翁 淼 （湖州尚翔生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司，浙江省湖州市 313000）

新型LED光源在蔬菜工廠中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

翁 淼 （湖州尚翔生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司，浙江省湖州市 313000）

近年來，我國設(shè)施栽培發(fā)展迅猛，蔬菜工廠已成為設(shè)施栽培的一個熱點研究方向。為促進蔬菜工廠的進一步發(fā)展，對蔬菜工廠中的人工補光系統(tǒng)進行了探討，分析了LED植物補光燈在蔬菜工廠化生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其應(yīng)用前景進行了展望。

植物工廠；光照；LED光源；應(yīng)用

植物工廠[1]由日本最先提出，其實質(zhì)是一個高級設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)備，利用計算機采用高精度的環(huán)境控制自動系統(tǒng)，為作物生長提供適宜且最優(yōu)的光照、溫度、濕度、營養(yǎng)液等，打破作物正常的生產(chǎn)周期，大幅度提高空間利用率及作物產(chǎn)量[2]，實現(xiàn)作物全年連續(xù)生產(chǎn)。在所有人造環(huán)境條件因子中，光照是影響植物生長的關(guān)鍵限制因子，它不僅是綠色植物順利完成生命周期的必備環(huán)境因素，還是植物光合作用的能量來源，更是調(diào)節(jié)植物生理活動的重要環(huán)境信號[3]，無論是光照強度還是光照時間，都將決定作物的穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)。因此，在大部分智能化植物工廠中，都添加了人工光照來實現(xiàn)對環(huán)境因子的高精度控制。

近年來，我國設(shè)施栽培發(fā)展迅猛，借鑒智能化植物工廠的發(fā)展，蔬菜工廠已成為設(shè)施栽培的一個熱點研究方向。為提高設(shè)施栽培中生育期較短、對光照強度需求適中、株型相對較矮小的葉菜類蔬菜在蔬菜工廠中的產(chǎn)量，提高蔬菜的品質(zhì)及生產(chǎn)效率[4]，促進蔬菜工廠的進一步發(fā)展，對蔬菜工廠中的人工補光系統(tǒng)進行了探討，分析了LED植物補光燈在蔬菜工廠化生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其應(yīng)用前景進行了展望。

1 植物可利用的生理輻射

所謂生理輻射，是指在輻射光譜中，能被植物葉片吸收且用于光合作用的那部分光能[5]。在連續(xù)的可見光譜（380-760 nm）中，植物吸收的光能約占生理輻射光能的60%-65%，其中，主要是吸收波長為610-720 nm 的紅橙光，約占生理輻射的55%左右；其次是波長為400-510 nm 的藍紫光，約占生理輻射的8%左右；而對510-610 nm 的黃綠光，可被吸收的光能很少。因此，通常把波長在610-720 nm和400-510 nm波段的輻射稱為有效生理輻射[5]。

2 傳統(tǒng)的植物補光系統(tǒng)光源

在國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程中，主要的傳統(tǒng)補光系統(tǒng)是白熾燈、高壓鈉燈和熒光燈，這類光源在一定程度上補足因陰雨等原因造成的光照不足，從而保證作物正常生長。然而這類光源由于光質(zhì)不純、含有效生理輻射少、光照強度不均一（有的光照強度接近甚至低于某些作物的光補償點）、光源能耗高等原因，并不是最理想的人工光源[6]。

2.1 白熾燈

該燈依靠高溫鎢絲發(fā)射連續(xù)光譜，其輻射光譜大部分是紅外線，紅外輻射的能量可達總能量的80%-90%，紅橙光約占10%-20%，藍紫光所占比例很少，幾乎不含紫外線[5]。因此，白熾燈的有效生理輻射含量低，其大部分電能轉(zhuǎn)化為大量的熱能，補光能效低。同時，白熾燈作為蔬菜工廠的補光光源，長時間使用后因其大量發(fā)熱，還需另配降溫設(shè)備，造成了能源的雙重浪費。而白熾燈由于本身發(fā)熱的原因，蔬菜葉片也需離光源有一定的安全距離，以防灼傷，在一定程度上浪費了空間，降低了單位面積的蔬菜產(chǎn)量。

2.2 熒光燈

該燈燈管內(nèi)壁覆蓋了一層熒光物質(zhì)，由紫外線激發(fā)熒光物質(zhì)而發(fā)光，可根據(jù)作物不同的需求，使用不同的熒光物質(zhì)而產(chǎn)生藍光、綠光、紅光、白光以及日光等，其中紅橙光占44%-45%、綠黃光占39%、藍紫光占16%，能被植物吸收的光能約占輻射光能的75%-80%[5]。同時，熒光燈的光譜中無紅外線，是良好的冷光源。由于此類補光光源仍含有近40%的植物幾乎無法利用的黃綠光，能源浪費的現(xiàn)象依舊存在，且由于熒光物質(zhì)的分布不均，會導(dǎo)致熒光燈光強、光質(zhì)不均，也對作物的質(zhì)量產(chǎn)生了一定影響。

2.3 高壓鈉燈

在高壓鈉燈的光譜能量分布中，紅橙光占39%-40%、綠黃光占51%-52%、藍紫光占9%[5]。但傳統(tǒng)高壓鈉燈的主要發(fā)射光譜集中在560-640nm范圍內(nèi)[6]，與植物光合作用中的有效輻射光譜不能很好地吻合。同時，高壓鈉燈雖含有較多的紅橙光，但缺少對植物生長起決定性作用的藍紫光，改良后的高壓鈉燈雖能發(fā)射藍光，但會對植物產(chǎn)生的負面影響[7，8]，如葉綠素含量降低、氣孔變小、地上部干物質(zhì)積累量降低等。

3 新型LED光源在智能植物工廠中應(yīng)用的優(yōu)勢

1962年，美國物理學(xué)家尼克·何倫亞克發(fā)明的LEDs（Light-emitting diodes），是一種具有2個電極的半導(dǎo)體發(fā)光器，其發(fā)光的基本原理是利用半導(dǎo)體PN結(jié)或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能。由于不同材料中電子和空穴所占的能級不同，從而產(chǎn)生的波長也不同，因此造就了不同色彩的LED燈[9]。

相對于傳統(tǒng)光源，LED燈具有使用壽命長、光質(zhì)純凈、能效利用率高、波長類型豐富等優(yōu)點。在正常使用情況下，LED燈的壽命可長達10萬h，雖然在蔬菜工廠內(nèi)，高溫、高濕的環(huán)境條件會縮短其使用壽命，但仍比傳統(tǒng)光源更耐用[10]。此外，LED燈還是一種理想的冷光源，發(fā)熱少，可近距離照射植物，從而能更充分有效地利用植物工廠中有限的種植空

間，提高單位面積的作物產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本[11]。

4 LED光源在蔬菜工廠中的研究及應(yīng)用

4.1 國外LED光源在蔬菜工廠中的研究及應(yīng)用

發(fā)達國家正在積極研究將LED光源應(yīng)用于各類蔬菜植物工廠中。Fuka等[12]報道了一種采用LED作為人工光源的蔬菜工廠，采用NFT方式生產(chǎn)的生菜、芹菜等蔬菜，在定植14 d后即可采收，光能利用率極高。Nichols等[13]試驗發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)人工光源產(chǎn)生熱量過多，造成大量能源浪費，若采用LED補光，不僅有效提高了光照強度，還能使電能高效地轉(zhuǎn)化為有效輻射，最終轉(zhuǎn)化為植物物質(zhì)。還有研究表明，在應(yīng)用的LED為400 ms頻率和50%占空比下，蔬菜的生長速率和光合速率都提高了20%以上，因此將LED應(yīng)用于植物工廠是切實可行的[14]。此外，許多外國科學(xué)家及研究機構(gòu)還發(fā)現(xiàn)，將單一或組合LED光源應(yīng)用于菠菜、蘿卜、甜菜、胡椒、紫蘇[15-18]等蔬菜的工廠化育苗、生產(chǎn)中，均可提高其光合效率，最終達到提高蔬菜品質(zhì)及產(chǎn)量的目的。

4.2 我國LED光源在蔬菜工廠中的研究及應(yīng)用

目前，在我國蔬菜工廠領(lǐng)域關(guān)于LED光源應(yīng)用的研究正處于迅速發(fā)展階段。樊小雪[19]等的研究結(jié)果顯示，生菜在紅藍光組合光照下，無論是產(chǎn)量還是質(zhì)量，都得到了很大程度的提高。侯紅英[20]用不同光質(zhì)的LED光源對小白菜、番茄、油菜進行了補光栽培試驗，結(jié)果顯示，紅光下植株鮮重和株高明顯提高，說明植物光合作物的累積得到了顯著提高；藍光則有利于蹲苗。王芳[21]使用不同比例的紅藍LED光源對苦瓜、豆角、茄子、辣椒幼苗進行試驗，結(jié)果顯示，采用紅藍光組合LED光源可有效提高幼苗鮮重、地下部干物質(zhì)累積、葉綠素含量及幼苗根系活力。此外，還有許多國內(nèi)專家對LED光源在黃瓜、絲瓜、蘿卜[22-24]等多種蔬菜上進行了試驗，均表明合適的LED光源對蔬菜工廠化育苗及生產(chǎn)有積極的正面影響。

5 LED光源在我國蔬菜工廠中的應(yīng)用前景展望

蔬菜工廠在國內(nèi)尚屬新鮮名詞，但一經(jīng)提出便引起了相當(dāng)廣泛的關(guān)注及許多研究者的興趣。而蔬菜工廠內(nèi)人工補光技術(shù)的研究與應(yīng)用，對于推動蔬菜工廠的發(fā)展具有非常重要的作用。我國是蔬菜設(shè)施栽培面積最大的國家之一，但有關(guān)LED光源在蔬菜工廠中的應(yīng)用還處于技術(shù)開發(fā)及理論研究階段。不同種類的蔬菜在不同的生長周期中，所需要的光照強度、光質(zhì)種類及光周期都存在差異，雖然可借鑒許多國外的研究成果，但缺乏結(jié)合本國主要蔬菜種類的針對性分析。同時，在我國蔬菜工廠領(lǐng)域具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LED技術(shù)研發(fā)還落后于發(fā)達國家，亟需工程學(xué)科和園藝學(xué)科的研究者共同合作，研發(fā)出符合我國實際蔬菜生產(chǎn)種類的LED植物光源，這對大力發(fā)展我國蔬菜工廠有著非常實際的意義。綜上，LED光源作為新型高效節(jié)能人工光源，因其特有的光質(zhì)純凈、發(fā)熱小、使用壽命長等優(yōu)點，是植物工廠補光設(shè)備的首選，將在未來的蔬菜工廠中有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 楊其長,張成波.植物工廠概論[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[2] 劉文科,楊其長.現(xiàn)代設(shè)施園藝的最高形式—植物工廠[J].科技導(dǎo)報,2013,(33):11.

[3] 王忠.植物生理學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社.2011.

[4] 劉文科,楊其長.LED植物光質(zhì)生物學(xué)與植物工廠發(fā)展[J].科技導(dǎo)報,2014,(10):25-28.

[5] 宋亞英,陸生海.溫室人工補光技術(shù)及光源特性與應(yīng)用研究[J].農(nóng)村實用工程技術(shù)(溫室園藝),2005,(1):28-29.

[6] 楊榮超,丁小明,齊飛.LED燈在植物研究上的現(xiàn)狀和展望[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,(26):17-20.

[7] BRAZAITYTE A, DUCHOVSKIS P, URBONAVI CIUTE A, et al. After-effect of light-emitting diodes lighting on tomato growth and yield in greenhouse[J].Sodininkyste Ir Darz ininkyste,2009,28(1):115-126.

[8] C Ménard,M Dorais,T Hovi, et al. Developmental and physiological responses of tomato and cucumber to ad ditional blue light [J].Acta Horticulturae,2006,711(711): 291-296.

[9] N HOLONYAK, SF BEVACQUA. COHERENT (VISIBLE) LIGHT EMISSION FROM Ga(As1-xPx) JUNCTIONS[J]. Applied Physics Letters, 1962,1(4):82.

[10] FU M, YANG L, ZHANG J. Study of light emitting diodes for the application of plant growth in green house[J]. International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging, 2011:1-5.

[11] 崔瑾,徐志剛,邸秀茹.LED在植物設(shè)施栽培中的應(yīng)用和前景[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(8):249-253.

[12] FUKAI S, FUJIWARA K, OKAMOTO K, et al. Effects of red and blue light on germination and protocorm growth of Calanthe Satsuma[J].Lindleyana,1997,(12）: 169-171.

[13] NICHOLS M, CHRISTIE CB. TOWARDS A SUSTAINABLE“GREENHOUSE”VEGETABLE FACTORY[J]. International Symposium on Design & Environmental Control of Tropical & Subtropical Greenhouses,doi: 10.17660/ActaHortic.2002.578.17

[14] MORI Y, TAKATSUJI M, YASUOKA T. Effects of Pulsed White LED Light on the Growth of Lettuce [J]. Shokubutsu Kojo Gakkaishi,2002,14(3):136-140.

[15] YANAGI T, OKAMOTO K. Utilization of super-bright light emitting diodes as an artificial light source for plant growth [J]. Acta Horticulturae, 1997, 418(418): 223-228.

[16] YORIO N C, GOINS G D, KAGIE H R, et al. Improving spinach, radish, and lettuce growth under red light-emitting diodes (LEDs) with blue light supplementation [J]. Hortscience A Publication of the Ameri can Society for Horticultural Science,2001,36(2):380-383.

[17] SHIN K S, MURTHY H N, HEO J W, et al. Induction of Betalain Pigmentation in Hairy Roots of Red Beet under Different Radiation Sources [J]. Biologia Plantarum,2003,47(1):149-152.

[18] SCHUERGER A C, BROWN C S, STRYJEWSKI E C.Anatomical features of pepper plants (Capsicum annuum L.) grown under red light-emitting diodes supple mented with blue or far-red light [J]. Annals of Botany, 1997, 79(3): 273-282.

[19] 樊小雪,宋波,徐海,等.不同LED光源對生菜生長和品質(zhì)的影響[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2015,33(03): 330-333.

[20] 侯紅英.人工調(diào)光環(huán)境下蔬菜生長的研究[D].中國海洋大學(xué), 2006.

[21] 王芳,高芳云,呂順,等.不同比例紅藍LED燈對蔬菜育苗的補光效應(yīng)[J].熱帶作物學(xué)報,2015,36(8):1398-1402.

[22] 謝景,劉厚誠,宋世威,等.不同光質(zhì)LED燈對黃瓜幼苗生長的影響[J].長江蔬菜,2012,(6):23-25.

[23] 高藝,董皓,劉厚誠.不同光質(zhì)LED燈對絲瓜幼苗生長的影響[J].中國園藝文摘,2015,(7):10-12.

[24] 張歡,徐志剛,崔瑾,等.不同光質(zhì)對蘿卜芽苗菜生長和營養(yǎng)品質(zhì)的影響[J].中國蔬菜,2009,(10):28-32.

2015-12-21