LED光調(diào)控技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

徐永+林魁

【摘要】設(shè)施農(nóng)業(yè)是一個(gè)集智能化、自動(dòng)化等多學(xué)科領(lǐng)域的環(huán)境可控農(nóng)業(yè)，其中人工光能耗占了相當(dāng)大的比重，減少能耗是實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能的重要研究課題。本文以設(shè)施農(nóng)業(yè)中LED的應(yīng)用為主要研究對(duì)象，分別從設(shè)施農(nóng)業(yè)光環(huán)境調(diào)控的必要性、LED光環(huán)境調(diào)控技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及其復(fù)雜性、LED在設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用的展望等方面進(jìn)行闡述，為進(jìn)一步的研究提供理論依據(jù)。

前言

以設(shè)施蔬菜為主體的中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)在扭轉(zhuǎn)蔬菜長(zhǎng)期供應(yīng)不足，實(shí)現(xiàn)自給自足，并成為世界蔬菜出口大國(guó)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[1]。設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種現(xiàn)代化的可控農(nóng)業(yè)，又稱環(huán)境調(diào)控農(nóng)業(yè)，是高投入、高產(chǎn)出、高能耗的行業(yè)，可以減輕或防止露地生產(chǎn)條件下災(zāi)害性氣候和不利環(huán)境條件對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害[2]。設(shè)施內(nèi)的環(huán)境調(diào)控技術(shù)呈自動(dòng)化、智能化、管理現(xiàn)代化等特點(diǎn)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要生產(chǎn)形式之一[3]。

光是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和功能性化學(xué)物質(zhì)積累的最重要環(huán)境因素之一，光不僅能夠作為一種能量源參與植物的光合作用過(guò)程，也能作為一種信號(hào)源調(diào)節(jié)植物自身的生長(zhǎng)、分化和代謝[4]。當(dāng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從天然不可控的自然環(huán)境移到人工可控的室內(nèi)設(shè)施環(huán)境后，可控因素大大增加，從而延伸了對(duì)傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)中光環(huán)境維度的一般定義，即由原來(lái)所認(rèn)識(shí)的3個(gè)維度（光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期），擴(kuò)展到光的7個(gè)維度特性[5]（光強(qiáng)、光質(zhì)、光照模式、均勻性、方向性、偏振性和相干性）。這些維度特性不僅豐富了人工控制植物生長(zhǎng)發(fā)育的途徑，而且對(duì)于深入探究不同維度或多種途徑的綜合效益具有重要的指導(dǎo)意義。

設(shè)施農(nóng)業(yè)光調(diào)控的必要性

從世界范圍來(lái)看，早在20世紀(jì)20年代，發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始發(fā)展綠色農(nóng)產(chǎn)品。在隨后近100年的時(shí)間里，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)獲得了突破性的進(jìn)展。在石油農(nóng)業(yè)時(shí)代，化肥、農(nóng)藥的大量施用，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品過(guò)剩，也帶來(lái)了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的破壞和農(nóng)產(chǎn)品的污染問(wèn)題。以生菜為例，在長(zhǎng)期的消費(fèi)過(guò)程中，人們對(duì)生菜品質(zhì)和口味等要求逐漸提高，但傳統(tǒng)栽培與生產(chǎn)方式很難滿足廣大消費(fèi)者的需求，生產(chǎn)商轉(zhuǎn)而使用如植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和微量元素等化學(xué)方式，以求能夠在短期內(nèi)促進(jìn)生菜的生長(zhǎng)發(fā)育及功能性化學(xué)物質(zhì)的快速積累。然而大量施用化肥和農(nóng)藥，使土壤中原本的營(yíng)養(yǎng)素濃度及營(yíng)養(yǎng)元素的比例因化肥的施用和生菜的選擇性

吸收而逐漸偏離正常值，并隨著栽培時(shí)間的增加而逐步加劇，導(dǎo)致土壤肥力嚴(yán)重下降，生菜栽培效益逐年遞減。更為嚴(yán)重的是，在多茬種植后土壤中積累了大量的生菜根系分泌物，這些分泌物經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成對(duì)土壤和生菜有害的自毒物質(zhì)，從而造成了生菜的連作障礙[1]。

用光照的方式促進(jìn)植物生長(zhǎng)和有效物質(zhì)積累與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因、雜交和施用化肥等方法有著本質(zhì)的區(qū)別[5]。它通過(guò)對(duì)外部條件的控制，利用各種不同光譜成分的組合和光強(qiáng)調(diào)控技術(shù)來(lái)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，從而達(dá)到增產(chǎn)增收、增質(zhì)增效的作用。同時(shí)，在不同的生長(zhǎng)階段使用不同光波譜段的組合，還可以對(duì)植物的生長(zhǎng)和功能性化學(xué)物質(zhì)的積累進(jìn)行對(duì)癥配光，并將這些配光方案組合起來(lái)對(duì)植物進(jìn)行照射，從而生產(chǎn)出產(chǎn)量佳、口味好、營(yíng)養(yǎng)高的作物。因此，光調(diào)控技術(shù)對(duì)于減少化肥、農(nóng)藥和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等的使用，生產(chǎn)出品質(zhì)好、產(chǎn)量高的作物具有獨(dú)特的效果。

此外，受氣候變化影響，嚴(yán)重的干旱、洪澇等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，近幾年由于大規(guī)模引入化工及其他重污染型企業(yè)使高緯度以及其他許多地區(qū)（如中國(guó)北方地區(qū)）的空氣污染指數(shù)持續(xù)攀升，使得自然光照條件（光照強(qiáng)度、光質(zhì)、光照時(shí)間）欠缺現(xiàn)象嚴(yán)重，制約作物的生長(zhǎng)發(fā)育及其品質(zhì)的提高和優(yōu)質(zhì)高效的生產(chǎn)。因此，研發(fā)安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)有效的補(bǔ)光技術(shù)是當(dāng)今設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要課題。植物的光環(huán)境調(diào)控是對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程進(jìn)行光環(huán)境調(diào)控的一種物理手段，生態(tài)安全，環(huán)境負(fù)效應(yīng)少[6]。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為一種環(huán)境可控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，為克服上述設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的弱光寡照等光環(huán)境問(wèn)題，發(fā)展光環(huán)境調(diào)控及LED照明技術(shù)是其內(nèi)在要求，更是客觀需求。

LED及其相關(guān)應(yīng)用

光源是發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)光調(diào)控技術(shù)不可或缺的主要部分。長(zhǎng)期以來(lái)，在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域內(nèi)常用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵化物光源等，這些光源均存在光效低、能耗高、壽命短等弊端[7]。發(fā)光二極管（light-emitting diode，LED）是一種能夠直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的固態(tài)（Solid-state）半導(dǎo)體發(fā)光器件。由于兼具光、電、熱等多種優(yōu)良特性（高光效、低功耗、低發(fā)熱等）及結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)（如體積小、重量輕、安全性高等），使之在各種應(yīng)用中逐步取代傳統(tǒng)光源的地位，具有廣泛的應(yīng)用前景[7-9]。近年來(lái)，隨著LED技術(shù)的不斷成熟及制造成本的日益降低，LED逐漸被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，如背光、通信、裝飾、城市夜景布控等。更為重要的是，在非視覺(jué)照明的領(lǐng)域（如醫(yī)療、植物照明等）LED的運(yùn)用范圍也不斷擴(kuò)大，其優(yōu)越性得到更為充分的體現(xiàn)[1]。

目前，LED在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。除了將LED運(yùn)用于溫室補(bǔ)光，在種苗繁育與苗菜栽培等方面，LED也發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)在植物組織培養(yǎng)領(lǐng)域，采用LED作為供給光源，調(diào)控組培植物生長(zhǎng)的光環(huán)境，不僅有利于植物生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成，同時(shí)能夠大大降低耗損，節(jié)約成本，并加快培育過(guò)程[10]。總之，LED光源被認(rèn)為是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明的理想光源，半導(dǎo)體照明必將逐步替代傳統(tǒng)光源而被廣泛運(yùn)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。

LED照明在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的

應(yīng)用現(xiàn)狀及其復(fù)雜性

LED的出現(xiàn)在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光源在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的不足，比如無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)控其光強(qiáng)和光質(zhì)成分等。LED在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域多樣，各領(lǐng)域生物形態(tài)多樣，光環(huán)境需求差別迥異?？偨Y(jié)起來(lái)，LED在設(shè)施農(nóng)業(yè)光環(huán)境調(diào)控中的應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下幾個(gè)方面。

LED在溫室補(bǔ)光中的研究

自然界中，太陽(yáng)的光照度隨地理位置、海拔高度、四季變化和時(shí)間的不同而變化。溫室內(nèi)的光照度除與上述因素有關(guān)外，還與溫室結(jié)構(gòu)、管理措施及材料的透光性能等密切相關(guān)[11]。由于受溫室方位、覆蓋材料的特性及其潔凈程度等多種因素的影響，溫室內(nèi)的光環(huán)境較露地有很大差異，尤其在寒冷的冬季、早春季節(jié)或陰雪天，太陽(yáng)高度角低，日照時(shí)間短，溫室內(nèi)光照度往往不能滿足作物生長(zhǎng)的光需求。人工補(bǔ)光成為眾多可控環(huán)境溫室管理的必然選擇。

溫室內(nèi)光環(huán)境調(diào)節(jié)主要包括光輻射量、光照時(shí)長(zhǎng)和光質(zhì)的調(diào)節(jié)[12]。近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和工藝水平的不斷提高，新型節(jié)能LED光源也引起了廣泛關(guān)注。常用的LED溫室補(bǔ)光光源主要有2種形式，一種是垂直照射的點(diǎn)式光源，另一種是穿插于植株之間進(jìn)行側(cè)面照射的帶式光源[11]。將LED作為溫室補(bǔ)光光源，不僅可以根據(jù)氣候條件、作物類型以及作物生長(zhǎng)不同階段，調(diào)整LED補(bǔ)光的光強(qiáng)、光質(zhì)和光照時(shí)間。同時(shí)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝、高度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)使其在溫室補(bǔ)光中的優(yōu)勢(shì)日益凸顯，且逐步發(fā)展成為溫室植物補(bǔ)光照明的主流技術(shù)。

目前，已有的研究結(jié)果大多顯示，對(duì)溫室內(nèi)的作物進(jìn)行LED補(bǔ)光處理能夠在不同程度上影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。比如Jamal和Shandiz[13]對(duì)溫室番茄進(jìn)行LED光照處理后發(fā)現(xiàn)，在LED紅光處理或者LED紅藍(lán)混合光處理下的植株莖粗更大。而在單一藍(lán)光照射下，植株高度會(huì)降低，且脯氨酸含最高。同時(shí)，不同LED光質(zhì)對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響具有品種特異性，對(duì)不同品種其作用程度也不同?？偠灾琇ED照明技術(shù)的不斷進(jìn)步正引領(lǐng)溫室補(bǔ)光照明進(jìn)入一個(gè)更節(jié)能、更可控的時(shí)代，也勢(shì)必會(huì)在未來(lái)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演一個(gè)不可或缺的角色。

LED在種苗繁育中的研究

LED在種苗繁育領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要包括植物組織培養(yǎng)、扦插和嫁接苗的光照、種苗的生長(zhǎng)發(fā)育研究等。利用LED光源對(duì)種苗繁育進(jìn)行研究，對(duì)于保護(hù)和利用種質(zhì)資源、培育種苗、提高種苗品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要意義。

在植物組織培養(yǎng)中，光環(huán)境的調(diào)控策略對(duì)植物的光合作用及其形態(tài)建成具有重要作用。因此在組培苗培養(yǎng)過(guò)程采用LED作為供給光源，并對(duì)其光照強(qiáng)度和光質(zhì)配比進(jìn)行調(diào)控，不僅能夠促進(jìn)組培植株的生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成，還能縮短培養(yǎng)周期、提高組培苗質(zhì)量。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞LED光源在植物組培苗的生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)和器官分化等應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了不懈的探索，取得了重要的進(jìn)展。總結(jié)起來(lái)，主要包括以下3個(gè)方面：①不同LED單色光對(duì)組培苗的影響及作用機(jī)理；②LED紅藍(lán)混合光對(duì)組培植株生長(zhǎng)發(fā)育的影響；③不同LED光質(zhì)組合優(yōu)化參數(shù)對(duì)組培苗的生物效應(yīng)。具體而言，Duong等[14]在單質(zhì)紅光LED的研究中發(fā)現(xiàn)，草莓組培苗莖明顯伸長(zhǎng)，但葉綠素含量卻有所降低。而在LED光質(zhì)對(duì)馬蹄蓮組培苗兼養(yǎng)條件下生長(zhǎng)效果的影響研究中發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)LED照射處理的干質(zhì)量和生長(zhǎng)速率差異不顯著，但添加藍(lán)光LED后對(duì)組培苗的株高和葉綠素含量有顯著的正效應(yīng)[15]。不同植物對(duì)光質(zhì)配比的敏感性不同，表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。聞?dòng)阑鄣萚16]研究了LED不同光質(zhì)對(duì)白芨生長(zhǎng)及其可溶性糖含量的影響，發(fā)現(xiàn)紅藍(lán)光比例調(diào)整為1：1有利于白芨組培苗可溶性糖的積累；而經(jīng)移栽后的白掌組培苗在80%紅光LED+20%藍(lán)光LED處理下生長(zhǎng)狀況最好[17]。Jao和Fang[18]同樣指出，45%紅光LED+55%藍(lán)光LED的處理對(duì)于馬鈴薯組培苗的生長(zhǎng)效應(yīng)是最適宜的。

隨著社會(huì)的發(fā)展，LED的光譜可調(diào)控性、技術(shù)的不斷創(chuàng)新和成熟以及使用量的日益增加（因而價(jià)格的日益降低），使它成為植物組織培養(yǎng)中的優(yōu)選光源。如何將LED更好地運(yùn)用于植物組織培養(yǎng)中，需要投入更多的關(guān)注和研究。比如，在選擇適合植物生長(zhǎng)的LED光源時(shí)，需要綜合考慮研究對(duì)象的特殊性和LED的特性，充分考慮不同植物對(duì)不同LED光質(zhì)的需求，合理地選用LED光源。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合環(huán)境調(diào)控等多個(gè)因素的耦合效應(yīng)，如不同溫度梯度、CO2濃度等，使LED光源在植物組織培養(yǎng)中的應(yīng)用研究得以更加深入和系統(tǒng)，為L(zhǎng)ED光源在植物組培工廠化生產(chǎn)領(lǐng)域提供有參考價(jià)值的依據(jù)和可行性參數(shù)。

LED在苗菜栽培中的研究

LED光源的研發(fā)為人工光型植物工廠的發(fā)展提供了契機(jī)。國(guó)內(nèi)外有關(guān)單一或組合的LED光質(zhì)對(duì)不同蔬菜品種進(jìn)行調(diào)控的主要作物包括生菜、芽苗菜和甜菜等，并取得了喜人成就。研究表明，光質(zhì)能夠影響生菜的生長(zhǎng)及其體內(nèi)功能性化學(xué)物質(zhì)的積累。如Johkan等[19]利用藍(lán)光、紅光、紅藍(lán)光混合等不同光質(zhì)的LED燈及熒光燈來(lái)照射紅葉生菜植株。經(jīng)不同光質(zhì)與光強(qiáng)的配比處理17天后發(fā)現(xiàn)，熒光燈培養(yǎng)下的生菜體內(nèi)的多酚含量和總抗氧化能力顯著低于在藍(lán)色LED光照處理下的植株。該試驗(yàn)表明在藍(lán)光下培育幼苗對(duì)于促進(jìn)種植后的生菜植株多酚含量的積累是有幫助的。Goto[20]研究了紅葉生菜在相同光合有效量子輻射下，通過(guò)使用紅光LED和藍(lán)光LED來(lái)研究二者對(duì)紅葉生菜花青素積累的作用，試驗(yàn)結(jié)果表明，花青素的濃度隨著藍(lán)光比重的增加而增加，說(shuō)明藍(lán)光照射能夠有效促進(jìn)紅葉生菜功能性化學(xué)物質(zhì)的合成。黃枝等[21]就不同LED復(fù)合光質(zhì)對(duì)瓠瓜幼苗生長(zhǎng)及生理生化指標(biāo)的影響做了深入研究，他們用4個(gè)不同LED復(fù)合光質(zhì)（7R0G3B，6R2G2B，3R0G7B，2R2G6B）與對(duì)照白光對(duì)瓠瓜幼苗進(jìn)行照射處理。結(jié)果表明，可以采用紅綠藍(lán)比例為6：2：2的LED復(fù)合光作為瓠瓜生長(zhǎng)的最適光源。

LED在應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)蔬菜栽培的光電子農(nóng)業(yè)調(diào)控中具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，被認(rèn)為是在蔬菜設(shè)施栽培中有廣闊應(yīng)用前途的人工光源。中國(guó)學(xué)者率先開(kāi)展了LED光源在芽苗菜生產(chǎn)中應(yīng)用的研究，取得了針對(duì)不同種類芽苗菜的光環(huán)境參數(shù)，LED光源在該領(lǐng)域的推廣奠定了基礎(chǔ)。今后，深入探究不同光環(huán)境因子的協(xié)同作用、光環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化、植物光形態(tài)建成的機(jī)理，以及光環(huán)境與其他環(huán)境因素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的交互影響等問(wèn)題，不僅是光生物學(xué)理論研究的熱點(diǎn)，還能為設(shè)施農(nóng)業(yè)蔬菜生產(chǎn)的光環(huán)境調(diào)控技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

LED在食用菌生產(chǎn)中的研究

食用菌口感鮮美，營(yíng)養(yǎng)豐富，深受廣大消費(fèi)者喜愛(ài)。食用菌工廠化生產(chǎn)是指利用工業(yè)技術(shù)對(duì)設(shè)施環(huán)境要素（如光照、溫濕度等）進(jìn)行自動(dòng)化控制，并進(jìn)行高效率的機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)食用菌的規(guī)?；?、集約化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、周年化生產(chǎn)[22]。常見(jiàn)的食用菌工廠化生產(chǎn)的品種如金針菇、杏鮑菇、蟹味菇等，均需要一定的光照才能夠正常出菇。

光對(duì)食用菌的影響涉及菌絲體和子實(shí)體兩個(gè)階段，適宜的光照條件才能促進(jìn)食用菌的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)工廠化的高效生產(chǎn)。然而，不同品種的食用菌對(duì)不同的光譜成分和光強(qiáng)的反應(yīng)不同，且不同的生長(zhǎng)階段對(duì)光強(qiáng)和光質(zhì)的要求也有差異。據(jù)報(bào)道，LED藍(lán)光有利于靈芝、黑木耳菌絲體的生長(zhǎng)[23-24]，蟹味菇子實(shí)體的生長(zhǎng)，并且在LED藍(lán)光照射下的產(chǎn)量最高[25]；LED紅光有利于繡球菌和平菇菌絲的生長(zhǎng)[26-27]，且為杏鮑菇子實(shí)體原基形成和發(fā)育階段的最適光質(zhì)[28]；黃光對(duì)繡球菌原基形成有較強(qiáng)的誘導(dǎo)作用，且出菇同步性好[26]。此外，在有關(guān)不同光質(zhì)LED光源對(duì)工廠化金針菇菌株生長(zhǎng)的影響研究中發(fā)現(xiàn)，在金針菇催蕾育菇階段，黃光比藍(lán)光、白光對(duì)菇柄具有更好的促進(jìn)伸長(zhǎng)作用[29]。其他研究同樣表明，不同波段的光譜對(duì)食用菌生長(zhǎng)的影響不同[30]。有關(guān)不同光強(qiáng)對(duì)食用菌的影響最早涉及食用菌菌絲生長(zhǎng)、出菇、產(chǎn)量等形態(tài)特征及色澤方面的研究。田雪梅等[31]研究了不同光質(zhì)光量對(duì)樟芝菌絲體生長(zhǎng)的影響，認(rèn)為是在菌絲體生長(zhǎng)過(guò)程給予適當(dāng)?shù)墓庹漳軌虼龠M(jìn)其生長(zhǎng)。李玉等[30]同樣指出不同食用菌對(duì)光照需求差異不同。相關(guān)研究表明，強(qiáng)光下（4000 lx）培養(yǎng)的平菇菌絲受到強(qiáng)烈的抑制[32]，而金針菇白色品系在抑制階段的不同時(shí)期采用光照對(duì)菌蓋的形成效果不同[33]。

迄今，有關(guān)食用菌光生物學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展緩慢，基本處于停滯狀態(tài)，且鮮有報(bào)道[22]。隨著食用菌工廠化栽培的發(fā)展，對(duì)智能化的環(huán)境控制要求越來(lái)越高，有關(guān)LED對(duì)食用菌菌絲生長(zhǎng)與轉(zhuǎn)化代謝方面的促進(jìn)作用仍有待更為深入的研究，以確定最佳光環(huán)境參數(shù)，研發(fā)專用的燈具和布控方式等。此外，制定適于食用菌光環(huán)境控制策略、光照模式及相應(yīng)的光調(diào)控實(shí)現(xiàn)方法，探索不同光環(huán)境下食用菌工廠化生產(chǎn)的品質(zhì)和產(chǎn)量綜合效益，特別是藥用食用菌的營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值響應(yīng)機(jī)制仍是當(dāng)務(wù)之急。筆者堅(jiān)信，LED光源在食用菌光生物學(xué)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展中將起到非常重要的作用。

LED光源對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)作物生長(zhǎng)

發(fā)育調(diào)節(jié)的復(fù)雜性

上述簡(jiǎn)要介紹了LED在設(shè)施農(nóng)業(yè)光環(huán)境調(diào)控中的應(yīng)用領(lǐng)域?？梢钥闯?，LED光調(diào)控設(shè)施作物生長(zhǎng)發(fā)育的作用具有較高的復(fù)雜性，且生物種類和生物效應(yīng)龐雜，需從多個(gè)層面、多個(gè)尺度進(jìn)行逐一解析并開(kāi)展更為詳盡和系統(tǒng)的研究工作[34]。這樣做的原因有3點(diǎn)：①在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，不同園藝作物種類及品種、植物生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段，以及不同組織或器官對(duì)LED光源的響應(yīng)機(jī)理、方式和敏感程度各不相同，加之農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段具有多樣性和復(fù)雜性[7]，而且，在人工可控環(huán)境條件下，光環(huán)境的維度不僅包括傳統(tǒng)定義的光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期等維度，還包括光的偏振性、方向性甚至相干性等因素，從而大大增加了設(shè)施農(nóng)業(yè)光環(huán)境調(diào)控的復(fù)雜性，需要逐一進(jìn)行系統(tǒng)的研究，揭示其光生物學(xué)規(guī)律；②不同光生物學(xué)指標(biāo)對(duì)光環(huán)境響應(yīng)的不一致性或不同步性是設(shè)施農(nóng)業(yè)LED光調(diào)控的另一重要特征，且研究方法各異，需要對(duì)各個(gè)指標(biāo)逐一進(jìn)行明確的研究，一種作物的研究成果很難類推到另一種作物上；③LED光源的應(yīng)用效果并非對(duì)所有的形態(tài)和營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)都同向變化，而是呈現(xiàn)出離散型響應(yīng)方式，某種對(duì)形態(tài)指標(biāo)有益的光環(huán)境并非對(duì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)也有益，某種對(duì)某一營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)有益的光環(huán)境并非同時(shí)對(duì)另一種營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)也有益，等等。因此需要區(qū)分正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)，以提高調(diào)控效果[7]。上述3方面的疊加效應(yīng)顯示了植物光生物學(xué)研究的復(fù)雜性和長(zhǎng)期性。最后，設(shè)施系統(tǒng)種類多，光環(huán)境特征及變化規(guī)律迥異，因此需要有針對(duì)性進(jìn)行光環(huán)境的調(diào)控[34]。

LED光調(diào)控技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中

應(yīng)用的展望

21世紀(jì)被譽(yù)為“光的世紀(jì)”，植物光合作用是地球上一切生命的基礎(chǔ)。然而，太陽(yáng)光照的不足將對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面影響，在這種情況下，人工補(bǔ)光以及在密閉環(huán)境下的人工照明均需要高光效、低能耗的新型光源。LED以其高效節(jié)能的特有優(yōu)勢(shì)正吸引著全世界的目光，尤其是在全球能源短缺的背景下，LED的推廣和普及正受到世界各國(guó)政府的日益重視[35]。

運(yùn)用人工光進(jìn)行栽培的技術(shù)實(shí)質(zhì)上是通過(guò)類似光催化反應(yīng)而進(jìn)行的，是通過(guò)對(duì)外部條件的控制，同時(shí)利用不同光質(zhì)的組合和光照模式的匹配來(lái)促進(jìn)植物的光合作用、生長(zhǎng)發(fā)育和有效物質(zhì)的合成，最終達(dá)到增產(chǎn)增質(zhì)的目的。設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的LED光調(diào)控技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)外部條件的控制，并根據(jù)植物生長(zhǎng)過(guò)程的光需求，提供相應(yīng)的光譜成分的組合和光強(qiáng)調(diào)控并配以合適的光周期，以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和功能性物質(zhì)的積累，從而達(dá)到增產(chǎn)、增收、增質(zhì)和增效的目的[36]。設(shè)施農(nóng)業(yè)中LED光調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的方式不僅環(huán)保、副作用小，而且能夠達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的。

本文所提到LED的顯著優(yōu)勢(shì)，必將會(huì)在設(shè)施農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮積極的作用。近年來(lái)隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，LED的制造和使用成本也將越來(lái)越低，其優(yōu)越性也將得到更為充分的體現(xiàn)。因此LED必將在植物組織培養(yǎng)、工廠化育苗、高附加值植物和名貴中藥材等設(shè)施園藝植物栽培等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在植物組培領(lǐng)域?qū)⒂锌赡艹霈F(xiàn)替代傳統(tǒng)熒光燈的LED專用組培燈具，其光強(qiáng)、光質(zhì)和光照時(shí)間均可根據(jù)作物的生長(zhǎng)需求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而大幅度提高組培效率，并降低系統(tǒng)的能耗；在完全控制型植物工廠中也會(huì)出現(xiàn)由多種單色LED光（如紅藍(lán)光）組合的人工光源，使作物栽培層的間距和空間利用率都得到有效的提高，進(jìn)而促進(jìn)植物工廠的普及與應(yīng)用及成本的降低。在戈壁灘、沙漠、邊遠(yuǎn)島嶼、南北極地，以及太空航天器、遠(yuǎn)洋航船和其他星球等特定場(chǎng)所，將會(huì)出現(xiàn)以LED為人工光源的植物生產(chǎn)系統(tǒng)，以滿足特殊環(huán)境下人們對(duì)食物的需求。

目前，以LED為設(shè)施作物照明主要供給光源的研究方興未艾，發(fā)展勢(shì)頭如火如荼，但基于LED對(duì)設(shè)施農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)節(jié)的復(fù)雜性，探索設(shè)施農(nóng)業(yè)LED對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響的光配方及專用燈具的研發(fā)尚有很長(zhǎng)的路要走。相信在不久的將來(lái)，通過(guò)行業(yè)科研人員的不斷努力，LED在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，也將極大地推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)LED光調(diào)控技術(shù)的深層次普及和發(fā)展以及光植物學(xué)科的研究進(jìn)展和突破。

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