<p>文 章編號(hào)： 1008-0171（ 2019） 01-0050-06收稿日期： 2018-05-08基金項(xiàng)目： 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（ 2016YFB0400604）；廣東省應(yīng)用型專項(xiàng)資助項(xiàng)目（ 2015B010132005）作者簡介： 張 莉（ 1989-），女，湖北武漢人，佛山市國星光電股份有限公司工程師 。LED 人工補(bǔ)光在植物照明中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢張 莉，喻曉鵬，黃依婷，袁毅凱，梁麗芳，李 程（佛山市國星光電股份有限公司，廣東 佛山 528000）摘要： 植物照明作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)環(huán)節(jié)中重要的一部分，具有廣闊的市場前景 。從植物對于光照的需求出發(fā)，論述了光特性對植物生長發(fā)育的影響，分析了植物生長所需照明光源的設(shè)計(jì)要素，闡述了植物照明的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了國內(nèi)外植物照明發(fā)展趨勢，總結(jié)了存在的問題，并提出了未來發(fā)展方向 。關(guān)鍵詞： 人工補(bǔ)光；植物照明； LED中圖分類號(hào)： S353.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A在自然界中，光環(huán)境是植物生長和發(fā)育必須的物理環(huán)境因子之一，它不僅是植物生長發(fā)育過程中的能量源，而且是植物生長發(fā)育的重要信號(hào)源 。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要依靠太陽光，導(dǎo)致植物生長易受自然環(huán)境影響；而植物照明生產(chǎn)的植物不受限于自然環(huán)境，并可以接受更適宜的光照 、溫度等，即使在惡劣條件下仍可正常連續(xù)生產(chǎn)，且能精確調(diào)控植物的生長周期 。植物照明技術(shù)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)環(huán)節(jié)中重要的一部分，傳統(tǒng)人工補(bǔ)光主要是通過白熾燈 、鹵素?zé)粢约案邏衡c燈等途徑進(jìn)行的 。而這些傳統(tǒng)光源具有發(fā)光波長單一 、能耗大等缺點(diǎn) 。LED 作為新型光源，與傳統(tǒng)光源相比其優(yōu)點(diǎn)包括： 1） LED 作為單色光光源，可以根據(jù)植物生長需求對光環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，形成適宜植物生長的最優(yōu)環(huán)境； 2） LED 光源體積小，可以通過自由設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)增加空間栽培密度，適用于多層栽培立體組合系統(tǒng)； 3） LED 屬于冷光源，發(fā)熱量小，從而可以實(shí)現(xiàn)對植物進(jìn)行近距離的照射而不被灼傷 。LED 在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注，被應(yīng)用于人工補(bǔ)光領(lǐng)域達(dá)到增產(chǎn) 、高效 、優(yōu)質(zhì)的目的 。本文探討采用 LED 對植物人工補(bǔ)光的應(yīng)用情況，對于增強(qiáng)我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)出能力 、保障農(nóng)業(yè)產(chǎn)品安全 、加快我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)具有非常重要的意義 。1 LED 光源對植物生長發(fā)育的影響1.1 光合作用光合作用是植物賴以生存的基礎(chǔ)，光照在光合作用中主要分為直接和間接作用 。直接作用體現(xiàn)在為光反應(yīng)提供給所需能量 、調(diào)節(jié)葉片氣孔開閉等方面；間接作用主要是光照影響葉綠素合成等，進(jìn)而影響光合作用 。植物對周圍光環(huán)境的感知并作出相應(yīng)響應(yīng)是基于感光受體對光的吸收，如光合色素以及光敏色素等 。第 37 卷 第 1 期 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) （ 自然科學(xué)版 ） Vol. 37 No. 12019 年 1 月 Journal of Foshan University（ Natural Sciences Edition） Jan. 2019DOI:10.13797/j.cnki.jfosu.1008-0171.2019.0009第 1 期光合色素是光系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件，包括了葉綠素 a、葉綠素 b 和類胡蘿卜素，主要負(fù)責(zé)光合作用中的光能接收 、能量傳遞和光電轉(zhuǎn)換等過程 。葉綠素主要吸收波長集中在 640663 nm處，并在 430470 nm 處有一個(gè)次吸收峰，如圖1 所示 。因此，通常采用 450 nm 的藍(lán)光和 660nm 的紅光來實(shí)現(xiàn)高效的 LED 植物補(bǔ)光照明 。光敏色素是光受體中對植物光信號(hào)調(diào)控作用最明顯的一種色素，包括 700760 nm 遠(yuǎn)紅光（ Pfr， lmax=730 nm）和 600700 nm 紅光（ Pr，lmax=660 nm）兩種吸收類型 。遠(yuǎn)紅光一般與紅光配比使用，共同調(diào)節(jié)光敏色素從而調(diào)節(jié)植物光形態(tài)建成，如改變植物種子萌發(fā) 、幼苗形成 、莖的伸長 、避蔭作用等形態(tài) 。兩種光吸收型在不同比例下可以相互逆轉(zhuǎn)，光敏色素 Pr 向 Pfr 轉(zhuǎn)換主要由 660 nm 的紅光進(jìn)行誘導(dǎo)，而 Pfr 向Pr 的轉(zhuǎn)換一般在晚上自然發(fā)生，也可以由 730nm 遠(yuǎn)紅光照射來激發(fā) 1，如圖 2 所示 。由于這種可逆作用，可以通過調(diào)節(jié)紅光 /遠(yuǎn)紅光比例控制植物開花周期，當(dāng)紅外 /遠(yuǎn)紅外為 0.8 相比于比值為 0.9的延時(shí)補(bǔ)光能夠促進(jìn)長日植物花芽提早分化 2。1.2 LED 光特性對植物生長發(fā)育的影響1.2.1 光照強(qiáng)度對植物生長發(fā)育的影響光照強(qiáng)度主要影響植物的光合作用速率，進(jìn)而改變植物的形態(tài) 。植物對光強(qiáng)的需求通常采用光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)表示，當(dāng)光照強(qiáng)度 光飽和點(diǎn)時(shí)，蒸騰作用加快，植物為了防止水分過多流失而關(guān)閉氣孔，引發(fā)氧化脅迫，對光合作用產(chǎn)生較大的危害，這種現(xiàn)象稱為 “光合午休 ”，如圖 3 所示 。由圖 3 可以看出，植物凈光合速率日變化進(jìn)行是一條雙峰曲線，上下各有一個(gè)高峰，下午峰值通常低于上午的峰值，在兩個(gè)峰之間形成中午的一個(gè)低谷，該低谷即為午休現(xiàn)象，它發(fā)生的時(shí)間因不同物種或同一物種處于不同環(huán)境而異，一般集中在1115 時(shí)之間 。光合午休是植物適應(yīng)不良外界環(huán)境而產(chǎn)生的一種自我保護(hù)的生理現(xiàn)象，但是在正午光強(qiáng)最大時(shí)光合作用利用率低 。有研究表明，在光合午休現(xiàn)象嚴(yán)重的時(shí)候，它可以使植物的日光合生產(chǎn)力降低 30%50%，甚至更多 3。因此，在采用人工光源培養(yǎng)植物時(shí)，所提供的植物光照應(yīng)該接近或者等于植物的光飽和點(diǎn) 4-5。光強(qiáng)除了影響植物光合作用速率，還影響果實(shí)的品質(zhì) 。弱光條件會(huì)對植物造成不利的影響，如對辣椒進(jìn)行遮光處理，會(huì)提高辣椒的開花節(jié)位，降低成花率，花粉無法正常發(fā)育，對辣椒的果實(shí)形成和產(chǎn)量造成不良影響 6。但是，在連續(xù)高溫環(huán)境下，遮蔭能有效改善水環(huán)境，減小對植物造成的傷害 7。圖 1 光合色素吸收光譜100500400 450 500 550 600 650 700波長 /nm類胡蘿卜素葉綠素 b葉綠素 a利用光能的百分比/%圖 2 光敏色素 Pr 和 Pfr 之間的相互轉(zhuǎn)換紅光 660 nmPrPfr遠(yuǎn)紅光 730nm或夜光圖 3 凈光合速率日變化3.532.521.510.507： 00 8： 00 9： 00 10： 00 11： 00 12： 00 13： 00 14： 00 15： 00 16： 00 17： 00時(shí)刻凈光合速率/（mol·m-2 ·s-1 ）張 莉等： LED 人工補(bǔ)光在植物照明中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢 51佛 山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 第 37 卷1.2.2 光質(zhì)對植物生長發(fā)育的影響光質(zhì)，具體指的是植物接受光照中對應(yīng)的光譜分布情況，它對植物光合作用和形態(tài)建成同樣具有重要影響，不同光質(zhì)下植物的生物學(xué)效應(yīng)如表 1 所示 。表 1 不同光質(zhì)下植物的生物學(xué)效應(yīng)從表 1 可以看出，太陽光光譜組成絕大部分在 3002 600 nm 范圍內(nèi)，可見光光譜范圍是 380720nm，而波長在 400700 nm 的光能夠被植物利用進(jìn)行光合作用，成為植物光合有效輻射 。對于波長小于400 nm 的紫外光以及波長為 700800 nm 的紅外光，盡管無法直接對光合作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)，但是能夠作為一種環(huán)境信號(hào)對植物生長發(fā)育進(jìn)程及代謝產(chǎn)生影響 。Blum 等人提出藍(lán)光和紅光是植物生長最重要的兩種光譜，增加紅光和藍(lán)光比例有助于提高植物的光合作用效率 。通常認(rèn)為，紅光有利于碳水化合物形成，能促進(jìn)可溶性糖的合成，藍(lán)光在促進(jìn)光合作用的同時(shí)促進(jìn)蛋白質(zhì)的形成 8。研究發(fā)現(xiàn)，紅光對子葉生長 9和頂端彎勾的伸長 10-11有著極大的促進(jìn)作用，并且能增大葉片的生長速率，但是單純紅光照射又會(huì)限制了葉子的擴(kuò)大 12。通過補(bǔ)充紅光可以顯著地提高番茄和黃光幼苗的株高 13。藍(lán)光主要影響植物根系和莖稈的生長發(fā)育，藍(lán)光照射下作物幼苗發(fā)根數(shù)目，而且藍(lán)光能夠提高幼苗根系活力和吸收面積 。藍(lán)光對莖伸長有著抑制作用，與白光相比，藍(lán)光明顯使株高減少，但能夠使莖粗增加 14。1.2.3 光周期對植物生長發(fā)育的影響光周期作為調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育重要的信號(hào)源，如植物的開花時(shí)間與時(shí)令密切相關(guān)，迎春花在早春開花，而菊花要到秋天才開花，這與植物通過感受周期性的光照時(shí)間變化來調(diào)節(jié)自身生長周期有關(guān) 。它對植物種子萌發(fā) 、植物開花時(shí)間和植物休眠等有深遠(yuǎn)影響 。如秋海棠 15種子必須處于 812 h 的光周期才能最大程度地萌發(fā)；花旗杉 16需要 16 h 才能加速種子萌發(fā) 。光周期影響植物莖的伸長和內(nèi)部生長激素的水平，誘導(dǎo)與促進(jìn)營養(yǎng)生長相關(guān)基因的表達(dá) 17。通過對光周期進(jìn)行恰當(dāng)延長，可以增加植物光合作用的時(shí)間，碳水化合物的比例也會(huì)增加，從而有利于植物萌發(fā) 。植物可以分為 3 大類：長日照植物 、短日照植物和日中性植物 。許多植物開花有明確的極限日照時(shí)間，稱為臨界日常，長日植物開花時(shí)間需要長于臨界日長，菠菜的臨界日長為 13 h，日照長于 13 h 才開花，短于 13 h 推遲開花或不開花；而短日植物則要求短于臨界日長，日照越短，開花越早，如煙草為 14 h，采用人工遮擋能夠誘導(dǎo)提早開花；采用夜間補(bǔ)光或延長光照等模式能推遲花期 。光周期也是誘導(dǎo)植物休眠發(fā)生的重要因素 。如草莓 18因短日照延長生長，楊樹 、桑樹 19在內(nèi)的木本植物會(huì)因?yàn)楣馄跍p少發(fā)生休眠現(xiàn)象 。2 LED 人工光源設(shè)計(jì)要素分析2.1 光譜分布不同光源的光譜能量分布的峰值不同，對植物的影響大小相應(yīng)不同 。植物生長發(fā)育所需的波長范圍為 400700 nm，其中紅光（ 600700 nm）和藍(lán)光（ 400500 nm）是光合作用的主要波段 。由于紅光的量光譜波長 /nm1 000700600700（紅光）500600（黃綠光）400500（藍(lán)光）315400（ UV-A)280315（ UV-B）75 lm/W）和顯色性（ Ra&gt;80），但是發(fā)射的有效光子束密度相對 LED 較低，不利于植物的光合作用 。（ 3） LED 燈不僅可以發(fā)出光波較窄的單色光，而且能根據(jù)植物需要進(jìn)行任意組合光源，在植物照明張 莉等： LED 人工補(bǔ)光在植物照明中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢 53佛 山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 第 37 卷領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢明顯 。4 結(jié)論與展望無論是促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的角度，還是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的角度， LED 植物照明都具有非常重要的意義，而農(nóng)業(yè)的地位和發(fā)展需求也為 LED 植物照明發(fā)展提供了新的機(jī)遇 。2013 年以來，全球 LED 植物照明市場進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，主要集中在美國 、日本 、荷蘭等地區(qū) 。2010 年，日本三菱化學(xué)用大型集裝箱改造植物工廠，并以 LED 光源進(jìn)行光合作用 。2012 年首套 LED 照明的植物工廠系統(tǒng)用來栽培萵苣和嫩葉菜，從而拉開 LED 植物照明的帷幕 。據(jù) LED inside 統(tǒng)計(jì)， 2014 年全球 LED 植物照明市場規(guī)模為 1億美元， 2016 年市場規(guī)模為 5.75 億美元，預(yù)估至 2020 年將增長至 14 億美元 。國內(nèi)的植物照明還處于行業(yè)發(fā)展的初期階段，廠家規(guī)模小 、數(shù)量少 、缺乏核心技術(shù)和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是國內(nèi)植物照明技術(shù)發(fā)展的瓶頸 。為促進(jìn) LED 人工植物照明行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，需要從以下方面著手 。（ 1）植物照明是一項(xiàng)專業(yè)性 、綜合性強(qiáng)的跨學(xué)科技術(shù)，因此需對 LED 光源及植物學(xué)等展開全面系統(tǒng)深入的研究 。（ 2）標(biāo)準(zhǔn)化工作是促進(jìn)科研成果產(chǎn)業(yè)化，支撐產(chǎn)業(yè)規(guī)范發(fā)展的重要手段，因此需加快標(biāo)準(zhǔn)制定工作，完善標(biāo)準(zhǔn)檢測認(rèn)證體系 。（ 3）加強(qiáng)政策引導(dǎo)和研發(fā)投入 。參考文獻(xiàn)： 1陳文成 . 730 nm遠(yuǎn)紅光 LED在植物照明中的應(yīng)用 J . 中國照明電器 , 2015（ 8） : 29-31. 2 KRISTIANSEN K. Light quality regulates flower initiation, differentiation and development of Campanula carpatica JacqKarlForster J . Scientia Horticulturae, 1988, 35（ 3/4） : 275-283. 3許大全 . 光合作用的 “午睡 ”現(xiàn)象 J . 植物生理學(xué)通訊 , 1977, 33（ 6） : 466-467. 4 JENNIFER Boldt, JOHNErwin, 李平 . 光照強(qiáng)度對植物光合作用的影響 J . 中國花卉園藝 , 2011（ 12） : 49-50. 5王藝 , 韋小麗 . 不同光照對植物生長 、生理生化和形態(tài)結(jié)構(gòu)影響的研究進(jìn)展 J . 山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào) , 2010（ 4） : 353-359. 6 RYLSKI I. Effect of shading on plant development, yield and fruit quality of sweet pepper grown under conditions of hightemperature and radiation J . Scientia Horticulturae, 1986, 29: 31-35. 7張文錦 , 陳常頌 , 張應(yīng)根 , 等 . 遮蔭對夏暑烏龍茶品質(zhì)的影響及其機(jī)理研究報(bào)告 J . 茶葉科學(xué)技術(shù) , 2004（ 1） : 8-11. 8 MORTENSEN L M, STROMME E. Effects of light quality on some greenhouse crops J . Scientia Horticulturae, 1987, 33（ 1/2） : 27-36. 9史宏志 , 韓錦峰 . 單色藍(lán)光和紅光對煙草葉片生長和碳?xì)浯x的影響 J . 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) , 1998, 9: 254-262. 10 CASAL J J, DEREGIBUS V A, SANCHEZ R A. Variations in tiller dynamics and morphology in Lolium multiflorum Lamvegetative and reproductive plants as affected by differences in red/far-red irradiation J . Annals of Botany, 1985, 56:533-559. 11 LISCUM E, BRIGGS W R. Mutations of Arabidopsis in potential transduction and response components of the phototropicsignalingpathway J . Plant Physiology, 1996, 112: 291-296. 12 REED J W, NAGATANI A, ELUCH T, et al. Phytochrome A and phytochrome B have overlapping but distinct functions inArabidopsis development J . Plant Physiology, 1994, 104: 11395-1149. 13崔瑾 , 馬志虎 , 徐志剛 . 不同光質(zhì)補(bǔ)光對黃光 、辣椒和番茄幼苗生長及生理特性的影響 J . 園藝學(xué)報(bào) , 2009, 36:663-670. 14張瑞華 , 徐坤 , 董燦興 , 等 . 光質(zhì)對姜生長及光能利用特性的影響 J . 園藝學(xué)報(bào) , 2008, 35: 673-680. 15 FOSKETE B, BRIGGSWR. Photosensitive seed germination in Catalpa speciosa J . Botanical Gazette, 1970, 131: 167-172. 16趙篤樂 . 光照對種子休眠和萌發(fā)的影響 J . 生物學(xué)通報(bào) , 1995, 30: 24-25. 17 DIGBY J, DYSON P W. A comparison of the effects of photoperiod, and of a growth retardant（ CCC） on the control of stem54第 1 期extension in potato J . PotatoResearch, 1973, 16: 159-167. 18 SONSTEBYA, HEIDE OM. Dormancyrelations and floweringofthe strawberrycultivars Korona and Elsanta as influenced byphotoperiod and temperature J . Scientia Horticulturae, 2006, 110: 57-67. 19簡令成 , 盧存福 , 鄧江明 , 等 . 木本植物休眠的誘導(dǎo)因子及其細(xì)胞內(nèi) Ca2+水平的調(diào)節(jié)作用 J . 應(yīng)用于環(huán)境生物學(xué)報(bào) ,2004, 10: 1-6. 20 MCCREE K J. The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis crop plants J . AgriculturalMeteorology, 1972, 9（ 3） : 191-216. 21 HOGEWONING S W, TROUWBORST G, MALIJAARS H, et al. Blue light dose-responses of leaf photosynthesis,morphology, and chemical composition of Cucumis sativus grown under different combinations of red and blue light J .Journal ofExperimental Botany, 2010, 61（ 11） : 3107-3117. 22 GOMEZ C, MITCHELL C A. Supplement lighting for greenhouse-grown tomatoes: intracanopy LED towers vs HPS lamps.In International Symposium on New Technologies for Environment Control, Energy -Saving and Crop Production inGreenhouse and Plant C . Korea: s.n. , 2013: 855-862. 23劉再亮 , 馬承偉 , 楊其長 . 設(shè)施環(huán)境中紅光與遠(yuǎn)紅光比值調(diào)控的研究進(jìn)展 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) , 2004, 20（ 1） : 270-273 24徐凱 , 郭延平 , 張上隆 , 等 . 不同光質(zhì)對豐香草莓生長發(fā)育的影響 J . 果樹學(xué)報(bào) , 2006（ 23） : 818-824. 25孔云 , 王紹輝 , 沈紅香 , 等 . 不同光質(zhì)補(bǔ)光對溫室葡萄新梢生長的影響 J . 背景農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào) , 2006, 21: 23-25. 26 FRANTZ J M, RITCHIE G, ROBINSON J, et al. Exploring the Limits of Crop Productivity : Beyond the Limits of Tipburnin Lettuce J . Journal of the American Society For Horticultural Science, 2004, 129（ 3） : 331-338. 27佘新 , 楊振超 , 曹凱 , 等 . 紅光暗期多點(diǎn)打斷對黃光和番茄幼苗生長發(fā)育及光合特性的影響 J . 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） , 2013, 41（ 5） : 121-126. 28 BRAZAITYTEA, DUCHOVSKIS P, URBONAVI Ciut E, et al. After-effect of light-emitting eiodes lighting on tomatogrowth and yield in greenhouse J . Sodininkysteir dariininkyste, 2009, 28（ 1） : 115-126. 29 MENARDC, HOVIT, GOSSELIN A, et al. Developmental and physiological response of tomato and cucumber to additionalblue light J . Acta Hort, 2006, 711: 291-296.Abstract: As an important part for modern agricultural construction, plant lighting has broad market prospect.This paper starts with the demand of plants for light， the effect of light characteristics on the growth anddevelopment of plants are discussed, the design elements of the lighting for plant growth are analyzed, and theapplication status of plant lighting is described. The development trend of plant lighting of home and abroad isdiscussed, the problems are summarized, and the future development direction is put forward.Keywords: artificial light; plant lighting; LEDApplication and development trend of LEDartificial light for plant lightingZHANGLi, YUXiao- peng, HUANGYi- ting, YUANYi- kai,LIANGLi- fang, LI Cheng（ Foshan NationStar Optoelectronics Co., Ltd., Foshan 528000, China）【責(zé)任編輯：任小平 renxp90163.com】張 莉等： LED 人工補(bǔ)光在植物照明中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢 55</p>