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）

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(gè)熱點(diǎn)研究方向。為促進(jìn)蔬菜工廠的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)蔬菜工廠中的人工補(bǔ)光系統(tǒng)進(jìn)行了探討，分析了LED植物補(bǔ)光燈在蔬菜工廠化生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)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(shí)質(zhì)是一個(gè)高級(jí)設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)備，利用計(jì)算機(jī)采用高精度的環(huán)境控制自動(dòng)系統(tǒng)，為作物生長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)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(dòng)的重要環(huán)境信號(hào)[3]，無論是光照強(qiáng)度還是光照時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)熱點(diǎn)研究方向。為提高設(shè)施栽培中生育期較短、對(duì)光照強(qiáng)度需求適中、株型相對(duì)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(jìn)蔬菜工廠的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)蔬菜工廠中的人工補(bǔ)光系統(tǒng)進(jìn)行了探討，分析了LED植物補(bǔ)光燈在蔬菜工廠化生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)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(zhǎng)為610-720 nm 的紅橙光，約占生理輻射的55%左右；其次是波長(zhǎng)為400-510 nm 的藍(lán)紫光，約占生理輻射的8%左右；而對(duì)510-610 nm 的黃綠光，可被吸收的光能很少。因此，通常把波長(zhǎng)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)足因陰雨等原因造成的光照不足，從而保證作物正常生長(zhǎng)。然而這類光源由于光質(zhì)不純、含有效生理輻射少、光照強(qiáng)度不均一（有的光照強(qiáng)度接近甚至低于某些作物的光補(bǔ)償點(diǎn)）、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(dá)總能量的80%-90%，紅橙光約占10%-20%，藍(lán)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(bǔ)光能效低。同時(shí)，白熾燈作為蔬菜工廠的補(bǔ)光光源，長(zhǎng)時(shí)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(fèi)。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(fèi)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(lán)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(lán)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(shí)，熒光燈的光譜中無紅外線，是良好的冷光源。由于此類補(bǔ)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(fèi)的現(xiàn)象依舊存在，且由于熒光物質(zhì)的分布不均，會(huì)導(dǎo)致熒光燈光強(qiáng)、光質(zhì)不均，也對(duì)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(lán)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(shí)，高壓鈉燈雖含有較多的紅橙光，但缺少對(duì)植物生長(zhǎng)起決定性作用的藍(lán)紫光，改良后的高壓鈉燈雖能發(fā)射藍(lán)光，但會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生的負(fù)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(shì)

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(gè)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(jí)不同，從而產(chǎn)生的波長(zhǎng)也不同，因此造就了不同色彩的LED燈[9]。

相對(duì)于傳統(tǒng)光源，LED燈具有使用壽命長(zhǎng)、光質(zhì)純凈、能效利用率高、波長(zhǎng)類型豐富等優(yōu)點(diǎn)。在正常使用情況下，LED燈的壽命可長(zhǎng)達(dá)10萬h，雖然在蔬菜工廠內(nèi)，高溫、高濕的環(huán)境條件會(huì)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(dá)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(bào)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(yàn)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(fèi)，若采用LED補(bǔ)光，不僅有效提高了光照強(qiáng)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(zhǎng)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(shí)可行的[14]。此外，許多外國科學(xué)家及研究機(jī)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(dá)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(lán)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(duì)小白菜、番茄、油菜進(jìn)行了補(bǔ)光栽培試驗(yàn)，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(lán)光則有利于蹲苗。王芳[21]使用不同比例的紅藍(lán)LED光源對(duì)苦瓜、豆角、茄子、辣椒幼苗進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示，采用紅藍(lán)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(duì)LED光源在黃瓜、絲瓜、蘿卜[22-24]等多種蔬菜上進(jìn)行了試驗(yàn)，均表明合適的LED光源對(duì)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(bǔ)光技術(shù)的研究與應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)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(zhǎng)周期中，所需要的光照強(qiáng)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(duì)性分析。同時(shí)，在我國蔬菜工廠領(lǐng)域具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LED技術(shù)研發(fā)還落后于發(fā)達(dá)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(shí)際蔬菜生產(chǎn)種類的LED植物光源，這對(duì)大力發(fā)展我國蔬菜工廠有著非常實(shí)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是植物工廠補(bǔ)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。

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2015-12-21