设施园艺LED照明系统及其光效提升途径.pdf

<p>-222- 设施园艺LED照明系统及其光效提升途径 林 婧，马邯生，王丽萍，赵 芳，路蒙蒙 (河北工程大学 园林与生态工程学院，河北 邯郸 056001) 摘 要： LED照明系统可以给设施园艺发展提供光源，利用光效发展农业是生态农业的一大特色。LED 照明具有智能控制、成本低廉、光源精良等优势，更能满足设施园艺的多样性需求，有利于园艺植物 的自然生长，提高生产效率，促进增收。 关键词：设施园艺；LED照明系统；生物光效 光是植物生长发育的基本环境要素之一，对植物 生长发育、形态建成、物质代谢及基因表达均有调控 作用。在农业照明领域中，传统的人工光源主要是白 炽灯、荧光灯等。在使用过程中，由于这些光源的能 耗较大、成本高昂、光能效果差等缺陷，使其已经不 能满足现代农业发展的需求。因此，LED照明系统 技术的发展，正好填补了这一漏洞。LED光源是设 施园艺使用的理想光源，有着无可替代的优势，是当 今发展现代农业的一大创新应用。 1 LED光源在设施园艺栽培中的优势 特征 1.1 节能高效 设施园艺的栽培也要遵循生态农业理念，而LED 照明系统具有节能环保这一大特色，无论是从LED 的光源光质，还是从光的周期性来看，LED都有利 于植物生长发育，可提高栽培效率。LED耐冲击， 不易破碎，不含汞，无污染，废弃物可回收利用，使 用寿命是普通光源的数十倍，特强的耐用性也降低了 运行成本。 1.2 光源智能控制 LED光源安全可靠，体积小，产生的热量也少， 可以控制光源大小。另外，LED光源能根据植物的 需要合理配置光谱，这对调节园艺作物的生长有建设 性的作用，利于作物保证质量。通过光质、光强和光 周期调控，可以改变植物的养分吸收、初级代谢和次 级代谢过程，调控植物体内糖、维生素、类黄酮、酚 酸等物质的合成、代谢和累积，最终影响植物可食部 分的保健功能 1 。 第一作者简介：林 婧(1991-)，女，硕士，助教；主要 从事园艺科研与教学工作。 2 LED光质对园艺作物生长发育的作用 光能促进植物组织和器官的分化，制约各器官的 生长速度和发育比例。强光对植物茎的生长有抑制作 用，但能促进组织分化，有利于树木木质部的发育。 如在全光照条件下生长的树木，一般树干粗壮、树冠 庞大、枝下高较低，具有较高的观赏与生态价值。在 高强光中生长的树木较矮，但是干重增加，且根茎比 提高。 2.1 植物所需的光合作用 光合作用是植物生物量与产量形成的基础，植物 95%的干物质源于光合作用产生的碳水化合物。植物 对光照条件存在复杂的反应，包括光响应、光抑制、 光反应等。太阳的全色光谱中只有部分波段的光被植 物吸收进行光合作用，植物的叶片形态、植物的生理 反应等都会影响光合作用。因此，选择LED照明系统， 能够保证光源的充足，保障植物进行光合作用时产生 的效果最佳。 2.2 LED发出的光对植物的影响 LED光质对植物生长发育、生理学、作物解剖 学和形态学，以及营养吸收和病害发生均有显著影 响。据资料显示，在可见光中，被绿色植物吸收最 多的是红橙光(波长600700 nm)和蓝紫光(波长 400500 nm)，对绿色光(500600 nm)只有微 量吸收。红光是最早被用于作物栽培试验的光质，是 作物正常生长的必须光质，生物需求数量居于各种单 色光质之首，是人工光源中最重要的光质。红光下生 成的物质可使植物长高，而蓝光下生成的物质可促进 蛋白质与非碳水化合物的积累，给植物增重。 不同的植物需要不同的光照效果，LED光源的不 同波长对植物的光合作用也不同。一般来说，植物光 合作用最佳的光波长在400700 nm之间，蓝色光 线与红色光线的效果最强。蓝光的数值高了，会对植 物叶片生长起到促进作用，红光对作物的开花和结果 有影响，比如对花期的提前或延后。单独的红光或蓝 -223- 中国园艺文摘 &nbsp;2018 年第 1 期 光LED照射降低了成花反应，调控了花梗长度和花 期，有利于切花生产和上市。由此可见，通过光质和 光周期可以调控植物的开花和随后的生长。 3 设施园艺LED照明系统装备的组成 部分 光环境对设施园艺作物的生长培育是一个关键因 素，按需调控光环境是设施园艺半导体照明亟待解决 的问题。LED照明系统装备的先进，能满足设施园 艺内作物光环境的需要。设施园艺LED照明系统装 备包括LED光源及LED灯、LED灯悬挂装置及调控 系统、光环境智能控制系统3个方面 2 。 LED照明系统提高了光电转化的效率，突破了空 间上光分配不均匀的限制，LED在应用中更加关注 光的散热、光质组合大小方面。因此，在设计LED 芯片时，要把握几项原则最大化地提高LED光源的 强度。第一，光能的利用原则。合理的光谱影响光源 的发光效率，在研发过程中，要避免对光资源浪费情 况的出现，减少光源的损失。第二，成本低廉原则。 光电技术的发展并不意味着要花高昂的代价来促进照 明系统的发展，LED光源的成本低廉，能帮助园艺 人家减少经济压力。第三，生态环保原则。光源的颜 色划分对大气质量有一定影响。因此，蓝红光的比例 要分配合理。 4 设施园艺LED照明系统光效提升的 途径 4.1 LED光源及LED灯发光效率 首先，LED芯片光质构建可以获得节能高效光 谱的，从芯片选型、光谱构建方面来改变不同的内部 结构；其次，通过选择适宜的LED灯珠发光角度和 LED阵列排布方式，获得垂直方向适宜的光强分布 和均匀性，通过LED光源灯具发光面性状设计，获 得最大冠层光能截获率，提高光照效益；最后，改进 灯具的散热系统装置，能够提高其使用期限，获得良 好的效益。 在温室大棚中，补光是设施园艺必备的一项措 施。提高温室LED补光装备的光效水平，应在光源 灯具、悬挂方式方面进行创新。冠层双面LED补光灯、 冠层双斜面LED补光灯、落地补光灯和可折叠翼状 补光灯，这些LED灯能从不同的角度发光，满足植 物的整体需求。在补光悬挂方式方面，开发多种冠层 贴近式补光技术，包括冠层上方贴近式补光、冠层内 补光和冠层侧面立体补光技术等，极大地提高设施园 艺LED照明系统的光效，具有重要意义。 4.2 LED灯悬挂装置及调控系统效率 LED灯悬挂装置和调控系统涉及LED灯与作物 冠层相对空间关系，涉及光束照射方向、照射面、冠 层光截获比例等参数。光环境智能控制系统关系到光 照的时空生物有效性、强度适宜性和产量品质效益等 3个方面。LED灯悬挂装置及调控系统包括悬挂方式、 空间位置调节装置、栽培平台创新与调控等环节的技 术途径。 4.3 光环境智能控制系统效率 为了更好地促进植物生长发育，园艺人家要提供 适宜的光源，从光的数量和质量两个方面入手，严格 把控光质、光强和光周期等3方面控制，从而使该措 施能与植物的光环境需求效果连接起来，更好地促进 植物优质生长，在植物栽培技术上有了新的创新。构 建农业半导体照明大数据，就得把光质的优良效果作 为一个关键因素考量，从光源的动态数据发展走向来 判断植物适合的光条件。 5 LED光源在其他领域中的应用 LED光源既在人工光设施园艺栽培领域有重要的 发展，也在其他领域有广泛的应用。在设施园艺栽培 项目中，LED照明系统在植物的培养、人工种苗繁 育方面做出重要贡献。在补光领域，通常在温室、塑 料大棚等需要光条件的环境中运用，提供优质的光 质，促进植物进行光合作用。 另外，LED光源还在航天生态保护系统中做补充 光源，解决长期载人航天生命保障问题的分配途径。 在蔬菜、花卉、苗木等园艺作物活体密闭长途运输过 程中，通过LED光源提供适宜的低强度光环境，保 障其生长活性和品质。 6 结语 LED光源有多种光质，对园艺作物的发展有不 同的效用。研究不同作物的响应特性，组合不同比 例、不同光色的LED专用灯具，能实现农产品的优 质、周期性生产，提高生产效率。综上所述，设施园 艺LED光源照明系统不仅能促进作物生长发育，还 可以达到增产、高效、优质、抗病、无公害的目的， 这对于促进中国现代农业的发展具有非常重要的现实 意义，LED光源将在农业领域具有广阔的发展前景。 参考文献： 1 王声学,吴广宁,蒋伟等.LED原理及其照明应用J.光 学与照明,2006,30(4):32-35. 2 陈云霞,杨国强.LED光源在设施园艺中的推广应用J. 农业与技术,2015,35(8):172. &nbsp;</p>