植物光照用LED光源與高壓鈉燈的性能特點(diǎn)

苗 辰，耿 博，尤 杰，龍家煥，孔 樂(lè)，鄭夢(mèng)影

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210095；2.國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，北京 100083)

引言

光作為能量和信號(hào)，同時(shí)作用于植物，是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育眾多外界因素(光照、溫度、水分、重力、礦物質(zhì)等)中最重要的因素，還是植物整個(gè)生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中重要的調(diào)節(jié)因子。光照的日累積量參數(shù)，也就是每天累積的光合有效輻射總量，對(duì)植物苗期和移栽質(zhì)量有直接影響，如增加節(jié)間的干物質(zhì)質(zhì)量，減少移植后開花的時(shí)間[1]。新玻璃溫室的整體透光率最高在80%左右，新塑料溫室的整體透光率不超過(guò)70%，使用半年以后，溫室的透光率會(huì)降到自然光的50%以下[2]。近年來(lái)，霧霾天氣頻繁發(fā)生，引起設(shè)施蔬菜光照不足，導(dǎo)致葉片黃化、植株萎蔫、生長(zhǎng)緩慢、落花落果、茄果類作物果實(shí)著色不均，轉(zhuǎn)色困難等現(xiàn)象，在生產(chǎn)上造成了嚴(yán)重?fù)p失。因此采用人工光源補(bǔ)光，對(duì)溫室生產(chǎn)尤為重要。目前主流應(yīng)用的人工光源主要有高壓鈉燈和發(fā)光二極管(LED)，兩者在植物光照應(yīng)用上各有特點(diǎn)。

1 高壓鈉燈和LED燈的光電性能

高壓鈉燈是一種高強(qiáng)度氣體放電光源，電光轉(zhuǎn)換率高，相對(duì)節(jié)能，壽命較長(zhǎng)(平均為20 000～24 000 h)[3-5]，光譜近似連續(xù)性，易發(fā)生頻閃、熱膨脹變形，高壓鈉燈主要產(chǎn)生黃橙光，改進(jìn)型的農(nóng)藝鈉燈增加了紅藍(lán)光[6]，尤其是紅光的光譜能量比率。LED光源具有眾多優(yōu)點(diǎn)：平均壽命達(dá)30 000 h，質(zhì)量輕、體積小，節(jié)能且壽命更長(zhǎng)，光譜可調(diào)等，可以依照不同需求組合[7-11]。

高壓鈉燈可以做到很高的功率和功率密度，對(duì)燈體的散熱要求低，功率/重量比、功率/價(jià)格比和性價(jià)比高。LED燈對(duì)燈體的散熱要求高，其功率和功率密度有待繼續(xù)提升，功率/重量比、功率/價(jià)格比低。在一定范圍內(nèi)，高壓鈉燈的光輻射輸出與溫度呈正相關(guān)，從原理上看，這是一個(gè)非常好的應(yīng)用特性； LED燈的光輻射輸出與溫度是呈負(fù)相關(guān)性的，在這一特性上有進(jìn)一步提升的空間。

由此可見，就光電性能特點(diǎn)而言，LED燈和高壓鈉燈各有優(yōu)劣、各有特性，在具體使用中，應(yīng)該依據(jù)植物補(bǔ)光的場(chǎng)景和需求特性，揚(yáng)長(zhǎng)避短，選擇適宜的光源種類。

2 高壓鈉燈與LED對(duì)植物生理形態(tài)的影響

植物的生理形態(tài)可以一定程度體現(xiàn)出植物生長(zhǎng)發(fā)育的好壞，很多生理指標(biāo)都與植物的產(chǎn)量與品質(zhì)直接相關(guān)。高壓鈉燈和LED燈對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，研究報(bào)道很多，但結(jié)果并不一致[12]。

陳善飛等[13]研究表明在使用鈉燈補(bǔ)光的溫室與不補(bǔ)光的溫室相比，補(bǔ)光明顯加速了番茄的開花結(jié)果，且有利于減少發(fā)病率。LED對(duì)嫁接苗成活率和抗病性優(yōu)于高壓鈉燈[14]。王爾鎮(zhèn)[15]研究表明在大面積的露地栽培選用黃色高壓鈉燈可對(duì)忌光性昆蟲有效防治，從而可以提高作物的外觀品質(zhì)與產(chǎn)量。

鄭麗等[15]研究表明LED植物補(bǔ)光燈處理下的切花菊植株高度、節(jié)間長(zhǎng)度以及花徑比高壓鈉燈處理下的植株分別高出16.4%，0.4 cm和1.6 cm。黃蕓萍等[16]人研究表明在補(bǔ)光13 d之前高壓鈉燈處理下西瓜嫁接苗的株高要高于LED(R∶B=1∶1)處理，然而在17 d之后LED處理的嫁接苗株高增長(zhǎng)明顯，超過(guò)高壓鈉燈處理的株高，且LED處理的嫁接苗成活率高于高壓鈉燈處理。Poel等[1]用LED和高壓鈉燈補(bǔ)光，對(duì)辣椒、番茄、天竺葵、矮牽牛和金魚草在苗期的生長(zhǎng)狀況做對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)除辣椒外，株高、葉面積和葉數(shù)均無(wú)明顯差異，且對(duì)植物的開花無(wú)差異，表明在植物苗期不管用LED還是HPS作為光源補(bǔ)光，幼苗生長(zhǎng)基本相似。但是當(dāng)交替用高壓鈉燈和LED對(duì)番茄補(bǔ)光時(shí)，鮮重比單獨(dú)用高壓鈉燈的低[13]。

有些研究表明LED處理的植物生物量和鈉燈處理間無(wú)顯著差異。在光量子通量密度(PPF)為90 μmol·m-2·s-1時(shí)，LED處理和高壓鈉燈處理下生長(zhǎng)的辣椒、番茄、天竺葵、矮牽牛和金魚草的幼苗具有相似的干物質(zhì)量[1]。玫瑰中，在LED燈下生長(zhǎng)莖伸長(zhǎng)和葉面積通常較低，而新鮮和干重不受燈型的影響[1]。Avercheva等在 PPF為100 μmol·m-2·s-1條件下，培養(yǎng)15 d的大白菜觀察到了同樣的結(jié)果；LED燈下生長(zhǎng)的植物比高壓鈉燈下的植物具有稍高的根莖干重比[17]。也有研究發(fā)現(xiàn)，在紅藍(lán)組合LED燈下生長(zhǎng)的大白菜，其生產(chǎn)力比高壓鈉燈處理更低[18]。高壓鈉燈的光線可以更多的射進(jìn)冠層以下，從而提升下層葉片的光合能力[12]。

對(duì)于木本植物，研究顯示高壓鈉燈處理的蘇格蘭松樹幼苗和挪威云杉幼苗的株高均高于LED處理，但高壓鈉燈處理下，根的干物質(zhì)重低于LED處理，在莖粗指標(biāo)上無(wú)顯著差異[19]，該試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)盡管在培育期結(jié)束時(shí)幼苗生長(zhǎng)和形態(tài)處理之間存在差異，但是LED處理和高壓鈉燈處理的幼苗，在田間性能的表現(xiàn)上無(wú)顯著差異。

夜間開放景觀燈還會(huì)對(duì)葉片顏色產(chǎn)生影響。葉片顏色主要受到100～400 nm的紫外光和400～520 nm藍(lán)光的影響[20]。段然等[21]研究表明高壓鈉燈對(duì)植物葉色影響較小，白色LED對(duì)植物葉片顏色影響較大。因此若要避免植物局部葉色的改變則可以使用高壓鈉燈作為夜景照明，反之則可以使用合適光譜與光強(qiáng)的LED。LED作為草坪的照明光源要比鈉燈的顯色性能好[22]。

3 LED和高壓鈉燈對(duì)植物生理活動(dòng)的影響

Lanoue等[23]用高壓鈉燈和LED(RB,RW)光照處理植物，觀察到用高壓鈉燈補(bǔ)光時(shí)番茄和洋桔梗的水分利用效率高于LED處理，蒸騰速率低于LED處理，在凈CO2交換速率和最終生物量之間沒(méi)有差異，但最大光合速率都是相同的，這些結(jié)果似乎表明，光譜質(zhì)量可以影響氣孔及其功能，而不影響主要的光合機(jī)構(gòu)。從LED和高壓鈉燈處理的植物中分離出葉綠體，其光合電子傳遞速率[24]沒(méi)有顯著差異。LED處理的植物，其光合電子傳遞速率在體內(nèi)不低于(或更高)高壓鈉燈處理的植物[25]。但是Bergstrand等[12]研究表明在LED光照下，葉片的最大光量子效率高于高壓鈉燈處理。國(guó)外研究和實(shí)踐應(yīng)用表明，高壓鈉燈在可見波段紅光區(qū)域有較強(qiáng)的紅光輸出正好位于植物對(duì)光源的敏感波段范圍內(nèi)，能大大促進(jìn)植物生長(zhǎng)的光合作用[26]，因此高壓鈉燈與其他類型的燈混用可以高效率地提供植物生長(zhǎng)所需紅光光成分[5]。

高壓鈉燈近距離照射植物會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生熱脅迫，從而導(dǎo)致玫瑰花瓣中呼吸作用過(guò)度和水分流失，造成花瓣變色和同化物的消耗[27]，影響產(chǎn)量和品質(zhì)。但是有研究顯示相反結(jié)果，表明高壓鈉燈下有利于植物的生長(zhǎng)，原因可能是葉溫的上升[12]。

研究表明在光譜以及各種環(huán)境刺激下可導(dǎo)致光合作用的各個(gè)步驟不平衡，因此只測(cè)量有限數(shù)量的光合參數(shù)很可能不能正確評(píng)測(cè)植物的光合作用性能和生長(zhǎng)[28]。值得注意的是，植物對(duì)光質(zhì)的響應(yīng)是與物種相關(guān)的[19]。

4 總結(jié)

在具體的補(bǔ)光應(yīng)用中，高壓鈉燈和LED對(duì)同種植物不同指標(biāo)的影響并無(wú)傾向上的一致性，對(duì)不同植物同種指標(biāo)的影響也無(wú)確定的傾向性。由此可見，高壓鈉燈和LED對(duì)植物的影響各有優(yōu)劣。高壓鈉燈已在溫室中廣泛應(yīng)用，LED目前還達(dá)不到與之匹敵的應(yīng)用水平。在溫室栽培發(fā)達(dá)的歐洲國(guó)家，高壓鈉燈依舊是溫室栽培中主流人工光源。我們不能不顧及具體應(yīng)用場(chǎng)景和植物需求特性，而盲目地宣傳LED已取代高壓鈉燈，就現(xiàn)狀而言，這種說(shuō)法還存在片面性，容易導(dǎo)致兩者的對(duì)立，從方法論上講也是不適宜的。我們應(yīng)該客觀理智地看到，對(duì)于LED燈和高壓鈉燈，就其自身所具備的光電特性及其植物生理生化效應(yīng)特性而論，兩者在植物光照中的應(yīng)用各有特點(diǎn)、各有其用，是相輔相成的共贏關(guān)系。

植物人工補(bǔ)光的目的是為了在自然條件不利的情況下，人工改變光環(huán)境使其滿足植物生長(zhǎng)需求，從而獲得更多的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，那么就要講究低投入、低能耗、高輸出，講究的是效率和效能。只有將植物燈類型的選擇和植物品種、植物需求特性、投入成本、預(yù)期產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)綜合起來(lái)考慮，我們才能做出合理適宜的選擇，進(jìn)而發(fā)揮出植物補(bǔ)光的最佳效能。

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