2018 年 8 月第 29 卷 第 4 期照明工程學(xué)報(bào)ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOAug 2018Vol. 29 No. 4稀土LED植物補(bǔ)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(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所 ， 吉林長(zhǎng)春 130022; 2. 中國(guó)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(zhǎng)階段對(duì)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(yàn) ， 對(duì)不同生育時(shí)期常見經(jīng)濟(jì)作物在補(bǔ)光前后植物生理生態(tài)特征進(jìn)行了對(duì)比 。結(jié)果顯示 ， LED 植物補(bǔ)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(bǔ)光燈產(chǎn)生的光環(huán)境的動(dòng)態(tài)控制管理技術(shù)將會(huì)是日后植物工廠研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn) 。關(guān)鍵詞 : LED 植物補(bǔ)光燈 ; 設(shè)施農(nóng)業(yè) ; 溫室 ; 植物工廠 ; 稀土中圖分類號(hào) : TM923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shì) 。光照 、溫度 、空氣 、水和養(yǎng)分是植物生長(zhǎng)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?xiàng)l件在不斷的趨于完善 。但由于設(shè)施建筑在一定程度上會(huì)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(shí)長(zhǎng)較短 ，會(huì)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(bǔ)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(zhǎng) 、耗能低 、波長(zhǎng)穩(wěn)定 、熱輻射低 、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用 。1 光對(duì)植物生長(zhǎng)的影響光作為一種外界信號(hào)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(yíng)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(jī)物為其生長(zhǎng)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(qiáng)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(yuǎn)紅光比例升高 ，紅光 、藍(lán)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(zhǎng)失調(diào)的光信號(hào) 1。利用補(bǔ)光燈 ， 對(duì)設(shè)施內(nèi)的光照環(huán)境進(jìn)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(zhǎng)范圍是 380 710 nm。這其中 ， 葉綠素對(duì)紅光部分及藍(lán)紫光部分的光譜吸收最強(qiáng) 。研究表明 ， 紅光會(huì)促進(jìn)細(xì)胞的伸長(zhǎng) ， 而藍(lán)光則具有相反的效果 。長(zhǎng)波長(zhǎng)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(zhǎng)的光 ( 藍(lán)光 ) 會(huì)抑制莖的伸長(zhǎng) ， 防止徒長(zhǎng) ， 促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng) 。紅藍(lán)組合 LED 補(bǔ)光燈可以相互彌補(bǔ)各單色光源的不足 ， 且光能利用率高達(dá) 80% 90%， 節(jié)能效果顯著 。2 LED 植物補(bǔ)光燈在植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)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(huì)使用到一些植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑 ( 赤霉素 、生長(zhǎng)素 、矮壯素等 ) 來調(diào)控幼苗生長(zhǎng) ， 但不合理的施用會(huì)對(duì)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(bǔ)光對(duì)常見經(jīng)濟(jì)作物 ( 如 : 番茄 、黃瓜 、草莓等 ) 的產(chǎn)量 、品質(zhì)以及生長(zhǎng)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(qiáng) 、光周期來控制植物形態(tài)建成和生長(zhǎng)發(fā)育是一項(xiàng)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(hào) ， 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(zhǎng)發(fā)育 6。在溫室補(bǔ)光育苗方面 ， 隨著補(bǔ)光處理時(shí)間的延長(zhǎng) ， 補(bǔ)光時(shí)間及光質(zhì)對(duì)黃瓜幼苗葉面積生長(zhǎng)的促進(jìn)作用逐漸顯現(xiàn) 7。通過延長(zhǎng)光照時(shí)間 、增強(qiáng)光照強(qiáng)度 ， 會(huì)有效提高番茄的壯苗率及抵抗病蟲害的能力 8， 而紅藍(lán)組合 LED 光源則會(huì)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(bǔ)充藍(lán)光可以有效提升葉片中保護(hù)酶的活性 ， 延緩葉片衰老 7。我們使用中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所研發(fā)的稀土 LED 植物補(bǔ)光燈對(duì) CM966 大番茄苗期補(bǔ)光試驗(yàn) ，結(jié)果表明 ， 在同樣波長(zhǎng)組合稀土 LED 植物補(bǔ)光燈下 ， 不同光照時(shí)長(zhǎng)顯著影響番茄幼苗形態(tài) 。適當(dāng)延長(zhǎng)番茄苗期光照時(shí)間可加快細(xì)胞生長(zhǎng) ， 幼苗壯苗程度較好 ， 細(xì)胞活性較強(qiáng) ， 生物量累積較多 。每日低于 10 h 的組合光照會(huì)導(dǎo)致植株莖部纖細(xì) ， 色澤清淡 ， 幼苗呈徒長(zhǎng)狀態(tài) 。此外 ， 組合光補(bǔ)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(duì)于揭示植物光質(zhì)調(diào)控機(jī)制 ， 培育幼苗壯苗 ， 促進(jìn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)具有重要意義 。3 LED 植物補(bǔ)光燈在植物生殖生長(zhǎng)期的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn) ， 紅光和藍(lán)光是影響果實(shí)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(shí)番茄紅素含量 ， 藍(lán)光可以顯著提高番茄果實(shí)維生素 C、可溶性蛋白含量 10; 組合補(bǔ)光可提升番茄果實(shí)可溶性固形物含量 、可溶性蛋白含量和番茄紅素含量 11。對(duì)草莓來說 ， 組合補(bǔ)光可以提高光合色素含量 ， 對(duì)果實(shí)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(jìn)行稀土 LED 植物補(bǔ)光燈的相關(guān)試驗(yàn) 。試驗(yàn)結(jié)果表明 ， 通過增加光照時(shí)長(zhǎng) ， 可以令草莓提前 10 15 d開花 ， 增強(qiáng)草莓植株耐旱性 ， 提升果色 、果實(shí)口感和果實(shí)品質(zhì) ， 增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 。每日 4 h 的組合補(bǔ)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(bào) 2018 年 8 月未安裝稀土 LED 植物補(bǔ)光燈的溫室相比 ， 安裝補(bǔ)光燈的草莓溫室在本次試驗(yàn)草莓采收期每畝多收入5 000 8 000 元 。同期對(duì)不同品種的茄子生育期進(jìn)行補(bǔ)光試驗(yàn) ，結(jié)果表明 ， 通過增加光照時(shí)長(zhǎng) ， 可以提高茄子的耐寒性 。每日 4 h 的組合補(bǔ)光 ， 可以顯著提升圓茄的總糖 ( 18. 48%) 及淀粉 ( 85. 71%) 含量 、長(zhǎng)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(duì)補(bǔ)光燈使用效果表現(xiàn)不一 ?？傮w來說 ， 使用稀土 LED 植物補(bǔ)光燈可以提升蔬菜品質(zhì) ， 但對(duì)于茄子相關(guān)色素形成的影響還需要進(jìn)一步的研究 。4 LED 植物補(bǔ)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(duì)食品安全的極大關(guān)注 。農(nóng)業(yè)是否可以實(shí)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(gè)解決方案 。植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的高級(jí)階段和必然趨勢(shì) 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(guó)內(nèi)外太陽(yáng)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(chǎng)規(guī)模發(fā)展?jié)摿薮?。植物工廠的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)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(huì)市場(chǎng)環(huán)境等因素的控制 。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明 ，每種植物對(duì)光源的光質(zhì) 、光強(qiáng) 、光周期都有其獨(dú)特的偏好 ， 并且在同一種植物的不同生長(zhǎng)階段其對(duì)光源的偏好也是動(dòng)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(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi) ，光環(huán)境的動(dòng)態(tài)控制管理技術(shù)將會(huì)是植物工廠智能化研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn) 。參 考 文 獻(xiàn) 1 孫祥瑞 ， 張尚卿 ， 岳艷麗 ， 等 越冬蔬菜植物生長(zhǎng)燈補(bǔ)光措施 效 果 評(píng) 價(jià) J 中 國(guó) 蔬 菜 ， 2013， 1 ( 9) :45-47 2 李雅旻 ， 張繼業(yè) ， 張軼婷 ， 等 LED 補(bǔ)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(bǔ)光對(duì)番茄幼苗和生菜生長(zhǎng)發(fā)育 、產(chǎn)量及品 質(zhì) 的 影 響 D 咸 陽(yáng) : 西北農(nóng)林科技大學(xué) ， 2017 4 王華碩 LED 補(bǔ)光對(duì)日光溫室黃瓜 、番茄 、草莓生長(zhǎng)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(bǔ)光對(duì)黃瓜生長(zhǎng)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(jìn)展 J 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) ， 2009， 21 ( 10) : 108-111 7 閆曉花 補(bǔ)光時(shí)間及光質(zhì)對(duì)溫室黃瓜幼苗生長(zhǎng)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(bǔ)光技術(shù)對(duì)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(guó)斌 ， 張帆 ， 等 LED 光源不同光質(zhì)對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)及生理生化特性的影響 J 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2011， 46 ( 1) : 44-48 10 陳強(qiáng) ， 劉世琦 ， 張自坤 ， 等 不同 LED 光源對(duì)番茄果實(shí)轉(zhuǎn)色期品質(zhì)的影響 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2009， 25( 5) : 156-161 11 于經(jīng)緯 ， 羅博特 ， 岳釘伊 不同 CO2濃度與 LED 補(bǔ)光組合對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)的影響 J 農(nóng)村經(jīng)濟(jì)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(duì)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(bào) ，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(guó)照明電器 ， 2017，( 10) : 1-3