LED燈在植物工廠中的應(yīng)用及對(duì)植物生長的影響

樊曉雅 初燕芳 袁玉麟

[摘 要] 光是影響植物生長的重要因素，其在植物形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝等過程中均有重要作用。通過調(diào)節(jié)光質(zhì)控制植株形態(tài)的形成和生長發(fā)育是設(shè)施農(nóng)業(yè)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。近年來，由于LED燈具有波段較窄、光譜光量皆可調(diào)控、耗能低、產(chǎn)熱較少等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于研究植物生長對(duì)人工光組合光譜的響應(yīng)?；诖?，本文主要概述LED燈在植物工廠中的發(fā)展及對(duì)植物生長的影響，以期為LED燈的合理應(yīng)用提供理論參考。

[關(guān)鍵詞] 植物工廠;LED燈;植物生長

[中圖分類號(hào)] F426 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-7909（2020）29-107-3

1 植物工廠概述

植物工廠是一個(gè)高效率的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，其通過在設(shè)施內(nèi)進(jìn)行高精度的環(huán)境控制，使得作物能夠周年連續(xù)生產(chǎn)。植物工廠是在作物生長發(fā)育過程中由計(jì)算機(jī)對(duì)溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度和營養(yǎng)液等環(huán)境因素進(jìn)行自動(dòng)控制，不受或很少受自然條件影響的節(jié)省勞力的一種生產(chǎn)方式[1]。植物工廠的核心技術(shù)有無土栽培技術(shù)、光照技術(shù)和環(huán)境控制技術(shù)，這3種技術(shù)相互關(guān)聯(lián)，并以植物高效率生產(chǎn)為目標(biāo)進(jìn)行集成。由于植物工廠不受土地空間限制，可實(shí)現(xiàn)多層立體栽培，機(jī)械化程度較高。由于植物工廠多在密閉環(huán)境中運(yùn)作，因此其具有不受氣候條件影響、生產(chǎn)環(huán)境干凈等優(yōu)勢(shì)。

2 LED燈在植物工廠中的應(yīng)用

LED燈是一種半導(dǎo)體固態(tài)光源，其可提供單色光和組合光，還可根據(jù)植物需求調(diào)制出更加合適的光譜，與傳統(tǒng)補(bǔ)光光源相比有著無法比擬的光電優(yōu)勢(shì)，其是一種能將傳統(tǒng)光源替代，對(duì)作物進(jìn)行高效率補(bǔ)光的理想光源。LED燈作為第4代新型照明光源，與熒光燈和太陽輻射不同，LED的光能利用率和光合速率更加高，光譜組成更加穩(wěn)定，具有發(fā)熱少、空間利用率高、使用壽命長、沒有污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，可用于植物工廠中的多層栽培和立體組合系統(tǒng)等[2]。

最早將LED光源用在植物栽培研究中的是日本，1994年以來，LED被日本用作植物工廠的照明光源。現(xiàn)今日本三菱公司開發(fā)了利用LED栽培蔬菜的技術(shù)，LED可以產(chǎn)生一種特定波長的紅光，這種紅光可以促進(jìn)植物進(jìn)行光合作用，縮短作物的生長周期，從而降低生產(chǎn)成本。20世紀(jì)80年代開始，發(fā)達(dá)國家（如美國、日本、荷蘭等）開始了有關(guān)LED光源作為植物生長光源的研究，并重點(diǎn)開展了LED光質(zhì)對(duì)植物育苗、蔬菜、糧食等作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量影響的相關(guān)研究[3]。2006年，我國開始在植物工廠中應(yīng)用LED光源，同年3月中國農(nóng)科院環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所建立了一所面積為20 m2的小型人工光型植物工廠，光源一半采用了LED燈，而另一半采用了熒光燈，這是我國第一個(gè)人工光植物工廠試驗(yàn)系統(tǒng)，也是第一個(gè)采用LED光源作為人工光源的植物生產(chǎn)系統(tǒng)。

3 LDE燈對(duì)植物生長的影響

近年來，隨著LED燈的發(fā)展，其取代了熒光燈，實(shí)現(xiàn)了人造光源植物工廠中效率高、能耗少的生產(chǎn)，且LED燈的使用正逐漸成為我國植物工廠的重要趨勢(shì)[3]，通過合理調(diào)節(jié)LED燈光質(zhì)及光強(qiáng)等可有利調(diào)控植的物生長。光環(huán)境包括光質(zhì)、光強(qiáng)、照射時(shí)間與方式等要素，對(duì)于作物生長和作物產(chǎn)量有很大影響，而且會(huì)影響作物的品質(zhì)。

3.1 光質(zhì)對(duì)植物生長及品質(zhì)的影響

光作為植物生長發(fā)育的基本要素之一，光質(zhì)、光強(qiáng)、光照時(shí)間等因素對(duì)植物的生長發(fā)育均會(huì)產(chǎn)生很大影響，其可調(diào)節(jié)種子的萌發(fā)、莖的生長、葉和根的發(fā)育、成花誘導(dǎo)、葉綠素的合成以及次生代謝等。光質(zhì)對(duì)植物的生長、形態(tài)的建成、物質(zhì)的代謝和基因的表達(dá)等均起著重要的調(diào)控作用。在自然光譜中，只有380～780 nm的可見光可被植物吸收利用，即吸收波峰為660 nm的紅光和450 nm的藍(lán)光。合適的紅藍(lán)光配比的光能利用率在80%～90%。由于光譜構(gòu)成的成分不同，對(duì)作物的影響也不盡相同，紫光和綠光會(huì)抑制生菜的生長;單一的紅光可明顯促進(jìn)生菜對(duì)鈉、鐵、錳、銅、鉬元素的吸收;單一的藍(lán)光則會(huì)抑制根對(duì)鈣和鎂元素的吸收[4]。余意等研究發(fā)現(xiàn)，綠葉生菜和紫葉生菜在白光照射下地上鮮質(zhì)量最大，在紅光照射下葉綠素a、花青素及總光和色素含量最小;藍(lán)光可促進(jìn)花青素的合成，但單一紅光會(huì)阻礙花青素的合成[5]。

光質(zhì)會(huì)影響作物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，其能調(diào)節(jié)高等植物的碳水化合物含量還會(huì)影響蛋白質(zhì)的代謝。紅光能促進(jìn)根系丟氮的吸收和地上部對(duì)磷的吸收，且紅藍(lán)光組合光譜有利于生菜對(duì)礦質(zhì)元素的吸收。陳嫻等研究發(fā)現(xiàn)，紅光可促進(jìn)韭菜光合色素的合成與積累，而單純的紅光或藍(lán)光則會(huì)阻礙類黃酮的合成;紅光有利于可溶性糖含量的增加，但對(duì)可溶性蛋白和維生素C的形成和積累起抑制作用，藍(lán)光則相反;藍(lán)光能促進(jìn)韭菜中磷、鉀元素的積累與吸收，紅光與不同比例的紅藍(lán)光能增加韭菜對(duì)鈣、鋅含量的吸收與積累[6]。

在植物生長發(fā)育過程中，單色紅光或者藍(lán)光不足以保證植物良好生長，LED燈紅藍(lán)組合光譜可有效解決這一問題。在植物的可見光中，紅光和藍(lán)光是光合作用的主要光源，其不僅能提供能量，還可以調(diào)節(jié)植物的生命活動(dòng)。在前人的研究中，紅藍(lán)光能提高生菜的品質(zhì)且能增加生菜生物量的積累，但單一紅光不能保證生菜的良好營養(yǎng)品質(zhì)。趙嬌嬌等研究發(fā)現(xiàn)，紅藍(lán)組合光可以提高地上部干物質(zhì)、根系生物量、干物質(zhì)的積累，紅藍(lán)光3∶1的組合處理能促進(jìn)水培瞿麥開花[7]。

光質(zhì)在調(diào)節(jié)蔬菜中抗氧化化合物的合成和積累方面起著重要作用，不同品種的蔬菜對(duì)光質(zhì)的反應(yīng)不同，其中的差異值得進(jìn)一步研究。以往研究表明，不同光質(zhì)對(duì)植物生長有不同的影響。由于植物種類、生長條件、生長時(shí)期和環(huán)境條件的不同，不同光質(zhì)對(duì)植物的生長影響也有差異。

3.2 光強(qiáng)對(duì)植物生長及品質(zhì)的影響

在某一二氧化碳（CO2）濃度和一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，光合強(qiáng)度會(huì)隨光照強(qiáng)度的增加而增加。當(dāng)光照強(qiáng)度在光飽和點(diǎn)以下時(shí)，植物光合作用會(huì)隨著光強(qiáng)的增大而增強(qiáng);當(dāng)光照強(qiáng)度在光飽和點(diǎn)之上時(shí)，凈光合速率不但不會(huì)增加，反而會(huì)形成抑制作用，其會(huì)誘導(dǎo)葉綠素分解而導(dǎo)致作物產(chǎn)生生理障礙;當(dāng)光強(qiáng)長時(shí)間在光補(bǔ)償點(diǎn)之下時(shí)，植物的呼吸作用會(huì)大于光合作用，此時(shí)有機(jī)物消耗量多于有機(jī)物積累量，從而導(dǎo)致作物生長緩慢，甚至?xí)率怪参锟菟溃瑢?duì)植物的生長造成不利[8]。周成波等研究表明，隨著光強(qiáng)的增加，對(duì)水培生菜的根系和形態(tài)結(jié)構(gòu)的建成有利[9]。太低的光強(qiáng)不利于生菜生長，隨著紅藍(lán)光強(qiáng)的提高，能顯著提高植物的光合作用，促進(jìn)生菜生長發(fā)育，提高其產(chǎn)量。太高的光強(qiáng)雖能提高植物的光合作用，但會(huì)使生菜根系有機(jī)碳的釋放增加，同時(shí)會(huì)增加自毒物質(zhì)的分泌、增加能耗，造成資源浪費(fèi)。因此，只有適當(dāng)?shù)墓鈴?qiáng)才能既有效增加作物產(chǎn)量，又降低能耗和資源浪費(fèi)。

光照條件不同對(duì)植物的影響也不同，最大凈光合速率是評(píng)價(jià)蔬菜葉片光合特性的重要指標(biāo)之一。適當(dāng)增加光強(qiáng)可提升生菜的光能轉(zhuǎn)化速率與光合效率，從而促進(jìn)生菜生長。但過高的光強(qiáng)處理則會(huì)抑制葉綠素的合成、降低光能轉(zhuǎn)換效率和凈光合效率，從而抑制生菜的生長。光強(qiáng)通過影響葉片形態(tài)、生理和解剖學(xué)結(jié)構(gòu)而影響植物的光合作用。王君等研究發(fā)現(xiàn)，在光照強(qiáng)度200 μmol/（m2·s）條件下，可促進(jìn)生菜生長;增強(qiáng)光強(qiáng)能夠提升葉片的光合能力且有利于葉面積的增加以及光合有效輻射捕捉量，進(jìn)而增加了生菜地上部分干質(zhì)量[10]。丁恒等研究表明，隨著光強(qiáng)的減小，葉綠素的相關(guān)光譜參數(shù)在總體上呈現(xiàn)升高趨勢(shì);隨著光強(qiáng)的減少，三葉青的葉片中可溶性蛋白含量呈現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)[11]。周廬萍等研究發(fā)現(xiàn)，高光強(qiáng)能夠促進(jìn)菊花種苗水分和養(yǎng)分的吸收，有利于菊花苗生長發(fā)育;提高光強(qiáng)能讓菊花氣孔導(dǎo)度增加，從而提高光合速率[12]。

4 討論與展望

研究發(fā)現(xiàn)，光對(duì)于植物生長起著至關(guān)重要的作用，會(huì)影響植物對(duì)微量元素的吸收，植物光合作用的能力和植物根系的發(fā)育等。光強(qiáng)、光質(zhì)、光照方向、光照時(shí)間等在植物生育期內(nèi)有重要影響，其可作為環(huán)境信號(hào)調(diào)節(jié)植物的生命活動(dòng)。合適的紅藍(lán)光配比可促進(jìn)植物的生長并有利于微量元素的合成，單一的紅光或藍(lán)光不能滿足植物生長的正常需求。過高或過低的光強(qiáng)對(duì)植物的生長會(huì)產(chǎn)生抑制作用，其無法達(dá)到最大的凈光合速率，無法保證植物的光合作用達(dá)到最強(qiáng)，從而導(dǎo)致植物無法較好生長。

LED光源是一種半導(dǎo)體固態(tài)冷光源，有著光質(zhì)純、光效高且波長類型豐富、可以便捷的調(diào)控光強(qiáng)與光質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，是植物工廠中植物生長光環(huán)境的最佳選擇[13]。LED被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最有前景的人工光源，有助于解決環(huán)境污染，提高空間利用率，減少溫室效應(yīng)[14]。展望未來，在被譽(yù)為“光的世紀(jì)”的21世紀(jì)，LED植物工廠以其特有的優(yōu)勢(shì)將快速得到普及。

參考文獻(xiàn)

[1]孫洪助.紅藍(lán)光比例對(duì)綠葉蔬菜生理特性及品質(zhì)的影響[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[2]周愷.植物工廠條件下氮素與光照互作對(duì)霧培生菜產(chǎn)量和抗氧化營養(yǎng)品質(zhì)的影響[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

[3]陳浩偉，文尚勝，馬丙戌，等.基于光量子學(xué)的植物照明用自由曲面底板LED光源設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2017（2）：207-216.

[4]陳曉麗，郭文忠，薛緒掌，等.LED組合光譜對(duì)水培生菜礦物質(zhì)吸收的影響[J].光譜學(xué)與光譜分析，2014（5）：1394-1397.

[5]余意，楊其長，趙姣姣，等.LED光質(zhì)對(duì)三種葉色生菜光譜吸收特性、生長及品質(zhì)的影響[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013（s1）：139-145.

[6]陳嫻.不同LED光源對(duì)韭菜生理特性及品質(zhì)的影響[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[7]趙姣姣，楊其長，劉文科.LED光質(zhì)對(duì)水培瞿麥生長及氮磷吸收的影響[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013（s1）：146-149.

[8]植物光合作用及其對(duì)光的需求[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017（7）：71-72.

[9]周成波，劉文科，查凌雁，等.LED紅藍(lán)光強(qiáng)對(duì)水培生菜生長以及有機(jī)碳和自毒物質(zhì)分泌的影響[J].植物生理學(xué)報(bào)，2019（4）：466-474.

[10]王君.紅藍(lán)光下不同光強(qiáng)和光質(zhì)配比對(duì)生菜光合能力影響機(jī)理[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2016.

[11]丁恒.三葉青生理生化特性對(duì)于不同光強(qiáng)處理的響應(yīng)[D].杭州：浙江農(nóng)林大學(xué)，2018.

[12]周廬萍，崔永一.光照強(qiáng)度和營養(yǎng)液電導(dǎo)率對(duì)微型水培菊花苗生長的影響[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（4）：554-558.

[13]劉文科，楊其長.人工光在植物工廠中的應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014（4）：50-53，61.

[14]陳嫻.不同LED光源對(duì)韭菜生理特性及品質(zhì)的影響[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

基金項(xiàng)目：第十三屆學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)行動(dòng)基金項(xiàng)目（2020ZKY365）。