2018 年 8 月第 29 卷 第 4 期照明工程學(xué)報ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOAug 2018Vol. 29 No. 4稀土LED植物補光燈在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用張 彤1， 李成宇1， 池建義2， 張洪杰1， 秦新苗3( 1. 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所 ， 吉林長春 130022; 2. 中國科學(xué)院包頭稀土研發(fā)中心 ，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭 014030; 3. 包頭中科瑞豐科技有限公司 ， 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭 014030)摘 要 : 人工光源在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用一改往日作物種植過程中單純依靠自然光源的窘境 。不同植物種類和生長階段對光源的需求不盡相同 ， 本文通過分析現(xiàn)有研究及應(yīng)用試驗 ， 對不同生育時期常見經(jīng)濟作物在補光前后植物生理生態(tài)特征進行了對比 。結(jié)果顯示 ， LED 植物補光燈在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用有利于培育優(yōu)苗壯苗 ， 提升蔬菜水果品質(zhì) ; 利用補光燈產(chǎn)生的光環(huán)境的動態(tài)控制管理技術(shù)將會是日后植物工廠研究領(lǐng)域的一大熱點 。關(guān)鍵詞 : LED 植物補光燈 ; 設(shè)施農(nóng)業(yè) ; 溫室 ; 植物工廠 ; 稀土中圖分類號 : TM923 文獻標(biāo)識碼 : A DOI: 10. 3969j. issn. 1004-440X. 2018. 04. 004Application of are Earth LED Lights for Plant in Protected AgricultureZHANG Tong1， LI Chengyu1， CHI Jianyi2， ZHANG Hongjie1， QIN Xinmiao3( 1. Changchun Institute of Applied Chemistry， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130022， China;2. are Earth esearch and Development Center of Chinese Academy of Sciences， Baotou 014030， China;3. Baotou ZKF Technology Co. Ltd ， Baotou 014030， China)Abstract: The application of artificial light source in protected agriculture has changed the dilemma ofsolely relying on natural light sources crop growth process The requirements for light environments varyfrom plant species to growth stages Based on the existing research and application test， this paper comparesthe change of the physiological and ecological characteristics of plants after supplementation of artificiallight The results show that the application of the LED light in Protected agriculture is conducive tocultivating excellent seedlings and improving the quality of vegetables and fruits The dynamic controlmanagement technology of the light environment by using LED light will be a hot spot in the field of plantfactory research in the futureKey words: LED light for plant; facility agriculture; greenhouse; plant factory; rare earth引言受到氣候條件的影響 ， 我國北方地區(qū)大田農(nóng)業(yè)耕作多為一年一熟制或兩年三熟制 。為適應(yīng)市場需求 ， 滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需要 ， 利用現(xiàn)代工程技術(shù) ，創(chuàng)造合理的生長環(huán)境 ， 為農(nóng)作物提供最合適的光照 、溫度 、濕度 、植保及水肥條件 ， 使其保持最佳的生長狀態(tài) ， 以期獲得優(yōu)質(zhì) 、高產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品 ， 已經(jīng)成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢 。光照 、溫度 、空氣 、水和養(yǎng)分是植物生長的核心要素 。隨著農(nóng)事操作水平的提高 ， 設(shè)施內(nèi)溫度 、水肥綜合管理條件在不斷的趨于完善 。但由于設(shè)施建筑在一定程度上會遮擋部分自然光源 ， 導(dǎo)致室內(nèi)光線不足 ， 且北方初春 、晚秋及冬季日照時長較短 ，會顯著影響喜光作物的產(chǎn)量和品質(zhì) 。人工光源的引入一改往日作物種植過程中單純依靠自然光源的窘境 ， 通過添加白熾燈 、鹵鎢燈 、高壓鈉燈 、熒光燈第 29 卷第 4 期 張彤等 : 稀土 LED 植物補光燈在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 23和 LED 燈等人工光源來滿足植物的光需求 。這其中 ， LED 具有光電轉(zhuǎn)換效率高 、體積小 、壽命長 、耗能低 、波長穩(wěn)定 、熱輻射低 、環(huán)保等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用 。1 光對植物生長的影響光作為一種外界信號可以影響植物發(fā)育的諸多方面 ， 從種子的發(fā)芽 ， 脫黃化到營養(yǎng)形態(tài) ， 晝夜節(jié)律的建成 。植物通過光合作用制造有機物為其生長發(fā)育提供物質(zhì)和能量 ， 因此光也是植物獲取能量的來源 。光照強度 、光照周期和光譜分布構(gòu)成了設(shè)施內(nèi)的光照環(huán)境 。在弱光條件下 ， 遠紅光比例升高 ，紅光 、藍光和紫外光的比例降低 ， 這些變化很可能形成了果菜類作物生長失調(diào)的光信號 1。利用補光燈 ， 對設(shè)施內(nèi)的光照環(huán)境進行靈活的調(diào)節(jié) ， 克服了設(shè)施自身和天氣條件帶來的光源限制 。植物光合作用的有效波長范圍是 380 710 nm。這其中 ， 葉綠素對紅光部分及藍紫光部分的光譜吸收最強 。研究表明 ， 紅光會促進細胞的伸長 ， 而藍光則具有相反的效果 。長波長的光 ( 紅光 ) 可以顯著提升植物各器官的發(fā)育速率 ， 最顯著的效果就是引起植物提前開花 、結(jié)果 ; 短波長的光 ( 藍光 ) 會抑制莖的伸長 ， 防止徒長 ， 促進營養(yǎng)器官的生長 。紅藍組合 LED 補光燈可以相互彌補各單色光源的不足 ， 且光能利用率高達 80% 90%， 節(jié)能效果顯著 。2 LED 植物補光燈在植物營養(yǎng)生長期的應(yīng)用隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷趨于集約化 ， 規(guī)范化 ， 設(shè)施溫室育苗成為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié) 。在育苗生產(chǎn)中 ，常會使用到一些植物生長調(diào)節(jié)劑 ( 赤霉素 、生長素 、矮壯素等 ) 來調(diào)控幼苗生長 ， 但不合理的施用會對幼苗及設(shè)施環(huán)境造成污染 ， 影響人類身體健康 2。有研究表明 ， 補光對常見經(jīng)濟作物 ( 如 : 番茄 、黃瓜 、草莓等 ) 的產(chǎn)量 、品質(zhì)以及生長發(fā)育具有積極的意義 3， 4。在溫室栽培領(lǐng)域 ， 利用調(diào)控光質(zhì) 、光強 、光周期來控制植物形態(tài)建成和生長發(fā)育是一項重要的技術(shù) 5。植物通過體內(nèi)的感光受體整合不同的光源信號 ， 經(jīng)胞內(nèi)信使傳導(dǎo) ， 調(diào)節(jié)植物的形態(tài)建成及生長發(fā)育 6。在溫室補光育苗方面 ， 隨著補光處理時間的延長 ， 補光時間及光質(zhì)對黃瓜幼苗葉面積生長的促進作用逐漸顯現(xiàn) 7。通過延長光照時間 、增強光照強度 ， 會有效提高番茄的壯苗率及抵抗病蟲害的能力 8， 而紅藍組合 LED 光源則會顯著提升黃瓜幼苗的葉面積及地上部分干物重 9。植物幼苗期補充藍光可以有效提升葉片中保護酶的活性 ， 延緩葉片衰老 7。我們使用中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所研發(fā)的稀土 LED 植物補光燈對 CM966 大番茄苗期補光試驗 ，結(jié)果表明 ， 在同樣波長組合稀土 LED 植物補光燈下 ， 不同光照時長顯著影響番茄幼苗形態(tài) 。適當(dāng)延長番茄苗期光照時間可加快細胞生長 ， 幼苗壯苗程度較好 ， 細胞活性較強 ， 生物量累積較多 。每日低于 10 h 的組合光照會導(dǎo)致植株莖部纖細 ， 色澤清淡 ， 幼苗呈徒長狀態(tài) 。此外 ， 組合光補光亦可顯著提高黃瓜幼苗葉片葉綠素 a、葉綠素 b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量 。因此 ， 研究新型 LED 人工光源及光源調(diào)控在溫室育苗生產(chǎn)中的應(yīng)用 ， 對于揭示植物光質(zhì)調(diào)控機制 ， 培育幼苗壯苗 ， 促進作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)具有重要意義 。3 LED 植物補光燈在植物生殖生長期的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn) ， 紅光和藍光是影響果實轉(zhuǎn)色期品質(zhì)變化的主要光質(zhì) 。紅光可以顯著提高番茄果實番茄紅素含量 ， 藍光可以顯著提高番茄果實維生素 C、可溶性蛋白含量 10; 組合補光可提升番茄果實可溶性固形物含量 、可溶性蛋白含量和番茄紅素含量 11。對草莓來說 ， 組合補光可以提高光合色素含量 ， 對果實產(chǎn)量和品質(zhì)有較大的提升作用 12。2017 年 11 月至 2018 年 3 月 ， 我們分別在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗 、準(zhǔn)格爾旗智能溫室中進行稀土 LED 植物補光燈的相關(guān)試驗 。試驗結(jié)果表明 ， 通過增加光照時長 ， 可以令草莓提前 10 15 d開花 ， 增強草莓植株耐旱性 ， 提升果色 、果實口感和果實品質(zhì) ， 增強市場競爭力 。每日 4 h 的組合補光 ， 草莓的總糖含量提升了 10. 72%， 花青素含量提升了 65. 73%， 維生素 C 含量提升了 1. 47%。與24 照明工程學(xué)報 2018 年 8 月未安裝稀土 LED 植物補光燈的溫室相比 ， 安裝補光燈的草莓溫室在本次試驗草莓采收期每畝多收入5 000 8 000 元 。同期對不同品種的茄子生育期進行補光試驗 ，結(jié)果表明 ， 通過增加光照時長 ， 可以提高茄子的耐寒性 。每日 4 h 的組合補光 ， 可以顯著提升圓茄的總糖 ( 18. 48%) 及淀粉 ( 85. 71%) 含量 、長茄的花青素 ( 5. 05%) 及維生素 C ( 24. 44%) 含量 。并且我們發(fā)現(xiàn) ， 茄子的不同品種對補光燈使用效果表現(xiàn)不一 。總體來說 ， 使用稀土 LED 植物補光燈可以提升蔬菜品質(zhì) ， 但對于茄子相關(guān)色素形成的影響還需要進一步的研究 。4 LED 植物補光燈在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的發(fā)展前景及方向近些年 ， 由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不合理的使用工業(yè)化學(xué)用品 ， 導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)殘超標(biāo) ， 嚴(yán)重影響了人類的身體健康和人身安全 。食品安全問題愈演愈烈 ， 引起了人們對食品安全的極大關(guān)注 。農(nóng)業(yè)是否可以實現(xiàn)高產(chǎn)量 、高效益 、高品質(zhì)的連續(xù)化生產(chǎn) ，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè) 植物工廠的形成提供了一個解決方案 。植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的高級階段和必然趨勢 13。它顛覆了傳統(tǒng)的土地利用方式和農(nóng)作形式 ，為提供安全 、高附加值植物提供了高效穩(wěn)定的生產(chǎn)環(huán)境 。隨著各學(xué)科高新技術(shù)的交叉應(yīng)用 ( 如 : LED人工光源 、無土栽培 、水肥一體化 、環(huán)境控制 、智慧控制等相關(guān)設(shè)備 、技術(shù)裝備領(lǐng)域 ) ， 國內(nèi)外太陽光 /人工光源植物工廠發(fā)展迅速 。這其中 ， 人工光源植物工廠的市場規(guī)模發(fā)展?jié)摿薮?。植物工廠的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益主要受到設(shè)施裝備水平 、環(huán)境調(diào)控水平 、植物品種特征 、地理環(huán)境及社會市場環(huán)境等因素的控制 。試驗數(shù)據(jù)表明 ，每種植物對光源的光質(zhì) 、光強 、光周期都有其獨特的偏好 ， 并且在同一種植物的不同生長階段其對光源的偏好也是動態(tài)變化的 。理清環(huán)境影響植物生理學(xué)原理 ， 嚴(yán)格遵循植物生理需求 ， 耦合多方參數(shù) ，建立完善系統(tǒng)的智能 LED 光配方成為了植物工廠的關(guān)鍵核心技術(shù) 13。因此 ， 在今后很長一段時期內(nèi) ，光環(huán)境的動態(tài)控制管理技術(shù)將會是植物工廠智能化研究領(lǐng)域的一大熱點 。參 考 文 獻 1 孫祥瑞 ， 張尚卿 ， 岳艷麗 ， 等 越冬蔬菜植物生長燈補光措施 效 果 評 價 J 中 國 蔬 菜 ， 2013， 1 ( 9) :45-47 2 李雅旻 ， 張繼業(yè) ， 張軼婷 ， 等 LED 補光燈在設(shè)施園藝中的應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) ， 2018， 38 ( 7) : 10-16 3 黃薪歷 LED 補光對番茄幼苗和生菜生長發(fā)育 、產(chǎn)量及品 質(zhì) 的 影 響 D 咸 陽 : 西北農(nóng)林科技大學(xué) ， 2017 4 王華碩 LED 補光對日光溫室黃瓜 、番茄 、草莓生長發(fā)育及品質(zhì)的影響 D 邯 鄲 : 河 北 工 程 大學(xué) ， 2018 5 謝景 不同光質(zhì) LED 燈補光對黃瓜生長發(fā)育的影響 D 廣州 : 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) ， 2012 6 吳鵬舉 ， 王成章 ， 嚴(yán)學(xué)兵 ， 等 光受體的研究進展 J 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報 ， 2009， 21 ( 10) : 108-111 7 閆曉花 補光時間及光質(zhì)對溫室黃瓜幼苗生長及光合特性的影響 D 蘭州 : 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) ， 2016 8 林婧 ， 馬邯生 ， 王麗萍 ， 等 LED 補光技術(shù)對番茄苗期應(yīng)用研究 J 現(xiàn)代園藝 ， 2018 ( 3) : 15-17 9 唐大為 ， 張國斌 ， 張帆 ， 等 LED 光源不同光質(zhì)對黃瓜幼苗生長及生理生化特性的影響 J 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 ， 2011， 46 ( 1) : 44-48 10 陳強 ， 劉世琦 ， 張自坤 ， 等 不同 LED 光源對番茄果實轉(zhuǎn)色期品質(zhì)的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ， 2009， 25( 5) : 156-161 11 于經(jīng)緯 ， 羅博特 ， 岳釘伊 不同 CO2濃度與 LED 補光組合對番茄果實品質(zhì)的影響 J 農(nóng)村經(jīng)濟與科技 ，2017， 28 ( 8) : 41-42 12 劉慶 ， 連海峰 ， 劉世琦 ， 等 不同光質(zhì) LED 光源對草莓光合特性 、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響 J 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報 ，2015， 26 ( 6) : 1743-1750 13 劉文科 ， 劉義飛 LED 智能植物工廠光配方構(gòu)建與應(yīng)用 J 中國照明電器 ， 2017，( 10) : 1-3