稀土LED植物補光燈在設施農業上的應用

張 彤，李成宇，池建義，張洪杰，秦新苗

(1.中國科學院長春應用化學研究所，吉林長春 130022；2.中國科學院包頭稀土研發中心，內蒙古自治區包頭 014030；3.包頭中科瑞豐科技有限公司，內蒙古自治區包頭 014030)

引言

受到氣候條件的影響，我國北方地區大田農業耕作多為一年一熟制或兩年三熟制。為適應市場需求，滿足現代農業發展需要，利用現代工程技術，創造合理的生長環境，為農作物提供最合適的光照、溫度、濕度、植保及水肥條件，使其保持最佳的生長狀態，以期獲得優質、高產的農產品，已經成為了現代農業發展的趨勢。

光照、溫度、空氣、水和養分是植物生長的核心要素。隨著農事操作水平的提高，設施內溫度、水肥綜合管理條件在不斷的趨于完善。但由于設施建筑在一定程度上會遮擋部分自然光源，導致室內光線不足，且北方初春、晚秋及冬季日照時長較短，會顯著影響喜光作物的產量和品質。人工光源的引入一改往日作物種植過程中單純依靠自然光源的窘境，通過添加白熾燈、鹵鎢燈、高壓鈉燈、熒光燈和LED燈等人工光源來滿足植物的光需求。這其中，LED具有光電轉換效率高、體積小、壽命長、耗能低、波長穩定、熱輻射低、環保等優點而得到廣泛的應用。

1 光對植物生長的影響

光作為一種外界信號可以影響植物發育的諸多方面，從種子的發芽，脫黃化到營養形態，晝夜節律的建成。植物通過光合作用制造有機物為其生長發育提供物質和能量，因此光也是植物獲取能量的來源。光照強度、光照周期和光譜分布構成了設施內的光照環境。在弱光條件下，遠紅光比例升高，紅光、藍光和紫外光的比例降低，這些變化很可能形成了果菜類作物生長失調的光信號[1]。利用補光燈，對設施內的光照環境進行靈活的調節，克服了設施自身和天氣條件帶來的光源限制。

植物光合作用的有效波長范圍是380～710 nm。這其中，葉綠素對紅光部分及藍紫光部分的光譜吸收最強。研究表明，紅光會促進細胞的伸長，而藍光則具有相反的效果。長波長的光(紅光)可以顯著提升植物各器官的發育速率，最顯著的效果就是引起植物提前開花、結果；短波長的光(藍光)會抑制莖的伸長，防止徒長，促進營養器官的生長。紅藍組合LED補光燈可以相互彌補各單色光源的不足，且光能利用率高達80%～90%，節能效果顯著。

2 LED植物補光燈在植物營養生長期的應用

隨著農業生產不斷趨于集約化，規范化，設施溫室育苗成為設施農業的重要環節。在育苗生產中，常會使用到一些植物生長調節劑(赤霉素、生長素、矮壯素等)來調控幼苗生長，但不合理的施用會對幼苗及設施環境造成污染，影響人類身體健康[2]。

有研究表明，補光對常見經濟作物(如：番茄、黃瓜、草莓等)的產量、品質以及生長發育具有積極的意義[3,4]。在溫室栽培領域，利用調控光質、光強、光周期來控制植物形態建成和生長發育是一項重要的技術[5]。植物通過體內的感光受體整合不同的光源信號，經胞內信使傳導，調節植物的形態建成及生長發育[6]。

在溫室補光育苗方面，隨著補光處理時間的延長，補光時間及光質對黃瓜幼苗葉面積生長的促進作用逐漸顯現[7]。通過延長光照時間、增強光照強度，會有效提高番茄的壯苗率及抵抗病蟲害的能力[8]，而紅藍組合LED光源則會顯著提升黃瓜幼苗的葉面積及地上部分干物重[9]。植物幼苗期補充藍光可以有效提升葉片中保護酶的活性，延緩葉片衰老[7]。

我們使用中科院長春應用化學研究所研發的稀土LED植物補光燈對CM966大番茄苗期補光試驗，結果表明，在同樣波長組合稀土LED植物補光燈下，不同光照時長顯著影響番茄幼苗形態。適當延長番茄苗期光照時間可加快細胞生長，幼苗壯苗程度較好，細胞活性較強，生物量累積較多。每日低于10 h的組合光照會導致植株莖部纖細，色澤清淡，幼苗呈徒長狀態。此外，組合光補光亦可顯著提高黃瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素 b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量。因此，研究新型LED人工光源及光源調控在溫室育苗生產中的應用，對于揭示植物光質調控機制，培育幼苗壯苗，促進作物優質高產具有重要意義。

3 LED植物補光燈在植物生殖生長期的應用

研究發現，紅光和藍光是影響果實轉色期品質變化的主要光質。紅光可以顯著提高番茄果實番茄紅素含量，藍光可以顯著提高番茄果實維生素 C、可溶性蛋白含量[10]；組合補光可提升番茄果實可溶性固形物含量、可溶性蛋白含量和番茄紅素含量[11]。對草莓來說，組合補光可以提高光合色素含量，對果實產量和品質有較大的提升作用[12]。

2017年11月至2018年3月，我們分別在內蒙古自治區鄂爾多斯市杭錦旗、準格爾旗智能溫室中進行稀土LED植物補光燈的相關試驗。試驗結果表明，通過增加光照時長，可以令草莓提前10～15 d開花，增強草莓植株耐旱性，提升果色、果實口感和果實品質，增強市場競爭力。每日4 h的組合補光，草莓的總糖含量提升了10.72%，花青素含量提升了65.73%，維生素C含量提升了1.47%。與未安裝稀土LED植物補光燈的溫室相比，安裝補光燈的草莓溫室在本次試驗草莓采收期每畝多收入5 000～8 000元。

同期對不同品種的茄子生育期進行補光試驗，結果表明，通過增加光照時長，可以提高茄子的耐寒性。每日4 h的組合補光，可以顯著提升圓茄的總糖(18.48%)及淀粉(85.71%)含量、長茄的花青素(5.05%)及維生素C(24.44%)含量。并且我們發現，茄子的不同品種對補光燈使用效果表現不一。總體來說，使用稀土LED植物補光燈可以提升蔬菜品質，但對于茄子相關色素形成的影響還需要進一步的研究。

4 LED植物補光燈在設施農業中的發展前景及方向

近些年，由于農業生產過程中不合理的使用工業化學用品，導致農產品的農殘超標，嚴重影響了人類的身體健康和人身安全。食品安全問題愈演愈烈，引起了人們對食品安全的極大關注。農業是否可以實現高產量、高效益、高品質的連續化生產，高新技術產業——植物工廠的形成提供了一個解決方案。

植物工廠是設施園藝發展的高級階段和必然趨勢[13]。它顛覆了傳統的土地利用方式和農作形式，為提供安全、高附加值植物提供了高效穩定的生產環境。隨著各學科高新技術的交叉應用(如：LED人工光源、無土栽培、水肥一體化、環境控制、智慧控制等相關設備、技術裝備領域)，國內外太陽光/人工光源植物工廠發展迅速。這其中，人工光源植物工廠的市場規模發展潛力巨大。

植物工廠的生產效率和經濟效益主要受到設施裝備水平、環境調控水平、植物品種特征、地理環境及社會市場環境等因素的控制。試驗數據表明，每種植物對光源的光質、光強、光周期都有其獨特的偏好，并且在同一種植物的不同生長階段其對光源的偏好也是動態變化的。理清環境影響植物生理學原理，嚴格遵循植物生理需求，耦合多方參數，建立完善系統的智能LED光配方成為了植物工廠的關鍵核心技術[13]。因此，在今后很長一段時期內，光環境的動態控制管理技術將會是植物工廠智能化研究領域的一大熱點。