高壓鈉燈和發(fā)光二極管在植物設(shè)施栽培中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

孔樂 耿 博 鄭夢影 苗辰 龍家煥 尤杰

摘要：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需環(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。隨著溫室設(shè)施栽培、室內(nèi)栽培、植物工廠技術(shù)的飛速發(fā)展，科學(xué)家對農(nóng)業(yè)光照的研究越加深入。目前植物設(shè)施栽培中使用的光源主要有白熾燈、熒光燈、金鹵燈、高壓鈉燈（high pressure sodium lamp，簡稱HPS）以及發(fā)光二極管（light-emitting diode，簡稱LED）。本文系統(tǒng)梳理了第三代光源HPS和第四代光源LED的發(fā)光原理及其在植物栽培中的應(yīng)用特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為設(shè)施農(nóng)業(yè)的補(bǔ)光應(yīng)用提供支持。

關(guān)鍵詞：高壓鈉燈（HPS）;發(fā)光二極管（LED）;設(shè)施補(bǔ)光;設(shè)施栽培;調(diào)節(jié)信號

中圖分類號： S625.5+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0006-04

光是自然界最主要的能量來源，幾乎所有生物的生長都離不開光，綠色植物更是如此，光既是植物生長的能量來源，也是植物發(fā)育最重要的調(diào)節(jié)信號。設(shè)施覆蓋材料的遮蔽和過濾作用均會導(dǎo)致設(shè)施內(nèi)部光照不足，設(shè)施生產(chǎn)旺季頻繁出現(xiàn)的連陰雨天氣和霧霾天氣進(jìn)一步加劇了溫室設(shè)施內(nèi)的光照不足問題，人工補(bǔ)光已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)的重要保障手段。隨著人類生活水平的提高，對農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)要求也越來越高，對設(shè)施栽培中的補(bǔ)光技術(shù)和光源產(chǎn)品提出更高的要求。目前市場上的照明燈具主要有農(nóng)用高壓鈉燈（high pressure sodium lamp，簡稱HPS）、熒光燈、白熾燈、發(fā)光二極管（light-emitting diode，簡稱LED）等。HPS是老牌植物補(bǔ)光燈，應(yīng)用范圍廣、技術(shù)成熟，LED作為新型照明設(shè)備，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，也存在不少缺陷。本文討論HPS和LED等2種光源在設(shè)施植物栽培中的應(yīng)用特性和現(xiàn)狀。

1?HPS與LED的發(fā)光原理

1.1?HPS的發(fā)光原理

鈉燈分為低壓鈉燈和高壓鈉燈。低壓鈉燈的放電輻射集中在589.0、589.6 nm的2條雙D譜線上，這2條線非常接近人眼視覺曲線的最高值（555 nm），發(fā)光效率很高。但低壓鈉燈單色性太強(qiáng)、顯色性差、放電管過長等，針對這些缺點(diǎn)，科研工作者于1961年發(fā)明HPS。電弧管是HPS的關(guān)鍵部件，由耐高溫和抗鈉蒸汽腐蝕的多晶氧化鋁和陶瓷管制成，燈芯采用金屬支架將電弧管、消氣劑環(huán)等固定在芯柱上，電弧管2端電極分別與芯柱上2根內(nèi)導(dǎo)絲連接。玻殼是選用耐高溫的硬料玻璃制造，玻殼與燈芯的喇叭口經(jīng)高溫火焰熔融封口，內(nèi)抽真空或充入惰性氣體。燈泡啟動后，電弧管2端電極之間產(chǎn)生電弧，由于電弧的高溫作用，管內(nèi)的汞、鈉受熱氣化為氣態(tài)汞和氣態(tài)鈉，陰極發(fā)射的電子在向陽極運(yùn)動過程中，撞擊放電物質(zhì)的原子，使其獲得能量產(chǎn)生電離或激發(fā)，然后由激發(fā)態(tài)回復(fù)到基態(tài)或由電離態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，再回到基態(tài)，無限循環(huán)，此時(shí)多余的能量以光輻射的形式釋放，便產(chǎn)生了光[1]。HPS需要匹配鎮(zhèn)流器，有電感鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器之分，不同功率的HPS配合使用相應(yīng)規(guī)格鎮(zhèn)流器。電感HPS需配套電感鎮(zhèn)流器、啟動器、燈泡、燈頭、燈罩使用[2]。HPS的光譜能量大致分布為紅、橙色光39%～40%，綠、黃色光51%～34%，藍(lán)、紫色光9%。HPS光譜中含有較多的紅橙光，有很高的紅光/遠(yuǎn)紅光（R/FR）比例，藍(lán)紫光含量少，補(bǔ)光效率較高。壽命可達(dá)20 000～24 000 h。HPS需要配合反光罩或反光板使用，是溫室中常用的人工補(bǔ)光光源。

1.2?LED燈的發(fā)光原理

1962年，美國物理學(xué)家Nick Holonyak發(fā)明的LED，是1種由Ⅲ-Ⅳ族化合物制成的具有2個(gè)電極的固態(tài)半導(dǎo)體發(fā)光器，可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光能，其發(fā)光的基本原理是利用半導(dǎo)體P-N結(jié)或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能。LED發(fā)光的波長由P-N結(jié)的材料決定[1]，不同的材料具有不同的帶隙，電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體會發(fā)出從紫色到紅色不同顏色的光線。光的強(qiáng)弱與電流大小有關(guān)，電子和空穴之間的能量越大，產(chǎn)生光子的能量就越高，光子的能量與光的顏色對應(yīng)，在可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)色光、紫色光攜帶的能量最多，橘色光、紅色光攜帶的能量最少[3]。

LED的核心部件是1個(gè)半導(dǎo)體晶片，晶片2端分別附在1個(gè)支架上，分別連接電源的正負(fù)極，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝。半導(dǎo)體晶片由2部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，主要是電子。這2種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候它們之間就形成一個(gè)P-N結(jié)，電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片時(shí)，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，將多余的能量以光子的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)化為光能。

LED剛問世時(shí)其輻射強(qiáng)度低，且顏色種類少，所以只局限于標(biāo)示及觀賞等用途。20世紀(jì)80年代中期開始出現(xiàn)高亮度的LED，直到1993年高亮度藍(lán)光LED的出現(xiàn)，使得全彩化的LED產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)，其應(yīng)用范圍也拓展到了汽車、通信產(chǎn)品、資訊產(chǎn)品、交通信號、照明及生物農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[3]。

2?HPS與LED的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1?HPS的優(yōu)點(diǎn)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前HPS的壽命已達(dá)到2萬h以上，工作期間光譜特性穩(wěn)定，12 000 h內(nèi)光衰低于20%。電子產(chǎn)品的壽命一般取決于濾波電容，而電感鈉燈的電容可以支持它用20年。HPS具有以下優(yōu)點(diǎn)，（1）光效高，10萬lx的光照度對生產(chǎn)中幾乎所有植物的光周期都能夠確定保證可用;（2）不誘蟲，使用HPS對植物補(bǔ)光不需要考慮造成額外的蟲害，而且還可以降低番茄灰霉病的發(fā)生和預(yù)防忌光性昆蟲;（3）密封性好，電子鎮(zhèn)流器HPS要么采用密封超級好的外殼，完全不漏氣，要么采用“呼吸孔”，這種孔上有特別的膜，可以向里和向外鼓起來，釋放壓力;（4）照明面積大，包含電纜槽燈具在內(nèi)，投影面積與目標(biāo)面的面積比小于3%，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)甚至能做到1%;（5）不易使被照物褪色、透霧性能好、屬于暖光源等，這些特點(diǎn)使HPS被廣泛應(yīng)用于普通照明的各個(gè)角落[4]。HPS經(jīng)過幾十年的實(shí)踐應(yīng)用優(yōu)化，已經(jīng)形成較成熟的應(yīng)用技術(shù)，能夠適應(yīng)各種不同的天氣情況。種植者在長期使用HPS的過程中，結(jié)合環(huán)境變化，已經(jīng)形成了成熟的計(jì)算機(jī)自動控制與運(yùn)行模式。

2.2?HPS的缺點(diǎn)

隨著照明燈具的發(fā)展、LED燈的改良推廣，HPS逐漸表現(xiàn)出一些不足。首先，HPS的光源屬于全向發(fā)光，有超過50%的光線需要經(jīng)反射器反射后才能照射到地面，在這個(gè)過程中必然會損失一部分光線，而且光照范圍內(nèi)的照度不均，在相鄰2個(gè)燈具的交叉位置，照度僅僅達(dá)到直接照射方向的40%左右。其次，鈉燈的照明持續(xù)性非常不好，理論上HPS的壽命可以達(dá)到24 000 h，但受電網(wǎng)電壓波動以及運(yùn)行環(huán)境的影響，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到理論壽命，每年燈具的損壞率都超過60%。雖然通過利用燈光節(jié)電器調(diào)壓降能、提高功率因數(shù)、降低線路損耗、及時(shí)調(diào)整亮燈和熄燈時(shí)間等方法可以減輕這種損耗，但無法從根本上消除這種缺陷。再者，HPS采用汞蒸汽發(fā)光，在光源廢棄后，如果不能有效處理，必然會造成環(huán)境污染。另外，HPS色溫為2 000～3 000 K，顯色指數(shù)為20～25，傳統(tǒng)的HPS主要發(fā)射光譜集中在560～640 nm范圍內(nèi)[5]，與植物光合作用中的有效輻射光譜不能很好地吻合[6]，而且在HPS中，配光曲線需要由反射器決定，因此存在著很大的局限性。

2.3?LED的優(yōu)點(diǎn)

LED屬于無危險(xiǎn)類燈具類別。與傳統(tǒng)光源不同，LED燈是半空間發(fā)光的光源，光線的利用率比HPS高，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）作為一種半導(dǎo)體元件，理論上，LED燈的有效使用壽命可以達(dá)到50 000 h，HPS有效使用壽命可以達(dá)到20 000 h。頻繁開關(guān)的情況對LED燈壽命影響不大。LED燈不含汞，不存在對人體有害的物質(zhì)，是一種綠色環(huán)保的光源。（2）白光LED的色溫為3 000～10 000 K，顯色指數(shù)為60～95，與HPS相比，大多LED燈的顯色指數(shù)可以達(dá)到80%以上，能很好地還原物體的實(shí)際色彩，相當(dāng)接近自然光照[7]。（3）LED燈在打開的瞬間就能夠達(dá)到最佳光照水平，不存在所謂的啟動時(shí)間，因此，LED燈有更加完善的自動化控制系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的時(shí)段和光照條件，對燈具的亮度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而起到良好的節(jié)能效果[7]。（4）理論上，白光LED燈的能耗僅為HPS的3/5，在農(nóng)業(yè)照明中只用HPS 75%的耗能就可以獲得相同的產(chǎn)量。一個(gè)溫室用HPS補(bǔ)光需要耗電1 224 kW·h，而用LED燈補(bǔ)光只需要耗電294 kW·h[3]。（5）從光學(xué)系統(tǒng)方面分析，LED燈單向發(fā)光，光線能夠直接定向照射，因此，光能利用率相對較高。同時(shí)LED采用分布式光源，通過對各個(gè)電光源的有效設(shè)計(jì)，能夠使得燈具的光源呈現(xiàn)出理想狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對配光曲線的合理調(diào)整，控制光線的分布，在燈具的有效照射范圍內(nèi)，照度相對比較均勻。LED是熱輻射較小的冷光源，可用于多層立體栽培系統(tǒng)進(jìn)行近距離照射植物，使光能和空間利用率都得到有效提高，大幅度降低成本。（6）LED運(yùn)輸和安裝方便。LED燈芯片體積很小，固態(tài)封裝、抗震性好，可以被裝置在任何微型和封閉的設(shè)備中，無需擔(dān)心振動;可以制成各種類型的燈，有助于燈具的小型化和特色化，其中插件LED燈基本上是一塊很小的LED燈珠，被封裝在環(huán)氧樹脂里面，它非常小、非常輕，貼片LED燈就更小了[3]。（7）LED的光密度調(diào)節(jié)方便，燈具的光輸出和工作電流成正比，可以通過增減電流的方法來調(diào)光照度，還可以采用脈沖寬度調(diào)節(jié)的方法，通過調(diào)節(jié)電壓的占空比和工作頻率，調(diào)節(jié)LED燈的發(fā)光強(qiáng)度。（8）LED可作誘蟲燈板。LED誘蟲燈板的顏色包括黃色、綠色、藍(lán)色、紅色，上面覆蓋像電蚊拍的高壓電網(wǎng)，進(jìn)行誘捕殺蟲。研究表明，白色LED燈板誘殺蟲的效果最好，藍(lán)色、綠色LED燈板次之，再次是黃色LED燈板，效果最差的是紅色LED燈板[3]。

2.4?LED的缺點(diǎn)

LED具有以下缺點(diǎn)，（1）LED的光效為100 lm/W以上，相比HPS，其發(fā)光效率較低，補(bǔ)光能力較差;（2）LED照射過于集中，處理不當(dāng)易導(dǎo)致葉片損傷。大面積照明時(shí)照射的均勻度相對較差，可以通過對其光路的二次設(shè)計(jì)，使燈具的光源呈現(xiàn)出理想狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對配光曲線的合理調(diào)整，控制光線的分布，從而實(shí)現(xiàn)照度的均勻性，但必然會引起光輸出效率下降。由于發(fā)光二極管屬于冷光源，與HPS相比，產(chǎn)生的熱量少，不容易燒傷植株，所以采用LED燈補(bǔ)光，可使燈盡量靠近植株，以增加光的利用率。根據(jù)植株品種和生長特性，可以把補(bǔ)光燈設(shè)計(jì)成為長條形、棒形、平板型，近距離地安放在植株上部、中部，進(jìn)而使光源得到有效利用。（3）LED散熱的問題導(dǎo)致燈具損壞后，基本上是直接更換燈具，造成巨大浪費(fèi)。有研究人員設(shè)計(jì)了一款集光源、散熱、驅(qū)動器于一體的LED光源，用于保留原HPS燈具殼體，直接更換LED光源[8]。（4）LED的光衰減率較大，使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到理論壽命等。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于長期處于高溫工作環(huán)境中，LED燈的使用壽命會受到相應(yīng)的影響，如果結(jié)溫由115 ℃提升到135 ℃，則LED燈的使用壽命會從理論的50 000 h降到20 000 h。有研究表明，可以通過加強(qiáng)散熱的方式來延長LED燈的使用壽命，采用回路熱管（loop heat pipe，簡稱LHP）冷卻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)LED燈的工作散熱，能夠?qū)ED燈的結(jié)溫降低到65 ℃，在這樣的溫度下，若燈具每天工作12 h，則其光衰小于3%[7]。但這種處理方法增加了LED燈的使用成本，造成電能浪費(fèi)。（5）LED有誘蟲功能，溫室補(bǔ)光時(shí)往往會起到消極作用。（6）LED在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用時(shí)間尚短，應(yīng)用范圍暫時(shí)不廣泛，對它在植物照明方面的研究還比較少，而且LED燈的光譜范圍很大，生產(chǎn)廠家對溫室環(huán)境了解粗淺，難以生產(chǎn)出適合溫室照明的LED燈具。

3?HPS與LED在農(nóng)業(yè)照明上的應(yīng)用

3.1?2種光源在植物補(bǔ)光中的應(yīng)用概況

作為第3代照明電器，關(guān)于HPS在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用早有研究，國外研究和實(shí)踐應(yīng)用表明，HPS在可見波段紅光區(qū)域有正好位于植物對光源的敏感波段范圍內(nèi)的較強(qiáng)紅光輸出，能大大提高植物的光合作用，因此，HPS與其他類型的燈混用可以高效率地提供植物生長所需紅光光成分。HPS作為促進(jìn)植物生長的光源更適用于植物生長周期的開花和結(jié)果階段[9-10]，從而提高果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量[11]。HPS雖含有較多的紅橙光，但較缺少藍(lán)紫光，改良后的HPS雖能發(fā)射藍(lán)光，但會對植物產(chǎn)生負(fù)面影響，如導(dǎo)致葉綠素含量降低、氣孔變小、地上部干物質(zhì)積累量降低等。

LED于1990年第1次被用于植物照明研究，并被證明是一種比傳統(tǒng)光源更為有效的替代光源。與LED相比，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，不僅可有效提高光照度，還能使電能高效地轉(zhuǎn)化為有效輻射，具有更高的光能利用率。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用LED為400 ms脈沖周期和50%占空比下，蔬菜的生長速率和光合速率均提高了20%以上[12]。但并非太陽光譜中的所有光質(zhì)都對植物的生長起促進(jìn)作用，有些光質(zhì)（如綠光等）對植物的生長甚至有抑制作用。所以在使用LED進(jìn)行補(bǔ)光時(shí)要注意光譜的組合。此外，在植物組織培養(yǎng)方面，LED的使用也取得了卓越的成就[13]。

3.2?2種光源補(bǔ)光對植物苗期的影響

無論是LED還是HPS，補(bǔ)光均能對處理植株產(chǎn)生積極作用，其中HPS補(bǔ)光可以有效促進(jìn)草莓植株生長，加速草莓莖、葉的生長發(fā)育，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的貯存[11]。僅對于苗期而言，一般來說，LED的效果優(yōu)于HPS。對苗期黃瓜、番茄、辣椒、茄子等作物的試驗(yàn)表明，一定光質(zhì)LED補(bǔ)光能夠明顯協(xié)調(diào)促進(jìn)植物器官的生長，提高植株壯苗指數(shù)及其抗病性、抗逆性、抗衰老能力和光合能力，有助于實(shí)現(xiàn)育苗生產(chǎn)中培育壯苗的目的，是工廠化設(shè)施育苗過程中可供參考的適宜補(bǔ)光光質(zhì)[14-18]。當(dāng)光周期設(shè)置為12 h，光密度為50 μmol/（m2·s）時(shí)，紅光（630～660 nm）、橙光（590～610 nm）、藍(lán)光（450～460 nm）、綠光（340～540 nm）LED處理與自然光相比，均顯著提高了賽田番茄幼苗的壯苗指數(shù)[18]。龔婷等使用自制的LED進(jìn)行補(bǔ)光后發(fā)現(xiàn)，辣椒、番茄和茄子幼苗的株高、根長、莖粗、葉面積和整個(gè)幼苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均明顯增加[19]。鄭麗等研究表明，LED植物補(bǔ)光燈處理下的切花菊植株高度、節(jié)間長度以及花莖比HPS處理下的植株分別高出164%、0.4 cm、1.6 cm[20]。Poel等用LED處理，HPS作對照研究了補(bǔ)光處理下辣椒、番茄、天竺葵、矮牽牛和金魚草在苗期的生長狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除辣椒外，各個(gè)材料株高、葉面積和葉片數(shù)差異不顯著，且光源差異對各試驗(yàn)材料的開花沒有影響[21]，這表明在植物苗期不管用LED還是HPS作為光源補(bǔ)光，幼苗生長基本相似，但當(dāng)交替用HPS和LED對番茄補(bǔ)光時(shí)，植株鮮質(zhì)量比單獨(dú)用HPS低。在相同光照度下對西瓜嫁接苗進(jìn)行補(bǔ)光，開始補(bǔ)光后前13 dHPS處理與自然光照下的株高均高于LED（R ∶B=1 ∶1）處理，17 d后，LED處理的嫁接苗株高增長明顯，株高顯著高于HPS處理與自然光照處理，LED對西瓜嫁接苗生物量積累的促進(jìn)效果優(yōu)于HPS，對提高嫁接苗成活率和抗病性的效果也優(yōu)于HPS[22]。

3.3?2種燈具補(bǔ)光對植物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響

HPS和LED補(bǔ)光在植物物質(zhì)積累方面有積極影響，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，400 W的HPS和LED紅藍(lán)光補(bǔ)光處理2 h，均可促進(jìn)番茄株高、莖粗、葉柄數(shù)以及地上部生物量增加，但兩者之間沒有顯著的差異，對番茄的產(chǎn)量也沒有顯著影響;而當(dāng)LED補(bǔ)光時(shí)間增加至10 h時(shí)，可以增加番茄產(chǎn)量[23]。在黃瓜栽培中，無論是單獨(dú)補(bǔ)充LED光還是在鈉燈的基礎(chǔ)上補(bǔ)充LED，均可以增加黃瓜產(chǎn)量[24-25]。在草莓栽培中，70 W的HPS就可以顯著影響草莓植株形態(tài)并增加其產(chǎn)量[11]。研究表明，在光量子通量密度（PPFD）為90 μmol/（m2·s）時(shí)，LED、HPS處理下的辣椒、番茄、天竺葵、矮牽牛、金魚草幼苗具有相似的干物質(zhì)量[21]。在玫瑰栽培中，在LED下生長植株莖長和葉面積通常較低，而鮮質(zhì)量和干質(zhì)量不受燈類型的影響[26]。在PPFD為100 μmol/（m2·s ）條件下培養(yǎng)15 d的大白菜中，在LED補(bǔ)光下生長的植株有比HPS下生長的植株稍高的根冠比，但在紅藍(lán)組合LED下生長的大白菜比HPS下生長的大白菜生產(chǎn)力更低[27]。HPS近距離照射會對玫瑰產(chǎn)生熱脅迫，從而導(dǎo)致玫瑰花瓣呼吸作用過度和水分流失，造成花瓣變色和同化物消耗，影響產(chǎn)量和品質(zhì)[28]。有研究發(fā)現(xiàn)，對番茄品種Brioso RZ進(jìn)行LED株間補(bǔ)光時(shí)，可以增加番茄植株葉片生物量和番茄全紅果的比率，提高番茄品質(zhì)[29]。

3.4?2種光源補(bǔ)光對植物水分利用效率和光合速率的影響

在蔬菜和花卉的商業(yè)生產(chǎn)中，補(bǔ)光燈的波長可能嚴(yán)重影響水分利用效率、蒸騰速率。在用HPS和LED（紅藍(lán)、紅白）對植物進(jìn)行補(bǔ)光時(shí)觀察到，HPS處理下番茄和洋桔梗的水分利用效率高于LED處理，蒸騰速率低于LED處理，但二者間的凈CO2交換速率和最終生物量沒有差異，且不同處理下的最大光合速率相同[30]。在LED和HPS下生長的白菜葉綠體中光合電子傳遞速率沒有顯著差異[31]，且在LED下生長的植物的光合電子傳遞速率不低于（或更高）其他補(bǔ)光光源下生長的植物[27]。但在番茄中，LED處理下的最大光量子效率高于HPS處理[26]。

研究表明，在光譜以及各種環(huán)境刺激下，植物光合作用的各個(gè)步驟可能會不平衡，因此只測量有限數(shù)量的光合參數(shù)很可能不能正確評測植物的光合作用性能和生長情況。值得注意的是，大部分光合作用和生長參數(shù)研究結(jié)果顯示，植物對光質(zhì)的響應(yīng)與物種相關(guān)[32]。

3.5?2種光源補(bǔ)光對病蟲害的影響

陳善飛等研究表明，在開啟鈉燈補(bǔ)光的溫室與不補(bǔ)光的溫室相比，棚內(nèi)相對濕度下降，溫度上升，補(bǔ)光后明顯加速了番茄的開花結(jié)果，而且降低了水果番茄灰霉病的發(fā)病率[32]。蟲害對植物的生長有很大影響，在大面積的露天栽培中選用黃色HPS可有效防治忌光性昆蟲，從而可以提高作物的外觀品質(zhì)與產(chǎn)量。而LED燈有誘蟲效果，補(bǔ)光應(yīng)用時(shí)附帶消極影響。

3.6?2種光源補(bǔ)光對植物體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)含量的影響

植物補(bǔ)光燈會影響其下生長的植物內(nèi)含物含量。LED補(bǔ)光10 h時(shí)，番茄的維C含量、可溶性糖含量顯著增加，有機(jī)酸含量降低[23]。藍(lán)光（435 nm）LED處理下的葡萄果實(shí)里那醇、萜品醇等萜烯類特征香氣物質(zhì)含量高峰出現(xiàn)的時(shí)間較早，紫外光（<380 nm）LED處理下葡萄果實(shí)里那醇等萜烯類特征香氣物質(zhì)含量最高，紅藍(lán)光對改善果實(shí)的品質(zhì)效果較差[33]。LED燈補(bǔ)光有利于白菜光合色素的積累[34]，并可提高辣椒、番茄和茄子幼苗葉中的可溶性糖、類胡蘿卜素含量[19]。當(dāng)LED處理紅藍(lán)光比為10 ∶0時(shí)，番茄總酚、苯丙素、黃酮醇含量很低，說明藍(lán)光對于這些化合物的合成至關(guān)重要，HPS處理下的植物體內(nèi)這些化合物含量同樣很低，可能是因?yàn)镠PS中藍(lán)色光譜很少[34]。在Ptushenko所做的8個(gè)生長試驗(yàn)中，有5個(gè)在LED下生長的植物中平均單位葉面積光合色素含量高于HPS[35]。隨著LED光源懸掛高度的升高，黃瓜葉片超氧化物歧化酶（SOD）及抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢[36]，且LED處理下植物在幾乎所有生育階段和所研究的各個(gè)光照度下APX、SOD活性均低于HPS處理[34]。與HPS下生長的對照植物相比，遠(yuǎn)紅光、深紅光和藍(lán)光LED組合光譜可以大大增強(qiáng)生菜對鉀、鈣和鎂的攝取[37]。

4?展望

農(nóng)業(yè)照明技術(shù)的應(yīng)用推廣對于我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著十分重要的推動作用。探索適宜、高效、節(jié)能和綠色環(huán)保的植物生長燈光源一直是設(shè)施栽培補(bǔ)光技術(shù)應(yīng)用研究的重要內(nèi)容。HPS已經(jīng)在植物溫室補(bǔ)光領(lǐng)域應(yīng)用了幾十年，科研人員和用戶對HPS的性能和使用方法已經(jīng)非常熟悉，相關(guān)配套設(shè)施很全面，且有一整套的使用流程。HPS本身具有很多優(yōu)點(diǎn)，可以較好地完成補(bǔ)光任務(wù)，用戶能夠準(zhǔn)確預(yù)期應(yīng)用HPS進(jìn)行溫室補(bǔ)光后會有什么樣的作用，得到什么樣的結(jié)果。因此在全球范圍內(nèi)HPS的應(yīng)用范圍最廣，使用最普遍。LED在植物照明領(lǐng)域是一種新型燈具，在很多方面較傳統(tǒng)的HPS優(yōu)勢突出，但現(xiàn)在對LED在植物照明方面的研究較少，應(yīng)用不夠廣泛，有很多生產(chǎn)上的問題亟待解決。這些問題都是植物照明領(lǐng)域新舊燈具交替所必然產(chǎn)生的矛盾，不能因?yàn)镠PS被普遍應(yīng)用就放棄LED的應(yīng)用，也不能因?yàn)長ED具有某些方面的優(yōu)點(diǎn)而否認(rèn)HPS的應(yīng)用優(yōu)勢。LED在植物照明領(lǐng)域的發(fā)展必然是一個(gè)緩慢的過程，不能一蹴而就，在這個(gè)過程中仍然要挖掘HPS和其他光源的潛力，相互補(bǔ)充，相輔相成。

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