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]植物使用光合作用過程來將光、0)2和H 20轉(zhuǎn)換成碳水化合物(糖)。這些糖被用來為新陳代謝過程提供燃料。過量的糖被用于生物量形成。該生物量形成包括莖伸長(zhǎng)、葉面積增加、成花、果實(shí)形成等。負(fù)責(zé)光合作用的光感受體是葉綠素。除光合作用之外，光周期現(xiàn)象、趨光性和光形態(tài)發(fā)生作用是涉及輻射和植物之間的相互作用的代表性過程:
?光周期現(xiàn)象是指植物必須感測(cè)和測(cè)量輻射的周期性(例如以誘導(dǎo)成花)的能力，
?趨光性是指植物的生長(zhǎng)移動(dòng)朝向和遠(yuǎn)離輻射，以及
?光形態(tài)發(fā)生作用是指響應(yīng)于輻射的質(zhì)量和數(shù)量而在形式方面的改變。
[0004]葉綠素的兩個(gè)重要吸收峰a和b位于紅色和藍(lán)色區(qū)中，特別地分別從625_675nm和從425-475nm。附加地，還存在近UV (300_400nm)處和遠(yuǎn)紅色區(qū)(700_800nm)中的其它局域峰。主要光合作用活動(dòng)看起來發(fā)生在波長(zhǎng)范圍400-700nm內(nèi)。該范圍內(nèi)的輻射被稱為光合作用有效輻射(PAR)。
[0005]植物中的其它光敏感過程包括光敏色素。光敏色素活動(dòng)操縱(steer)不同響應(yīng)，諸如葉擴(kuò)展、鄰近感知、陰影避免、莖伸長(zhǎng)、種子發(fā)芽和成花誘導(dǎo)。光敏色素光系統(tǒng)包括兩種形式的光敏色素Pr和Pfr，它們分別具有其在660nm處的紅色中和730nm處的遠(yuǎn)紅色中的敏感峰。
[0006]在園藝中，光合作用光子通量密度(PPFD)以每單位面積每秒的光子數(shù)目來測(cè)量(以Mmol/sec/m2為單位，Imol對(duì)應(yīng)于6.10 23個(gè)光子)。在實(shí)踐中，當(dāng)應(yīng)用例如居間照明(inter-lighting)(參見下文)時(shí)，特別地對(duì)于西紅柿，所使用的紅色PPFD可以典型地為200Mmol/sec/m2。比率藍(lán)色:紅色可以典型地為1:7(其中紅色和藍(lán)色的范圍分別從625_675nm和從400-475nm)。特別地，光合作用光子通量密度可以包括大約10%藍(lán)色和大約90%紅色。PPFD可以從光電二極管確定或者直接利用光電倍增管測(cè)量。
[0007]植物生長(zhǎng)不僅取決于光的量而且取決于植物上的光的頻譜組成、持續(xù)時(shí)間和時(shí)序。就這些方面而言的參數(shù)值的組合被稱為用于生長(zhǎng)植物的“光配方”。
[0008]LED可以在園藝照明中發(fā)揮各種作用，諸如:
1.補(bǔ)充照明:使用補(bǔ)充自然日光的照明以便增加(例如西紅柿的)生產(chǎn)或延長(zhǎng)例如農(nóng)作物價(jià)格可能更高時(shí)的秋季、冬季和春季時(shí)段期間的農(nóng)作物生產(chǎn)。
2.光周期性照明:光的每日持續(xù)時(shí)間對(duì)于許多植物是重要的。24小時(shí)循環(huán)中的亮暗時(shí)段之比影響許多植物的開花響應(yīng)。借助于補(bǔ)充照明操控該比率使得能夠調(diào)整開花的時(shí)間。
3.在植物工廠中沒有日光的栽培。
4.組織培養(yǎng)。
[0009]為了在秋季、冬季和春季期間在溫室中(或在多層生長(zhǎng)中的全年)提供補(bǔ)充照明，一般使用高功率氣體放電燈，其必須安裝在植物上方相對(duì)高的位置處以確保跨植物的足夠均勻的光分布。當(dāng)前，在溫室中使用范圍從600直到1000W的不同類型的高功率燈(例如高功率HID)以為植物提供補(bǔ)充光。一個(gè)缺點(diǎn)在于，從植物上方的位置，到達(dá)植物的較低部分的光的量相當(dāng)有限。同時(shí)，植物的較低部分通常最需要補(bǔ)充光。當(dāng)使用安裝在植物上方的固態(tài)照明時(shí)，持續(xù)相同的困境。不管怎樣，LED照明，特別地固態(tài)照明，具有優(yōu)于基于放電的照明的一些優(yōu)點(diǎn)。
[0010]營養(yǎng)是用于維持或改善個(gè)體健康所需要的化學(xué)物質(zhì)。營養(yǎng)被用來構(gòu)建和修復(fù)組織，調(diào)整身體過程并且被轉(zhuǎn)換成和用作能量。營養(yǎng)由植物產(chǎn)生，其主要作為次級(jí)代謝物。代謝物是代謝過程的產(chǎn)物。初級(jí)代謝物直接牽涉在正常植物生長(zhǎng)和發(fā)育中。次級(jí)代謝物是由植物產(chǎn)生的化學(xué)品，尚未發(fā)現(xiàn)其在正常生長(zhǎng)、光合作用、再生或其它初級(jí)功能中的作用。由植物產(chǎn)生的營養(yǎng)的示例是碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素、抗氧化劑和類黃酮(類黃酮是用于花著色的最重要的植物色素；其攝入有助于例如減少冠狀動(dòng)脈疾病)等。
[0011]植物主要在其中光充裕的情況中產(chǎn)生營養(yǎng)。它們從過量糖池(pool)產(chǎn)生；“沒有代價(jià)”，因?yàn)樗鼈冇芍参锊荒軌蚍峙溆糜谏L(zhǎng)的糖構(gòu)成。
[0012]在生長(zhǎng)受可用光的量限制的情況下，這相當(dāng)于大多數(shù)情況(在園藝應(yīng)用中)，存在植物或果實(shí)生長(zhǎng)與營養(yǎng)生成之間的負(fù)相關(guān)。換言之，在大多數(shù)情況下，基本上所有光被分配用于生長(zhǎng)而不是生成營養(yǎng)。
[0013]因而，本發(fā)明的一方面是提供一種用于園藝應(yīng)用的可替換照明方法和/或提供一種用于園藝應(yīng)用的可替換照明設(shè)備，其優(yōu)選地進(jìn)一步至少部分地緩解上述缺點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)，并且優(yōu)選地進(jìn)一步增強(qiáng)/刺激營養(yǎng)的產(chǎn)生。
[0014]例如建議使燈位于植物之間。特別地，當(dāng)使用LED時(shí)，這是一種可能性，因?yàn)長(zhǎng)ED可以分布成以便提供植物之間的相當(dāng)均勻的光照而不引起與LED接觸的植物的葉子的灼燒。這種補(bǔ)充照明的方法被稱為居間照明(同樣參見圖la)。然而，如以下所描述的，LED照明可以在特定實(shí)施例中還被用來非均勻地光照?qǐng)@藝或農(nóng)作物部分；例如為了應(yīng)對(duì)(address)園藝的不同部分(諸如果實(shí))，可能期望光的不同頻譜分布。
[0015]為了發(fā)展果實(shí)重量、外觀和物理強(qiáng)度，農(nóng)作物使用頻譜的各種部分以用于各種過程。特別地，分別具有440-470nm之間和660nm附近的波長(zhǎng)的頻譜的藍(lán)色和紅色區(qū)中的光子被吸收并被植物高效地使用以用于光合作用，而且用于其它發(fā)育過程。因此，為了最大化每發(fā)射光子的量的產(chǎn)出，光源的頻譜組成可以優(yōu)選地限制到導(dǎo)致最優(yōu)結(jié)果的特定頻譜區(qū)。因此，由于窄頻譜發(fā)射范圍，對(duì)于園藝應(yīng)用而言，LED非常合適并且非常高效。
[0016]放大到各種植物的具體需求，變得明顯的是各種植物可以獲益于獨(dú)特的頻譜光組成。為了給出示例，一些植物在一些生長(zhǎng)階段中可能需要大約5%藍(lán)光和大約95%紅光的量，而其它植物和/或植物的其它生長(zhǎng)階段可能需要大約10%藍(lán)光和大約90%紅光以得到最優(yōu)生長(zhǎng)和發(fā)育(同樣參見上文)。此外，一些植物可能在將頻譜擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅色，即超過675nm，諸如在范圍675-800nm中，比如大約750nm時(shí)更高效地發(fā)育。因此，每種類型的農(nóng)作物可能需要特定頻譜和因此的特定LED選擇/組合，這導(dǎo)致大量不同LED類型和數(shù)目。因而，對(duì)于園藝照明，這意味著人們需要寬產(chǎn)生范圍以覆蓋農(nóng)作物的特定需求而同時(shí)在能量使用方面是高效的，具有低產(chǎn)生成本，或者人們需要靈活并且在LED模塊產(chǎn)生成本和植物種植者的所有權(quán)成本方面仍可負(fù)擔(dān)的產(chǎn)品。
[0017]發(fā)明人提出在用于生長(zhǎng)和產(chǎn)出的最優(yōu)光條件下生長(zhǎng)果實(shí)或蔬菜并且僅在收獲之前的最后幾天期間使用光以得到額外的營養(yǎng)價(jià)值。而且，在承載果實(shí)的植物的情形中，我們將用于額外的營養(yǎng)價(jià)值的該光主要瞄準(zhǔn)在果實(shí)處。因而，通過提供輻射(光)，特別地具有特定頻譜光分布，(在特定時(shí)間段中)積累營養(yǎng)，并且由此增強(qiáng)(增加)可食用植物部分中的營養(yǎng)價(jià)值。
[0018]因此，本發(fā)明在第一方面中提供一種用于增強(qiáng)農(nóng)作物的第一植物部分中的營養(yǎng)價(jià)值的方法，其中第一植物部分包括可食用植物部分(其可以至少部分地處于土地上方)，其中除第一植物部分之外農(nóng)作物包括一個(gè)或多個(gè)其它(土地上方的)植物部分，其中該方法包括在特定時(shí)段(在本文中還被指示為“營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段”或簡(jiǎn)單地“時(shí)段”)期間利用被選擇成增強(qiáng)所述第一植物部分中的營養(yǎng)的形成的園藝光來優(yōu)先地光照所述第一植物部分的目標(biāo)部分，同時(shí)允許一個(gè)或多個(gè)其它(土地上方的)植物部分經(jīng)受不同光條件，其中營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段在收獲第一植物部分之前的兩周內(nèi)開始。
[0019]這樣，利用增強(qiáng)營養(yǎng)價(jià)值的積累的園藝光優(yōu)先地光照可食用植物部分。植物的其它部分可以不接收光，或接收較少的光，或其它光(同樣參見下文)。由于這是在收獲之前的短時(shí)間完成的，因此可以獲得最優(yōu)結(jié)果。
[0020]用于應(yīng)用園藝光(被選擇成增強(qiáng)所述第一植物部分中的營養(yǎng)的形成)的營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段可以在收獲之前的兩周時(shí)段內(nèi)開始。這暗示著該時(shí)段也可以在收獲之前的一周開始等。因而，在實(shí)施例中，該方法包括在收獲第一植物部分之前的一周開始營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段。
[0021]時(shí)段可以在固定時(shí)間開始，或者可以在取決于例如第一植物部分的成熟度的時(shí)間開始。因而，通過人類檢查和/或利用(光學(xué))傳感器，農(nóng)作物和/或(多個(gè))第一植物部分的狀態(tài)可以被評(píng)估，并且基于此可以開始營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段(距收獲的兩周內(nèi)的某個(gè)地方)。甚至可以是基于該評(píng)估設(shè)定收獲時(shí)間和/或日期，并且基于此將園藝光應(yīng)用到第一植物部分，然而不早于距計(jì)劃收獲的兩周內(nèi)。因而，在實(shí)施例中，方法包括感測(cè)第一植物部分的成熟度并且基于此確定營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段的開始。這可以利用光學(xué)傳感器完成，盡管也可以應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)其它傳感器，比如氣體傳感器(其評(píng)估代謝物存在和/或頻譜)，和/或營養(yǎng)攝取傳感器等。
[0022]盡管營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段在不早于收獲之前的兩周的時(shí)間開始，但是方法不必牽涉在營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段期間(或營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段的開始之后)利用園藝光對(duì)第一植物部分的恒定光照。例如，可以在之后跟隨白天-夜晚方案。另外，光照強(qiáng)度或積分通量(fluence)可以(因而)隨時(shí)間變化并且可以可選地取決于農(nóng)作物和/或其(多個(gè))第一植物部分的評(píng)估，諸如利用一個(gè)或多個(gè)傳感器?；诖?，積分通量可以被適配成提供最優(yōu)結(jié)果。另外，光照強(qiáng)度可以還取決于植物工廠內(nèi)的環(huán)境光強(qiáng)度，該環(huán)境光強(qiáng)度也可以是時(shí)間相關(guān)的。因而，在實(shí)施例中，園藝光的強(qiáng)度可以是可變的。這樣，營養(yǎng)價(jià)值可以很好地受控，并且可選地還可以獲得更均勻(從營養(yǎng)價(jià)值和/或尺寸的意義上說)的第一植物部分，諸如果實(shí)。
[0023]本發(fā)明因而允許單個(gè)農(nóng)作物的不同部分經(jīng)受不同光條件。因而(可食用)第一植物部分可以在營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段期間接收例如具有與(非可食用)其它(土地上方的)(非可食用)植物部分不同的頻譜波長(zhǎng)分布和/或強(qiáng)度的光。至少第一植物部分接收的光可以(至少部分地)受控，而可選地，甚至更特別地，其它植物部分接收的光也可以受控。其它植物部分因而可以接收光(光條件)，但是相比第一植物部分具有另一強(qiáng)度和/或特別地具有另一頻譜波長(zhǎng)分布。因而，相比農(nóng)作物的(土地上方)其余部分，第一植物部分可以看作是在營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段期間經(jīng)受光以經(jīng)受另一光配方。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚的，在其中例如根部處于全光吸收介質(zhì)(諸如土壤)中的實(shí)施例中，這些不被視為經(jīng)受光條件。短語“經(jīng)受光條件”和類似短語特別地暗示著經(jīng)受光條件的部分進(jìn)行接收，諸如一般至少所有土地上方部分可以接收光。
[0024]在另外的方面中，本發(fā)明還提供一種可以例如在該方法中應(yīng)用的照明設(shè)備(或照明器)。因而，在另外的方面中，本發(fā)明提供一種包括特別地布置在光源的2D陣列中的多個(gè)光源的照明設(shè)備，其中光源的2D陣列包括光源的第一子集和光源的第二子集，其中第一子集和第二子集單獨(dú)可控，其中在特定實(shí)施例中照明設(shè)備還被配置成在營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段期間提供園藝光，其具有至少在選自范圍300-475nm的第一波長(zhǎng)處和選自范圍600_800nm的第二波長(zhǎng)處具有光強(qiáng)度的頻譜光分布，其中在所述營養(yǎng)增強(qiáng)照明時(shí)段期間，相比光源的第二子集，光源的第一子集提供具有在所述波長(zhǎng)范圍中的一個(gè)或多個(gè)中的較高強(qiáng)度的園藝光。這些兩個(gè)或多個(gè)子集可以關(guān)于照明時(shí)間、光強(qiáng)度和頻譜光分布中的一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)可控。在另一實(shí)施例中，照明設(shè)備如上文所限定，但是多個(gè)光源布置在ID陣列中。
[0025]該照明設(shè)備可以在所指示的時(shí)段處向(可食用)植物部分的目標(biāo)部分提供期望的光。該設(shè)備在下文進(jìn)