CEA 植物环境与光照设计——光合作用、光量、分布与光谱

两个浏览器实验

上方的面板是碳和水核算实验。可以更改光照期碳吸收速率、全天释放速率以及光照期时长，比较光照期、黑暗期和全天的碳变化量。光照期从第 0 小时开始。下方的敏感度曲线在总导度和总压力固定的情况下改变叶片-空气蒸气压差；该曲线上的标记点表示当前所选条件。其横轴不是时间。默认值可复现 9.2 gC 和 0.1296 kg/(m² 叶片·h)。

光照时机、分布和光子波段是一个独立的实验。请打开下方面板以复现等 DLI 的 A/B 排程、均匀分布 U 与不均匀分布 V，以及光谱 S1/S2。

光照面板覆盖固定的 24 小时一天，并允许光照跨越午夜。上方柱状图显示四个单元格的 PPFD 值；柱宽不代表面积。不均匀分布 V 将标称 PPFD 分别乘以 0.5、1、1 和 1.5。可选面积比为 1:1:1:1 或 1:1:1:3；平均值按面积加权。下方柱状图将标称 PPFD 拆分为互不重叠的 400–500、500–600 和 600–700 nm 光子波段。这不是逐单元格的光谱测量或光学模拟。单元格 DLI、面积比和光照时间序列也列在数据表中。

标称 DLI 和波段构成描述的是标称输入；单元格 DLI 和面积加权平均值描述的是空间示例。改变面积不会改变标称 DLI。当 PPFD 为零时，光照持续时间为零，最小值/平均值和波段占比未定义（—）。

两个实验都使用合成核算输入，不预测收获量、气孔响应、电能或灯具性能。碳吸收并非通过一个耦合模型从 PPFD 推算得出。取值范围是教学用范围，不是作物推荐值。无需安装 Python；下文的本地运行说明为可选内容。请将每个入口点与其对应内核一起保存，以便在本地复现默认结果：碳/水入口点、内核；光照入口点、内核。

CEA 中的植物及其环境——将碳、水与控制连接起来

从设备设置到植物响应之间

更亮的照明指令并不能确立碳吸收量的增加。更低的湿度设置也不能确立蒸腾量增加了多少。光照和蒸气压差是通过植物起作用的，植物自身的状态和运输路径同样重要。

沿着 CEA 入门的思路，本指南把光合植物视为一个获取碳、运输水分并响应环境的系统。把叶片交换、全株核算和房间平衡分开，有助于理解现有实验室中的植物吸收和蒸腾项。

在两项示例计算中，每日碳增益为 9.2 gC；在相同蒸气压差下将总导度减半，会使水分传输从 0.1296 变为 0.0648 kg/(m² h)。所有输入均为合成值，既不是拟合出的作物参数，也不是种植建议。

将光合作用和呼吸作用纳入同一份碳账目

光合作用利用光能，把二氧化碳中的碳固定到有机物中。呼吸作用利用有机物为生命活动提供能量，在光照和黑暗中都会发生。光合产物既可以分配给根和发育中的器官，也可以分配给叶片。俄勒冈州立大学的植物生长指南解释了这些关系。

对于一组示例性的植株，将碳吸收速率定义为 P_C，碳释放速率定义为 R_C：

两个速率都以 gC/h 为单位，时间以小时为单位，结果以 gC 为单位：这是碳的质量，而不是二氧化碳的质量或鲜重。这个简化账目不包括收获、脱落组织以及经由根部流失的碳。光呼吸未被单独建模。在代入实测数据时，须重新明确吸收项和释放项具体包含哪些过程。

尤其要注意，不要把实测的净同化速率当作总吸收速率代入，再重复减去同一叶片的呼吸量。LI-COR 的气体交换理论区分了净同化速率和呼吸速率。要把一个按面积归一化的叶片测量值放大到整株植物，还需要一个面积换算惯例、叶片间的差异，以及对该测量范围之外的根和茎交换的核算。

验证 16 小时光照与 8 小时黑暗

假定整组植株在光照期的吸收速率为 0.8 gC/h，黑暗期为零，全天释放速率为 0.15 gC/h。16 小时是一个核算输入，不是推荐的光周期。

仅将释放速率改为 0.25 gC/h，每日结果变为 6.8 gC。该差值可独立验证为 24\times(0.25-0.15)=2.4 gC。本例中不存在温度响应函数，因此该变化不能归因于某个特定的升温。

9.2 gC 也不是收获质量的预测值。换算为干物质需要一个碳含量比例；换算为鲜重需要含水率；可销售产量还需要分配方式、品质和采收标准。该账目只给出在其定义时段和边界内的碳变化量。

气孔同时参与碳交换和水交换

二氧化碳可以在光合作用中进入叶片，同时水汽从叶片流出。气孔同时影响这两条通路，因此减少水分流失的响应也可能影响碳的进入。FAO 将蒸腾描述为叶片内部的汽化以及向大气的传输，气孔开度和供水情况是其中相关的条件之一。FAO：蒸散简介

Diagram 1 · Use the button to switch views

概念示意图；箭头宽度不代表流量大小。净二氧化碳交换方向可能随条件而反转，光合作用和呼吸作用在光照下也可能同时发生。

叶片温度对蒸气压差有影响。假设叶片内部空气在叶温 T_l 下达到饱和，则：

这里 e_s 是饱和蒸气压，e_a 是环境蒸气压。由空气温度 T_a 和相对湿度计算出的基于空气的 VPD 为 e_s(T_a)-e_a。当叶温与气温不同时，两者的值也不同。VPD/DLI 实验室中基于空气的指标不能替代叶温测量。

为什么仅凭 VPD 无法确定蒸腾量

对于一个从叶片内部向环境空气的示例性稳态传输，使用：

g_{tw} 是总水汽导度，包括气孔和叶片边界层的影响，单位为 mol/(m² s)。总压力 p 与压差 D_l 须使用相同单位，此处为 kPa。由此得到的水汽通量 E 单位为 mol/(m² s)。这里的面积始终指叶面积，而不是种植地面面积。仅气孔导度不能简单地替代总导度。

这是一个基于摩尔分数差 D_l/p 的稀释蒸气近似，不是一套完整的仪器校正方程。边界层阻力与气孔阻力之间的区别参见 LI-COR 的理论。FAO 同样将植物侧阻力和空气动力学阻力分开处理，并讨论了水分状况的影响。FAO：阻力与蒸散

在总压力为 100 kPa、水的近似摩尔质量为 0.018 kg/mol 的条件下，比较以下合成条件：

A 和 B 的压差相同，但通量不同。A 和 C 的通量相同，但描述的是不同条件。无论是 VPD 还是通量，单独都无法识别气孔状态。

此处导度是给定值；该示例并不预测气孔对湿度的响应。实际阻力可能随植物水分状况变化，因此使空气变干并不能确立蒸腾量按比例增加。将 g_{tw} 设为零会得到零流量，那只是因为这在该模型中堵住了每一条通路，并不是在断言真实的气孔关闭会消除全部水分流失。

将根系供水与房间平衡连接起来

根区中存在水分并不能确立进入植物的供水速率是充足的。根系状况和水分可利用性同样需要检验。养分吸收也不总能简化为水分吸收量乘以一个固定浓度。后续的根区指南将把 EC、pH、溶解氧和水温作为各自独立的测量项区分开来。

观测边界很重要。水箱液位下降可能同时包含植物吸收、蒸发、排水、渗漏和补水操作。储存在植物体内的水分也会使某一区间内的吸收量和蒸腾量出现差异。请参照 FAO 对蒸发和蒸腾的区分来定义称重或计量边界。FAO：蒸散简介

湿度实验室中的蒸腾量，以及 CO₂ 实验室中的吸收量和呼吸量，都是合成输入。本指南并未用一个拟合出的植物响应模型来替代它们。这需要环境测量与植物交换测量同步进行、明确面积定义、对齐时间戳，并在独立条件下进行验证。

运行代码并更改一个假设

保存计算代码和预期 JSON。Python 3.10 及以上版本及其标准库即可满足要求。

README 记录了执行假设；manifest 记录了文件大小和 SHA-256 哈希值。

python3 experiment.py
python3 experiment.py --verify expected.json
python3 experiment.py --self-test

第一条命令输出 JSON。第二条命令将每一个默认数值结果与预期文件逐一比对，在出现不一致、遗漏或 NaN 时报错。第三条命令检查黑暗期损耗、时间划分、单位换算、零通量和无效输入。

核心计算很简短：

# Carbon: gC/h multiplied by hours, not a fresh-mass prediction.
delta_c = 0.8 * 16 - 0.15 * 24
# Water: mol/(m2 s) -> kg/(m2 h), pressure units cancel.
water = 0.20 * (1.0 / 100.0) * 0.018 * 3600
print(f"{delta_c:.1f} gC, {water:.4f} kg/(m2 h)")

更改代码底部 examples() 中传入的释放速率，再单独运行一次改变总水汽导度的情形。预期文件保持不变，因此改变输入后出现不一致是预期之中的事。仅在光照期减去呼吸量，会使这个示例高估 1.2 gC。在水分计算中混用 kPa 和 Pa 会引入一个千倍的误差。

为下一次环境干预准备的记录

以下是提议的实验设计检查项，不是针对某种特定作物的测量标准。

单凭叶片更暖或生长变慢，无法确定原因或诊断病害。应比较持续时间和恢复情况、测量误差，以及涉及根系或气流的其他可能解释。

接下来是光量、时机和分布。在 VPD/DLI 计算的基础上，下一篇指南将区分 DLI 相同但强度和时长不同的条件。

光照环境设计比较了共享同一 DLI 或 PPFD 的时机、层架分布和波长组合。

CEA 中的光照——相同 DLI，不同的时机、分布与光谱

相同的 DLI 并不能使两种光照环境等同

以 200 µmol/(m² s) 照射 16 小时，或以 400 照射 8 小时，会得到相同的 DLI：11.52 mol/(m² day)。峰值强度和黑暗时长各不相同。一个平均值为 200 的层架也未必处处都是 200。

植物-环境基础解释了为何一个照明设置无法唯一确定碳吸收量或生长量。本指南把光照输入拆分为时间、位置和波长三个维度。每个数值示例均为合成值，不是实测的照明分布图或作物推荐方案。

将 PPFD、DLI、照度和电功率分开

照度-PPFD 换算系数取决于光源。

DLI 描述的是每日积分。普渡大学的 DLI 测量指南建议在植株高度处测量，并随植株生长调整传感器高度。

400–700 nm 的测量波段并不能定义植物响应的全部内容。这并不意味着该波段之外的辐射没有生物学效应。也存在测量 400–750 nm ePAR 的仪器；在比较读数时应说明所用波段。Apogee 对 ePAR 传感器的说明

时间：用不同的排程实现相同的积分

在每个区间内 PPFD 恒定的情况下：

\Delta t_i 以秒为单位。已有的 VPD/DLI 实验室处理了不等长区间和数据缺失检查。本示例仅限于固定 24 小时一天内的人工光照排程。

Diagram 2 · Use the button to switch views

上方区域代表相等的积分值。下方面板包含四个面积相等的合成单元格，不是实测的照明分布图。

积分相等并不能证明光合作用或生长量相等。在 Elkins 与 van Iersel 的原始生菜研究（摘要）中，以更低的 PPFD、更长的光周期提供相同 DLI，会提高光系统 II 电子传递的日积分值。该报告中的指标并不能确立每种作物的产量或推荐光周期。我们的排程 A 和 B 并不重现该研究的实验数据。

请把起止时间、调光历史、峰值和黑暗时段与 DLI 一并保留。相同的总光照时长既可能是连续照明，也可能是分段照明。代码中的 light_hours 报告的是 PPFD 为正值的总时长，并不推断生物学意义上的光周期。

空间：找出被平均值掩盖的黑暗区域

假设四个面积相等的单元格，只要灯亮着，各自的 PPFD 就保持恒定：

V 的平均 DLI 为 11.52，但其最暗的单元格只获得这个值的一半。平均值抹去了这一差异。最小值除以平均值在此处只是一个描述性指标，不是验收阈值。

如果各单元格代表不同面积 a_j，可计算面积加权平均值：

面积比为 1:3、PPFD 值分别为 100 和 300 的两个单元格，其加权平均值为 250，而不是算术平均值 200。把逐点测量当作单元格代表值，需要明确的网格划分、插值方法或代表面积假设。四个测量点并不被视为足以代表一个真实层架。

应在相同高度、朝向和坐标处重复测量。须保留边缘位置、灯具正下方的点和结构遮挡处的数据，并在作物生长后重复测量。在空的水平层架上测得的入射 PPFD，与倾斜叶片实际接收并吸收的光量并不相同。在温室内移动传感器时，须保留一个固定参照点，以区分位置效应与日照变化的影响。

光谱：不同的波长组合可以共享同一个 PPFD

PPFD 是某波段内光子数的加和，并不保留其光谱分布。以下这两组示例性的波段积分光子通量密度总和都是 200，但 S1 的 400–500 nm 占比为 20%，S2 为 10%。

每个波段使用 µmol/(m² s)；共享的波长边界只计入一次。这些不是灯具规格参数，也不是性能排名。应说明光谱占比指的是光子数还是辐射能量，以及分母使用的是哪个波长范围。

光子的能量取决于波长，因此按光子数计算的占比与按瓦特计算的占比并不相同。变化的光谱也可能改变量子传感器的测量误差。Apogee 通过理想波长响应与实际波长响应、以及校准光源与测量光源之间的差异，解释了光谱误差。

在比较光谱时，应尽可能保留光谱测量数据，并记录 PPFD、光周期、叶温、二氧化碳和根区条件。仅凭色彩名称或调光设置无法确立光谱是否一致。

设计测量与能耗记录

以下记录用于比较不同条件：

一盏恒定 100 W 的灯运行 16 小时耗电 1.6 kWh。读数为 200 的 PPFD 并不能确立 100 W 的输入功率。应分别检查调光行为、驱动器以及到达层架的光量比例。如果同时比较制冷、除湿和风机耗电量，须使各项测量的设备边界保持一致。

运行代码并测试失败情形

下载代码、预期结果、README 和 manifest。Python 3.10 及以上版本及其标准库即可满足要求。

python3 experiment.py
python3 experiment.py --verify expected.json
python3 experiment.py --self-test

核心算术为：

a = 200 * 16 * 3600 / 1_000_000
b = 400 * 8 * 3600 / 1_000_000
darkest = 100 * 16 * 3600 / 1_000_000
print(f"A={a:.2f}, B={b:.2f}, darkest={darkest:.2f}")

在 examples() 中，把 V 中的 100 改为 50 会同时改变最小值和平均值。要把 B 的光照区间从 16:00 缩短到 15:00，须同时把下一个黑暗区间的起点移到 15:00。如果只更改光照区间，会留下一个一小时的空隙，这会被判定为覆盖缺失而拒绝。应显式地用零 PPFD 表示黑暗时段。

测试覆盖了相等 DLI、区间细分、已知单元格剂量、面积加权、黑暗、零光照下未定义的比值、无效数值、间隙/重叠以及被破坏的预期结果。当每个单元格都为零时，最小值/平均值为 0/0；JSON 会报告 null，而不是臆造出比值为零或一。数值一致并不能验证作物响应。

接下来是根区水分与养分：把 EC、pH、溶解氧和水温分开，并将每项测量与改变它的操作连接起来。

受控环境农业——将植物、光照、空气和水连接起来

受控环境农业 (CEA) 利用设备和测量方法来管理作物周围的环境。它包括温室和使用人工照明的室内栽培。与其将 CEA 等同于一座名为“植物工厂”的建筑，不如思考植物从中吸收什么，向周围环境释放什么，以及哪些设备改变了这些交换。亚利桑那大学受控环境农业中心 将园艺学和工程学相结合，共同探索这一领域。

本指南针对光合作用植物。请勿将其投入/产出模型原封不动地应用于真菌或鱼类养殖。

温室和室内农场的边界不同

此比较并不能确定哪个系统始终更节能。康奈尔大学的温室和生长室设施区分了温室和旨在将实验与周围环境隔离的生长室。请检查实际的控制能力，而不是从设施名称推断。

以植物为中心

光照、温度、湿度、二氧化碳、水分和养分必须综合考虑。密苏里州推广中心描述的环境因素可以整理成测量和设备图：

测量值、设定值和作物结果应分开记录。25°C 的空调设定温度并不能证明叶片周围的空气温度为 25°C。一次湿度测量无法确定每个货架上的湿度是否均匀。电导率 (EC) 与溶液中的离子有关；它并非每种养分浓度的测量值。此图不能替代针对特定作物的管理或校准程序。

小型边界练习

设想一个虚拟房间，其中包含一个带照明的种植架、一个水箱和暖通空调系统。以下是一个说明性示例，并非实际设施数据。在整个房间周围画出边界。

将水从水箱泵送到房间内的植物根部本身并非外部水输入。相反，将边界画在水箱周围，同样的流量就变成了输出。解释这种区别有助于避免混淆水循环和用水。

例如，0.2 千瓦的恒定照明负载持续 16 小时消耗 3.2 千瓦时。此假设值仅涵盖照明，不包括设施总用电量或到达叶片的光照量。

将光照强度与日光照量区分开来

PPFD 表示单位面积上的光合有效光子通量，通常以 μmol m⁻² s⁻¹ 为单位。DLI 是该值在一天内的积分，单位为 mol m⁻² day⁻¹。普渡大学的 DLI 指南 解释了瞬时值和日光照量之间的区别。

假设 PPFD 恒定为 200 μmol m⁻² s⁻¹，持续 16 小时，其余时间无光照。DLI 为 200 × 16 × 3600 ÷ 1,000,000 = 11.52 mol m⁻² day⁻¹。这与之前的 3.2 kWh 示例中的量不同。仅凭电功率无法确定 PPFD。

对于实时序列，请保留时间戳和时间间隔。缺失的样本并不能证明灯是关闭的。每日总光照量相等并不能证明全天光照强度完全相同。

从测量转向控制

首先进行温度测量：记录位置、单位和时间戳。然后使用采样原理来判断记录间隔是否捕捉到了相关的变化。将更改后的设置、周围环境条件和作物响应分别记录在不同的文件中。

接下来的学习目标是空气水汽压差 (VPD)，它由空气温度和相对湿度计算得出，以及从光照时间序列中积分得到的日光积分 (DLI)。VPD/DLI 实验室现在提供合成 CSV 文件和可执行的 Python 代码。浏览器面板也已提供。本指南中的算术示例并非实际的作物模拟器。

为了检验您的理解，请列出“照明开启 16 小时”这样的记录中哪些信息未知。如果没有光照强度、测量位置和入射日光，日光积分 (DLI) 就无法确定。同样，温度设定值也无法确定工厂的实际环境。这些区别使得设备清单能够转化为一个可供您调查的系统。

继续阅读植物一侧的内容

植物-环境基础将光合作用、呼吸作用和蒸腾作用与碳、水账目连接起来，展示了单凭设备设置无法确定的内容。