LED人工补光在植物照明中的应用及发展趋势.pdf

<p>文 章编号： 1008-0171（ 2019） 01-0050-06收稿日期： 2018-05-08基金项目： 国家重点研发计划资助项目（ 2016YFB0400604）；广东省应用型专项资助项目（ 2015B010132005）作者简介： 张 莉（ 1989-），女，湖北武汉人，佛山市国星光电股份有限公司工程师 。LED 人工补光在植物照明中的应用及发展趋势张 莉，喻晓鹏，黄依婷，袁毅凯，梁丽芳，李 程（佛山市国星光电股份有限公司，广东 佛山 528000）摘要： 植物照明作为现代农业建设环节中重要的一部分，具有广阔的市场前景 。从植物对于光照的需求出发，论述了光特性对植物生长发育的影响，分析了植物生长所需照明光源的设计要素，阐述了植物照明的应用现状，探讨了国内外植物照明发展趋势，总结了存在的问题，并提出了未来发展方向 。关键词： 人工补光；植物照明； LED中图分类号： S353.2 文献标志码： A在自然界中，光环境是植物生长和发育必须的物理环境因子之一，它不仅是植物生长发育过程中的能量源，而且是植物生长发育的重要信号源 。传统农业主要依靠太阳光，导致植物生长易受自然环境影响；而植物照明生产的植物不受限于自然环境，并可以接受更适宜的光照 、温度等，即使在恶劣条件下仍可正常连续生产，且能精确调控植物的生长周期 。植物照明技术作为现代农业建设环节中重要的一部分，传统人工补光主要是通过白炽灯 、卤素灯以及高压钠灯等途径进行的 。而这些传统光源具有发光波长单一 、能耗大等缺点 。LED 作为新型光源，与传统光源相比其优点包括： 1） LED 作为单色光光源，可以根据植物生长需求对光环境进行调控，形成适宜植物生长的最优环境； 2） LED 光源体积小，可以通过自由设计照明系统的结构增加空间栽培密度，适用于多层栽培立体组合系统； 3） LED 属于冷光源，发热量小，从而可以实现对植物进行近距离的照射而不被灼伤 。LED 在现代农业领域的应用已引起国内外广泛关注，被应用于人工补光领域达到增产 、高效 、优质的目的 。本文探讨采用 LED 对植物人工补光的应用情况，对于增强我国农业产出能力 、保障农业产品安全 、加快我国农业现代化建设具有非常重要的意义 。1 LED 光源对植物生长发育的影响1.1 光合作用光合作用是植物赖以生存的基础，光照在光合作用中主要分为直接和间接作用 。直接作用体现在为光反应提供给所需能量 、调节叶片气孔开闭等方面；间接作用主要是光照影响叶绿素合成等，进而影响光合作用 。植物对周围光环境的感知并作出相应响应是基于感光受体对光的吸收，如光合色素以及光敏色素等 。第 37 卷 第 1 期 佛山科学技术学院学报 （ 自然科学版 ） Vol. 37 No. 12019 年 1 月 Journal of Foshan University（ Natural Sciences Edition） Jan. 2019DOI:10.13797/j.cnki.jfosu.1008-0171.2019.0009第 1 期光合色素是光系统的基础元件，包括了叶绿素 a、叶绿素 b 和类胡萝卜素，主要负责光合作用中的光能接收 、能量传递和光电转换等过程 。叶绿素主要吸收波长集中在 640663 nm处，并在 430470 nm 处有一个次吸收峰，如图1 所示 。因此，通常采用 450 nm 的蓝光和 660nm 的红光来实现高效的 LED 植物补光照明 。光敏色素是光受体中对植物光信号调控作用最明显的一种色素，包括 700760 nm 远红光（ Pfr， lmax=730 nm）和 600700 nm 红光（ Pr，lmax=660 nm）两种吸收类型 。远红光一般与红光配比使用，共同调节光敏色素从而调节植物光形态建成，如改变植物种子萌发 、幼苗形成 、茎的伸长 、避荫作用等形态 。两种光吸收型在不同比例下可以相互逆转，光敏色素 Pr 向 Pfr 转换主要由 660 nm 的红光进行诱导，而 Pfr 向Pr 的转换一般在晚上自然发生，也可以由 730nm 远红光照射来激发 1，如图 2 所示 。由于这种可逆作用，可以通过调节红光 /远红光比例控制植物开花周期，当红外 /远红外为 0.8 相比于比值为 0.9的延时补光能够促进长日植物花芽提早分化 2。1.2 LED 光特性对植物生长发育的影响1.2.1 光照强度对植物生长发育的影响光照强度主要影响植物的光合作用速率，进而改变植物的形态 。植物对光强的需求通常采用光补偿点和光饱和点表示，当光照强度 光饱和点时，蒸腾作用加快，植物为了防止水分过多流失而关闭气孔，引发氧化胁迫，对光合作用产生较大的危害，这种现象称为 “光合午休 ”，如图 3 所示 。由图 3 可以看出，植物净光合速率日变化进行是一条双峰曲线，上下各有一个高峰，下午峰值通常低于上午的峰值，在两个峰之间形成中午的一个低谷，该低谷即为午休现象，它发生的时间因不同物种或同一物种处于不同环境而异，一般集中在1115 时之间 。光合午休是植物适应不良外界环境而产生的一种自我保护的生理现象，但是在正午光强最大时光合作用利用率低 。有研究表明，在光合午休现象严重的时候，它可以使植物的日光合生产力降低 30%50%，甚至更多 3。因此，在采用人工光源培养植物时，所提供的植物光照应该接近或者等于植物的光饱和点 4-5。光强除了影响植物光合作用速率，还影响果实的品质 。弱光条件会对植物造成不利的影响，如对辣椒进行遮光处理，会提高辣椒的开花节位，降低成花率，花粉无法正常发育，对辣椒的果实形成和产量造成不良影响 6。但是，在连续高温环境下，遮荫能有效改善水环境，减小对植物造成的伤害 7。图 1 光合色素吸收光谱100500400 450 500 550 600 650 700波长 /nm类胡萝卜素叶绿素 b叶绿素 a利用光能的百分比/%图 2 光敏色素 Pr 和 Pfr 之间的相互转换红光 660 nmPrPfr远红光 730nm或夜光图 3 净光合速率日变化3.532.521.510.507： 00 8： 00 9： 00 10： 00 11： 00 12： 00 13： 00 14： 00 15： 00 16： 00 17： 00时刻净光合速率/（mol·m-2 ·s-1 ）张 莉等： LED 人工补光在植物照明中的应用及发展趋势 51佛 山科学技术学院学报（自然科学版） 第 37 卷1.2.2 光质对植物生长发育的影响光质，具体指的是植物接受光照中对应的光谱分布情况，它对植物光合作用和形态建成同样具有重要影响，不同光质下植物的生物学效应如表 1 所示 。表 1 不同光质下植物的生物学效应从表 1 可以看出，太阳光光谱组成绝大部分在 3002 600 nm 范围内，可见光光谱范围是 380720nm，而波长在 400700 nm 的光能够被植物利用进行光合作用，成为植物光合有效辐射 。对于波长小于400 nm 的紫外光以及波长为 700800 nm 的红外光，尽管无法直接对光合作用产生驱动，但是能够作为一种环境信号对植物生长发育进程及代谢产生影响 。Blum 等人提出蓝光和红光是植物生长最重要的两种光谱，增加红光和蓝光比例有助于提高植物的光合作用效率 。通常认为，红光有利于碳水化合物形成，能促进可溶性糖的合成，蓝光在促进光合作用的同时促进蛋白质的形成 8。研究发现，红光对子叶生长 9和顶端弯勾的伸长 10-11有着极大的促进作用，并且能增大叶片的生长速率，但是单纯红光照射又会限制了叶子的扩大 12。通过补充红光可以显著地提高番茄和黄光幼苗的株高 13。蓝光主要影响植物根系和茎秆的生长发育，蓝光照射下作物幼苗发根数目，而且蓝光能够提高幼苗根系活力和吸收面积 。蓝光对茎伸长有着抑制作用，与白光相比，蓝光明显使株高减少，但能够使茎粗增加 14。1.2.3 光周期对植物生长发育的影响光周期作为调节植物生长发育重要的信号源，如植物的开花时间与时令密切相关，迎春花在早春开花，而菊花要到秋天才开花，这与植物通过感受周期性的光照时间变化来调节自身生长周期有关 。它对植物种子萌发 、植物开花时间和植物休眠等有深远影响 。如秋海棠 15种子必须处于 812 h 的光周期才能最大程度地萌发；花旗杉 16需要 16 h 才能加速种子萌发 。光周期影响植物茎的伸长和内部生长激素的水平，诱导与促进营养生长相关基因的表达 17。通过对光周期进行恰当延长，可以增加植物光合作用的时间，碳水化合物的比例也会增加，从而有利于植物萌发 。植物可以分为 3 大类：长日照植物 、短日照植物和日中性植物 。许多植物开花有明确的极限日照时间，称为临界日常，长日植物开花时间需要长于临界日长，菠菜的临界日长为 13 h，日照长于 13 h 才开花，短于 13 h 推迟开花或不开花；而短日植物则要求短于临界日长，日照越短，开花越早，如烟草为 14 h，采用人工遮挡能够诱导提早开花；采用夜间补光或延长光照等模式能推迟花期 。光周期也是诱导植物休眠发生的重要因素 。如草莓 18因短日照延长生长，杨树 、桑树 19在内的木本植物会因为光期减少发生休眠现象 。2 LED 人工光源设计要素分析2.1 光谱分布不同光源的光谱能量分布的峰值不同，对植物的影响大小相应不同 。植物生长发育所需的波长范围为 400700 nm，其中红光（ 600700 nm）和蓝光（ 400500 nm）是光合作用的主要波段 。由于红光的量光谱波长 /nm1 000700600700（红光）500600（黄绿光）400500（蓝光）315400（ UV-A)280315（ UV-B）75 lm/W）和显色性（ Ra&gt;80），但是发射的有效光子束密度相对 LED 较低，不利于植物的光合作用 。（ 3） LED 灯不仅可以发出光波较窄的单色光，而且能根据植物需要进行任意组合光源，在植物照明张 莉等： LED 人工补光在植物照明中的应用及发展趋势 53佛 山科学技术学院学报（自然科学版） 第 37 卷领域应用优势明显 。4 结论与展望无论是促进现代化农业发展的角度，还是实现节能环保的角度， LED 植物照明都具有非常重要的意义，而农业的地位和发展需求也为 LED 植物照明发展提供了新的机遇 。2013 年以来，全球 LED 植物照明市场进入快速发展时期，主要集中在美国 、日本 、荷兰等地区 。2010 年，日本三菱化学用大型集装箱改造植物工厂，并以 LED 光源进行光合作用 。2012 年首套 LED 照明的植物工厂系统用来栽培莴苣和嫩叶菜，从而拉开 LED 植物照明的帷幕 。据 LED inside 统计， 2014 年全球 LED 植物照明市场规模为 1亿美元， 2016 年市场规模为 5.75 亿美元，预估至 2020 年将增长至 14 亿美元 。国内的植物照明还处于行业发展的初期阶段，厂家规模小 、数量少 、缺乏核心技术和统一的标准规范是国内植物照明技术发展的瓶颈 。为促进 LED 人工植物照明行业健康持续发展，需要从以下方面着手 。（ 1）植物照明是一项专业性 、综合性强的跨学科技术，因此需对 LED 光源及植物学等展开全面系统深入的研究 。（ 2）标准化工作是促进科研成果产业化，支撑产业规范发展的重要手段，因此需加快标准制定工作，完善标准检测认证体系 。（ 3）加强政策引导和研发投入 。参考文献： 1陈文成 . 730 nm远红光 LED在植物照明中的应用 J . 中国照明电器 , 2015（ 8） : 29-31. 2 KRISTIANSEN K. Light quality regulates flower initiation, differentiation and development of Campanula carpatica JacqKarlForster J . Scientia Horticulturae, 1988, 35（ 3/4） : 275-283. 3许大全 . 光合作用的 “午睡 ”现象 J . 植物生理学通讯 , 1977, 33（ 6） : 466-467. 4 JENNIFER Boldt, JOHNErwin, 李平 . 光照强度对植物光合作用的影响 J . 中国花卉园艺 , 2011（ 12） : 49-50. 5王艺 , 韦小丽 . 不同光照对植物生长 、生理生化和形态结构影响的研究进展 J . 山地农业生物学报 , 2010（ 4） : 353-359. 6 RYLSKI I. Effect of shading on plant development, yield and fruit quality of sweet pepper grown under conditions of hightemperature and radiation J . Scientia Horticulturae, 1986, 29: 31-35. 7张文锦 , 陈常颂 , 张应根 , 等 . 遮荫对夏暑乌龙茶品质的影响及其机理研究报告 J . 茶叶科学技术 , 2004（ 1） : 8-11. 8 MORTENSEN L M, STROMME E. Effects of light quality on some greenhouse crops J . Scientia Horticulturae, 1987, 33（ 1/2） : 27-36. 9史宏志 , 韩锦峰 . 单色蓝光和红光对烟草叶片生长和碳氢代谢的影响 J . 河南农业大学学报 , 1998, 9: 254-262. 10 CASAL J J, DEREGIBUS V A, SANCHEZ R A. Variations in tiller dynamics and morphology in Lolium multiflorum Lamvegetative and reproductive plants as affected by differences in red/far-red irradiation J . Annals of Botany, 1985, 56:533-559. 11 LISCUM E, BRIGGS W R. Mutations of Arabidopsis in potential transduction and response components of the phototropicsignalingpathway J . Plant Physiology, 1996, 112: 291-296. 12 REED J W, NAGATANI A, ELUCH T, et al. Phytochrome A and phytochrome B have overlapping but distinct functions inArabidopsis development J . Plant Physiology, 1994, 104: 11395-1149. 13崔瑾 , 马志虎 , 徐志刚 . 不同光质补光对黄光 、辣椒和番茄幼苗生长及生理特性的影响 J . 园艺学报 , 2009, 36:663-670. 14张瑞华 , 徐坤 , 董灿兴 , 等 . 光质对姜生长及光能利用特性的影响 J . 园艺学报 , 2008, 35: 673-680. 15 FOSKETE B, BRIGGSWR. Photosensitive seed germination in Catalpa speciosa J . Botanical Gazette, 1970, 131: 167-172. 16赵笃乐 . 光照对种子休眠和萌发的影响 J . 生物学通报 , 1995, 30: 24-25. 17 DIGBY J, DYSON P W. A comparison of the effects of photoperiod, and of a growth retardant（ CCC） on the control of stem54第 1 期extension in potato J . PotatoResearch, 1973, 16: 159-167. 18 SONSTEBYA, HEIDE OM. Dormancyrelations and floweringofthe strawberrycultivars Korona and Elsanta as influenced byphotoperiod and temperature J . Scientia Horticulturae, 2006, 110: 57-67. 19简令成 , 卢存福 , 邓江明 , 等 . 木本植物休眠的诱导因子及其细胞内 Ca2+水平的调节作用 J . 应用于环境生物学报 ,2004, 10: 1-6. 20 MCCREE K J. The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis crop plants J . AgriculturalMeteorology, 1972, 9（ 3） : 191-216. 21 HOGEWONING S W, TROUWBORST G, MALIJAARS H, et al. Blue light dose-responses of leaf photosynthesis,morphology, and chemical composition of Cucumis sativus grown under different combinations of red and blue light J .Journal ofExperimental Botany, 2010, 61（ 11） : 3107-3117. 22 GOMEZ C, MITCHELL C A. Supplement lighting for greenhouse-grown tomatoes: intracanopy LED towers vs HPS lamps.In International Symposium on New Technologies for Environment Control, Energy -Saving and Crop Production inGreenhouse and Plant C . Korea: s.n. , 2013: 855-862. 23刘再亮 , 马承伟 , 杨其长 . 设施环境中红光与远红光比值调控的研究进展 J 农业工程学报 , 2004, 20（ 1） : 270-273 24徐凯 , 郭延平 , 张上隆 , 等 . 不同光质对丰香草莓生长发育的影响 J . 果树学报 , 2006（ 23） : 818-824. 25孔云 , 王绍辉 , 沈红香 , 等 . 不同光质补光对温室葡萄新梢生长的影响 J . 背景农学院学报 , 2006, 21: 23-25. 26 FRANTZ J M, RITCHIE G, ROBINSON J, et al. Exploring the Limits of Crop Productivity : Beyond the Limits of Tipburnin Lettuce J . Journal of the American Society For Horticultural Science, 2004, 129（ 3） : 331-338. 27佘新 , 杨振超 , 曹凯 , 等 . 红光暗期多点打断对黄光和番茄幼苗生长发育及光合特性的影响 J . 西北农林科技大学学报（自然科学版） , 2013, 41（ 5） : 121-126. 28 BRAZAITYTEA, DUCHOVSKIS P, URBONAVI Ciut E, et al. After-effect of light-emitting eiodes lighting on tomatogrowth and yield in greenhouse J . Sodininkysteir dariininkyste, 2009, 28（ 1） : 115-126. 29 MENARDC, HOVIT, GOSSELIN A, et al. Developmental and physiological response of tomato and cucumber to additionalblue light J . Acta Hort, 2006, 711: 291-296.Abstract: As an important part for modern agricultural construction, plant lighting has broad market prospect.This paper starts with the demand of plants for light， the effect of light characteristics on the growth anddevelopment of plants are discussed, the design elements of the lighting for plant growth are analyzed, and theapplication status of plant lighting is described. The development trend of plant lighting of home and abroad isdiscussed, the problems are summarized, and the future development direction is put forward.Keywords: artificial light; plant lighting; LEDApplication and development trend of LEDartificial light for plant lightingZHANGLi, YUXiao- peng, HUANGYi- ting, YUANYi- kai,LIANGLi- fang, LI Cheng（ Foshan NationStar Optoelectronics Co., Ltd., Foshan 528000, China）【责任编辑：任小平 renxp90163.com】张 莉等： LED 人工补光在植物照明中的应用及发展趋势 55</p>