新型LED光源在蔬菜工廠中的應用現狀及展望

翁 淼 （湖州尚翔生態農業有限公司，浙江省湖州市 313000）

新型LED光源在蔬菜工廠中的應用現狀及展望

翁 淼 （湖州尚翔生態農業有限公司，浙江省湖州市 313000）

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

植物工廠；光照；LED光源；應用

植物工廠[1]由日本最先提出，其實質是一個高級設施農業設備，利用計算機采用高精度的環境控制自動系統，為作物生長提供適宜且最優的光照、溫度、濕度、營養液等，打破作物正常的生產周期，大幅度提高空間利用率及作物產量[2]，實現作物全年連續生產。在所有人造環境條件因子中，光照是影響植物生長的關鍵限制因子，它不僅是綠色植物順利完成生命周期的必備環境因素，還是植物光合作用的能量來源，更是調節植物生理活動的重要環境信號[3]，無論是光照強度還是光照時間，都將決定作物的穩產、優質。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對環境因子的高精度控制。

近年來，我國設施栽培發展迅猛，借鑒智能化植物工廠的發展，蔬菜工廠已成為設施栽培的一個熱點研究方向。為提高設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量，提高蔬菜的品質及生產效率[4]，促進蔬菜工廠的進一步發展，對蔬菜工廠中的人工補光系統進行了探討，分析了LED植物補光燈在蔬菜工廠化生產中的應用現狀，并對其應用前景進行了展望。

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 傳統的植物補光系統光源

在國內設施農業的生產過程中，主要的傳統補光系統是白熾燈、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射連續光譜，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熱，還需另配降溫設備，造成了能源的雙重浪費。而白熾燈由于本身發熱的原因，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量。

2.2 熒光燈

該燈燈管內壁覆蓋了一層熒光物質，由紫外線激發熒光物質而發光，可根據作物不同的需求，使用不同的熒光物質而產生藍光、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，能源浪費的現象依舊存在，且由于熒光物質的分布不均，會導致熒光燈光強、光質不均，也對作物的質量產生了一定影響。

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]。但傳統高壓鈉燈的主要發射光譜集中在560-640nm范圍內[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射藍光，但會對植物產生的負面影響[7，8]，如葉綠素含量降低、氣孔變小、地上部干物質積累量降低等。

3 新型LED光源在智能植物工廠中應用的優勢

1962年，美國物理學家尼克·何倫亞克發明的LEDs（Light-emitting diodes），是一種具有2個電極的半導體發光器，其發光的基本原理是利用半導體PN結或類似結構把電能轉換成光能。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]。

相對于傳統光源，LED燈具有使用壽命長、光質純凈、能效利用率高、波長類型豐富等優點。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，高溫、高濕的環境條件會縮短其使用壽命，但仍比傳統光源更耐用[10]。此外，LED燈還是一種理想的冷光源，發熱少，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量，降低生產成本[11]。

4 LED光源在蔬菜工廠中的研究及應用

4.1 國外LED光源在蔬菜工廠中的研究及應用

發達國家正在積極研究將LED光源應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]試驗發現，傳統人工光源產生熱量過多，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化為有效輻射，最終轉化為植物物質。還有研究表明，在應用的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應用于植物工廠是切實可行的[14]。此外，許多外國科學家及研究機構還發現，將單一或組合LED光源應用于菠菜、蘿卜、甜菜、胡椒、紫蘇[15-18]等蔬菜的工廠化育苗、生產中，均可提高其光合效率，最終達到提高蔬菜品質及產量的目的。

4.2 我國LED光源在蔬菜工廠中的研究及應用

目前，在我國蔬菜工廠領域關于LED光源應用的研究正處于迅速發展階段。樊小雪[19]等的研究結果顯示，生菜在紅藍光組合光照下，無論是產量還是質量，都得到了很大程度的提高。侯紅英[20]用不同光質的LED光源對小白菜、番茄、油菜進行了補光栽培試驗，結果顯示，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、地下部干物質累積、葉綠素含量及幼苗根系活力。此外，還有許多國內專家對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有積極的正面影響。

5 LED光源在我國蔬菜工廠中的應用前景展望

蔬菜工廠在國內尚屬新鮮名詞，但一經提出便引起了相當廣泛的關注及許多研究者的興趣。而蔬菜工廠內人工補光技術的研究與應用，對于推動蔬菜工廠的發展具有非常重要的作用。我國是蔬菜設施栽培面積最大的國家之一，但有關LED光源在蔬菜工廠中的應用還處于技術開發及理論研究階段。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，在我國蔬菜工廠領域具有自主知識產權的LED技術研發還落后于發達國家，亟需工程學科和園藝學科的研究者共同合作，研發出符合我國實際蔬菜生產種類的LED植物光源，這對大力發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能人工光源，因其特有的光質純凈、發熱小、使用壽命長等優點，是植物工廠補光設備的首選，將在未來的蔬菜工廠中有廣闊的發展前景。

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2015-12-21