翁 淼 （湖州尚翔生态农业有限公司，浙江省湖州市 313000）

新型LED光源在蔬菜工厂中的应用现状及展望

翁 淼 （湖州尚翔生态农业有限公司，浙江省湖州市 313000）

近年来，我国设施栽培发展迅猛，蔬菜工厂已成为设施栽培的一个热点研究方向。为促进蔬菜工厂的进一步发展，对蔬菜工厂中的人工补光系统进行了探讨，分析了LED植物补光灯在蔬菜工厂化生产中的应用现状，并对其应用前景进行了展望。

植物工厂；光照；LED光源；应用

植物工厂[1]由日本最先提出，其实质是一个高级设施农业设备，利用计算机采用高精度的环境控制自动系统，为作物生长提供适宜且最优的光照、温度、湿度、营养液等，打破作物正常的生产周期，大幅度提高空间利用率及作物产量[2]，实现作物全年连续生产。在所有人造环境条件因子中，光照是影响植物生长的关键限制因子，它不仅是绿色植物顺利完成生命周期的必备环境因素，还是植物光合作用的能量来源，更是调节植物生理活动的重要环境信号[3]，无论是光照强度还是光照时间，都将决定作物的稳产、优质。因此，在大部分智能化植物工厂中，都添加了人工光照来实现对环境因子的高精度控制。

近年来，我国设施栽培发展迅猛，借鉴智能化植物工厂的发展，蔬菜工厂已成为设施栽培的一个热点研究方向。为提高设施栽培中生育期较短、对光照强度需求适中、株型相对较矮小的叶菜类蔬菜在蔬菜工厂中的产量，提高蔬菜的品质及生产效率[4]，促进蔬菜工厂的进一步发展，对蔬菜工厂中的人工补光系统进行了探讨，分析了LED植物补光灯在蔬菜工厂化生产中的应用现状，并对其应用前景进行了展望。

1 植物可利用的生理辐射

所谓生理辐射，是指在辐射光谱中，能被植物叶片吸收且用于光合作用的那部分光能[5]。在连续的可见光谱（380-760 nm）中，植物吸收的光能约占生理辐射光能的60%-65%，其中，主要是吸收波长为610-720 nm 的红橙光，约占生理辐射的55%左右；其次是波长为400-510 nm 的蓝紫光，约占生理辐射的8%左右；而对510-610 nm 的黄绿光，可被吸收的光能很少。因此，通常把波长在610-720 nm和400-510 nm波段的辐射称为有效生理辐射[5]。

2 传统的植物补光系统光源

在国内设施农业的生产过程中，主要的传统补光系统是白炽灯、高压钠灯和荧光灯，这类光源在一定程度上补足因阴雨等原因造成的光照不足，从而保证作物正常生长。然而这类光源由于光质不纯、含有效生理辐射少、光照强度不均一（有的光照强度接近甚至低于某些作物的光补偿点）、光源能耗高等原因，并不是最理想的人工光源[6]。

2.1 白炽灯

该灯依靠高温钨丝发射连续光谱，其辐射光谱大部分是红外线，红外辐射的能量可达总能量的80%-90%，红橙光约占10%-20%，蓝紫光所占比例很少，几乎不含紫外线[5]。因此，白炽灯的有效生理辐射含量低，其大部分电能转化为大量的热能，补光能效低。同时，白炽灯作为蔬菜工厂的补光光源，长时间使用后因其大量发热，还需另配降温设备，造成了能源的双重浪费。而白炽灯由于本身发热的原因，蔬菜叶片也需离光源有一定的安全距离，以防灼伤，在一定程度上浪费了空间，降低了单位面积的蔬菜产量。

2.2 荧光灯

该灯灯管内壁覆盖了一层荧光物质，由紫外线激发荧光物质而发光，可根据作物不同的需求，使用不同的荧光物质而产生蓝光、绿光、红光、白光以及日光等，其中红橙光占44%-45%、绿黄光占39%、蓝紫光占16%，能被植物吸收的光能约占辐射光能的75%-80%[5]。同时，荧光灯的光谱中无红外线，是良好的冷光源。由于此类补光光源仍含有近40%的植物几乎无法利用的黄绿光，能源浪费的现象依旧存在，且由于荧光物质的分布不均，会导致荧光灯光强、光质不均，也对作物的质量产生了一定影响。

2.3 高压钠灯

在高压钠灯的光谱能量分布中，红橙光占39%-40%、绿黄光占51%-52%、蓝紫光占9%[5]。但传统高压钠灯的主要发射光谱集中在560-640nm范围内[6]，与植物光合作用中的有效辐射光谱不能很好地吻合。同时，高压钠灯虽含有较多的红橙光，但缺少对植物生长起决定性作用的蓝紫光，改良后的高压钠灯虽能发射蓝光，但会对植物产生的负面影响[7，8]，如叶绿素含量降低、气孔变小、地上部干物质积累量降低等。

3 新型LED光源在智能植物工厂中应用的优势

1962年，美国物理学家尼克·何伦亚克发明的LEDs（Light-emitting diodes），是一种具有2个电极的半导体发光器，其发光的基本原理是利用半导体PN结或类似结构把电能转换成光能。由于不同材料中电子和空穴所占的能级不同，从而产生的波长也不同，因此造就了不同色彩的LED灯[9]。

相对于传统光源，LED灯具有使用寿命长、光质纯净、能效利用率高、波长类型丰富等优点。在正常使用情况下，LED灯的寿命可长达10万h，虽然在蔬菜工厂内，高温、高湿的环境条件会缩短其使用寿命，但仍比传统光源更耐用[10]。此外，LED灯还是一种理想的冷光源，发热少，可近距离照射植物，从而能更充分有效地利用植物工厂中有限的种植空

间，提高单位面积的作物产量，降低生产成本[11]。

4 LED光源在蔬菜工厂中的研究及应用

4.1 国外LED光源在蔬菜工厂中的研究及应用

发达国家正在积极研究将LED光源应用于各类蔬菜植物工厂中。Fuka等[12]报道了一种采用LED作为人工光源的蔬菜工厂，采用NFT方式生产的生菜、芹菜等蔬菜，在定植14 d后即可采收，光能利用率极高。Nichols等[13]试验发现，传统人工光源产生热量过多，造成大量能源浪费，若采用LED补光，不仅有效提高了光照强度，还能使电能高效地转化为有效辐射，最终转化为植物物质。还有研究表明，在应用的LED为400 ms频率和50%占空比下，蔬菜的生长速率和光合速率都提高了20%以上，因此将LED应用于植物工厂是切实可行的[14]。此外，许多外国科学家及研究机构还发现，将单一或组合LED光源应用于菠菜、萝卜、甜菜、胡椒、紫苏[15-18]等蔬菜的工厂化育苗、生产中，均可提高其光合效率，最终达到提高蔬菜品质及产量的目的。

4.2 我国LED光源在蔬菜工厂中的研究及应用

目前，在我国蔬菜工厂领域关于LED光源应用的研究正处于迅速发展阶段。樊小雪[19]等的研究结果显示，生菜在红蓝光组合光照下，无论是产量还是质量，都得到了很大程度的提高。侯红英[20]用不同光质的LED光源对小白菜、番茄、油菜进行了补光栽培试验，结果显示，红光下植株鲜重和株高明显提高，说明植物光合作物的累积得到了显著提高；蓝光则有利于蹲苗。王芳[21]使用不同比例的红蓝LED光源对苦瓜、豆角、茄子、辣椒幼苗进行试验，结果显示，采用红蓝光组合LED光源可有效提高幼苗鲜重、地下部干物质累积、叶绿素含量及幼苗根系活力。此外，还有许多国内专家对LED光源在黄瓜、丝瓜、萝卜[22-24]等多种蔬菜上进行了试验，均表明合适的LED光源对蔬菜工厂化育苗及生产有积极的正面影响。

5 LED光源在我国蔬菜工厂中的应用前景展望

蔬菜工厂在国内尚属新鲜名词，但一经提出便引起了相当广泛的关注及许多研究者的兴趣。而蔬菜工厂内人工补光技术的研究与应用，对于推动蔬菜工厂的发展具有非常重要的作用。我国是蔬菜设施栽培面积最大的国家之一，但有关LED光源在蔬菜工厂中的应用还处于技术开发及理论研究阶段。不同种类的蔬菜在不同的生长周期中，所需要的光照强度、光质种类及光周期都存在差异，虽然可借鉴许多国外的研究成果，但缺乏结合本国主要蔬菜种类的针对性分析。同时，在我国蔬菜工厂领域具有自主知识产权的LED技术研发还落后于发达国家，亟需工程学科和园艺学科的研究者共同合作，研发出符合我国实际蔬菜生产种类的LED植物光源，这对大力发展我国蔬菜工厂有着非常实际的意义。综上，LED光源作为新型高效节能人工光源，因其特有的光质纯净、发热小、使用寿命长等优点，是植物工厂补光设备的首选，将在未来的蔬菜工厂中有广阔的发展前景。

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2015-12-21