LED在設(shè)施栽培中的應(yīng)用和前景

柴貴賢

摘? ? 要：通過介紹LED技術(shù)相比其他人工光源在植物設(shè)施栽培方面的優(yōu)勢，分析了LED技術(shù)在設(shè)施栽培中的應(yīng)用，指出了該技術(shù)在設(shè)施栽培方面的發(fā)展前景，以期為智慧設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：LED技術(shù);設(shè)施栽培;應(yīng)用;發(fā)展前景

文章編號：1005-2690（2022）07-0142-03? ? ? ?中國圖書分類號：S316;S123? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

植物的生長發(fā)育和產(chǎn)品器官的形成，都需要在一定的光照條件下進(jìn)行。隨著現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，我國設(shè)施栽培面積已位居世界前列，設(shè)施栽培可充分發(fā)揮作物的增產(chǎn)潛力，實現(xiàn)產(chǎn)量增加，并能使作物反季節(jié)生長，在有限的空間中生產(chǎn)出高品質(zhì)的作物。但是，由于設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培一般采用塑料棚膜、玻璃、PVC板等覆蓋材料，影響了設(shè)施的透光性能，使光照成為制約設(shè)施反季節(jié)作物栽培的主要因素。為滿足植物正常生長發(fā)育時對光的需求，進(jìn)行人工補光勢在必行。隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展日益成熟，LED以其體積小、節(jié)能以及冷光源等優(yōu)勢對植物進(jìn)行按需補光，大大促進(jìn)了植物生長，在植物設(shè)施栽培中表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

1 LED應(yīng)用于植物設(shè)施栽培的優(yōu)勢

合理利用光照可以促進(jìn)植物生長發(fā)育、增強植物光合作用、控制植株形態(tài)。在設(shè)施栽培領(lǐng)域，人工光源補充是一項極為重要的技術(shù)。以往人們對設(shè)施栽培進(jìn)行補光時，大多使用熒光燈、高壓鈉燈或白熾燈等，而這些光源光譜中波長較為雜亂，對植物產(chǎn)生的促進(jìn)作用較少[1]。隨著光電技術(shù)不斷進(jìn)步，LED逐漸取代了其他補光方式，成為設(shè)施栽培領(lǐng)域人工補光的首選光源，這與其優(yōu)勢有著密不可分的關(guān)系。

1.1 光效高

LED光源能量轉(zhuǎn)化效率極高，能耗低，僅為白熾燈的10%左右，相對于熒光燈可節(jié)能50%。當(dāng)前白光LED的光效是120 Lm/W，相當(dāng)于普通熒光燈的4倍，這使該技術(shù)成為了植物設(shè)施栽培補光領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢。

1.2 光譜可按需任意組合

當(dāng)前，設(shè)施栽培領(lǐng)域所應(yīng)用的LED多為單色光，波段豐富，光譜能量分布符合植物生長需求。在實際應(yīng)用時，LED可根據(jù)植物生長發(fā)育需求進(jìn)行光譜調(diào)制，任意組合光譜，形成植物所需的特定光照配方，并且選擇適宜的波長峰值，促進(jìn)植物對光能的吸收，真正實現(xiàn)按需用光，使植物處于最適宜生長的光環(huán)境中。這一特點也是LED在植物補光領(lǐng)域最大的應(yīng)用優(yōu)勢。

1.3 綠色、環(huán)保、安全、壽命長

LED屬于半導(dǎo)體光源，耐沖擊，環(huán)保性較強，不易破碎，不會排放鉛和汞等有害物質(zhì)，廢棄物可回收。LED為低壓電源，供電電壓在6～24 V之間，使用安全。LED使用期間不易衰減，平均壽命大約為10萬h，降低了更換頻率和維修成本。

1.4 體積小、重量輕，便于組合安裝及二次光學(xué)設(shè)計

LED體積小、重量輕，能運用于各種設(shè)備的布置和設(shè)計中，易于分解或組合控制，在光源二次光學(xué)設(shè)計方面有較大的潛力。LED光源可以進(jìn)行多樣化搭配組合，特別適用于植物照明，尤其是對光源光譜有特殊要求的作物生產(chǎn)。

1.5 防潮、防水性強

LED光源密封性好，可防潮防水，能在相對濕度較大的環(huán)境中正常工作，甚至可以應(yīng)用于水下照明，特別適用于設(shè)施栽培的環(huán)境中。

1.6 LED光環(huán)境可進(jìn)行智能化控制，實現(xiàn)光照按需調(diào)控

LED可通過連續(xù)照射或脈沖間歇照射精準(zhǔn)調(diào)控LED光源所發(fā)射光的光強、光質(zhì)和光周期等屬性，實現(xiàn)光周期按需調(diào)控，滿足植物生長對光強、光質(zhì)、光周期的需求，從而促進(jìn)植物生長。LED適宜植物工廠化生產(chǎn)，有助于設(shè)施栽培智慧生產(chǎn)。

2 我國植物設(shè)施栽培中光環(huán)境現(xiàn)狀及問題

設(shè)施內(nèi)的光環(huán)境對作物生長發(fā)育影響重大，調(diào)節(jié)好光環(huán)境是實現(xiàn)高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的首要條件。在設(shè)施栽培中，由于受覆蓋材料的影響，植物缺乏自然光源的攝入，因此必須通過調(diào)控設(shè)施內(nèi)的光環(huán)境來促進(jìn)植物生長，實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的。通常來說，植物設(shè)施栽培都屬于反季節(jié)栽培，冬季因光照時間短及保溫被、草苫等保溫材料的使用，使設(shè)施內(nèi)更加缺乏光照，一旦遇到陰天、下雪、霧霾等天氣，設(shè)施內(nèi)缺光的現(xiàn)象將更為嚴(yán)重。而植物光輻射條件達(dá)不到生長要求，極易出現(xiàn)幼苗徒長，造成后期產(chǎn)量下降。另外，一些喜光的果蔬植物若長期處于弱光環(huán)境中，將抑制其生長，影響開花結(jié)果和果實品質(zhì)?？偟膩碚f，植株若無法正常進(jìn)行光合作用，其生長發(fā)育會受到極大影響，容易引發(fā)病蟲害，甚至絕收。為了給設(shè)施植物提供充足的光照環(huán)境，進(jìn)一步提高產(chǎn)量，尤其是在自然光相對較弱的季節(jié)和地區(qū)，利用人工光源控制和調(diào)節(jié)設(shè)施植物的生長是非常必要的。生產(chǎn)中，一般用白熾燈、日光燈、高壓鈉燈等光源進(jìn)行人工補光，但是與植物光合作用所需吸收的光譜匹配度不高，光合效能低，不是理想的人工光源。隨著光電子技術(shù)的不斷發(fā)展，LED已成為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦腿斯す庠?，其光譜組成與植物吸收光譜匹配度較高，用于植物補光的效果顯著。同時，LED作為設(shè)施栽培的補光光源，不僅推動了設(shè)施作物生產(chǎn)節(jié)能減排，也促進(jìn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)高效、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)發(fā)展。LED已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點。

3 LED在植物設(shè)施栽培中的應(yīng)用

3.1 LED在設(shè)施植物栽培補光中的應(yīng)用

光源是設(shè)施栽培發(fā)展中不可缺少的條件，光對植物的影響主要分為光強、光質(zhì)和光周期3個方面。LED光源的出現(xiàn)解決了設(shè)施栽培中傳統(tǒng)光源不足的問題，通過人工調(diào)節(jié)光質(zhì)、光強和光周期提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)已成為可能。

國內(nèi)外的許多研究發(fā)現(xiàn)，利用LED光源的光質(zhì)、光強、光周期可控的特點，可提高設(shè)施作物產(chǎn)量和品質(zhì)。LED應(yīng)用于設(shè)施栽培主要表現(xiàn)在兩方面：一是當(dāng)植物缺乏光照或光照時間短時，可作為植物光合作用補充光源。研究表明，使用LED照明技術(shù)后，設(shè)施內(nèi)空氣可形成微循環(huán)，使植物能充分吸收熱能，極大地促進(jìn)植物生長及光合作用。二是可引導(dǎo)植物形成光周期以及特定的形態(tài)構(gòu)造。LED燈具有不同的波長，利用某一特定波長可以人工調(diào)節(jié)植物開花時間以及花期長短等。郝東川和司雨（2012）[2]發(fā)現(xiàn)，LED燈補光處理能顯著增加瓜類的主蔓雌花數(shù)量及其單果重量。吳芳蘭等（2022）[3]研究表明，用LED光源不同的光周期處理香梓楠幼苗時，香梓楠的苗高增長量、葉面積、葉綠素a/b比值、類胡蘿卜素含量以及光飽和點都有所不同。在紅藍(lán)組合光質(zhì)基礎(chǔ)上添加紫、綠光提高了幼苗的質(zhì)量指數(shù)、促進(jìn)了光合產(chǎn)物的合成和積累。劉曉英（2010）[4]用6種不同光強的LED紅藍(lán)光處理櫻桃番茄發(fā)現(xiàn)，櫻桃番茄干鮮重隨光強提高而增加，用低光強處理后葉面積大而薄，株高、節(jié)間距增大，植株發(fā)生徒長現(xiàn)象;用高光強處理櫻桃番茄后其莖變粗，植株健壯。盧陽陽（2019）[5]研究發(fā)現(xiàn)，用藍(lán)綠組合光、藍(lán)光、綠光處理香菇后，其子實體原基數(shù)量、單菇鮮重及轉(zhuǎn)化率都較高。陳丹等（2021）[6]用4個不同時長LED對火龍果進(jìn)行補光，發(fā)現(xiàn)補光時長為4 h時效果較好，而且能節(jié)省電能，降低成本。

3.2 LED在設(shè)施育苗中的應(yīng)用

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不斷細(xì)化，設(shè)施育苗業(yè)已從種植業(yè)中分離出來，形成一個新興產(chǎn)業(yè)，密閉式植物種苗工廠應(yīng)運而生，其受自然環(huán)境影響較小，可有計劃地開展作物生產(chǎn)工作，同時擁有極高的自動化程度，可開展立體栽培。該模式對土地要求較低，是未來育苗業(yè)的重點發(fā)展方向。在育苗過程中使用LED光源板可起到良好的效果，只要科學(xué)調(diào)整光照度、光質(zhì)等參數(shù)，植株在光合速率、根系活力、葉面積等方面比露地栽培植株表現(xiàn)更為優(yōu)異。在實際應(yīng)用中，根據(jù)植物生長需求調(diào)節(jié)光源板光質(zhì)，對植株株高、生長速度、葉片數(shù)等具有明顯的促進(jìn)作用。LED在閉鎖型育苗體系中的應(yīng)用前景較為廣闊，崔瑾等（2009）[7]利用紅光、黃光、綠光、紅藍(lán)組合光和藍(lán)光對設(shè)施內(nèi)的番茄、黃瓜、辣椒進(jìn)行補光處理，發(fā)現(xiàn)紅光和紅藍(lán)光有利于番茄、黃瓜、辣椒幼苗生長，能使莖變粗，鮮干重及壯苗指數(shù)均高于無補光處理的幼苗。

3.3 LED在植物組織培養(yǎng)中的應(yīng)用

植物組織培養(yǎng)由于繁殖速度快、周期短，不受外界環(huán)境、氣候、時間和地域等條件的限制，目前已經(jīng)成為植物遺傳育種、脫毒繁殖、種質(zhì)資源保藏的重要手段。但由于傳統(tǒng)植物組織培養(yǎng)所采用的人工光源光效低、熱量大，其光譜植物不能有效利用，造成高耗能、高成本。而LED光源體積小，可以任意設(shè)計光源形狀、光譜組成和光周期，能為植物組織培養(yǎng)中新型光源的開發(fā)提供新思路。錢創(chuàng)建等（2021）[8]利用LED混合光源綠光∶藍(lán)光∶紅光=1∶1∶3對馬鈴薯脫毒試管苗進(jìn)行補光，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)LED光源補光后微型薯的結(jié)薯數(shù)量和總質(zhì)量都有所提高。張曉雪等（2021）[9]試驗發(fā)現(xiàn)，在紅掌和觀賞鳳梨組培苗工廠化生產(chǎn)中宜選用光質(zhì)配方為深紅+白+遠(yuǎn)紅+中藍(lán)的LED光配方燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熒光燈。韓逸飛等（2021）[10]研究發(fā)現(xiàn)，紅光會使馬鈴薯組培苗莖稈變細(xì)，并能增加其節(jié)間長和莖節(jié)數(shù)，降低壯苗指數(shù)，而藍(lán)光會誘導(dǎo)組培苗莖稈矮化并加粗，促進(jìn)干物質(zhì)積累，有利于培育壯苗。

3.4 LED在設(shè)施栽培害蟲防治中的應(yīng)用

由于設(shè)施栽培具有溫度高、濕度大等特點，容易引發(fā)蟲害，長期使用農(nóng)藥防治易使病蟲產(chǎn)生耐藥性，也容易造成農(nóng)藥殘留，從而影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、污染生產(chǎn)環(huán)境。而害蟲普遍具有趨光性，利用這一特性對其進(jìn)行光誘殺能很好地解決這些問題。LED光源波長種類較為齊全，在害蟲誘殺方面具有較大的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。全林發(fā)等（2021）[11]試驗表明，荔枝蒂蛀蟲對紫外光有明顯的避光性，夜間用波長為400～700 nm的LED白光和波長為570～575 nm的LED黃光持續(xù)照射，可有效降低成蟲交配率和繁殖力。張敏（2018）[12]以LED光的波長因素作為變量，研究波長處理對昆蟲生長發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)黃橙光可以抑制綠盲蝽卵和若蟲的發(fā)育，藍(lán)光能縮短菜粉蝶蛹期的發(fā)育歷期，波長為435 nm的LED光對大頭金蠅種群繁殖的限制作用明顯。目前，我國開發(fā)出了適合溫室使用的殺蟲燈，這種殺蟲燈性能穩(wěn)定、使用壽命長、對環(huán)境較為友好且價格低廉，不僅極大地節(jié)約了生產(chǎn)成本，也使殺蟲效率大大提升，在設(shè)施栽培領(lǐng)域廣泛適用。

3.5 LED在設(shè)施農(nóng)業(yè)貯藏保鮮中的應(yīng)用

光是調(diào)控設(shè)施作物生命周期中化學(xué)成分和基因表達(dá)的重要調(diào)節(jié)因子，LED能實現(xiàn)對光質(zhì)、光強、光配比、光分布均勻性等參數(shù)的精確控制，因而在果蔬貯藏保鮮領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。劉幫迪等（2021）[13]試驗發(fā)現(xiàn)，藍(lán)、紫光可以抑制香蕉呼吸強度，減少乙烯的釋放量，延長貯藏期，減少纖維素分解為果膠的數(shù)量，防止香蕉軟化，抑制色澤轉(zhuǎn)黃和淀粉到糖的轉(zhuǎn)化，而藍(lán)光延緩后熟的能力比紫光更好。閆志成（2019）[14]認(rèn)為，LED照明是一種有效的保鮮方式，可以改變小白菜的生理代謝和基因表達(dá)狀況，以維持貯藏期間小白菜的品質(zhì)和營養(yǎng)水平。李寧等（2015）[15]發(fā)現(xiàn)，用LED紅藍(lán)復(fù)合光處理西蘭花后，其保鮮期延長10～15 d，還能很好地保持西蘭花原有的外觀和品質(zhì)，并且防止了西蘭花貯藏期間維生素C的快速流失，延緩了貯藏期間乙烯釋放量峰值和呼吸躍變出現(xiàn)的時間，降低了呼吸躍變的峰值，減少了膜脂過氧化對西蘭花造成的損傷。LED輻照處理在促進(jìn)采后果蔬營養(yǎng)物質(zhì)的積累、增強抗氧化能力、延緩果實衰老等方面具有良好的采后應(yīng)用潛力，成為減少果蔬采后損失的高效、安全、友好型技術(shù)。

4 LED應(yīng)用于設(shè)施栽培的前景

隨著LED光源高效節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，使用LED補光已逐漸成為設(shè)施栽培的主流。在植物設(shè)施栽培模式光照不足的情況下，通過人工調(diào)控光源光質(zhì)、強度等參數(shù)對植物補充光源，有效促進(jìn)其生長發(fā)育，達(dá)到增產(chǎn)、抗病、優(yōu)質(zhì)、無公害等目的。LED補光在設(shè)施栽培領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保等方面都有舉足輕重的意義。

LED光源以其特有的優(yōu)勢受到了世界各國的重視，尤其在全球能源緊缺的情況下，LED應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培領(lǐng)域的優(yōu)勢眾多，既可為植物生長提供純正的單色光，又能根據(jù)植物需求提供復(fù)合光譜，針對植物生長的不同時期組合光譜。此外，還能為植物提供高頻間歇光，這一特性能夠滿足植物對于光周期的要求。

目前，世界各國在LED用于植物設(shè)施栽培領(lǐng)域的研究更加深入，且對于LED應(yīng)用技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)品的興趣有所提高。針對這一方向開展的各種試驗均證明LED在植物設(shè)施栽培領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢。另外，我國雖然是農(nóng)業(yè)大國，設(shè)施栽培面積也居世界前列，但設(shè)施栽培領(lǐng)域自主知識產(chǎn)權(quán)卻極少。針對這一情況，工程學(xué)科及植物學(xué)科相關(guān)專家應(yīng)開展合作，共同研發(fā)出符合我國生產(chǎn)實際的LED照明控制系統(tǒng)、植物生長調(diào)控裝置以及工廠化育苗設(shè)施等。目前，我國半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展速度越來越快，生產(chǎn)成本也逐年下降，相信LED技術(shù)在未來必將更廣泛地應(yīng)用于設(shè)施栽培領(lǐng)域。

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（編輯：牛 佳）