受控环境农业(CEA)中种植的最重要的作物类别之一是“短周期、单次收获的绿叶作物”，例如生菜、罗勒和微型蔬菜：播种后约20天收获的几种幼叶蔬菜的混合物(Kozai,2018a)。生菜是一种生长相对较快的作物，生长周期短、种植密度高、能量需求低(Bantis等人，2018；Zhang等人，2018)。植物工厂设置中，21天的生长期是生菜正常生长的常见时间(Ahmed等人，2020)。通过优化LED光强度、光周期和二氧化碳浓度，可以减少不同生菜品种的栽培时间，从而实现高效的光合作用和植物生长(Kozai,2013)。生菜需水量相对较高，根系较浅，因此非常适合在受控系统中进行水培生产。人工照明植物工厂(PFAL)的栽培环境应通过调节光照、温度、湿度、二氧化碳浓度、营养元素和水分等因素进行控制(JAS0012:2019)。所有这些因素的组合将决定新鲜农产品的数量和质量(Kameoka和Hashimoto,2019)。
无论是否利用日光照明，植物工厂均可分为两类。PFAL用于在封闭环境中种植蔬菜，依靠LED作为唯一光源（Kim等人，2022年；Kozai，2018a），而高科技温室主要利用自然光，并使用LED作为补充照明（Kameoka和Hashimoto，2019年）。微型PFAL设计有多种不同的功能，可用于餐厅、超市（步入式微型PFAL）、家庭、公共场所和城市社区（Lu等人，2022年；Nakamura和Shimizu，2019年）。室内农业主要采用的生产技术是水培（51%）、气培（20%）、土培（13%）和水产养殖（9%）（Shahbandeh，2022年）。低细菌和真菌污染是人工照明植物工厂(PFAL)生产的蔬菜的主要特征(Armanda等，2019)。外部和内部环境之间的低空气交换可以防止病原体和害虫入侵(Ahmed等，2020b；Benke和Tomkins，2017；Mytton-Mills，2018)。由于CEA生产的最终产品是供人类食用的，因此必须引入HACCP系统，这在封闭和受控的环境和工艺系统中更容易实现。
从生物学角度来看，水培生菜生产的成功取决于环境，环境参数是根据物种、品种类型和品种的需求而制定的。在这种综合方法中，必须考虑与植物需求相关的非生物因素（光、水、温度、气流速度、O2、CO2、营养物质）和生物因素，此外，还必须对所有因素进行优化。在这些因素中，光是一个关键因素；然而，文献中仍然缺少对生菜生产光参数的引入和表征的全面综述。由于封闭生产系统的特殊性以及近年来LED照明技术的改进，可以使用复杂的设置来为植物生产提供最佳条件。然而，科学文献中关于在室内设施中生长的生菜对光的反应的陈述往往是矛盾的（Bergstrand等人，2016年）。这是由于生菜品种、实验设置、研究设施、营养液和其他几个非控制因素的差异造成的（Loconsole等人，2019年）。大量研究涉及作物对特定LED照明设置的反应，但很少同时研究作物生产力、资源利用效率和产品质量。最后，来自植物工厂和公司的大部分数据都不对外公开（Zhou等人，2022年）。
最近的综述中，关于光作为单一因素的论述较少；Ahmed等人(2020a)专注于复杂的生长环境。Wong等人(2020)广泛综述了不同的波长及其组合以及生化背景。文献计量综述(Nájera等人，2023)总结了典型的光照设置（光谱、强度、光周期、每日光积分）。然而，关于空间光均匀性以及向上照明、间照和光脉动的论述较少。Xiao等人(2022)广泛综述了光控制技术对番茄营养特性的影响。几位作者（Ilić和Fallik，2017年；Mahendran等人，2019年；ThiliniDeepashikaPerera等人，2022年；Urban等人，2018年）回顾了采后照明对蔬菜的利用，重点关注采后品质。Shafiq等人（2021年）修订了光质和强度对某些蔬菜的影响，特别强调了光合作用相关性状。几位作者（Tan等人，2022年；Urban等人，2018年）回顾了单一光谱对不同质量和数量参数的影响。几位作者提出了用于太空温室的LED环境（Berkovich等人，2017年；Nguyen等人，2023年）。
显然，有几项研究涉及在PFAL系统中进行的植物生产实验。其中一部分研究侧重于生菜生产，主要关注有限的子主题，例如光谱、光谱组合或PPFD设置对发育或植物营养素积累的影响。此类研究的局限性在于它们使用的多样性。由于实验因素（品种、生长介质、施加的光质量、数量）的多种组合，结果几乎无法比较。在我们的工作中，我们尝试收集和综合1990年至2023年期间零散但相关的科学结果。
在我们的工作中，我们旨在了解生菜生产的光相关机制，这需要对生菜品种和生长阶段以及环境因素（如光质（光谱特性）、数量（PPFD）、均匀性、持续时间和脉动）采取系统的方法。除了光之外，我们还讨论了环境条件及其在受控环境中与人工光的可能最佳范围之间的相互作用，这些人工光对生菜幼苗和后期生长的影响。为了在智能PFAL系统中成功生产生菜，有关自动光配方、生长预测因子、机器视觉、生长配方以及控制系统和自动化的知识至关重要。在本综述中，使用了书目数据库（ScienceDirect、Scopus、WebofScience、GoogleScholar）来查找1990年至2023年期间发表的出版物。应用的关键词涵盖了与生菜PFAL生产相关的生产生物学短语；详细列表见附表S1。与以前的研究相比，还介绍了生菜PFAL生产系统的未来预期趋势，特别强调了光参数和测量的技术发展、PFAL育种、植物营养素优化、标准化、植物废弃物、循环经济和基于人工智能的有效性
文章来源：叶菜侠科技
