LED光源在植物工廠中的應用

徐圓圓 覃儀 呂蔓芳 劉旭慶 韋素潔 楊梅

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(zhì)純、光效高、波長類型豐富、光強與光質(zhì)可調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)控

中圖分類號 S123 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）06-0161-02

Current Status and Developmental Trends of LED light source Utilization in Plant Factory

XU Yuan-yuan 1 QIN Yi 2 LV Man-fang 2 LIU Xu-qing 1 WEI Su-jie 1 YANG Mei 1 *

（1 College of Forestry，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004； 2 Guangxi State-owned Weidu Forest Farm）

Abstract LED light source as the fourth generation of new type semiconductor solid state cold light source，with the advantages of pure light quality，high efficiency，rich wavelength，light intensity and light quality are controlling and energy saving，environmental protection，and so on. These advantages make LED light source have a wide application prospect in artificial light plant factory ambient light regulation and solar plant factory of artificial lighting in. The advantages and characteristics of plant factory and light-emitting diode were described，the application of light fill and light environment regulation in plant factory were introduced，and the application of LED light source in plant factory was prospected.

Key words LED light source；plant factory；light environment regulation

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(jié)合，對設施內(nèi)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40～108倍，智能化人工光源及其光環(huán)境調(diào)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(zhì)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(diào)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 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(nèi)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-emitting diode，LED），是一種直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的新一代照明光源，具有結(jié)構(gòu)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：①LED的光譜可按植物生長發(fā)育需求進行調(diào)制，生物光效高；②LED為冷光源，可貼近植物照射，空間利用率是溫室的5～10倍；③LED為直流電，可控性好，光能有效利用率高，能對光強、光質(zhì)和光周期等實現(xiàn)精準調(diào)控，適宜植物工廠的生產(chǎn)；④節(jié)能、環(huán)保、體積小、重量輕、長壽命；⑤LED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(zhì)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(diào)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（400～510 nm）、紅橙光（610～720 nm）和遠紅光（720～780 nm）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450 nm）和紅橙光段（波峰為660 nm），但不同植物間所需的適宜光質(zhì)存在差異，LED發(fā)射的窄單色紅光光譜（620～625 nm）、藍光光譜（470～475 nm），與光合色素（葉綠素a、b）的吸收波長相匹配，且LED光源光質(zhì)調(diào)配精確、生物效應指向性高，使LED光源實施精準光環(huán)境調(diào)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（1 000 m2）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、茼蒿、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)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(nèi)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(nèi)光環(huán)境（光強、光質(zhì)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年就有關于采用波長650 nm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(zhì)LED光源對小白菜、番茄、油菜進行補光栽培試驗，結(jié)果表明紅光使植株的鮮質(zhì)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(diào)控

人工光植物工廠中光環(huán)境的調(diào)控更為必要，其光源質(zhì)量直接影響著植物的生產(chǎn)效率及其品質(zhì)。渡邊博之采用水冷模板LED光源栽培植物工廠內(nèi)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培育萵苣獲得成功。Yanagi等[20]研究表明，單色藍光LED處理下萵苣干物重較純紅光或紅藍光組合下小，但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(zhuǎn)變?yōu)橛行Ч夂陷椛洹Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，以LED單一或組合光源作為植物工廠內(nèi)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(diào)控其形態(tài)建成。LED的光譜域?qū)捲凇?0 nm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(zhì)。陳曉麗等[27]研究了LED組合光譜對水培生菜礦物質(zhì)吸收的影響，結(jié)果表明，與葉綠素生理吸收波峰（峰值450、660 nm）對應的單一或組合光譜均可增強水培生菜根對Na、Fe、Mn、Cu、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(nèi)研究不同波長LED光源對生菜生長和品質(zhì)的影響，結(jié)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(zhì)含量，復合光質(zhì)（R∶B∶UV-B=20∶5∶1）可降低生菜葉面積，提高VC、粗蛋白質(zhì)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(zhì)、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(nèi)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]。LED光源的使用和普及為植物工廠高精度環(huán)境控制提供了保障，LED植物照明工廠在中國市場還處在認知和磨合期[32]。而LED光環(huán)境調(diào)控是個復雜的過程，涉及光質(zhì)、光強和光周期等的綜合調(diào)控，也是未來人工光植物工廠必需實現(xiàn)和滿足的技術手段，近些年，相關學者對LED光源在植物工廠中光生物學規(guī)律和光催化提效及LED光源裝置創(chuàng)新與制造方面進行了研究[9]，但仍存在一些阻礙，有待深入系統(tǒng)的研究[33]。

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