基金項(xiàng)目 科技部平臺(tái)項(xiàng)目 2006JG003600 中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目 作者簡介 楊其長 1963 男 安徽無為人 研究員 博士生導(dǎo)師 主要從事設(shè)施園藝與生物環(huán)境工程 方面的研究 北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 100081 Email yangq LED 在設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 楊其長 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081 摘 要 設(shè)施園藝是一個(gè)能耗相對(duì)較高的產(chǎn)業(yè) 其中人工光能耗占有相當(dāng)?shù)谋戎?減少人工 光能耗是實(shí)現(xiàn)設(shè)施園藝節(jié)能的重要課題 LED 不僅具有體積小 壽命長 耗能低 波長固 定與低發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn) 而且還能根據(jù)植物需要進(jìn)行發(fā)光光譜的精確配置 實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光源無法替 代的節(jié)能 環(huán)保和空間高效利用等功能 該文通過對(duì) LED 在設(shè)施園藝領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的詳細(xì) 闡述 重點(diǎn)介紹了 LED 的光源特性及其在設(shè)施栽培 組織培養(yǎng) 植物工廠和太空農(nóng)業(yè)等方 面的應(yīng)用進(jìn)展 并對(duì) LED 在人工補(bǔ)光 植物工廠 生命保障系統(tǒng)以及與新能源結(jié)合等方面 的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望 關(guān)鍵詞 人工光源 發(fā)光二極管 LED 設(shè)施園藝 Application and Foreground of Light Emitting Diode LED in Protected Horticulture Yang Qichang Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture Chinese Academy of Agricultural Sciences Beijing 100081 China Abstract The protected horticulture industry use more energy most of which are consumed by artificial light How to reduce the part of energy is an important issue to realize energy saving protected horticulture The application of light emitting diode LED in agriculture and bio industry has been concerned by all over the world with the development of LED technology LED not only has many advantages such as small size longer life low energy consumption particular wavelength and low production of heat but also can emit the exact spectrum based on the need of plant LED can actualize a lot of functions such as energy saving environment friendly and efficient space utilization which cannot be achieved by conventional light source The applications of LED in agriculture and bio industry were reviewed in this paper which included the characteristics of LED the progresses of LED applied in plant cultivation tissue culture plant factory and controlled ecological life support system CELSS Trends of LED applied in artificial lighting plant factory CELSS and combination with new energy were also outlined Key words Artificial lighting Light Emitting Diode LED Protected horticulture 0 引言 設(shè)施園藝是一個(gè)高投入 高產(chǎn)出的產(chǎn)業(yè) 同時(shí)也是高能耗的行業(yè) 據(jù)聯(lián)合國糧食計(jì)劃署 統(tǒng)計(jì) 全世界一年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能耗量有 35 用于設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè) 能耗費(fèi)用約占溫室作物生 產(chǎn)總費(fèi)用的 15 40 人工光源作為設(shè)施園藝的重要組成部分 同時(shí)也是耗能和增加運(yùn) 行成本的主要因素 有關(guān)資料顯示 大型連棟溫室人工補(bǔ)光 以高壓鈉燈或金屬鹵素?zé)魹槿?工光源 的能耗功率約為 200 kw ha 植物苗工廠 以熒光燈為人工光源 各種設(shè)備的能耗 比例為 照明約占 82 空調(diào)制冷約占 15 空氣攪拌風(fēng)機(jī) 營養(yǎng)液泵等其他占 3 Kozai 2004 人工光植物工廠 以熒光燈為光源 的照明能耗 三層結(jié)構(gòu) 為 800W m 2 約占總能 耗的 45 55 Yang 2006 植物組培人工光 以熒光燈為人工光源 的能耗 培養(yǎng)架四 層結(jié)構(gòu) 為 500 600W m 2 約占運(yùn)行費(fèi)用的 30 40 長期以來在設(shè)施園藝領(lǐng)域使用的人 工光源主要有高壓鈉燈 熒光燈 金屬鹵素?zé)?白熾燈等 這些光源的突出缺點(diǎn)是能耗大 運(yùn)行費(fèi)用高 因此 提高發(fā)光效率 減少能耗一直是設(shè)施園藝領(lǐng)域人工光應(yīng)用的重要課題 近年來 隨著光電技術(shù)的發(fā)展 帶動(dòng)了高亮度紅光 藍(lán)光與遠(yuǎn)紅光發(fā)光二極管 Light Emitting Diode LED 的發(fā)展 使低能耗人工光源在設(shè)施園藝領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能 LED 具有光電轉(zhuǎn)換效率高 使用直流電 體積小 壽命長 耗能低 波長固定與發(fā)熱低等 優(yōu)點(diǎn) 與目前普遍使用的高壓鈉燈和熒光燈相比 不僅光量 光質(zhì) 紅 藍(lán)光比例或紅 遠(yuǎn)紅 光比例等 可調(diào) 而且還是低發(fā)熱量的冷光源 可近距離照射 從而使植物的栽培層數(shù)和空 間利用率大大提高 因此 LED 被認(rèn)為是未來設(shè)施園藝領(lǐng)域最有前途的人工光源 具有良 好的發(fā)展前景 1 2 1 LED 的基本原理與優(yōu)勢 LED Light Emitting Diode 又稱發(fā)光二極管 由 族化合物 如 GaAs 砷化鎵 GaP 磷化鎵 GaAsP 磷砷化鎵 等半導(dǎo)體材料制成 其核心是 PN 結(jié) 圖 1 所示 它 是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料 當(dāng)兩端加 上正向電壓 半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合 放出 過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光 按發(fā)光 強(qiáng)度和工作電流可分為普通亮度的 LED 發(fā)光 強(qiáng)度 100mcd 等類型 其中超高亮度 LED 壽命可 達(dá) 5 萬小時(shí)以上 且光衰僅為 30 3 LED 的相關(guān)產(chǎn)品早在 20 世紀(jì) 60 年代初就 已面世 1962 年世界上首個(gè) GaAsP 紅色 LED 圖 1 LED 結(jié)構(gòu)原理圖 Fig1 Schematic diagram of LED structure p 650nm 研制成功 隨后黃色 LED 開始出現(xiàn) 但這一階段 LED 光源僅局限于標(biāo)識(shí) 觀賞等領(lǐng)域的應(yīng)用 20 世紀(jì) 80 年代中期 高亮度 LED 開始推出 1993 年又相繼研制出藍(lán) 色和綠色 LED 產(chǎn)品 1996 年白色 LED 也研制成功 但由于受亮度 價(jià)格等因素的影響 LED 很長一段時(shí)期一直未能作為通用光源推廣應(yīng)用 最近 10 年來 隨著國際上對(duì)半導(dǎo)體發(fā) 光材料研究的不斷深入 LED 性能的不斷提高 價(jià)格的大幅度下降 以及大功率 LED 產(chǎn)品 的相繼推出 使 LED 的普及逐漸成為可能 4 圖 2 紅藍(lán)光光譜分布 Fig 2 Spectrums of red and blue LED 目前 LED 已被廣泛應(yīng)用于汽車 通訊 資訊 交通信號(hào) 家電 照明以及生物醫(yī)藥 等眾多領(lǐng)域 與高壓鈉燈 白熾燈 熒光燈等其他人工光源相比 LED 的優(yōu)勢在于 1 使用 電源電壓較低 供電電壓僅為 2 24V 比使用高壓電源更安全 2 節(jié)能高效 耗電量僅為白 熾燈的八分之一 熒光燈的二分之一 3 可發(fā)出光波較窄的單色光 圖 2 如紅外 紅色 橙色 黃色 綠色 藍(lán)色等 而且還可以根據(jù)不同需要任意組合 4 低發(fā)熱特性的冷光源 可以近距離照射植物 提高空間利用率 5 可以在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)出脈沖光 響應(yīng)時(shí)間快 6 體積小 結(jié)構(gòu)緊湊 穩(wěn)定性強(qiáng) 7 無污染 作為全固體發(fā)光體 不含金屬汞 耐沖擊 不易 破碎 廢棄物可回收 是一種綠色照明產(chǎn)品 8 壽命長 可達(dá) 50 000 小時(shí)以上 是普通照明 燈具的幾十倍 近年來 隨著光電技術(shù)的不斷革新 LED 正向高亮度 低成本的目標(biāo)快速 推進(jìn) 2 3 為這一新型光源的普及與應(yīng)用提供了廣闊的空間 5 2 LED 在設(shè)施園藝領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀 園藝作物的光合作用 主要是利用波長為 610mm 720nm 波峰為 660nm 的紅橙光 吸收的光能約占生理輻射的 55 左右 其次是波長為 400 510nm 波峰為 450nm 的藍(lán)紫 光 吸收的光能約占生理輻射的 8 左右 LED 能夠發(fā)出植物生長所需要的單色光 如波峰 為 450nm 的藍(lán)光 波峰為 660nm 的紅光等 光譜域?qū)拑H為 20nm 紅藍(lán)光 LED 組合后 能形成與作物光合作用和形態(tài)建成基本吻合的光譜吸收峰值 光能利用率可達(dá) 80 90 節(jié)能效果顯著 LED 光源這種獨(dú)特的性能 為其在設(shè)施園藝領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有效的發(fā)展 空間 6 2 1 LED 在設(shè)施栽培領(lǐng)域的應(yīng)用 世界上最早將 LED 用于植物栽培的是日本三菱公司 早在 1982 年就有關(guān)于采用波長 650nm 紅色 LED 進(jìn)行溫室番茄補(bǔ)光的試驗(yàn)報(bào)道 6 1987 年美國 Wisconsin 大學(xué) Tibbitts 等人 開始采用 LED 進(jìn)行萵苣的栽培試驗(yàn) 1991 年該校的 Bula 等人利用紅光 660nm 的 LED 與藍(lán) 色熒光燈結(jié)合 進(jìn)行生菜 Lactuca Sativa L 的栽培試驗(yàn) 獲得成功 7 1993 年日本香川大 學(xué)的岡本和柳用紅色 LED 進(jìn)行了菠菜和萵苣的栽培試驗(yàn) 三菱化學(xué) 株 的渡邊和田中也 利用 LED 進(jìn)行植物栽培的實(shí)用化研究 探討了脈沖光照射周期與占空比對(duì)植物生長的影響 結(jié)果表明 占空比達(dá) 25 50 時(shí) 可加速植物生長 Okamoto 等 1996 使用超高亮度紅光 LED 與藍(lán)光 LED 在紅藍(lán)光比值 R B 為 2 1 時(shí) 可以正常培育萵苣 同年 Yanagi 等 1996 使用紅光 LED 與藍(lán)光 LED 來探討光質(zhì)與光量對(duì)萵苣生長與光形態(tài)建成的影響 將萵 苣栽培于純藍(lán)光 LED 170 mol m 2 s 1 的環(huán)境中 證實(shí)可分化生長 雖然干物重小于純紅 光或紅藍(lán)光組合下的植株 但純藍(lán)光下的植株顯得更加矮壯和健康 三菱化學(xué)的渡邊博之 2002 使用 LED 脈沖光對(duì)萵苣的生長以及光合成反應(yīng)的影響進(jìn)行研究 結(jié)果表明 在周 期為 100 s 以下的脈沖光條件下 生菜生長比連續(xù)光照射條件下促進(jìn)效果提高了 20 從而 證實(shí)了采用不同頻率脈沖光照射萵苣可以加速植物生長 Heo 等 2002 研究發(fā)現(xiàn) 熒光 燈 紅色 LED 和熒光燈 遠(yuǎn)紅外 LED 的復(fù)合光照處理 比單一熒光燈處理能顯著提高萬壽菊 的氣孔數(shù)量 8 中林和重 2002 研究了紅色 藍(lán)色 LED 特定頻率的光刺激對(duì)小油菜的影 響 證實(shí)了采用 LED 進(jìn)行光刺激對(duì)植物體生長 汁液成份以及無機(jī)成份 鉀 鈉 含量產(chǎn) 生影響 魏靈玲等 2007 利用紅色 LED 660nm 藍(lán)色 LED 450nm 進(jìn)行了黃瓜的育 苗試驗(yàn) 圖 3 所示 結(jié)果表明 LED 的紅藍(lán)光比值 R B 為 7 1 時(shí) 黃瓜苗的各項(xiàng)生理 指標(biāo)最優(yōu) LED 的能耗與熒光燈相比為 1 2 73 節(jié)能效 果顯著 9 聞婧等 2009 通過對(duì) R B 的不同配比條件下 葉用萵苣生理形狀及品質(zhì)的影響機(jī)理研究 認(rèn)為 LED 的 紅藍(lán)光比值 R B 為 8 1 時(shí) 有效地提高了葉用萵苣 Vc 含量和凈光合速率 并且硝酸鹽含量最低 25 到目前為止 LED 已成功用于多種作物的設(shè)施栽培 包括 萵苣 Bula et al 1991 Okamoto et al 1997 胡椒 圖 3 LED 黃瓜育苗試驗(yàn) Fig3 Test of cucumber seedling under LED Schuerger et al 1997 胡瓜 Schuerger Hans et al 1996 等 10 14 隨著 LED 研究的不斷深入 必將會(huì)有越來越多的作物 栽培獲得成功 2 2 LED 在組培領(lǐng)域的應(yīng)用 植物組織培養(yǎng)是一項(xiàng)可以通過規(guī)模化生產(chǎn) 在短時(shí)間內(nèi)獲得大量同品質(zhì)種苗的快速繁育 技術(shù) 組培育苗由于繁育速度快 不受外界氣候 地勢 地域和時(shí)間等條件的約束 目前已 經(jīng)成為遺傳育種 種質(zhì)資源保護(hù)和脫毒快繁的重要手段 但由于采用的人工光源多為熒光燈 光效低 發(fā)熱量大 能耗成本高 應(yīng)用新型節(jié)能光源 減少能耗一直是植物組培研究的一大 熱點(diǎn) 20世紀(jì) 90年代以來 世界各國都在積極研究利用 LED作為組培光源的可行性 在單色光對(duì)組培苗的影響方面 Iwanami等 1992 通過使用 LED補(bǔ)充單色紅光或遠(yuǎn)紅光 來改變光質(zhì) 進(jìn)而控制馬鈴薯組培苗莖的長度與生長狀況 Tanaka 1998 等人研究發(fā)現(xiàn) 紅光 LED能促進(jìn)蘭花組培苗葉片生長 但葉綠素含量 莖和根的干重比熒光燈略低 Kim等 2004 研究認(rèn)為 單獨(dú)紅光 LED或紅光 LED 遠(yuǎn)紅光 LED處理下 菊花組培苗莖過分伸長 導(dǎo)致莖桿脆弱 其他重要指標(biāo)也降低了 總體上不利于植物正常生長發(fā)育 主要原因是單色 紅光導(dǎo)致了系統(tǒng)可利用的光能分布不平衡 抑制了莖的生長 15 Poudel等 2008 研究發(fā)現(xiàn) 純紅光 LED處理的葡萄組培苗 其株高與節(jié)間長度明顯比熒光燈處理的長 但葉綠素含量以 及葉片氣孔數(shù)目以單色藍(lán)光 LED處理的為最高 紅光 LED處理的為最低 16 在紅藍(lán)光組合及其配比對(duì)組培苗影響方面 研究表明 適當(dāng)?shù)募t藍(lán)光 LED組合對(duì)組培植 物生長發(fā)育能產(chǎn)生積極影響 主要是由于紅 藍(lán)光的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜峰值區(qū) 域一致 從而提高了組培苗的凈光合速率 Tanaka 1998 等人用不同組合的紅藍(lán)光 LED與 熒光燈相比較對(duì)香蕉組培苗的生長狀況進(jìn)行了研究 采用 80 紅光 LED 20 藍(lán)光與 90 紅 光 LED 10 藍(lán)光 LED在不同的光照強(qiáng)度 45 60 75 mol m 2 s 1 下照射香蕉苗 結(jié)果表 明 在 80 紅光 LED 20 藍(lán)光 LED 60 mol m 2 s 1 的光照強(qiáng)度下試管苗的芽和根鮮重明 顯高于其他處理 17 Hahn等 2000 研究發(fā)現(xiàn) 經(jīng)單一紅光 LED或藍(lán)光 LED處理的毛地黃 組培苗出現(xiàn)徒長現(xiàn)象 但是在紅藍(lán)光 LED組合下生 長健壯 饒瑞佶 方煒 2000 使用超高亮度紅光 與藍(lán)光 LED開發(fā)出可調(diào)整光量 光質(zhì) 發(fā)光頻率與 占空比的人工光源系統(tǒng) 圖 4所示 Jao and Fang 2001 使用高頻閃爍的紅 藍(lán)光 LED為光源 發(fā)現(xiàn)可 在不提高耗電成本下提高馬鈴薯組培苗的生長速率 圖 4 LED 組培光源 Fig4 The LED lighting source for tissue culture 13 14 18 以色列卡納塔克邦大學(xué)設(shè)施技術(shù)發(fā)展研究中心 2001 用紅光 藍(lán)光及其組合 LED 對(duì)百合屬植物的幼芽分化再生進(jìn)行研究 結(jié)果表明紅藍(lán)光組合 LED與其它光源相比更能促進(jìn) 花芽分化 更適合幼芽生長 植株大小和干 鮮重都有了明顯的增長 田中道男 2002 開 發(fā)了由紅色 LED 660 nm 和藍(lán)色 LED 450 nm 組成的獨(dú)立光源新型組培容器 UniPACK 為解決 LED光源的散熱問題 從 LED光源板的各個(gè)側(cè)面打孔并安裝了特制的風(fēng)扇 同時(shí)在 LED模板的內(nèi)側(cè)使用冷卻水循環(huán)降溫的方法防止模板溫度上升 Nhut等 2003 研究發(fā)現(xiàn) 70 紅光 LED 30 藍(lán)光 LED照射下 草莓組培苗的葉片數(shù) 根數(shù) 根長 鮮重 干重值最 大 移栽后長勢也最好 1 19 20 楊雅婷等 2009 研究了紅藍(lán)光 LED光強(qiáng)對(duì)甘薯組培苗的影 響 認(rèn)為 660nm紅光和 450nm藍(lán)光組合可以為甘薯組培苗提供良好的光環(huán)境 能夠增加組培 苗的株高和干鮮質(zhì)量 同時(shí)生產(chǎn)單位甘薯組培苗的耗電量僅為熒光燈耗電量的 31 35 36 49 26 可見 不同紅藍(lán)光 LED組合下的光照對(duì)幼苗生長有很大的影響 2 3 LED 在植物工廠的應(yīng)用 植物工廠作為設(shè)施園藝的最高級(jí)發(fā)展階段 被認(rèn)為是 21 世紀(jì)農(nóng)業(yè)取得革命性突破的重 要技術(shù)手段之一 植物工廠是通過計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)施內(nèi)植物生育過程中溫度 濕度 光照 CO 2 濃度和營養(yǎng)等環(huán)境條件進(jìn)行高精度的控制 實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 目前 植物工廠主要有兩種模式 一種是以溫室為主體的太陽光和人工光并用型植物工廠 另一種 是以封閉的隔熱空間為主體的人工光完全控制型植物工廠 6 與并用型植物工廠相比 人工 光完全控制型植物工廠受外界氣候影響小 可實(shí)現(xiàn)周年連續(xù)生產(chǎn) 且可多層培植 空間利用 率和產(chǎn)量水平高 優(yōu)勢明顯 但空調(diào)和照明耗電大 運(yùn)行成本高也成為制約其發(fā)展的重要因 素 因此 節(jié)能降耗已經(jīng)成為人工光完全控制型植物工廠的重要課題 8 21 高效率人工光源的選擇是解決植物工廠能耗問題的重要手段 目前植物工廠主要以高壓 鈉燈和熒光燈為照明光源 散熱量大 制冷費(fèi)用高 1994 年以來 日本開始試用 LED 作為 植物工廠的照明光源 東海大學(xué)高辻正基和大阪大學(xué)中山正宣使用波長為 660 nm 的紅色 LD 加上 5 的藍(lán)色 LED 的組合光源進(jìn)行生菜和水稻的栽培 獲得成功 Okamoto 等 1996 使用 超高亮度的紅光 LED 與藍(lán)光 LED 在紅藍(lán)光比值 R B 為 2 1 時(shí) 培育萵苣獲得成功 Yanagi 等 1996 使用單色紅光 LED 藍(lán)光 LED 及其組合進(jìn)行了萵苣生長與形態(tài)建成的試 驗(yàn)研究 結(jié)果表明 將萵苣栽培于單色藍(lán)光 LED 170 mol m 2 s 1 的環(huán)境中 其干物重小 于純紅光 LED 或紅藍(lán)光 LED 組合下的植株 但植株顯得更加矮壯和健康 渡邊博之 1997 報(bào)道了一種采用水冷模板 LED 光源的蔬菜植物工廠 采用 NFT 方式生產(chǎn)生菜 芹菜等 生 產(chǎn)能力為 5900 株 天 150 萬株 年 該工廠的建筑尺寸為 13m 13m 12m 栽培床面積為 800m 2 8m 10m 10 層 栽培光源為改良型水冷式紅色 LED 其他環(huán)境要素如溫度 濕度 CO 2 氣流速度等均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 蔬菜定植 2 周后即可收獲 植物培育效率 光合成所 用的光能 燈管投入的電力 為 0 01 光能利用效率極高 6 8 22 2 4 LED 在太空生命保障系統(tǒng)的應(yīng)用研究 隨著空間技術(shù)的發(fā)展 人類進(jìn)行太空探索逐漸成為現(xiàn)實(shí) 基于空間環(huán)境的特殊要求 植物栽培使用的光源必須具有發(fā)光效率高 輸出光譜與植物光合作用需求吻合 體積小 重 量輕 壽命長 無污染等特征 由于 LED 具有空間環(huán)境所需要的基本特征 近年來已經(jīng)成 為太空農(nóng)業(yè)重要的人工光源 美國航空航天局 NASA 針對(duì)宇宙基地閉鎖式生命維持系統(tǒng) Controlled Ecological Life Support System CELSS 的植物生產(chǎn)特點(diǎn) 把 LED 光源列為空間 植物栽培系統(tǒng)首選光源 Bartaefal 1992 6 并委托 Wisconsin 大學(xué)等單位開展研究 探索 利用最小面積生產(chǎn)出可供一個(gè)人在太空中生活的必需食物 目前已經(jīng)研究出利用 6 14m 2 就能提供一個(gè)人需要的面粉 豆 薯 菜 蕃茄 玉米等食物的生產(chǎn)模式 Cuello 等 2002 研究發(fā)現(xiàn) 在 CELSS 系統(tǒng)中 LED 的光能轉(zhuǎn)換率比氙氣金鹵燈高出 5 倍 2 23 Bula 等針對(duì) 空間植物的特點(diǎn) 提出了在 CELSS 系統(tǒng)中人工植物光源必須具備發(fā)光效率高 光質(zhì)適宜 體積小 重量輕 壽命長 安全可靠和無污染等特點(diǎn) 并指出 LED 是最理想的太空植物光 源 6 19 23 我國航天醫(yī)學(xué)工程研究所郭雙生等 2003 在模擬空間艙內(nèi)環(huán)境溫度控制在 22 相對(duì) 濕度 70 CO 2 濃度 500 mol mol 1 光照周期 24h 亮 0h 暗 的條件下 利用紅藍(lán)兩種 LED的四種不同組合作為照明光源 在多孔管和多孔陶瓷顆粒無土栽培裝置下進(jìn)行植物栽培 試驗(yàn) 結(jié)果表明 紅色 LED下生長的植物初期呈匍匐狀 后期直立 細(xì)長 紅藍(lán)光 LED組合 下的植株生長基本正常 但 90 紅光 LED 10 藍(lán)光 LED更為適宜 24 這一結(jié)果對(duì)我國太空 生命保障系統(tǒng) LED的應(yīng)用研究具有重要的參考價(jià)值 3 LED 在設(shè)施園藝領(lǐng)域的發(fā)展趨勢 21 世紀(jì)被譽(yù)為是 光的世紀(jì) 植物光合作用是地球上一切生命的基礎(chǔ) 太陽光照不足 情況下的人工補(bǔ)光以及密閉環(huán)境下的人工照明均需要高光效 低能耗的新型光源 LED 以 其節(jié)能高效的特有優(yōu)勢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 推廣普及正受到世界各國的高度重視 預(yù)計(jì)在不久的將來 LED 將會(huì)在設(shè)施園藝領(lǐng)域獲得廣 泛的應(yīng)用 3 1 LED 將在設(shè)施園藝人工補(bǔ)光領(lǐng)域發(fā)揮重要作用 人工補(bǔ)光是設(shè)施園藝的重要手段 尤其是在光照較弱的季節(jié)以及高緯度地區(qū)這種需求更 為迫切 目前 普遍使用的光源主要為高壓鈉燈和金屬鹵素?zé)?等 能耗大 運(yùn)行成本高 嚴(yán)重影響人工補(bǔ)光技術(shù)的普及 近 年來 隨著高亮度 大功率 LED 產(chǎn)品的開發(fā) 紅 藍(lán)和遠(yuǎn)紅光 LED 及其組合燈具的不斷推出 可實(shí)現(xiàn)節(jié)能 50 80 荷蘭 等一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在大功率 LED 的溫室補(bǔ)光方面進(jìn)行了中 試 圖 5 所示 預(yù)計(jì)在不久的將來 隨著半導(dǎo)體光源性能的不 斷完善 價(jià)格的進(jìn)一步降低 以 LED 為核心的人工補(bǔ)光技術(shù)必 將在設(shè)施園藝領(lǐng)域發(fā)揮重要作用 3 2 LED 將在植物工廠和生命保障系統(tǒng)中發(fā)揮積極作用 LED 的顯著特征是能發(fā)出不同波長的單色光 并可根據(jù)植物光合作用和形態(tài)建成的光 譜需求進(jìn)行相應(yīng)的組合 形成節(jié)能高效的人工光源 LED 這些顯著優(yōu)勢 必將會(huì)在農(nóng)業(yè)與 生物產(chǎn)業(yè)的眾多領(lǐng)域發(fā)揮積極作用 在植物組培領(lǐng)域 將會(huì)出現(xiàn)替代傳統(tǒng)熒光燈的組培 LED 專用燈具 大幅度降低組培系統(tǒng)的能耗 在完全控制型植物工廠將會(huì)出現(xiàn)采用多個(gè)單色光 如 紅藍(lán)光 LED 組合的人工光源 使作物栽培層的間距和空間利用率成倍提高 進(jìn)而促進(jìn)植 物工廠的普及與應(yīng)用 在太空航天器 遠(yuǎn)洋航船以及其他星球等特定場所 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)境下人們的食物需求 3 3 LED 與新能源結(jié)合將會(huì)帶來植物生產(chǎn)體系的革命性突破 隨著太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展以及風(fēng)能 潮汐能 生物能等新能源的應(yīng)用 節(jié)能光源 LED 與這些新能源的結(jié)合將是必然趨勢 屆時(shí) 設(shè)施園藝將會(huì)徹底擺脫對(duì)化石能源的依賴 實(shí)現(xiàn) 污染物零排放條件下的作物高效生產(chǎn) 太陽能光伏技術(shù)以及其它新能源與 LED 的結(jié)合 也 使得工廠化農(nóng)業(yè) 摩天大樓農(nóng)業(yè)以及太空農(nóng)業(yè) 星球農(nóng)業(yè)的能源利用效率得到大幅度提高 甚至?xí)碇参锷a(chǎn)體系的重大革命與突破 綜上所述 LED 在設(shè)施園藝的應(yīng)用已經(jīng)顯示出旺盛的活力 然而 要實(shí)現(xiàn) LED 光源的 真正普及 仍有很多課題需要探索 單色 LED 對(duì)不同植物的作用機(jī)理 適宜的 LED 組合配 比參數(shù)及其專用燈具的開發(fā) 以及如何進(jìn)一步提高光效 降低成本等 都是當(dāng)前亟待解決的 關(guān)鍵課題 隨著半導(dǎo)體光源工程的啟動(dòng) LED 技術(shù)的不斷成熟 制造成本的逐漸降低以及 國家對(duì)節(jié)能工程的進(jìn)一步重視 相信不久的將來 LED 會(huì)在農(nóng)業(yè)的眾多領(lǐng)域得到廣泛作用 參考文獻(xiàn) 1 魏靈玲 楊其長 劉水麗 LED 在植物工廠中的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景 中國農(nóng)學(xué)通報(bào) 2007 23 11 408 411 圖 5 溫室 LED 人工補(bǔ)光 Fig 5 LED artificial light in greenhouse 2 崔瑾 徐志剛 邸秀茹等 LED 在植物設(shè)施栽培中的應(yīng)用和前景 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2008 24 8 249 253 3 劉江 范廣涵 劉承宜 改進(jìn)實(shí)用型 LED 生物光源系列 J 應(yīng)用激光 2003 6 3 147 151 4 王海鷗 李廣安 認(rèn)識(shí)照明 LED J 中國照明電器 2004 2 1 3 5 吳文鋒 LED 光源照明應(yīng)用及技術(shù)推廣 J 半導(dǎo)體照明 LED 2004 6 83 84 6 楊其長 張成波 植物工廠概論 M 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社 2005 7 Bula R J R C Morrow T W Tibbits and D J Barta Light emitting diodes as a radiation source for plants Hortscience 1991 26 2 203 205 8 陳洪國 LED 在植物工廠中的應(yīng)用 J 液晶與顯示 1996 12 4 311 312 9 魏靈玲 楊其長 劉水麗 密閉式植物種苗工廠的設(shè)計(jì)及其光環(huán)境研究 中國農(nóng)學(xué)通報(bào) 2007 23 12 415 419 10 石井雅久 伊東正 丸尾達(dá) 光周期 人工光源下 栽培 生育生理的特性 生物環(huán)境調(diào) 節(jié) 1995 33 2 143 149 11 Yanagi T Okamoto K Utilization of super bright light emitting diodes as an artificial light souce for plant growth J Acta Horticulture 1997 418 223 228 12 Heo J Lee C Chakrabarty D et al Growth responses of marigold and salvia bedding plants as affected by monochromic or mixture radiation provided by a light emitting diode LED J Plant Growth Regul 2002 38 225 230 13 饒瑞佶 方煒 超高亮度發(fā)光二極體作為組培苗栽培人工光源之燈具制作與應(yīng)用 J 中國園藝 2001 47 3 301 312 14 Fang W Jao R C Simulation of light environment with fluorescent lamps and design of a movable light mounting fixture in a growing room Acta Horticulture 1996 440 181 186 15 Kim H H Goins G D Wheeler R M et al Green light supplementation for enhanced lettuce growth under red and blue light emitting diodes J Hort Scienec 2004 39 7 1617 1622 16 Puspa Raj Poudel Ikuo Kataoka Ryosuke Mochioka Effect of red and blue light emitting diodes on growth and morphogenesis of grapes Plant Cell Tiss Organ Cult 2008 92 147 153 17 Nhut D T N T Takamura H Watanabe and M Tanaka Light emitting diodes LEDs as a radiation source for micropropagation of strawberry In Transplant Production in the 21st Century ed Kubota and Chun 2000 114 118 Japan 18 Fang W R C Jao and D H Lee Artificial lighting apparatus for young plants using light emitting diodes as light source US patent no US 6474838 B2 2002 19 Barta D J Tibbitts T W Bula R J and Morrow T W Evaluation of lighting emitting diodes characteristics for a space based plant irradiation source Advances Space Res 1992 12 141 149 20 Nhut D T T Takamura H Watanabe M Tanaka Efficiency of a novel culture system by using light emitting diode LED on in vitro and subsequent growth of micropropagated banana plantlets ISHS Acta 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