LED光源在植物工廠中的應用

1、摘要 led 光源作為第四代新型半導體固態(tài)冷光源，具有光質純、光效高、波長類型豐富、光強與光質可調控及節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點，在人工光植物工廠光環(huán)境調控和太陽光植物工廠人工補光方面具有廣泛的應用前景。文章闡述了植物工廠和 led 光源的特性及優(yōu)點，介紹了 led 光源在植物工廠補光、 光環(huán)境調控中的應用， 并對 led 光源在植物工廠中的應用前景進行了展望。關鍵詞 led 光源；植物工廠；光環(huán)境調控中圖分類號 s123 文獻標識碼 a 文章編號 1007-5739（2016）06-0161-02currentstatusanddevelopmentaltrendsofledlightsour

2、ceutilizationinplantfactory隨著人們對農(nóng)產(chǎn)品需求的日益增加，人們的環(huán)境意識薄弱使得環(huán)境污染不斷加重，氣候災害頻發(fā)，使得農(nóng)業(yè)資源減少，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)性能與穩(wěn)定性下降，嚴重影響其可持續(xù)發(fā)展1，設施農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)為解決此類問題提供了途徑。植物工廠是設施農(nóng)業(yè)的最高級發(fā)展階段，它很好地將現(xiàn)代工業(yè)、生物科技、營養(yǎng)液栽培和信息技術等相結合，對設施內環(huán)境因子實施高精度控制，具有全封閉、對周圍環(huán)境要求低，縮短植物收獲期，節(jié)水節(jié)肥、無農(nóng)藥生產(chǎn)、不向外排放廢物等優(yōu)點2,單位土地利用效率是露地生產(chǎn)的 40108 倍，智能化人工光源及其光環(huán)境調控對其生產(chǎn)效率起到?jīng)Q定性作用3。植物工廠的能耗成本

3、通常占總運行費用的 50%-60%將 led 光源運用于植物工廠可以降低運行成本，隨著半導體光源技術的發(fā)展，led 光源品質不斷提高、價格逐漸下降，led 將逐漸取代熒光燈作為密閉式植物工廠中的人工光源4-5,這很好地解決了植物工廠的能耗問題。早在 20 世紀 50 年代，美國就提出了植物工廠這一概念，并在 70 年代使其商業(yè)化，隨后日本研究者也逐漸對植物工廠進行研發(fā)6。我國對植物工廠方面的研究起步較晚，研究相對滯后。本文在前人研究的基礎上對植物工廠的概念及特點進行了闡述，介紹了 led 光源的特點及其在植物工廠補光、光環(huán)境調控中的應用，并對 led 光源在植物工廠中的應用前景進行了展望。1

4、植物工廠的概念及特點植物工廠是一種實現(xiàn)植物周年、立體連續(xù)生產(chǎn)的高效系統(tǒng)，設施內的溫度、濕度、co2濃度、 氣流、 光照和營養(yǎng)液組分等環(huán)境因子均由計算機實施高精度控制， 不受或很少受自然條件制約 7 。根據(jù)光照來源不同，植物工廠可分為人工光植物工廠和太陽光植物工廠。人工光植物工廠采用人工光源與營養(yǎng)液栽培，栽培條件完全密閉，不受外界氣候條件影響，植物可進行周年生產(chǎn)；太陽光植物工廠光源為太陽光或短期人工補光，采用營養(yǎng)液栽培，栽培條件半密閉，植物可周年生產(chǎn)8。目前，植物工廠可應用于反季節(jié)蔬菜、花卉、果品和食用菌生產(chǎn)，以及種苗、組培苗、大田作物育苗（水稻、煙草等）和瀕危植物（中草藥）擴繁與生產(chǎn)，我國有蔬

5、菜工廠、種苗工廠、植物組培工廠等多種形式9。2 應用于植物工廠的 led 光源特征發(fā)光二極管（light-emittingdiode,led）,是一種直接將電能轉化為光能的新一代照明光源，具有結構簡單、重量輕、體積小、抗震性好、安全性高等屬性特點，及光效高、低能耗、壽命長、冷光源、響應快、環(huán)保性高、使用方便等光電優(yōu)勢10-11。與傳統(tǒng)植物設施栽培中使用的光源（熒光燈、金屬鹵化物燈、白熾燈等）相比，led 光源具有以下優(yōu)點：led 的光譜可按植物生長發(fā)育需求進行調制，生物光效高；led 為冷光源，可貼近植物照射，空間利用率是溫室的 510 倍；led 為直流電，可控性好，光能有效利用率高，能對光

6、強、光質和光周期等實現(xiàn)精準調控，適宜植物工廠的生產(chǎn)；節(jié)能、環(huán)保、體積小、重量輕、長壽命；led 光源裝置多樣（燈板、燈帶、燈管和燈泡），適于植物工廠的應用10。研究表明，蔬菜中糖分、維生素的含量會隨著光質和光照時間的不同而不同，可實現(xiàn)使用不同組合 led 光源對蔬菜的營養(yǎng)成分和口味進行調整。對于植物的生長，采用 led 進行跳動式的間歇光照，比連續(xù)照射更有效率12。植物對藍紫光（400510nm）、紅橙光（610720nm）和遠紅光（720780nm 反應最為敏感，其中可吸收的波長主要集中在藍紫光段（波峰為 450nm）和紅橙光段（波峰為 660nm）,但不同植物間所需的適宜光質存在差異，le

7、d 發(fā)射的窄單色紅光光譜（620625nm）、藍光光譜（470475nm）,與光合色素（葉綠素 a、b）的吸收波長相匹配，且 led 光源光質調配精確、生物效應指向性高，使 led 光源實施精準光環(huán)境調控提供了可能13。3 led 光源在植物工廠中的應用1957 年世界上第一座太陽光植物工廠（1000m2）在丹麥誕生，用于種植水芹，而后奧地利建成第一座人工光植物工廠，種植生菜。1973 年，英國發(fā)明了營養(yǎng)液膜栽培法，日本發(fā)明了深液流栽培法8。1994 年日本開始試用 led 作為植物工廠的照明光源，并在生菜、小白菜、茴蒿、芹菜、水稻、糊蝶蘭等的工廠化生產(chǎn)上獲得了成功14。2009 年，中國農(nóng)業(yè)

8、科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所成功研制了國內第一例智能型 led 植物工廠，采用 led 光源進行育苗生產(chǎn)，運行效果良好15。2010 年 4 月，日本三菱化學公司將廢舊大型集裝箱改造成植物工廠輔以現(xiàn)代信息管理技術和 led 光源進行作物的光合作用，日本昭和電工專門開發(fā)相關 led 產(chǎn)品適應新生植物工廠的需求16。3.1植物工廠中人工補光光是環(huán)境信號和光合作用能量的唯一來源，對太陽光植物工廠來說，人工補光是十分必要的，自然界中許多因素可能導致植物工廠內光環(huán)境（光強、光質和光周期）不能滿足植物生長需求，此時就需要進行人工補光，而 led 用于植物工廠人工補光具有一定優(yōu)勢。早在 1982年就有關

9、于采用波長 650nm 的紅色 led 光源進行溫室番茄補光的試驗報道17。侯紅英18用不同光質 led 光源對小白菜、番茄、油菜進行補光栽培試驗，結果表明紅光使植株的鮮質量和株高顯著提高，而藍光苗更為粗壯。3.2植物工廠中人工光環(huán)境調控人工光植物工廠中光環(huán)境的調控更為必要，其光源質量直接影響著植物的生產(chǎn)效率及其品質。渡邊博之采用水冷模板 led 光源栽培植物工廠內生菜、芹菜等蔬菜，光能利用效率較高，且能明顯縮短生產(chǎn)周期。okamoto 等19使用超高亮度 led 紅光：藍光=2：1 培育葛苣獲得成功。yanagi 等20研究表明，單色藍光 led 處理下離苣干物重較純紅光或紅藍光組合下小，但

10、植株顯得更加矮壯和健康。nichols 等21研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)人工光源產(chǎn)熱較多，用 led補充照明，可將電能高效轉變?yōu)橛行Ч夂陷椛?。研究發(fā)現(xiàn)，以 led 單一或組合光源作為植物工廠內菠菜22、蘿卜23、甜菜24等蔬菜的光源，可提高光合效率，促進植株生長，調控其形態(tài)建成。led 的光譜域寬在土 20nm 左右，完全能夠滿足植物對單色光的需求，對紅光、藍光及其 ppfd 實現(xiàn)單獨控制20。劉水麗25研究表明，與人工光照處理相比，led 光源下植株生長速率高，葉面積大，葉片數(shù)多，葉片生長速度快，扎根較深。張歡等26研究表明，紅光有利于蘿卜芽苗菜生長，提高產(chǎn)量，改善部分營養(yǎng)品質。陳曉麗等27研究了 led

11、 組合光譜對水培生菜礦物質吸收的影響，結果表明，與葉綠素生理吸收波峰（峰值 450、660nm）對應的單一或組合光譜均可增強水培生菜根對 na、fe、mncu、mo 元素的吸收能力，且單一紅光光譜的促進作用最為顯著。周華等28在江西省科學院植物工廠內研究不同波長 led光源對生菜生長和品質的影響，結果表明紅光能提高地上生物量，藍光能矮化植物，提高生菜 vc 和粗蛋白質含量，復合光質（r：b：uv-b=20：5：1）可降低生菜葉面積，提高 vc、粗蛋白質和粗纖維含量。4 led 光源在植物工廠中的應用前景世界上的可用耕地面積是有限的，隨著工業(yè)化的發(fā)展，耕地面積減少，環(huán)境污染日益嚴重，植物工廠的出

12、現(xiàn)，為人類目前所面臨的糧食緊缺、資源耗盡、耕地緊張等諸多問題提供了一條可行的解決途徑29-30。據(jù)報道，2013 年全球植物工廠 led 燈具產(chǎn)值高達 12 億美元，較 2012 年增長了 27%led 光源植物工廠是植物工廠發(fā)展的方向，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效、高產(chǎn)、優(yōu)質、生態(tài)和安全的總體要求，節(jié)能效果明顯，推廣應用前景廣闊。led 光源在我國植物工廠中的應用仍處于起步階段，仍存在著許多問題，制約著其發(fā)展：led 光源價格偏高；植物工廠中 led 應用技術需進一步提高，相關方面的研發(fā)和經(jīng)費投入不足；產(chǎn)業(yè)化和標準化較低，植物工廠用 led 光源仍處于試驗研究階段，未形成完善的標準化技術體系；缺乏有效的政策扶持。因此，不斷借鑒國內外研究成果，進一步深入系統(tǒng)地研究 led 光源在我國植物工廠上的應用具有重要意義。植物工廠作為一種新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，正處于學習和成長階段，還需要投入更多的關注和研究，而 led 光源作為新一代光源應用于植物工廠具有很多優(yōu)勢，led 光源的使用可使作物栽培層的間距降低，再加上其散熱少、光合利用率高，可降低成本、增加產(chǎn)量31