LED在植物生产领域的应用进展

王国莉，宋冠华，傅东燕

(惠州学院 生命科学系，广东 惠州 516007)

高效农业是解决世界范围内耕地日益减少[1]、人口不断增长和社会总需求不断增加这一全球性问题的必由之路．采用人工补光的温室受控农业是常用高效农业栽培手段，但以往大棚中采用的传统电光源存在着低光效、高能耗等缺点．LED作为第 4代新型照明光源，光质纯、光效高、与植物光合作用和光形态建成的光谱范围吻合，加之节能环保，有利于实现高效能、低热负荷和紧凑空间的集约化植物生产[2]37，被认为是21世纪农业与生物领域最有前途的人工光源[3]．如今 LED正向高亮度、低成本的目标快速推进，为这一新型光源的普及与应用奠定了基础[4]，已经被广泛应用于植物工厂和绿色安全生产等多个植物生产领域．

1 LED应用于植物生产的主要领域

LED光谱调节在控制植株形态建成、生长发育、开花结实及提高营养成分方面具有很多优势[5-6]，蓝光可以通过影响叶绿体发育及光合作用来调控水稻幼苗的形态建成[7]．目前，LED已经被应用于许多植物光生理和栽培领域的研究，如藻类培养生物反应器、叶绿素合成研究、光形态发生及光合作用．应用 LED光照创造有利于植物生长的光环境，开展集约化植物生产，还可减少植物激素或其他化学品的使用，例如采用特定波长的LED光源引诱并灭杀害虫，可减少农药施用量，实现安全绿色生产[8]．

1.1 LED照明在植物工厂中的应用

植物工厂是高度专业化、现代化的设施农业，是 21世纪农业取得革命性突破的重要技术手段之一．主要通过计算机自动控制设施内植物生长发育所需的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件，使其不受或很少受自然条件的制约，实现了农作物周年连续生产的高效农业模式．植物工厂中的光能利用率是普通露天生产的 10倍以上，节水节肥、无农药生产，不向外排放废物．目前在美国、日本、德国等农业发达国家，已经开发出各种各样的植物工厂．

现在，植物工厂有2种主要模式：一种是以温室为主体的太阳光和人工光并用型植物工厂，另一种是以封闭的隔热空间为主体的人工光完全控制型植物工厂[9]．完全控制型植物工厂利用多个单色光(如红蓝光)LED组合成人工光源，使作物栽培层的间距降低，空间利用率成倍提高．但因为初期投资成本较高，生产附加价值高的药用植物有可能是今后发展的一个重要方向和趋势，而 LED光源的使用和普及为植物工厂高精度环境控制提供了保障．LED植物照明工厂在中国市场还处于认知和磨合期．

1.2 LED应用于设施栽培

设施栽培中光照技术的应用主要有2方面：第一，作为补充光照，弥补因日照不足造成植物光合作用的下降，比如在连续阴天或者植物需要长时间或特定波长、特定光强照射的时候，用 LED灯进行补光满足生长需求．常用的LED补光光源主要有2种，一种是垂直照射的LED点光源，另一种是穿插于植株之间进行侧面照射的LED带光源[10]．第二，作为植物光周期和光形态建成的诱导照射．特定波长的LED灯可以有效调节植物的开花时间、品质和花期长短，这在园艺花卉栽培上的应用特别广泛．

随着高亮度、大功率LED产品的开发，红、蓝和远红光LED及其组合灯具的不断推出，在一定程度上加速了设施园艺的发展．荷兰等一些发达国家已经在大功率LED的温室补光方面进行了中试．近10年来，我国的设施园艺面积发展迅速，植物生长的光环境控制技术也已经引起重视，以 LED为核心的人工补光技术必将在设施园艺领域发挥重要作用．

1.3 LED与植物组培育苗

组培育苗是现代高效农业支柱之一，已经进入工厂化育苗阶段．伴随着园艺栽培、城市绿化、生态恢复等产业的快速发展，社会对高品质商品苗的需求量日益增加．中国是全球植物工厂化组培育苗的生产基地和出口基地，也是目前全球最大的组培苗消费市场[3,11]．据农业部估计，2011—2015年期间，全国蔬菜商品苗的需求量就在6 000亿株以上，花卉苗木种苗的需求量在2.5万亿株以上，国内外市场的需求潜力不容小觑．

传统的植物组培中应用荧光灯等作为光源，生物效能极低，能源浪费严重．采用 LED调节光质和光强，对调控组培植物的生长发育、形态建成、缩短培养周期、提高品质、节能降耗具有非常重要的现实意义．已经开展的研究包括 LED红光、蓝光和红蓝组合光对兰花、非洲菊、马铃薯、天竺葵、马蹄莲、草莓、香蕉等花卉和作物的形态建成、生长发育等多方面的影响．随着研究的进一步深入，LED植物工厂化育苗必将会成为育苗新趋势．

1.4 LED与垂直农业种植

垂直农业是在植物工厂技术上发展起来的新型设施农业生产模式，是一种以人工构筑的多层立体空间为载体的高效农业系统，通过模拟与创造植物的生长环境，进行植物周年连续生产，对光源有较大的需求，LED为垂直农业提供了保障．

目前，美国、英国和日本等国的科学家依靠本国的 LED发展优势，正在积极倡导垂直农业的理念，但真正意义上的垂直农业模式还未出现．中国作为一个人多、地少、资源紧缺的国家，选择垂直农业是种植业发展的必然选择．

1.5 其他应用

从生态保护需求出发，一些转基因植物的栽培必须在隔离空间进行．采用 LED人工光源调节封闭设施内的植物生长光环境，可以一年进行多次转基因植物的栽培，理想地控制气温和光质，还会缩短开花育种的周期．

由于 LED具有空间环境所需要的基本特征，近年来已经成为太空农业重要的人工光源．在我国，航天医学工程研究所已经有相关方面的研究试验[12]．将来，在太空航天器、远洋航船以及其他星球等特定场所，将会出现以LED为人工光源的植物生产系统，以满足特殊环境下人们的食物需求．

LED还可用于植物生产中害虫的物理诱杀．通过研究几种主要昆虫(害虫、天敌和中性的昆虫)对 LED不同波长趋光性的反应程度和敏感性数据，建立数学模型，开发 LED害虫诱杀灯防治虫害．南京农业大学已经开展了相关研究[13]．市场上销售的 LED害虫诱捕灯就是根据害虫对波长喜好进行而设置，具有“鉴别”益虫和害虫的功能，在节能的同时，针对性地捕杀害虫．

2 LED在植物生产领域的国内外应用进展

LED光源在农业领域的应用日益受到世界范围内的广泛重视．目前国内外可查到的 LED农业照明领域的专利100多项，在这些申请的专利中，韩国和中国申请的数量最多，其次是日本和美国．

2.1 国外LED的应用进展

随着LED技术的发展和制造成本的下降，日本、韩国、欧美等国纷纷将LED农业照明应用作为重要的发展方向．

2.1.1 亚洲国家

日本是最早开展LED农业应用研究的国家，对 LED农业应用的支持力度非常大，非常注重 LED农业照明产品的研发．Tanaka等利用 LED进行植物栽培，发现复合光质比单一光质更适合植物生长[14-15]．三菱化学公司采用废旧大型集装箱改造成植物工厂，使用 LED作为照明光源．昭和电工专门为“植物工厂”开发了LED产品，可以发射促使农作物生长的特定波长的红光，目前已被日本10多家植物工厂采用，2010年的销售额达10亿日元[16]．目前在日本，LED在农业领域的应用已经比较成熟了，全国各地建了许多依靠人造光培育蔬菜的“植物工厂”，已有植物工厂 137个，其中超过 100个是完全人工光照明的．Nuvege公司正在运行一个4层楼高的垂直农业平台，其主要产品是生菜，产品可以直接食用．

在韩国，知识经济部投入30亿韩元用于IT-LED栽培核心配件和核心技术研发，并于2011年进行了商业推广．除了芯片开发还建造了495 m2的规模化LED栽培基地[2]39．2010年，栽培基地试验栽培人参和草莓，并取得了成功，2011年开始进行大面积的种植．

2.1.2 欧美国家

欧美等国明确公布2012年起禁售白炽灯，使各国将注意力转移到节能能源LED应用上，在一定程度上推动了LED农业应用的发展．

2010年，美国农业部资助Purdue大学进行LED照明技术的研究，用于改善不良自然环境下的农业发展状况，以评估并提高 LED在温室中的应用．美国航空航天局(NASA)研究中心把 LED光源列为空间植物栽培系统首选光源，并委托Wisconsin大学等单位开展研究，目前已经研究出利用6～14 m2就能提供一个人需要的面粉、豆、薯、菜、番茄、玉米等食物的生产模式[17]．

德国Heliospectra公司发布了L4A系列的10型LED照明系统，主要用于包括植物生物化学、植物分子生物学、昆虫学以及动物学等领域的开发研究．德国航空航天中心采用此照明系统作为环境封闭营养来源进化和设计研究项目的组成部分，最终实现在太空领域种植蔬果．

荷兰、法国也相继开发出植物工厂，采用 LED灯光照明，同时采用天敌生物防治技术，进行虫害防治．2013年，法国的Neolux公司还研究了一种能够防止某些葡萄酒和烈酒“口味变淡”的LED照明技术．

2.2 国内LED的应用进展

2.2.1 LED在植物栽培领域应用的标志性事件

我国开始探索LED在农业领域的应用研究始于1998年，然而直至2009年，国内仅有两三家从事LED植物照明的企业．近年来 LED在育苗、蔬菜栽培和温室补光方面的应用取得了较大进展[18]．10年来我国 LED植物栽培领域应用进展的标志性事件如表1所示．

表1 LED在植物栽培领域应用的标志性事件

总之，植物LED光源节能高效生产关键技术的突破，为我国跻身LED农业应用大国行列提供了有效的技术保障，同时也为未来在非可耕地的高效生产以及太空的食物自给提供了重要的技术支撑．

3 制约我国LED植物生产应用的因素及对策

3.1 制约条件

3.1.1 应用LED光源成本高

使用LED成本过高是制约其在植物生产中大规模应用的瓶颈．除了研制农用LED光源成本过高，植物工厂与太阳能光伏结合的成果未曾推广也是限制应用的因子之一．不仅是在国内，即便是大力推广 LED照明农业应用的荷兰、以色列、日本等国家，也还局限于花卉、草药等高附加值作物．可以通过减少农业照明灯具外观设计方面的投入，降低制造成本，或者通过加速 LED植物工厂与其他可再生能源相结合的成果推广应用，降低能耗．

3.1.2 政策扶持和LED农业照明研究投入不足

欧美、日本和韩国政府对于 LED在生物领域的应用高度重视，政府和大企业、大集团都巨额投入参与该领域的研发和示范．但在我国，虽然出台了关于半导体照明的发展意见和规划，提出了重点发展医疗、农业等特殊用途的半导体照明产品，但是政府对于 LED农业照明产业的支持还比较少，至今仍然缺乏专项支持，研究投入严重不足．

3.1.3 LED光源技术研究的限制

虽然已有研究证明LED在农业领域应用的可行性，但是在农业LED光源研发方面仍缺乏适用于农业生产的精确可靠的光源技术指标体系，需要国家及相关高校、科研院所进一步深入研究，开发形成一套成熟完善的农用LED光源技术．

3.1.4 LED农业照明企业竞争力不强

飞利浦、欧司朗等国际著名照明公司已经开始涉足 LED农业照明应用市场，以雄厚的资本布局这一领域的研发、制造和推广应用．由于国内已有LED照明企业未能充分介入农业LED光源的研发中，投资少，研发力度不够，缺乏具备核心技术的企业．如今生产 LED农业照明灯具的企业绝大部分为小企业和私营企业，多分布在深圳和我国华南地区，缺乏核心自主知识产权和系统性研究，能够参与国际竞争的龙头企业集团不多．最后，LED农业照明产品良莠不齐，产业化和标准化程度较低，成本较高，缺乏市场竞争力．

3.2 解决对策

3.2.1 政府要加强政策鼓励和资金投入

政府出台鼓励政策和增加资金投入，吸引从事LED制造和研发的企业参加，促进LED农业应用光源硬件领域的发展．同时，实行农业LED资金补贴，解决 LED成本高的问题，推广应用 LED光源的农业节能高效生产模式，资助传统照明产业改造升级，促进农业LED光源产业的健康合理发展．

3.2.2 加大科研投入

尽快组织科研力量系统开展光生物学机理的研究工作，可选择附加值高、具有代表性的作物种类作为研究对象，优先开发光配方技术和光环境管理策略，定量定向的调节植物的生长发育和产量品质，推进技术实用化，提高经济效益．例如广东省政府已经加大投入设立LED研究专项，推动LED工厂化育秧、设施栽培和植物工厂的应用．

3.2.3 加大LED农业照明产品的研发及推广应用力度

由于农业专用芯片的研发生产主要由国外公司控制，限制了国内 LED农业应用领域的研发和推广进程．国家应加大农业专用 LED芯片及灯具的研发和生产，推进工程学科和植物学科的研究者共同合作，研制开发出符合中国生产实际的 LED植物光源、照明自动控制系统、新型植物生长调控装置和大型植物工厂化育苗设施等．通过制定 LED灯具标准，形成一批标准化技术产品，优化LED农业照明灯具，推进 LED农用光源产业的快速发展，拓展应用层面．

3.2.4 建设LED现代农业科技示范园

国务院一号文件提出创建现代农业示范区将是提高农业科技创新和推广能力的重要途径．LED农业科技园作为 LED研发和实用技术的组装集成、科技成果转化及现代农业产业的示范载体，不仅可以吸引一些 LED农业龙头企业进驻，带领集中规划建设一些蔬菜、花卉、中草药以及禽类养殖等 LED产品应用示范基地，而且能够吸引取得新突破的LED关键、共性技术和重大农业科技应用成果进行转化，成为推进我国LED农业发展的有效模式．同时，以华南地区为重点，运用有效的商业模式进行 LED农业推广，推广 LED农业照明灯具，打造LED农业照明产品应用综合示范区．

4 结语

LED在农业照明领域应用的前景非常广阔，国家目前又提出了战略性新兴产业扶持政策，政府将会出台更多更优惠的政策和措施来支持低能耗高附加值、绿色节能环保的行业发展．相信在良好的政策环境和广阔的市场需求下，农业照明领域的 LED光源市场将会得到大力拓展．随着农业照明领域 LED光源技术的日趋成熟，中国必将成为世界最大的LED农业照明应用和生产大国，必将大大加快中国农业现代化的前进步伐．

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