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第Ⅰ部分 环境可控的设施农业概况及其意义3

第1章 都市农业为何选择LED照明3

1.1 简介3

1.1.1 都市农业的益处3

1.1.2 使用LED的益处4

1.2 本书的范围4

1.3 都市农业的技术背景6

1.3.1 行业性和全球性技术6

1.3.2 全球性技术行业化6

1.3.3 全球性技术创新影响下一代都市农业7

1.4 下一代都市农业9

1.5 CPPS10

1.5.1 CPPS的概念11

1.5.2 CPPS中的速率变量估值11

1.5.3 RUE和CP12

1.5.4 速率变量的控制12

1.5.5 当前PFAL的优势13

1.5.6 PFAL当前的缺点和挑战14

参考文献14

第2章 综合环境控制型都市农业系统15

2.1 简介15

2.2 CEA近期的发展16

2.2.1 保护性耕作16

2.2.2 温室17

2.2.3 CEPPS17

2.2.4 植物量产工程17

2.2.5 PFAL18

2.3 CEA在城市食物和农业系统中扮演的角色18

2.4 CEA的实用组件和子系统19

2.4.1 作为整体系统的CEA：ACESys模型20

2.5 Ie CEA22

2.6 CEA系统信息论和分析学23

2.6.1 用于CEA决策支撑的ConSEnT24

2.6.2 决策支撑和分析25

2.7 眼下和未来的CEA所面临的机遇和挑战26

2.7.1 挑战26

2.7.2 机遇26

2.8 小结27

参考文献27

第3章 开放的农业计划——食在未来29

3.1 食品计算30

3.2 开放平台和开放数据32

3.3 整合AI实验33

3.4 构建食品互联网并启用社区34

3.5 一个表达平台35

参考文献36

第Ⅱ部分 环境光对植物生长和发育的影响39

第4章 PFAL光环境概述39

4.1 光作为能量和信号源39

4.2 光环境的组成部分40

4.2.1 光照在植物冠层中的光谱分布40

4.3 PFAL中的光环境40

4.3.1 LED阵列作为光源的特性41

4.3.2 PFAL培养空间中PPFD的空间分布41

4.3.3 受到植物冠层影响的培养空间光环境41

4.4 向上补光41

4.5 温室补光42

4.5.1 温室补光的目的42

4.5.2 有效补光的环境控制43

参考文献43

第5章 光作为调节生长发育的信号44

5.1 感光体与它们的功能44

5.1.1 光敏色素（Phy）44

5.1.2 隐花色素（Cry）47

5.1.3 向光素（Phot）47

5.1.4 Zeitlupe蛋白家族（ZTL/FKF1/LKP2）47

5.1.5 UV-B受体（UVR8）48

5.2 光依赖性种子萌发48

5.3 脱黄化49

5.4 向光性50

5.5 避荫反应51

5.6 昼夜节律与生物响应52

5.7 生物钟的门控效应53

参考文献55

第6章 影响季节性开花的因素58

6.1 光周期性开花58

6.2 成花素与抑花素58

6.3 开花与季节性时间测量60

6.4 菊花的开花时间调节61

6.5 水稻中光周期开花的分子机制63

6.6 其他植物物种中的开花时间调节64

6.7 春化处理65

参考文献66

第7章 LED PFAL培养空间的光环境70

7.1 简介70

7.2 材料与方法70

7.2.1 软件70

7.2.2 变量及其假定值作为唯一的输入数据70

7.2.3 检查因子以显示它们对PPFD分布的影响71

7.3 结果与讨论74

7.3.1 C-PPFD和％L的总结74

7.3.2 S-PPFD的总结75

7.3.3 案例1：培养面板表面的反射率（r）75

7.3.4 案例2：垂直侧面反射器的宽度（W）76

7.3.5 案例3: LED灯管之间的非均匀距离77

7.3.6 案例4：垂直布局77

7.3.7 案例5:窄角光分布78

7.3.8 案例6：植物冠层高度（h）79

7.4 关于最佳光环境的一些思考80

7.4.1 最佳PPFD80

7.4.2 最佳光期与暗期81

7.4.3 最佳光质81

7.4.4 环境因素之间的相互作用82

7.5 未来的工作82

7.5.1 挑战82

参考文献83

第Ⅲ部分 植物叶片和冠层的光学和生理特征87

第8章 叶片的光学特性和生理特性87

8.1 简介87

8.2 叶片的光学特性88

8.2.1 叶片朝向和叶片中垂直光强分布88

8.2.2 叶片的色素和吸收光谱89

8.3 叶片的生理特性90

8.3.1 光合作用90

8.3.2 蒸腾作用92

8.3.3 输导作用93

参考文献93

第9章 植物冠层的光学与生理学特性95

9.1 简介95

9.2 光通过植物冠层后的衰减情况96

9.3 植物冠层的消光系数97

9.4 冠层内光谱特性的考虑99

9.5 冠层内的光合作用100

9.5.1 冠层光合作用的特点100

9.5.2 估计冠层内光合速率的简单方法100

9.5.3 生长分析101

参考文献102

第10章 空间光环境和植物冠层结构评估103

10.1 简介103

10.2 植物冠层中PPFD分布的测量103

10.3 植物冠层结构评估104

10.4 LAI评估106

10.4.1 直接和间接评估106

10.4.2 运用了冠层间隙度的方法106

10.4.3 光谱反射率的运用108

10.4.4 图像分析108

10.5 植物冠层表面PPFD分布的评估108

10.5.1 认识冠层表面光分布的重要性108

10.5.2 基于反射图像的冠层表面PPFD评估方法109

10.5.3 应用110

参考文献112

第11章 人工光源下植物生长的光效和用以评估光效的植物生长模型113

11.1 简介113

11.2 叶片吸收的光能113

11.2.1 光能利用率113

11.2.2 植物吸收的光能比例114

11.2.3 提高电能利用率114

11.3 基于冠层PPFD分布的光效115

11.4 用于评估光效的植物生长模型117

11.4.1 简单生长模型117

11.4.2 植物生长的二维和三维建模117

参考文献119

第12章 物理环境对光合作用、呼吸作用和蒸腾作用的影响121

12.1 简介121

12.2 蒸腾作用121

12.2.1 水汽扩散模型122

12.2.2 湿度的影响123

12.2.3 根际环境的影响123

12.2.4 光强与光谱的影响124

12.2.5 CO2浓度的影响124

12.2.6 温度的影响124

12.3 呼吸作用125

12.3.1 暗呼吸与光呼吸125

12.3.2 温度的影响125

12.3.3 O2与CO2浓度的影响126

12.3.4 光强的影响126

12.4 光合作用126

12.4.1 CO2扩散模型126

12.4.2 CO2浓度的影响127

12.4.3 光强的影响128

12.4.4 温度的影响128

参考文献129

第13章 单个叶片周围与植物冠层内部的气流分布以及其对植物蒸腾作用、光合作用和各器官温度的影响130

13.1 简介130

13.2 气流速度对单个叶片的边界层阻力、光合作用与蒸腾作用的影响131

13.3 空气流速对植物器官表面的影响134

13.4 光强和空气流速对植物冠层内部空气温度、水蒸气气压和CO2浓度的影响136

13.5 小结137

参考文献137

第Ⅳ部分 使用LED进行补光照明的温室作物生产141

第14章 通过LED照明进行光期延长和暗期中断来调控花期141

14.1 简介141

14.2 传统照明142

14.3 LED光源142

14.3.1 调控长日照植物花期的主要波段142

14.3.2 调节短日照植物开花的临界波段145

14.3.3 传统灯具和LED之间的比较146

14.4 小结147

参考文献148

第15章 通过控制LED光质和DLI影响植物形态150

15.1 简介150

15.2 DLI对植物形态建成的影响150

15.3 光质对植物光形态建成的影响151

15.3.1 红光151

15.3.2 蓝光152

15.3.3 远红光152

15.4 补光152

15.4.1 LED补光在观赏苗木和扦插繁殖中的应用153

15.4.2 LED补光在观赏性作物加工方面的应用157

15.4.3 蔬菜生产中应用LED补光158

15.5 小结159

参考文献160

第16章 补光技术在温室果实类蔬菜种植中的应用162

16.1 简介162

16.2 果实类蔬菜的补光类型和光源162

16.2.1 顶部补光162

16.2.2 顶部补光与叶间补光的结合164

16.2.3 单独叶间补光165

16.3 光强、光周期和补光的DLI167

16.4 通过LED补光提高果实品质168

16.5 其他领域中补光的应用169

16.6 温室补光的经济效益169

参考文献171

第17章 植物照明的最新进展173

17.1 简介173

17.2 第八届国际园艺光学研讨会173

17.3 新园艺照明书174

17.4 植物照明应用标准174

17.5 效率与功效174

参考文献175

第Ⅴ部分 光质对植物生理和形态的影响179

第18章 光质对绿叶植物幼苗及种子中次级代谢的影响179

18.1 简介179

18.2 抗氧化活性179

18.3 维生素186

18.4 食用品质的提升190

18.5 显色193

18.6 小结197

参考文献197

第19章 绿光照明对植物的抗病性和其他生理响应的诱导199

19.1 简介199

19.2 通过绿光照明诱导抗病性199

19.2.1 光质对与抗病性有关的基因表达的影响199

19.2.2 绿光对草莓炭疽病的影响201

19.2.3 绿光对棒孢霉叶斑病的影响202

19.3 绿光的各种影响203

19.3.1 蜘蛛螨控制203

19.3.2 生长促进204

19.3.3 功能性物质与糖含量的增加205

19.3.4 休眠抑制、花芽分化以及抽苔207

19.4 小结207

参考文献208

第20章 光质对植物叶片肿大（水肿）的影响209

20.1 简介209

20.2 肿大的描述和影响210

20.2.1 解剖学与形态学210

20.2.2 遗传学210

20.2.3 光合作用与产量213

20.2.4 审美及经济影响214

20.3 光质影响肿大214

20.3.1 紫外线214

20.3.2 蓝光和绿光215

20.3.3 红光和远红光216

20.3.4 小结217

参考文献217

第Ⅵ部分 LED照明下商业植物工厂的现状221

第21章 我国台湾PFAL的商业模式221

21.1 简介221

21.2 商业模式221

21.3 小结223

参考文献224

第22章 亚洲、欧洲和其他地区的商业PFAL与LED照明市场的现状225

22.1 简介225

22.2 日本境内的市场现状225

22.2.1 日本PFAL行业背景225

22.2.2 现今日本PFAL行业的发展趋势226

22.2.3 现今日本LED PFAL和LED照明市场的趋势227

22.3 欧洲、亚洲以及其他地区的市场现状231

22.3.1 欧洲境内的市场现状231

22.3.2 亚洲地区和其他地区的市场现状234

22.4 小结：对基于LED照明的PFAL发展的一些预测235

参考文献236

第23章 北美地区基于LED照明的商业垂直农业的现状237

23.1 简介237

23.2 北美垂直农业行业背景237

23.3 现今垂直农业照明市场的发展趋势240

23.4 用于垂直农业的LED照明设计现状241

23.5 小结：垂直农业照明的发展预测242

参考文献242

第24章 全球范围内PFAL行业的LED照明厂商、经济分析和市场开拓243

24.1 简介243

24.2 全球PFAL LED照明行业参与者243

24.2.1 PFAL LED照明行业参与者的全球趋势243

24.2.2 总部在亚洲的PFAL LED照明行业的参与者244

24.2.3 总部在欧洲的PFAL LED照明行业的参与者253

24.2.4 总部在北美洲的PFAL LED照明行业的参与者258

24.3 经济分析261

24.4 PFAL的市场开拓263

参考文献264

第25章 消费者对PFAL生产蔬菜的印象和理解265

25.1 简介265

25.2 消费者对日本PFAL生产蔬菜的看法266

25.2.1 消费者对PFAL及其产品的印象266

25.2.2 相关知识对消费者印象的影响268

25.3 日本消费者对于PFAL生产蔬菜的理解269

25.3.1 认知与识别过程269

25.3.2 理解程度270

25.3.3 影响顾虑程度的因素271

25.4 我国香港案例研究272

25.4.1 我国香港的认知、理解和印象272

25.4.2 知识与信心之间的关系273

25.5 PFAL业务的未来展望274

25.5.1 对PFAL生产的蔬菜的潜在需求274

25.5.2 营销活动和宣传教育的必要性275

25.6 小结275

参考文献276

第Ⅶ部分 LED和用于植物栽培的LED照明的基础知识279

第26章 辐射测量、光度测量和光子测量的数据表达和单位279

26.1 简介279

26.2 植物栽培中光子量的重要性279

26.3 辐射测量、光度测量和光子测量中的基本量以及它们的SI单位279

26.3.1 辐射强度（W sr-1）280

26.3.2 辐射通量（辐射功率）（W） （＝[Js-1]）280

26.3.3 辐射能（J）280

26.3.4 辐照度（Wm-2）280

26.3.5 发光强度（cd）280

26.3.6 光通量（lm）281

26.3.7 光量（lms）281

26.3.8 照度（lx）281

26.3.9 光量子强度（mol s-1sr-1）282

26.3.10 光量子通量（mol s-1）282

26.3.11 光量子数（光量子的数量）（mol）282

26.3.12 光量子通量密度（光量子辐照度）（mol m- 2 s- 1）282

26.4 辐射测量、光度测量和光子测量的量的光谱分布282

26.5 辐射测量、光度测量和光子测量的量的定量关系282

26.6 光合有效辐射285

参考文献286

第27章 植物栽培的LED基础287

27.1 简介287

27.2 LED产品术语的定义287

27.2.1 LED288

27.2.2 LED封装288

27.2.3 LED模块288

27.2.4 LED控制装置288

27.2.5 LED灯288

27.2.6 LED光源288

27.2.7 LED灯具289

27.2.8 LED照明系统289

27.3 LED的发光原理289

27.4 LED封装配置类型289

27.5 表示LED的光学、电气和辐射特性的基本术语291

27.5.1 正向电流（A）291

27.5.2 半宽（半最大值）（nm）291

27.5.3 发光强度（cd）291

27.5.4 辐射通量（W）（=Js-1）292

27.5.5 峰值波长（nm）292

27.5.6 发光半角（°）292

27.6 LED操作的光学、电气和辐射特性292

27.7 照明方法293

27.8 辐射通量控制方法293

27.9 植物种植对LED灯的特殊要求294

27.10 LED灯具在植物栽培中的优点和缺点294

27.10.1 使用LED灯具的优点294

27.10.2 使用LED灯具的缺点296

27.11 植物栽培中的发光效率和能量—光子转换效率297

27.11.1 发光效率297

27.11.2 植物培养的能量—光子转换效能297

参考文献298

第28章 用于植物培养的LED的光度和辐射特性测量299

28.1 植物的光环境299

28.1.1 光谱分布曲线299

28.1.2 PPFD299

28.1.3 特定波长范围的光量子通量比301

28.1.4 光质环境特征汇总表的创建301

28.2 LED照明系统的特点302

28.2.1 光谱分布（光谱辐射／光通量分布）302

28.2.2 发光强度（发光强度分布）的角分布302

28.2.3 光合有效辐射能量效率（J J-1）302

28.2.4 光合光量子数效能（μmol J-1）303

28.2.5 LED照明系统特性汇总表的创建303

参考文献304

第29章 LED光学系统的结构布置、功能和应用305

29.1 简介305

29.2 半导体P-n结和光发射306

29.3 调节发射307

29.3.1 基本LED驱动电路308

29.3.2 植物栽培的LED照明模式308

29.4 散热309

29.5 辐照表面光子通量密度的分布311

参考文献312

第30章 LED和LED照明系统的能量平衡与能量转换过程315

30.1 发光功效和从电力输入到光合有效辐射的转换效率315

30.2 光能和电能的利用效率316

30.2.1 基于植物干重的PAR能量利用效率和电能利用效率316

30.2.2 基于净光合速率的光合光量子利用效率和电能利用效率317

30.3 影响基于植物干重的电能利用效率的因素317

30.3.1 在培养期间中每个培养区域内灯具的电能消耗以及每个培养区域内灯具所发射的PAR能量318

30.3.2 在有或没有植物的培养区域内接收到的PAR能量318

30.3.3 光能固定为植物干重中的化学能319

参考文献321

第31章 由于职业暴露于LED灯光下对健康的影响：以PFAL中的植物培养工作为例323

31.1 简介323

31.2 颜色感知与植物培养工作323

31.2.1 颜色感知的神经基础323

31.2.2 颜色感知的精神物理学定律324

31.2.3 标准色度图327

31.2.4 色彩恒常性327

31.2.5 绿色植物在LED照明下的色彩表现328

31.3 具有人工照明的PFAL和温室中的单色LED灯可能的健康影响329

31.3.1 昼夜节律329

31.3.2 蓝光对眼睛的有害影响331

31.3.3 UV-C对眼睛的有害影响331

31.4 眩光与植物培养工作331

31.5 劳动者的理想照明环境以及照明职业健康规范332

参考文献333

第32章 走向自学习封闭式植物生产系统335

32.1 简介335

32.2 任务335

32.3 下一代CPPS： s-CPPS336

参考文献338