综述：人工光照下受控环境农业中的光生物学、光合作用及植物响应

这篇综述系统阐述了LED技术在受控环境农业(CEA)中的光谱调控作用，聚焦光强(PPFD)、光质(UV/蓝/绿/红/远红光)和光周期对植物光形态建成、光合效率及胁迫适应的调控机制，提出了动态光谱管理策略，为优化作物产量与能源效率提供理论依据。

　　

光作为植物发育的双重信号

光在植物生长中扮演着双重角色：既是光合作用的能量来源（通过光反应将光子转化为糖类），又是调控光形态建成的环境信号。光敏色素(PHY)、隐花色素(CRY)和向光素(PHOT)等光受体感知特定波长，调控从种子萌发到开花的关键生理过程。LED技术的精确光谱控制能力，使得在温室和垂直农场中可定向激活这些光受体，从而调控作物形态、色素合成和营养品质。

光强与冠层动态的平衡

光合光子通量密度(PPFD)和日累积光量(DLI)的优化是CEA的核心。单叶光合饱和点通常为400-600 μmol m^-2 s^-1，而密集冠层需要700-1000 μmol m^-2 s^-1以确保下层叶片获光。蓝光虽促进气孔开放和叶绿素合成，但超过10-15%比例会引发氧化应激；红光虽驱动光合作用效率最高，但单一红光会导致"红光综合征"——表现为叶绿体结构异常和气孔功能障碍。采用红蓝光组合或添加远红光可有效规避这些问题。

光受体的光谱感知网络

植物通过五类光受体解码光谱信息：

• 光敏色素(PHY)：感知红(650-670 nm)/远红光(705-740 nm)，调控避荫反应(SAS)和开花
• 隐花色素(CRY)：响应蓝光(400-500 nm)和UV-A，影响生物钟和光保护
• 向光素(PHOT)：介导叶绿体运动和气孔开闭
• UVR8：特异性感知UV-B信号
• ZEITLUPE家族：精细调控光周期

例如，夜间施加远红光可降低光敏色素稳态(PSS)，诱导番茄节间伸长；而蓝光能通过激活PsbA等基因促进PSII修复。

光周期的时空调控策略

光周期不仅影响开花时间，还作为新型非生物胁迫因子。动态光照方案（如16小时光照+3小时光谱峰值+8小时黑暗）可缓解番茄光周期损伤。值得注意的是，蓝光在长日照条件下能诱导短日植物开花，这打破了传统光周期理论，为作物反季节栽培提供新思路。

光谱组分的协同效应

蓝光：增强Rubisco密度和非光化学淬灭(NPQ)，但降低水分利用效率
红光：提高生物量但抑制气孔导度
绿光：穿透冠层深层，提升下层叶片光合量子产额达70%
远红光：通过Emerson效应提升PSI活性，使生菜辐射利用效率(RUE)提高20%
UV：刺激黄酮类合成，UV-C(254 nm)处理可使罗勒精油含量提升35%

迈向标准化光配方

当前研究存在三大矛盾：光源差异（荧光灯vs LED）、品种特异性（如黄瓜与生菜对远红光响应相反）、环境互作（CO₂浓度影响光饱和点）。建议建立包含光谱指纹、PPFD阈值和光平衡系数的标准化协议。智能照明系统通过IoT实时调节光谱，结合电价波动模型，可实现能耗降低30%而不减产。

未来展望

垂直农场中全人工光环境的精确控制，配合UV增强型LED和AI算法，将推动CEA从经验导向转向数据驱动。动态光谱策略如"日出-正午-日落"模拟光谱，既能维持作物品质，又可匹配电网负荷，代表下一代智慧农业的发展方向。