在现代农业和园艺业中，对植物生长环境的精细控制变得越来越重要。确保植物接收到适宜的光照、温度、肥料和水分，对保障植物健康、提高植物产量和优化资源利用效率都十分重要。光是影响植物生长的最重要的因素之一。其不仅关系到光合作用的进行，进而影响植物的生长和产量，还直接影响植物的形态发育，例如光周期和光质对植物的分支、开花和果实发育等都有影响。因此，以光为主导的光热肥湿系统集成技术得到了广泛关注和研究。这种技术通过精确调控光照、温度、肥料和水分供应，可以达到最佳的植物生长效果，提高农业生产效率和产品质量，节约资源，减少环境污染。

然而，由于不同植物的生长需求各异，为了有效应用光热肥湿系统集成技术，就需要有针对性地管理和控制策略。而建立不同植物的系统集成数据库就是解决这个问题的关键。这个数据库可以收集和整合不同植物对光照、温度、肥料和水分的需求信息，为植物生长环境的精细管理提供科学依据^[1-8]。此外，随着人们对生态环保意识的提高，如何在保障农业生产的同时，尽可能减少对环境的影响，也是一个重要问题。而光热肥湿系统集成技术和植物集成数据库可以帮助我们实现资源的高效利用，减少浪费，降低对环境的压力。总的来说，光热肥湿系统集成技术与植物集成数据库不仅是提高农业生产效率、保障产品质量的重要工具，也是实现可持续农业发展的关键技术。

光热肥湿系统集成技术与植物集成数据库，是一套侧重于植物生长所需环境条件及其管理的综合性数据库，主要目的在于为植物提供最佳的生长环境，并与专注于植物基础属性（如物种、形态特征及生态习性等）的数据库有明确不同。该数据库详尽地涵盖了植物生长所需的光照、温度、肥料和水分等核心要素的管理方法和最优参数，包括但不限于光照周期、最适温度、施肥方案及灌溉技术。同时，该数据库融合了多种先进的集成技术，例如智能农业技术、精准农业和水肥一体化，旨在帮助用户更科学、更高效地管理植物生长，实现农业的可持续发展。此外，该数据库还强调了植物在不同生长阶段的特定需求与管理策略，并结合实际案例和数据分析，为用户提供最实用、最优化的农业解决方案。这一综合性、实用性的数据库将成为农业工作者和研究人员的重要参考资源，引领植物集成和环境管理进入一个全新的发展阶段。

本文的主要目的是阐述和评估光热肥湿系统集成技术和植物集成数据库的发展、应用和前景。介绍光热肥湿系统的基本原理和技术发展，深入探讨光照在其中的主导作用，以及这一技术如何帮助优化植物的生长环境。分析建立不同植物的系统集成数据库的必要性和实际应用，重点关注如何利用这些信息来优化光热肥湿系统的管理和控制^[9-20]，讨论这项技术的优点和挑战，及其未来可持续农业发展的影响。

1.   光热肥湿系统的基本原理与历史概述

1.1   光热肥湿系统基本原理

光热肥湿系统是一个综合的植物生长环境控制系统，它涵盖了光照（光）、温度（热）、营养物质供应（肥）和水分供应（湿）4个关键要素^[2]。

（1） 光照（光）：光照是植物进行光合作用的基础，是植物生长和发育的重要驱动力。光照的强度、光谱和光周期都能影响植物的生长状态。因此，光照控制主要通过调整光源的强度、光谱和光照时间来满足植物的生长需求。

（2） 温度（热）：温度是影响植物生理活动的关键因素。不同的植物有不同的最适生长温度，高于或低于这个温度都会影响植物的生长。因此，温度控制主要是通过调整环境温度来满足植物的生长需求。

（3） 营养物质供应（肥）：植物生长需要吸收各种营养物质，包括氮、磷、钾等主要元素和一些微量元素。不同的植物对营养物质的需求也不同。因此，肥料控制主要是通过调整肥料的种类和比例，以满足植物的营养需求。

（4） 水分供应（湿）：水是植物生长的必需品，对植物的生长和发育有着重要影响。通过合理的灌溉，可以保证植物得到足够的水分，同时也能帮助营养物质的吸收。因此，水分控制主要是通过灌溉系统调整土壤或者介质的湿度，以满足植物的水分需求。

光热肥湿系统集成技术就是将这4个要素结合在一起，通过精确的环境控制和管理，实现植物最优的生长状态。图1是光热肥湿系统原理图。

图  1  光热肥湿系统原理图

Figure  1.  Schematic diagram of photothermal fertilizer and moisture system

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1.2   光热肥湿系统发展历史和主要的研究工作

光热肥湿系统的概念源于对现代农业生产中环境控制的需求，其发展历史与农业科技的进步密切相关。主要的研究工作包括对不同植物光热肥湿需求的研究，对光照、温度、肥料和水分控制技术的研究，对光热肥湿系统的设计和优化研究，以及对光热肥湿系统在实际应用中的效果评估等^[5,21-30]。

初期（20世纪中叶）：这个阶段主要集中于基础研究，科学家们在实验室里研究植物对光照、温度、肥料和水分的基本需求。这些研究为之后的应用提供了理论基础。

发展阶段（20世纪后期）：随着电子技术和计算机技术的发展，人们开始探索如何将这些技术应用于植物生长环境的控制。这时期开始出现了第一代的光热肥湿控制系统（如图2所示），主要通过手动或半自动的方式进行控制。同时，也有很多研究聚焦于对不同植物种类光热肥湿需求的具体研究。

图  2  10层全自动升降种植系统正面图

Figure  2.  Front view of 10-level fully automatic vertical planting system

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成熟阶段（21世纪初至今）：这个阶段的技术发展主要集中在系统的自动化和智能化。现代的光热肥湿系统能够实现精确、自动的环境控制，大大提高了农业生产的效率和质量。而且，人们也开始关注植物生长环境的整体优化，研究如何通过集成控制来实现植物生长环境的最优化。此外，随着大数据和AI技术的发展，光热肥湿系统的控制也变得更加智能和个性化。

国内植物工厂的研究起步虽然较晚，但发展迅速，目前已经成为世界上规模最大的植物工厂生产国之一，截至2018年底，中国实际运行且具备一定规模的人工光植物工厂有200余座，主要分布在广东、北京、上海、浙江、江苏、山东、陕西、福建等地，其中栽培面积超过20000 m²的植物工厂有2座。一批知名企业如富士康、三安、京东等也纷纷加入植物工厂行列，有力地推动了中国植物工厂产业的发展。

本研究团队与上海英植科技有限公司合作后，以加快光热肥湿系统能够实现更精准、自动的控制为目标，以提高农业生产的效益最大化为发展方向，共同努力在植物工厂领域并且形成一种全新的探索模式，使得光热肥湿系统更加智能化和自动化。图2和图3所示为上海英植科技有限公司的10层全自动升降种植系统的正面图和侧面图。上海英植科技有限公司在昆山花桥建立的植物工厂占地面积1000 m²，拥有6个可以同时投入使用的实验室。

图  3  10层全自动升降种植系统侧面图

Figure  3.  Side view of 10-level fully automatic vertical planting system

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1.3   光热肥湿系统国内外研究进展

目前，国内先进企业例如京东农业，依托于大数据和人工智能，实现了农业生产的智能化和精准化，为植物生长提供了优化的环境条件。阿里巴巴通过物联网和大数据技术，推动了农业的数字化转型，为传统农业注入了新的活力。

而说到国外研究机构，荷兰的农业科技主要致力于温室技术、植物生理学和水肥一体化方面的研发与创新。瓦赫宁根大学与研究中心是农业和食品科学的全球研究领袖之一，擅长通过科学研究优化植物生长环境，并发表了大量关于植物生长环境优化的研究成果。该机构还积极推广知识转移和技术应用，促进农业实践与科学研究的深度融合。Priva公司开发了一系列高效的智能温室管理系统，这些系统能实现温度、湿度、光照等生长因子的精准控制，帮助全球的农业生产者实现高效、可持续的植物生产。

日本的农业科技则以其创新的植物工厂、精密和高度自动化的技术而闻名。Spread公司运营着具有世界领先水平的植物工厂，通过引入最新的人工智能和机器人技术，实现了植物的高效、可持续生产。Spread公司还推出了自动化生菜生产线，实现了从播种到收获的全自动化管理。Panasonic公司运用其在电子和环境控制技术方面的优势，研发了适用于植物生长的精准环境控制系统。该公司也在植物工厂的建设和运营方面取得了显著的成就，推动了农业生产的现代化和智能化。

荷兰和日本的先进经验和技术对全球多个国家和地区产生了深远影响，推动了世界各地农业科技的发展和创新。他们的研究成果和技术应用，为解决全球食品安全、资源可持续利用等问题提供了可行方案和技术支持，是光热肥湿系统集成技术与植物集成数据库领域的重要引领者。我国也在光热肥湿系统集成技术与植物集成数据库领域取得了一系列的成就和进展。我们在农业科技创新、精准农业发展、智能农业应用等方面都表现出了极高的活力和潜力。

2.   光为主导的光热肥湿系统集成技术

2.1   光照对植物生长的重要性和影响

光照是植物进行光合作用的来源，通过光合作用，植物可以将光能转化为化学能，合成有机物质，并释放出氧气。光照对植物生长的影响主要包括以下环节：①光合作用。它是植物能够生存和繁衍的基本过程。在光合作用中，植物利用叶绿素和其他色素吸收阳光中的光能，将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。葡萄糖是植物生长和代谢所需的主要能源，而释放出的氧气则是动物呼吸的必要气体^[1]。②生长和发育。光照是调控植物生长和发育的主要因素之一。光照的强弱、持续时间和光质可以影响植物的根系生长、茎的伸长、叶片的展开、花的开放等生长过程。③形态结构。光照强度直接影响植物的形态结构，植物在较低光照下往往表现出向光性，它们会伸长茎和叶子，以获取更多的光线。相反，光照充足时，植物生长更为紧凑，叶片更加丰富。④花芽形成和开花。光照对植物的开花过程起着重要作用。某些植物对光周期非常敏感，只有在特定光照条件下才会形成花芽并开花。⑤色素合成。光照可以促进植物体内色素的合成，例如叶绿素、类胡萝卜素等。这些色素不仅赋予植物独特的颜色，还在光合作用中发挥重要作用。⑥营养物质转运。光照对植物体内的营养物质转运和分配也有影响。光照刺激根部和叶片之间的物质交换，帮助植物更好地利用养分。

光照对植物生长的重要性不可忽视。为了确保植物的健康生长，合理调节光照条件是种植和园艺过程中的关键因素之一。不同种类的植物对光照的需求也各不相同，因此了解植物的光照需求是种植过程中需要考虑的要点之一。

2.2   光热肥湿系统中温度、肥料和水分供应的调控策略

温度、肥料和水分供应是植物生长中至关重要的因素，其直接影响植物的生理活动和生长发育。对温度、肥料和水分供应的调控策略主要包括：①温度调控，不同植物对温度的适应范围有所不同，一般来说，植物的适宜生长温度在20～30 ℃之间。在室内种植环境中，使用恒温器或空调系统来控制室内温度，确保温度在适宜范围内。在室外种植环境中，选择适合植物生长的季节进行种植，避免极端的温度条件对植物造成不利影响^[2-6]。②肥料调控，不同生长阶段的植物对营养元素的需求不同。通常分为氮、磷、钾和微量元素等。使用适当的肥料，根据植物的需求和土壤的养分含量进行施肥。为了避免过度施肥，以免造成养分过量或土壤污染，定期检测土壤的养分状况，调整肥料的使用量和种类是重要的^[8]。③水分供应调控，水分是植物生长的关键因素。不同植物对水分的需求也不同，根据植物的生态特性和生长阶段来调整水分供应。定期测量土壤湿度，避免过度浇水或缺水。保持土壤湿润但不积水。也可以考虑使用滴灌或喷灌等节水灌溉方式，提高水分利用效率。④环境监测与自动，使用温湿度传感器和土壤湿度传感器等设备监测植物生长环境的温度、湿度和水分状况。配合自动控制系统，实现对温度、肥料和水分供应的自动调节，以维持最适宜的生长环境条件。

综合考虑温度、肥料和水分供应的调控策略，有助于优化植物的生长环境，提高生长效率，减少资源浪费，同时也有助于提高植物的产量和质量。定期观察植物的生长状况，并根据实际情况进行调整，是种植过程中的重要一环。

2.3   光热肥湿系统的集成技术与控制系统的设计

光热肥湿系统集成技术是一种综合应用多种技术的系统，旨在实现对植物生长环境中光照、温度、肥料和水分等参数的全面监测和自动控制。在对光照、温度和水分以及环境的研究下，光热肥湿系统集成技术环境传感器和控制系统的实现就尤为重要^[7]。

（1） 确定监测参数：确定需要监测的参数，包括光照强度、空气温度、空气湿度、土壤湿度、土壤温度和CO₂浓度等。这些参数将有助于全面了解植物生长环境的状况。

（2） 选择传感器：根据监测参数的需求，选择适合的传感器，包括光照传感器、温湿度传感器、土壤湿度和温度传感器、CO₂传感器等。

（3） 设计传感器网络：布置传感器以覆盖整个种植区域，并确保传感器之间的合理距离和位置，以获取全面的环境数据。可以使用无线技术，如Wi-Fi或蓝牙，以方便数据传输。

（4） 数据采集与处理：搜集传感器数据，并进行实时的数据处理和分析，将数据转化为有用的信息，以便监测环境的变化和植物的生长状况^[9]。

光热肥湿系统集成技术环境传感器和控制系统的设计需要综合考虑多个因素，包括植物的生长需求、环境条件、传感器和控制设备的选择，以及系统的稳定性和安全性。设计一个完整的系统将为种植者提供全面的实时数据和自动化控制，从而优化植物的生长环境，提高产量和质量。

3.   不同植物的光热肥湿需求和数据库建立

“光热肥湿系统集成技术”与“植物集成”的数据库，是一套侧重于植物生长所需环境条件及其管理的综合性数据库，主要目的在于为植物提供最佳的生长环境，并与专注于植物基础属性（如物种、形态特征及生态习性等）的数据库明确区分。该数据库详尽地涵盖了植物生长所需的光照、温度、肥料和水分等核心要素的管理方法和最优参数，包括但不限于光照周期、最适温度、施肥方案及灌溉技术。同时，该数据库融合了多种先进的集成技术，例如智能农业技术、精准农业和水肥一体化，旨在帮助用户更科学、更高效地管理植物生长，实现农业的可持续发展。此外，该数据库还强调了植物在不同生长阶段的特定需求与管理策略，并结合实际案例和数据分析，为用户提供最实用、最优化的农业解决方案。

3.1   不同植物的数据来源

翔实全面的数据资料是建立信息系统的前提条件。而计算机技术和数据库技术为处理这些庞杂数据或信息提供了先进手段。建立物种数据库及信息系统已成为当今生物多样性保护与利用研究的热点^[28]。不同植物对光照、温度、肥料和水分的需求差异很大，这些差异主要受植物的种类、生态习性和生长阶段等因素的影响。例如根据光照需求，全日光植物对光照的需求较高，它们需要充足的日照时间才能正常生长和开花，如番茄、辣椒等；半日光植物对光照的需求较为适中，它们需要一定的日照时间，但也能在较低的光照条件下生长，如菊花、葵花等；阴影植物对光照的需求较低，它们适合在阴凉、半阴凉的环境下生长，如铁线莲、蕨类植物等^[23]。根据温度需求，寒冷植物对低温环境较为适应，它们能够在较低的温度下生长，如北极杨、冷杉等；温暖植物对较高的温度较为适应，它们需要较温暖的气候才能生长，如香蕉、椰子树等；适温植物对温度的需求在中等范围内，适合在四季分明的气候下生长，如大部分蔬菜和水果类植物。根据肥料需求，高养分植物对肥料的需求较高，它们需要较多的氮、磷、钾等养分才能正常生长和繁殖，如玫瑰花、玉米等；低养分植物对肥料的需求较低，它们能够在较贫瘠的土壤中生长，如仙人掌、橄榄树等。根据水分需求，水生植物对水分的需求较高，它们需要生长在水中或水域附近，如睡莲、莲藕等；旱生植物对水分的需求较低，它们能够在干旱地区或较少降水的环境下生长，如仙人球、仙人掌等^[14]。

3.2   根据不同植物建立植物数据库

在研究中发现，根据不同的植物分类建立系统，能够实现让用户对植物进行检索，包括按植物所在科或属检索、对植物种名直接检索、对植物开花、结果等特征进行检索：以及管理员对科表、属表、种表、用户信息表的增、删、改、查等功能^[12-20]，在对不同植物的数据来源分类后，对其进行技术分析（如图4所示）。

图  4  建立不同数据库技术路线分析

Figure  4.  Technical route analysis of establishing different databases

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以SQL Server建立后台数据库。设计了根据光照、温度、水分和肥料等参数进行分类的多种植物数据库，便于后续检索系统的检索，让浏览者可以更加直观地看到数据库结果^[29-40]。数据库的核心部分是数据库的查询系统和管理系统，并且系统提供了数据库的信息查询功能与维护功能。用户可以按照查询关键字对数据库内的植物进行模糊查询，系统管理员也可以对数据库内的植物信息进行修改、删除和添加操作等，查询系统和管理系统结构图如图5所示。在建立了不同植物数据库后，管理员对植物信息的管理和对用户信息的管理。该平台可以使用户更多地了解植物补光技术在实际应用中的成效。

图  5  查询系统和管理系统结构图

Figure  5.  Structural diagram of query system and management system

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收录不同植物的各类信息的数据库，对于生态学、农业、医学、环境保护以及其他多个学科领域都具有重要意义。这样不仅了解存在于特定区域的植物种类可以帮助科学家、政府和环保组织确定保护优先级，并采取措施保护濒危和稀有的植物种。并且数据库可以提供关于哪些植物最适合特定土壤、气候或环境条件的信息，这对农业生产和园艺布局都是非常宝贵的。

4.   光热肥湿技术和植物数据库总结

光热肥湿系统集成技术是一种综合应用多种技术的系统，旨在实现对植物生长环境中光照、温度、肥料和水分等参数的全面监测和自动控制。这种集成技术带来了许多优点，同时也面临一些挑战。光热肥湿系统集成技术通过精确的传感器监测和控制，能够实时调节光照、温度、肥料和水分等环境参数，为植物提供最适宜的生长条件。并且通过优化植物生长环境，这种技术有助于提高植物的产量和质量，促进植物生长和发育，缩短生长周期^[36]。但是光热肥湿系统初始投入较高，技术复杂，光热肥湿系统集成技术需要投入较高的设备和技术支持，对于一些小规模种植者来说，初始投入可能较大。而且不同植物对光照、温度、肥料和水分的需求有很大差异，因此，设计一个适用于不同植物的光热肥湿系统可能具有一定的挑战。

综合来看，光热肥湿系统集成技术在优化植物生长环境和提高产量方面具有巨大潜力。随着技术的不断发展，预计这种技术将变得更加普及和成熟。植物集成数据库是在光热肥湿系统的基础上建立的数据库，记录不同植物对环境参数的需求差异和对环境变化的响应，为光热肥湿系统提供个性化的调控策略。通过数据分析和算法优化，植物集成数据库可以帮助种植者更好地了解不同植物的特性和需求，从而实现智能化的植物种植管理^[21-26]。

5.   结　语

光热肥湿系统集成技术与植物集成数据库是种植业领域的前沿技术，未来的研究方向和期待的进展主要集中在智能化和自动化、多元参数集成、优化算法与决策支持等方面。未来的发展将促进光热肥湿系统和植物集成数据库与其他行业的融合，如气象学、土壤学和生物学等。通过跨学科合作，推动植物种植技术的综合创新和发展^[21-27]。未来光热肥湿系统集成技术与植物集成数据库将朝着更加智能、全面、开放和可持续的方向发展。这些进展将极大地推动农业生产的现代化和智能化，为粮食生产、农业可持续发展和粮食安全作出贡献^[32-35]。