用于通过光增强可食用植物部分中的营养价值的方法以及为此的照明设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于通过光增强可食用植物部分中的营养价值的方法，以及涉及为此的照明设备。
【背景技术】
[0002]园艺照明在现有技术中是已知的。例如，US2010031562描述了一种用于在温室耕作中使用以用于照明温室中的农作物的照明装置，其包括提供在要被照明的农作物上方的数个光源(诸如灯)，以及用于光源的数个调光器设备，所述照明装置的特征在于调光器设备提供有用于与调光器设备协作地根据预确定的图案周期性地自动改变光源的光强度的控制构件。US2010031562旨在提供一种分别用于温室耕作的方法和照明装置。特别地，光源被分成数个组，照明设置被设计使得在使用中每一个组的功率根据预确定的图案变化，而不同组的图案相对于彼此相移使得由联合组消耗的电功率相比各个组的功率变化的总和变化得较少，更特别地使得由联合组消耗的电功率相比单个组的功率变化变化得较少，更特别地还使得由联合组消耗的电功率变化至最小可能程度，或者至少实质上不改变。特别地，所有图案相同，但是仅相对彼此相移。
【发明内容】
[0003]植物使用光合作用过程来将光、0)2和H 20转换成碳水化合物(糖)。这些糖被用来为新陈代谢过程提供燃料。过量的糖被用于生物量形成。该生物量形成包括茎伸长、叶面积增加、成花、果实形成等。负责光合作用的光感受体是叶绿素。除光合作用之外，光周期现象、趋光性和光形态发生作用是涉及辐射和植物之间的相互作用的代表性过程:
?光周期现象是指植物必须感测和测量辐射的周期性(例如以诱导成花)的能力，
?趋光性是指植物的生长移动朝向和远离辐射，以及
?光形态发生作用是指响应于辐射的质量和数量而在形式方面的改变。
[0004]叶绿素的两个重要吸收峰a和b位于红色和蓝色区中，特别地分别从625_675nm和从425-475nm。附加地，还存在近UV (300_400nm)处和远红色区(700_800nm)中的其它局域峰。主要光合作用活动看起来发生在波长范围400-700nm内。该范围内的辐射被称为光合作用有效辐射(PAR)。
[0005]植物中的其它光敏感过程包括光敏色素。光敏色素活动操纵(steer)不同响应，诸如叶扩展、邻近感知、阴影避免、茎伸长、种子发芽和成花诱导。光敏色素光系统包括两种形式的光敏色素Pr和Pfr，它们分别具有其在660nm处的红色中和730nm处的远红色中的敏感峰。
[0006]在园艺中，光合作用光子通量密度(PPFD)以每单位面积每秒的光子数目来测量(以Mmol/sec/m2为单位，Imol对应于6.10 23个光子)。在实践中，当应用例如居间照明(inter-lighting)(参见下文)时，特别地对于西红柿，所使用的红色PPFD可以典型地为200Mmol/sec/m2。比率蓝色:红色可以典型地为1:7(其中红色和蓝色的范围分别从625_675nm和从400-475nm)。特别地，光合作用光子通量密度可以包括大约10%蓝色和大约90%红色。PPFD可以从光电二极管确定或者直接利用光电倍增管测量。
[0007]植物生长不仅取决于光的量而且取决于植物上的光的频谱组成、持续时间和时序。就这些方面而言的参数值的组合被称为用于生长植物的“光配方”。
[0008]LED可以在园艺照明中发挥各种作用，诸如:
1.补充照明:使用补充自然日光的照明以便增加(例如西红柿的)生产或延长例如农作物价格可能更高时的秋季、冬季和春季时段期间的农作物生产。
2.光周期性照明:光的每日持续时间对于许多植物是重要的。24小时循环中的亮暗时段之比影响许多植物的开花响应。借助于补充照明操控该比率使得能够调整开花的时间。
3.在植物工厂中没有日光的栽培。
4.组织培养。
[0009]为了在秋季、冬季和春季期间在温室中(或在多层生长中的全年)提供补充照明，一般使用高功率气体放电灯，其必须安装在植物上方相对高的位置处以确保跨植物的足够均匀的光分布。当前，在温室中使用范围从600直到1000W的不同类型的高功率灯(例如高功率HID)以为植物提供补充光。一个缺点在于，从植物上方的位置，到达植物的较低部分的光的量相当有限。同时，植物的较低部分通常最需要补充光。当使用安装在植物上方的固态照明时，持续相同的困境。不管怎样，LED照明，特别地固态照明，具有优于基于放电的照明的一些优点。
[0010]营养是用于维持或改善个体健康所需要的化学物质。营养被用来构建和修复组织，调整身体过程并且被转换成和用作能量。营养由植物产生，其主要作为次级代谢物。代谢物是代谢过程的产物。初级代谢物直接牵涉在正常植物生长和发育中。次级代谢物是由植物产生的化学品，尚未发现其在正常生长、光合作用、再生或其它初级功能中的作用。由植物产生的营养的示例是碳水化合物、蛋白质、维生素、抗氧化剂和类黄酮(类黄酮是用于花着色的最重要的植物色素；其摄入有助于例如减少冠状动脉疾病)等。
[0011]植物主要在其中光充裕的情况中产生营养。它们从过量糖池(pool)产生；“没有代价”，因为它们由植物不能够分配用于生长的糖构成。
[0012]在生长受可用光的量限制的情况下，这相当于大多数情况(在园艺应用中)，存在植物或果实生长与营养生成之间的负相关。换言之，在大多数情况下，基本上所有光被分配用于生长而不是生成营养。
[0013]因而，本发明的一方面是提供一种用于园艺应用的可替换照明方法和/或提供一种用于园艺应用的可替换照明设备，其优选地进一步至少部分地缓解上述缺点中的一个或多个，并且优选地进一步增强/刺激营养的产生。
[0014]例如建议使灯位于植物之间。特别地，当使用LED时，这是一种可能性，因为LED可以分布成以便提供植物之间的相当均匀的光照而不引起与LED接触的植物的叶子的灼烧。这种补充照明的方法被称为居间照明(同样参见图la)。然而，如以下所描述的，LED照明可以在特定实施例中还被用来非均匀地光照园艺或农作物部分；例如为了应对(address)园艺的不同部分(诸如果实)，可能期望光的不同频谱分布。
[0015]为了发展果实重量、外观和物理强度，农作物使用频谱的各种部分以用于各种过程。特别地，分别具有440-470nm之间和660nm附近的波长的频谱的蓝色和红色区中的光子被吸收并被植物高效地使用以用于光合作用，而且用于其它发育过程。因此，为了最大化每发射光子的量的产出，光源的频谱组成可以优选地限制到导致最优结果的特定频谱区。因此，由于窄频谱发射范围，对于园艺应用而言，LED非常合适并且非常高效。
[0016]放大到各种植物的具体需求，变得明显的是各种植物可以获益于独特的频谱光组成。为了给出示例，一些植物在一些生长阶段中可能需要大约5%蓝光和大约95%红光的量，而其它植物和/或植物的其它生长阶段可能需要大约10%蓝光和大约90%红光以得到最优生长和发育(同样参见上文)。此外，一些植物可能在将频谱扩展到远红色，即超过675nm，诸如在范围675-800nm中，比如大约750nm时更高效地发育。因此，每种类型的农作物可能需要特定频谱和因此的特定LED选择/组合，这导致大量不同LED类型和数目。因而，对于园艺照明，这意味着人们需要宽产生范围以覆盖农作物的特定需求而同时在能量使用方面是高效的，具有低产生成本，或者人们需要灵活并且在LED模块产生成本和植物种植者的所有权成本方面仍可负担的产品。
[0017]发明人提出在用于生长和产出的最优光条件下生长果实或蔬菜并且仅在收获之前的最后几天期间使用光以得到额外的营养价值。而且，在承载果实的植物的情形中，我们将用于额外的营养价值的该光主要瞄准在果实处。因而，通过提供辐射(光)，特别地具有特定频谱光分布，(在特定时间段中)积累营养，并且由此增强(增加)可食用植物部分中的营养价值。
[0018]因此，本发明在第一方面中提供一种用于增强农作物的第一植物部分中的营养价值的方法，其中第一植物部分包括可食用植物部分(其可以至少部分地处于土地上方)，其中除第一植物部分之外农作物包括一个或多个其它(土地上方的)植物部分，其中该方法包括在特定时段(在本文中还被指示为“营养增强照明时段”或简单地“时段”)期间利用被选择成增强所述第一植物部分中的营养的形成的园艺光来优先地光照所述第一植物部分的目标部分，同时允许一个或多个其它(土地上方的)植物部分经受不同光条件，其中营养增强照明时段在收获第一植物部分之前的两周内开始。
[0019]这样，利用增强营养价值的积累的园艺光优先地光照可食用植物部分。植物的其它部分可以不接收光，或接收较少的光，或其它光(同样参见下文)。由于这是在收获之前的短时间完成的，因此可以获得最优结果。
[0020]用于应用园艺光(被选择成增强所述第一植物部分中的营养的形成)的营养增强照明时段可以在收获之前的两周时段内开始。这暗示着该时段也可以在收获之前的一周开始等。因而，在实施例中，该方法包括在收获第一植物部分之前的一周开始营养增强照明时段。
[0021]时段可以在固定时间开始，或者可以在取决于例如第一植物部分的成熟度的时间开始。因而，通过人类检查和/或利用(光学)传感器，农作物和/或(多个)第一植物部分的状态可以被评估，并且基于此可以开始营养增强照明时段(距收获的两周内的某个地方)。甚至可以是基于该评估设定收获时间和/或日期，并且基于此将园艺光应用到第一植物部分，然而不早于距计划收获的两周内。因而，在实施例中，方法包括感测第一植物部分的成熟度并且基于此确定营养增强照明时段的开始。这可以利用光学传感器完成，尽管也可以应用一个或多个其它传感器，比如气体传感器(其评估代谢物存在和/或频谱)，和/或营养摄取传感器等。
[0022]尽管营养增强照明时段在不早于收获之前的两周的时间开始，但是方法不必牵涉在营养增强照明时段期间(或营养增强照明时段的开始之后)利用园艺光对第一植物部分的恒定光照。例如，可以在之后跟随白天-夜晚方案。另外，光照强度或积分通量(fluence)可以(因而)随时间变化并且可以可选地取决于农作物和/或其(多个)第一植物部分的评估，诸如利用一个或多个传感器。基于此，积分通量可以被适配成提供最优结果。另外，光照强度可以还取决于植物工厂内的环境光强度，该环境光强度也可以是时间相关的。因而，在实施例中，园艺光的强度可以是可变的。这样，营养价值可以很好地受控，并且可选地还可以获得更均匀(从营养价值和/或尺寸的意义上说)的第一植物部分，诸如果实。
[0023]本发明因而允许单个农作物的不同部分经受不同光条件。因而(可食用)第一植物部分可以在营养增强照明时段期间接收例如具有与(非可食用)其它(土地上方的)(非可食用)植物部分不同的频谱波长分布和/或强度的光。至少第一植物部分接收的光可以(至少部分地)受控，而可选地，甚至更特别地，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(光条件)，但是相比第一植物部分具有另一强度和/或特别地具有另一频谱波长分布。因而，相比农作物的(土地上方)其余部分，第一植物部分可以看作是在营养增强照明时段期间经受光以经受另一光配方。如本领域技术人员将清楚的，在其中例如根部处于全光吸收介质(诸如土壤)中的实施例中，这些不被视为经受光条件。短语“经受光条件”和类似短语特别地暗示着经受光条件的部分进行接收，诸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，本发明还提供一种可以例如在该方法中应用的照明设备(或照明器)。因而，在另外的方面中，本发明提供一种包括特别地布置在光源的2D阵列中的多个光源的照明设备，其中光源的2D阵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单独可控，其中在特定实施例中照明设备还被配置成在营养增强照明时段期间提供园艺光，其具有至少在选自范围300-475nm的第一波长处和选自范围600_800nm的第二波长处具有光强度的频谱光分布，其中在所述营养增强照明时段期间，相比光源的第二子集，光源的第一子集提供具有在所述波长范围中的一个或多个中的较高强度的园艺光。这些两个或多个子集可以关于照明时间、光强度和频谱光分布中的一个或多个单独可控。在另一实施例中，照明设备如上文所限定，但是多个光源布置在ID阵列中。
[0025]该照明设备可以在所指示的时段处向(可食用)植物部分的目标部分提供期望的光。该设备在下文进