LED在溫室番茄生產中的應用及前景

金宇章 張善端

(先進照明技術教育部工程研究中心，復旦大學電光源研究所，上海 200433)

1 引言

番茄別名西紅柿，是全世界種植最為普遍的茄果類蔬菜之一，在我國特別是北方地區已經成為很多設施栽培的主栽作物［1］。作為一種重要的食用蔬果，番茄擁有清涼甘甜的口感。其果實含有豐富的番茄紅素、維生素C、鉀等營養成分，具有抗癌、防貧血、治高血壓等重要功效，可謂營養與美味俱全。番茄因這些優點而成為世界上最受歡迎的蔬菜之一，每年巨大的產量帶來豐厚的經濟價值。

由于番茄在低溫季節喜溫的特點，我國普遍采用溫室栽培，以提供番茄生長期所需的溫度，并消除災害天氣的影響以保證產量。然而，溫室的一些防寒保暖措施降低了冬季本就珍貴的光照強度，且縮短了照光時數，使得番茄幼苗難以茁壯生長［2］。一些研究表明，光質、光強和光周期對于番茄的幼苗發育、光合特性、植株形態、果實品質及產量等均有較大影響。為補充植物成長過程中必需的光照資源，大棚內使用的補光照明技術應運而生。而LED光源具有很多優點，得到了研究和應用單位的高度重視，正逐步發展成為植物補光照明的主流技術［3］。

在植物補光領域，LED相比白熾燈、熒光燈和HID的優勢在于:(1)光譜純且可調制，光譜寬度在20nm左右，并且可以為植物光合作用和形態建成所需的光譜進行量身定制，光能有效利用率可達80%～90%;(2)光效高壽命長，紅光和藍光LED的輻射效率＞40%，白光LED燈具目前光效可達100lmW–1以上，使用壽命可達30kh，大大優于普通光源，用于規模化設施栽培時節能效果明顯;(3)LED為冷光源，適于近距離照射植物，可全空間立體安裝，不僅大大提高空間利用率，還有助于植物對光能更好的吸收;(4)LED的發光部件全固態，耐沖擊，不含汞，綠色環保，不會對植物安全產生任何威脅［4］。

2 番茄補光照明的早期研究

植物在地球上得以生存，其基本條件就是光合作用永不停歇地進行著。光合作用是植物利用葉綠素等光合色素吸收光能，將無機物CO2和H2O轉化為化學能并貯存于葡萄糖等有機分子中的過程。由于氣候和天氣等客觀因素的影響，自然光照經常無法滿足植物的生長所需，補光照明應運而生。而番茄作為人類重要的日常食用作物之一，其補光照明的研究尤為重要。科學家們很早就開始研究補光照明對于番茄生長的影響。1931年，Smith等發現，當番茄不受光照的時候，果實內的類胡蘿卜素含量會降低［5］。1948年，Denisen等發現番茄也能在黑暗無光的條件下成熟［6］。1954年和 1955年，McCollum和Nettles相繼用實驗證明，光照下的番茄相比不受光照的番茄顏色更紅，且類胡蘿卜素含量更高［7–8］。1968年，Boe等研究了光波長對于番茄種植的影響，發現單一紅光處理下番茄果實的顏色效果幾乎與全光譜照射下的番茄果實幾乎一致［9］。1974年，Jen等人利用白光熒光燈和白熾燈通過濾色片產生藍光500nm、綠光570nm和紅光650nm照射番茄，發現紅光在加速葉綠素生物降解作用中效果最為顯著，藍光在加強類胡蘿卜素的生物合成中效果最為明顯［10］。

由此，人們逐漸發現，不同光質在植物生長過程中的影響不同。人們進而研究通過方式獲取不同的光質［11］。1991年，Masson等使用濾色片過濾高壓鈉燈光譜獲得特定光譜，發現補光有助于蔬菜產量提高［12］。1995年，Brown等開始使用單色 LED調制出紅光、藍光和遠紅光，從而探索植物的光形態建成［13］。1999年，Kozai等使用帶有光譜選擇濾波的溫室系統進行封閉式種植，探討了溫室種植在解決環保、資源、食物等全球性問題上的積極作用［14］。此后，越來越多的實驗研究揭示了光照影響番茄生產的方式和程度。2004年，Glowacka等的實驗發現，藍光應用于番茄生產中可以加快花蕾的形成，并且可以有效促進植株的生長，增長干重［15］。2002年，馬光恕等研究發現不同覆蓋材料對溫室番茄發育會產生影響，光生態膜的透光性更好，更大的光量對于番茄的生長有促進作用，對產量也形成很大影響，屬于國內對光之于番茄影響的較早研究［16］。

3 LED應用于番茄補光的研究現狀

溫室番茄補光照明彌補了弱光環境下的光照不足，增強了有效光譜，保證了番茄的質量和產量。而近幾年正不斷發展成熟的植物工廠，有些更是將LED作為植物生長的主要光源。討論光照對于植物的影響，一般從光周期、光強和光質三要素角度進行研究。

3.1 光強

光強在補光照明中一般用光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)定量表征，單位為 μmo1·m–2·s–1。據報道，對于番茄的栽培一般需要30mo1·m–2·d–1或更高的光照量，而對于番茄種苗培植則最好使用4.8～6.0mo1·m–2·d–1的光照量 (這對應于光照周期為12h下111～139μmo1·m–2·s–1的光強)。過低的光強很有可能減少果實產量和質量，達不到補光照明的預期效果［17］。

3.2 光周期

光周期即為光照期與暗期長短的交替變換。一般番茄種植的光周期為12～16h。光周期的延長能在一定程度上促進植株的生長［18］。但是，光周期也不宜太長，當連續數日具有超過17h的光周期時，葉子就容易出現缺綠病［17］。同時，一定不能打斷種植過程中的黑暗周期，否則會減緩生產而降低產量［19］。目前對于番茄各個生長階段的補光研究中，大多設定光周期為 12 ～14h［20］。

3.3 光質

光質由光源的光譜能量分布決定。葉綠素對于光譜中的不同波段吸收率不同，反應方式也不同。因此不同光質對番茄的幼苗發育、植株形態、果實產量及品質等會產生不同的影響。早在1883年，德國生物學家Engelmann就利用水綿獲得了葉綠素的作用光譜。他發現，葉綠素在紅光和藍光下的光合效率特別高，在黃綠光的波段卻較不敏感。因此，學者們對于溫室番茄補光的研究大多聚焦于紅光和藍光的影響。紅光LED的峰值波長一般為660nm，藍光為460nm，黃光為590nm，綠光為530nm，UV－B為300nm。應用于補光照明的LED波長半寬可達5nm［21］。以下分別討論紅光、藍光、其他可見光、UV－B等對于番茄幼苗生長、植株形態和果實品質的影響。

圖1 葉綠素的作用光譜曲線Fig.1 Action spectrum of chlorophyll

3.3.1 紅光、藍光以及紅藍光組合的作用

國內外眾多的研究一致表明，紅光和藍光是番茄生長過程中最不可或缺的光能，這與葉綠素作用光譜顯示的高吸收率波段相符。

南京農業大學的徐志剛教授課題組利用6種不同光譜能量分布的LED光源，在AGRI－LED植物培養系統內培育番茄 (品種為櫻桃番茄“千禧”)，光強為 320μmo1·m–2·s–1左右，光周期為 12h。對于番茄幼苗，他們認為，紅、藍光的復合光質使得幼苗矮壯，比葉面積小，根冠比及壯苗指數高，有利于生長發育。單一的紅光照射會引起幼苗徒長，浪費大量養分。而添加藍光可以有效抑制徒長，還可以顯著提高幼苗總可溶性糖、總游離氨基酸含量以及干樣質量［21］。然而，單一藍光LED顯著影響幼苗生長發育的研究報道并不多見［22］。對于果實質量，他們研究了不同配比的紅光、藍光組合在二葉一心時開始處理對于“千禧”果實品質的影響。實驗表明:相同光強下 (300μmo1·m–2·s–1)，藍光比例增大有利于促進番茄紅素、可溶性固形物、游離氨基酸和類黃酮的形成，并提高糖酸比值，可以更多地積累營養物質。藍光光強占25%時不利于果實品質的提高，藍光占60%時的紅藍組合光質是對于番茄果實品質相對較好的光源［23］。

李軍等采用3種不同光質 (藍、紅、白)LED光源對秋番茄植株生長及果實產量和品質的影響進行實驗對照，認為紅光處理對葉綠素總量、葉綠素b、葉綠素a/b值無明顯影響，而藍光能顯著降低總葉綠素和葉綠素b含量，顯著提高了葉綠素a/b值。在藍光、紅光組合處理下，植株的相對株高、節間距、葉面積顯著降低，莖粗增顯著增加，而番茄果實可溶性糖含量亦顯著增加。可見，此種光質處理有效控制了徒長，使得養分更順利地傳遞到番茄果實［24］。

陳強等利用LED光源調制了紅光、藍光和紅、藍組合光質 (紅光/藍光=3:1)，在番茄果實轉色期進行照射，距離光源50cm處的光照度為100～105μmo1·m–2·s–1，光周期為 13h。結果顯示:紅光下番茄紅素積累最多，且紅、藍光組合處理可以顯著提高番茄果實中糖和酸的含量，且糖/酸值較高，可作為番茄果實轉色期補光照明的主要光質［1］。

Javanmardi等對溫室番茄進行光照處理，分為白光、紅光、藍光、紅藍光組合等若干組。光強均為30μmo1·m–2·s–1，光周期均為 16h。他們發現，在紅光或者紅、藍光組合照射下，植株莖粗更大。而單一藍光下，植株高度會降低，并且脯氨酸含量最高，而脯氨酸與植物耐受脅迫的能力相關，能夠提高植物的在不利環境下的生存力。同時，光質對于植物生長的影響具有品種特異性，對不同的植物其作用程度不同［25］。

目前已有的研究大多顯示，紅光和藍光對于番茄各個階段的生長會產生積極作用。而紅、藍光的光強配比，在補光照明中尤為重要，需要更深入、更精確的實驗來進行優化，以進一步提高番茄的品質。

3.3.2 其他可見光 (黃、綠)的作用

自然光以及傳統植物補光光源發射的都是連續光譜，除了紅光、藍光，也包含其他顏色的光譜成分。LED光源的光譜具有高度可調制性，幫助人們方便地獲得單色光，單獨分析各種光譜成分對于目標植物的影響程度。

蒲高斌等就不同光質對番茄幼苗生長和果實轉色期品質的影響進行了實驗探究。結果表明:黃光、綠光處理下的幼苗總氮含量較高，但光合速率非常低。黃光、綠光處理下較低的C/N(碳氮比，碳素與氮素的比例)使幼苗嚴重徒長，造成養分浪費［2］。此外，番茄果實轉色期間的黃光處理不會對果實的番茄紅素、維生素C等營養成分含量造成顯著差異，而綠光處理反而會造成番茄果實的品質下降［26］。

常濤濤等認為，黃光處理的番茄幼苗總的蔗糖含量雖然較高，但其它各項生物量指標都較差，在幼苗發育階段不宜使用［21］。

Javanmardi等對比了番茄等作物對于不同LED光譜的響應，發現綠光和黃光有抑制幼苗側枝生長的作用，減少了側枝的數量，不利于幼苗生長［25］。

國內外學者對于黃光、綠光之于溫室番茄作用大小的研究成果大體相似，不推薦在番茄生長的各個階段，特別是幼苗期使用這兩種顏色的光照。

3.3.3 增加UV－B對番茄品質的影響

國內外研究表明，除了可見光，UV－B也會對番茄的生長發育起到一定程度的影響。以前人們大多使用紫外熒光燈產生UV－B，其譜線寬度相比LED光源稍寬。但隨著技術的改良和進步，越來越多的紫外光LED正投入生產和應用，植物補光照明也將全面進入LED時代。

王英利等對番茄品種毛粉802進行UV－B和紅光復合處理。研究結果顯示:高劑量 UV－B(0.95kJ·m–2·d–1，每日3小時)會降低果實的番茄紅素和維生素C的含量，而低劑量UV－B(0.54kJ·m–2·d–1，每日3小時)可提高番茄紅素和維生素C含量。他們還發現，在番茄的不同發育階段進行UV－B處理，果實的品質不同。根據分組實驗的結果得出結論:9～10葉期開始施加0.54kJ·m–2·d–1的UV－B配合一定劑量紅光進行復合處理，并在開花座果期停止照射，可以顯著提高番茄果實品質［27］。

楊暉等以蘭州地區常見的兩個番茄品種(“同輝”早熟型和“霞光”晚熟型)為實驗比較對象，探討了高劑量 UV－B輻射 (4.25kJ·m–2·d–1)和低劑量 UV－B輻射 (2.54kJ·m–2·d–1)對這兩種番茄果實的品質和產量的影響程度。實驗證明，“同輝”的產量隨著輻射增加而明顯增加，而“霞光”的產量卻只在低輻射下增加。要增加番茄的產量，就要根據品種的不同而控制UV－B的劑量［28］。他們還認為，UV－B對于不同種類的番茄，會對其花粉萌芽、種子質量、開花數等繁殖特性分別產生不同程度影響［29］。

Castagna等在番茄“Moneymaker”和“hp－1異種”兩個品種發芽之后直到紅熟期施加6.08kJ·m–2·d–1的UV－B光照，時長為1小時 (即果實水平面輻照度為1.69W·m–2)。結果表明，UV－B處理的好處是會使不同番茄品種的果實都擁有更高的維生素C濃度和類胡蘿卜素濃度，危害是卻會使番茄品種的果肉質地變軟。但是這些結果也有可能根據UV－B劑量的變化而變化，需要更多的實驗比較才能確認這些特性［30］。

研究者們在不同氣候地區，對于不同品質的番茄施加不同光量的UV－B獲得的結果差異顯著。因此，要對于UV－B處理之于番茄生產的影響獲得一個清晰的結論還有待更全面的研究和更深入的討論。

3.4 其他番茄補光相關研究

Erhioui等對比有無補光照明及不同的大棚材料對于溫室番茄的影響后發現，透光率較高的大棚材料和充足的補光照明能為加拿大春季番茄生長和生產提供了良好的環境。更好的光照可以增加葉片的數量、重量、光合作用率和產量［31］。

王洪安等的實驗證明，番茄育苗過程中進行補光照明不僅可以顯著促進幼苗的光合作用，還可以提高幼苗的抗病性。這是因為補充的光照大大提高了幼苗防御系統酶的活性，而防御系統酶活性的高低與植物抗逆境特別是抗病害的能力關系密切。因此，使用補光照明的溫室番茄比普通番茄更加安全健康［32］。

Furusawa等根據可見光譜的特征信息發明了一種對于番茄圖像的顏色校準方法，從而評估不同光照條件下的番茄果實顏色。他們考慮和分析了照明燈光的光譜對于番茄表面色彩效果的影響，并與自然光下拍攝的番茄標準圖像的RGB值進行比對，從而獲得準確的顏色評估結果。這種方法可用于長時間地監視在補光照明下培養的番茄果實的表面顏色的變化，從而分析其成熟的過程與質量的好壞［33］。

3.5 番茄補光照明研究的不足和可能的研究方向

盡管國內外對于LED在溫室番茄生產中的應用已經做了大量研究，但已有的研究中依然有三個問題有待解決:(1)對于究竟何種光強、光周期和光質配比是最優的這個問題尚無定論，人們只是設定有限的若干組研究對象進行對照，實驗結果只能是大致趨勢，尚未給出準確的最優值;(2)沒有研究同時考慮不同波長LED的輻射效率、植物葉綠素對不同波長的有效作用曲線和植物特征參數的改變量，來給出單位功率的電能對改善果實品質的作用，即光源的能效;(3)對于不同品種的番茄，補光照明的處理不盡相同，缺乏一套成本低廉而行之有效的LED補光實驗方法來針對每一種番茄量身定制其補光照明方案，以獲得最大產量及最優品質。LED技術的不斷成熟使得光強和光質的調制、光周期的控制以及燈具的設計和布置越來越簡易化和自定義化。相信上述問題得以解決后，LED的應用一定會對我國現代農業的發展起到更大的助推作用。

4 新型LED光源應用于溫室番茄生產的前景分析

近幾年，LED在植物設施栽培領域的研究和發展已經引起全世界的重視。采用LED為主要光源的植物工廠可以使得大規模番茄栽培的空間利用率和環境可控性大幅提高［34］，電能損耗量大幅減小［35］，災害影響度大幅降低，已經成為未來農業的必然發展方向。美國、日本、荷蘭、英國等發達國家的蔬菜生產已然在植物工廠的道路上大步邁進。在荷蘭皇家普萊德公司 (Royal Pride Holland)的植物工廠中，先進的溫室技術和照明技術已經可以保證全年365天供應美味、安全、健康的多個品種的番茄，并且銷往英國、德國、西班牙等國。

在中國，溫室栽培技術已經較為成熟，是經濟型農業的重要部分。但大棚內的光照仍然以太陽光為主，光能利用率較低，并且受季節和天氣影響較大。因此，建設封閉式的植物工廠，開發LED光環境調控系統的具有重要意義。迄今為止，我國在植物工廠設施開發和LED植物應用的機理研究尚處于起步階段。中國農業科學院等機構正大力研究和推廣植物工廠概念及應用，獲得了諸多LED植物照明企業和溫室種植企業的響應和支持。我國首家植物工廠于2009年落戶北京通州，標志著我國的植物工廠已初具雛形。

LED照明技術的不斷進步正引領溫室補光照明進入一個更節能，更可控的時代［36］，也勢必會在未來植物工廠化的大規模番茄生產中扮演一個不可或缺的角色。

［1］陳強，劉世琦，張自坤，等.不同LED光源對番茄果實轉色期品質的影響［J］.農業工程學報，2009，25(5):156－161.

［2］蒲高斌，劉世琦，劉磊，等.不同光質對番茄幼苗生長和生理特性的影響［J］.園藝學報，2005，32(3):420－425.

［3］Vanninen D M，Pinto A I，Nissinen N S，et al.In the light of new greenhouse technologies:1.Plant－mediated effects of artificial lighting on arthropods and tritrophic interactions［J］.Annals of Applied Biology，2010，157:393－414.

［4］魏靈玲，楊其長，劉水麗.LED在植物工廠中的研究現狀與應用前景［J］.中國農學通報，2007，23(11):408－411.

［5］Smith L L，Smith O.Light and the carotenoid content of certain fruits and vegetables［J］.Plant Physiol，1931，6(2):265－275.

［6］Denisen E L.Tomato color as influenced by variety and environment［J］.Proc Amer Soc Hort Sci，1948，51:349－356.

［7］McCollum J P.Effects of light on the formation of carotenoids in tomato fruits［J］.Food Res，1954，19(1－6):182－189.

［8］Nettles V F，Hall C B，Dennison R A.The influence of light on color development on tomato fruits［J］.Proc Amer Soc Hort Sci，1955，65:349－352.

［9］Boe A A，Do J Y，Salunkh D K.Tomato ripening:effects of light frequency，magnetic field，and chemical treatments［J］.Econ Bot，1968，22(2):124－134.

［10］Jen J J.The carotenoids of red and yellow lutescent tomato fruits［J］.J Ag Food Chem，1974，22(5):908－910.

［11］Jen J J.Influence of spectral quality of light on pigment systems of ripening tomatoes［J］.Journal of food science，1974，39:907－910.

［12］Masson J，Tremblay N，Gosselin A.Nitrogen fertilization and HPS supplementarylightingin?uencevegetable transplant production.I.Transplant growth［J］.Journal of the American Society for Horticultural Science，1991，116(4):594－598.

［13］Brown C S，Schuerger A C，Sager J C.Growth and photomorphogenesis of pepper plants under red lightemitting diodes with supplemental blue or far－red lighting［J］.Journal of the American Society for Horticultural Science，1995，120(5):808－813.

［14］Kozai T，Ohyama K，Afreen F，et al.Transplant production in closed systems with artificial lighting for solving global issues on environmental conservation，food，resource and energy［C］.Proc ACESYS III Conference，1999.

［15］Glowacka B.2004.The effect of blue light on the height and habit of the tomato(Lycopersicon esculentum Mill.)transplant［J］.Folia Hort，2004，16:3－10.

［16］馬光恕，廉華，閆明偉.不同覆蓋材料對大棚內番茄生長發育的影響［J］.吉林農業科學，2002，27(4):41－43.

［17］林燕丹.補光照明對蔬菜作物生長的影響［J］.中國照明電器，2006，(3):12－15.

［18］鄔奇，蘇娜娜，崔瑾.不同光周期下黃瓜和番茄幼苗生長與ZT和IAA的相關性［J］.園藝學報，2013，40(4):755－761.

［19］曹陽.冬季溫室補光對果菜類作物生長發育的影［J］.河北農業科學，2009，13(3):10－12.

［20］張紅艷.植物生長燈在溫室番茄生產中應用效果初探［J］.遼寧農業科學，2013，(1):72－73.

［21］常濤濤，劉曉英，徐志剛，等.不同光譜能量分布對番茄幼苗生長發育的影響［J］.中國農業科學，2010，43(8):1748－1756.

［22］崔瑾，徐志剛，邸秀茹.LED在植物設施栽培中的應用和前景［J］.農業工程學報，2008，24(8):249－253.

［23］劉曉英，常濤濤，郭世榮，等.紅藍LED光全生育期照射對櫻桃番茄果實品質的影響［J］.中國蔬菜，2010，(22):21－27.

［24］李軍，劉鳳軍，徐君.不同發光二極管 (LED)光源補光對大棚秋番茄植株生長及果實產量和品質的影響［J］.江蘇農業學報，2011，27(6):1339－1343.

［25］Javanmardi J，Emami S.Response of tomato and pepper transplants to light spectra provided by light emitting diodes［J］.International Journal of Vegetable Science，2013，19(2):138－149.

［26］Pu G B，Liu S Q，Du H T，et al.Effect of light quality on tomato fruit qualities in turning－color period［J］.Chinese Agricultural Science Bulletin，2005，21(4):176－178(Ch).蒲高斌，劉世琦，杜洪濤，等.光質對番茄果實轉色期品質變化的影響［J］.中國農學通報，2005，21(4):176－178.

［27］王英利，王勛陵，岳明.UV－B及紅光對大棚番茄品質的影響［J］.西北植物學報，2000，20(4):590－595.

［28］楊暉，幸華，周劍平.增強UV－B輻射對番茄果實產量和品質的影響［J］.天水師范學院學報，2009，29(5):35－37.

［29］楊暉，安黎哲，焦光聯，等.番茄某些繁殖特性對增強UV－B輻射的響應［J］.應用與環境生物學報，2006，12(5):609－613.

［30］Castagna A，Chiavaro E，Dall＇Asta C，et al.Effect of postharvest UV－B irradiation on nutraceutical quality and physical properties of tomato fruits［J］.Food Chemistry，2013，137(1－4):151－158.

［31］Erhioui B M，Gosselin A，Hao X M，et al.Greenhouse covering materials and supplemental lighting affect growth，yield，photosynthesis，and leaf carbohydrate synthesis of tomato plants［J］.Journal of the American Society for Horticultural Science，2002，127(5):819－824.

［32］王洪安.淺談溫室人工補光對番茄工廠化育苗質量的影響［J］.中國科技縱橫，2011，(5):150－151.

［33］Furusawa K，Suehara K I，Kameoka T，et al.Color appearance evaluation of agricultural products image based on spectral information of lighting［C］.SICE Annual Conference，2010.

［34］馬超，張歡，郭銀生，等.LED在芽苗菜生產中的應用及前景［J］.中國蔬菜，2010，(20):9－13.

［35］Massa G D，Kim H H，Wheeler R M，et al.Plant productivity in response to LED lighting［J］.HortScience，2008，47(3):1951－1956.

［36］Mitchell G A，Both A J，Bourget C M，et al.LEDs:The future of greenhouse lighting［J］.Chronica Horticulturae，2012，52(1):6－12.