新型光谱拆分技术优化温室屋顶栽培环境与提升作物生产力的研究

本研究针对温室农业中光环境调控的关键挑战，开发了基于多层膜光谱拆分技术(S-ST)的温室屋顶系统(GMR)。通过选择性传输红(650 nm)、蓝(450 nm)和远红外光(735 nm)，显著降低参考蒸散量(ET0)达47%，使甘薯和花生产量分别提升36.7%和23.6%，同时改善可溶性糖、蛋白质等品质指标，为资源受限地区的可持续农业提供创新方案。

　　

在城市化加速和气候变化背景下，传统农业面临土地资源紧张与水资源短缺的双重压力。温室种植虽能部分缓解这些问题，但光环境调控始终是制约作物产量和品质提升的关键瓶颈。现有技术如单色滤光膜存在光谱适应性差、光能利用率低等问题，而玻璃材料虽稳定性好却难以实现精准光谱调控。如何通过低成本技术实现光质优化，同时兼顾能源效率，成为现代农业工程领域的重大挑战。

中国科学技术大学物理科学学院的研究团队在《Heliyon》发表的研究中，创新性地将光谱拆分技术(S-ST)应用于曲面玻璃温室屋顶，通过多层光学膜选择性传输特定波段光线（红650±30 nm、蓝450±30 nm、远红外735±30 nm），同时将剩余光能转化为光伏电力，实现了"光-能-水"协同优化。研究采用对照实验设计，比较了GMR（光谱调制屋顶）、GR（普通玻璃屋顶）和露天栽培(CK)对甘薯和花生生长的影响，监测了环境参数、形态指标、产量及品质参数。

关键技术包括：(1)基于多层膜的光谱拆分系统构建；(2)10 kW级农业光伏(APV)系统集成；(3)蒸散量(ET_c)的FAO标准计算；(4)作物形态与生化指标的标准化测定。实验在安徽阜阳进行，使用当地主栽品种"阜薯1号"甘薯和"白沙"花生，通过三重复随机区组设计确保数据可靠性。

3.1 蒸散量变化特征

GMR使日均太阳辐射降低49%（较CK），空气温度下降1-3°C，相对湿度提高1-2.3%。这种微环境调控使参考蒸散量(ET₀)显著降低47%，花生蒸散量(ET_c)减少50.2%，有效缓解了水分胁迫。统计显示处理间差异极显著(p<0.001)，证实了S-ST对水热平衡的调控作用。

3.2 形态学响应

光谱调制显著促进茎秆伸长，甘薯茎长增加最显著(p=0.012)，这与远红光诱导的避荫反应相关。但分枝数无显著变化，表明光质主要影响纵向生长而非分枝特性。值得注意的是，GMR处理下甘薯大薯比例(50.2%)虽低于CK(61.1%)，但中薯和小薯比例更均衡，反映出生殖分配策略的优化。

3.3 品质提升机制

GMR使甘薯可溶性糖提升15.6%，花生蛋白质增加显著(p<0.05)。脂肪酸分析显示油酸含量提高0.38%，这与红光促进油脂积累的报道一致。但花青素降低25.1%，提示紫外波段过滤可能影响次生代谢。这种"牺牲部分次生代谢换取初级代谢增强"的权衡策略，为品质定向调控提供了新思路。

3.4 产量表现

GMR实现甘薯鲜重增产36.7%，花生干重增产28.7%，且干物质含量显著提高。值得注意的是，普通玻璃屋顶(GR)的花生产量反而低于CK15.1%，凸显了非选择性遮光的负面效应。这种产量-品质协同提升效应，使光能利用效率达到传统温室的1.8倍。

该研究证实，S-ST通过三重机制提升系统效能：(1)光合光谱优化增强光能转化效率；(2)微环境调控降低蒸散耗水；(3)剩余光能发电实现能源互补。这种"一膜三用"的设计，使每公顷温室年发电潜力达107 MWh，直接呼应联合国可持续发展目标(SDGs)中的零饥饿、清洁饮水和气候行动目标。尽管在花青素合成等次生代谢方面存在权衡，但研究为城市农业提供了可扩展的解决方案，特别适用于中国东部光照充足但水资源紧张的地区。未来研究可进一步探索不同作物品种的光谱响应规律，以及大规模应用的经济可行性。