LED在植物照明中的应用及发展趋势

刘杨+吴一新+陈亮+杜罡+陈朝兴+孟彦龙

摘 要：LED植物照明作为一种新兴事物，具有非常大的市场发展潜力。简要介绍了将LED光源应用于植物照明中所需的关键技术，分析了目前国内LED在植物照明中的应用情况，并阐述了LED植物照明未来的发展方向。

关键词：LED；植物照明技术；光源配光理论；光控系统

中图分类号：Q945.43 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.052

光是植物赖以生存的必要条件，它不仅能调控植物的生长，还能作为环境信号调节植物的整个生命周期。由此可知，植物照明技术是现代农业建设中必不可少的一部分。但是，传统植物的照明光源具有发光波长单一、能耗大等缺点，所以，限制了其发展。发光二极管（Light-Emitting Diodes，LED）是一种基于半导体pn结的发光元器件。通过在阳极和阴极加载电压分别向p区和n区注入空穴和电子，使得二者在器件中辐射复合，从而发光。这种元器件具有较高的电-光转换效率，发光波长可调。因此，基于此类元器件的光源有望成为植物照明应用光源的重要替代品。

随着LED植物照明应用技术的发展，植物照明LED光源设计和制备技术越来越成熟，LED光源的产品也越来越多。本文主要介绍了植物生理学的相关特性和LED技术在植物照明中的应用情况，阐述了该技术的不足，以期推动其进一步发展。

1 植物对光的需求特性

在植物生长的过程中，光照度、光质和光周期都会对其产生影响。研究发现，在弱光下，增加光强能提高光合速率，但是，当光强增加到一定值时，它将不再起作用。此时，影响植物生长的因素就变为温度和二氧化碳的浓度。红光和蓝光是植物生长中最重要的两种光，而红蓝光光通量比（R/B 比）会影响植物的培育效果，其他颜色的光也会在一定程度上影响一些植物的生长。另外，光周期也会对植物的生长发育产生影响。目前，关于“光周期对植物生长发育影响的机理”已经有不少研究报道，在这些研究中，很多是针对光诱导开花机理进行探索的，以期实现对观赏性植物花期的有效调控。

由此可知，将LED光源应用于植物照明中，需要从多个方面考虑光源的设计，以满足受光植物的照明需求。

2 植物照明光源配光理论

目前，常用的评价植物光照效果的基本测量方法是光合有效辐射能量法和光合光子流量法。

对于光合有效辐射能量法，使用积分球可以直接测出光源的光谱功率密度，并设定积分区间，从而得到不同波长范围内辐射功率总量的公式，即：

式（3）中：PPPF为光合作用的光子流量，μ mol/s；h为普朗克常数，即6.626 170×10-34 J/s；c为光速，2.997 9×108 m/s；Ni为波长为λi时光谱辐射所包含的光子数；n为阿伏伽德罗常数，6.022×1023 mol。

通常情况下，植物学家采用光合光子流量法来分析、研究光与植物的相互作用。

3 LED植物照明的研究及应用现状

20世纪80年代，日本开始研究将LED应用于植物生长中，但并未在高亮度蓝光芯片的应用方面有所突破，仅应用了660 nm的离散型LED。20世纪90年代中期，NASA就开始筛选和发展LED光源，并将其应用于植物组培中。1989年，高亮度GaN基LED问世，进一步推动了III-V化合物LED的发展。近年来，已经有大量的研究报道光照、光质和光周期与不同作物生长形态之间的关系，并提出了相应的光照度、光质和光周期优化设计方案。表1为LED在植物照明中的具体应用情况。

在改善LED灯具的功能方面，方溁提出，可通过改变LED颗粒的排布情况提高照明的均匀性。除了光学设计方面的内容外，科研人员还从照明设备的驱动电路、控制系统和设备结构方面入手开展了一系列的研究。例如，LED智能光照生物培养箱、LED 植物生长箱和基于太阳能供电的LED光控系统等植物照明系统或装备等。另外，岑益超等人还提出了基于Zigbee网络的LED智能照明控制系统。

虽然我国LED植物照明研究起步较晚，但是，其发展速度非常快，主要致力于应用基础研究和应用技术研究。2013年，国家投入经费4 611万元，主要用于研究植物工厂中的关键技术。随着现代农业设施的推广，2017年，预计全球LED植物照明市场的利润可达5亿美元。

4 展望

LED照明光源具有传统照明光源无法比拟的优势，所以，它被广泛应用于通用照明和特种照明领域。随着LED照明灯具应用研究的深入，其应用市场也在不断扩大。LED在植物照明领域的应用是一项新兴研究，虽然光源在植物照明中的应用研究比较早，但是，LED光源具有波长可调、光源形态可控、照明控制系统智能化等优势。相信，随着社会经济的发展和相关方面研究的不断深入，LED照明光源的应用研究将进入一个新的发展阶段。基于LED光源的植物照明市场也将充分体现现代农业设施的特色，为我国农业的发展贡献一份力量。

参考文献

[1]高荣孚，张鸿明.植物光调控的研究进展[J].北京林业大学学报，2002，24（Z1）.

[2]刘彤，刘雯，马建设.可调红蓝光子比例的LED植物光源配光设计方法[J].农业工程学报，2014（1）.

[3]吕艳.植物LED光源关键技术研究取得重大突破——“植物LED节能高效生产关键技术研究与应用”项目通过农业部科技成果鉴定[J].农业工程技术：温室园艺，2011（2）.

[4]魏灵玲，杨其长，刘水丽，等.LED在设施园艺中的应用系列（一）LED在密闭式植物苗工厂中的应用[J].农业工

程技术：温室园艺，2009（5）.

[5]王忠.植物生理学[M].第2版.北京：中国农业出版社，2012.

[6]刘晓英，徐志刚，焦学磊，等.植物照明的研究和应用现状及发展策略[J].照明工程学报，2013，24（4）.

[7]杨玉杰，李海云.光周期对植物生长发育的影响研究进展[J].安徽农业科学，2010，38（13）.

[8]王成章，韩锦峰，胡喜峰，等.不同光周期条件下PhyB和ABA对不同苜蓿品种的秋眠性调控[J].草业学报，2006， 15（6）.

[9]高鸿磊，诸定昌.人眼光度学与植物光度学的单位转换[J].灯与照明，2007，31（2）.

[10]Morrow R C.LED lighting in horticulture.Hortscience，2008，43（7）.

[11]唐永康，郭双生，艾为党，等.不同比例红蓝LED光照对油麦菜生长发育的影响[J].航天医学与医学工程，2010， 23（3）.

[12]方溁，季杭峰，季慧华，等.LED植物组培灯具的光照均匀性设计[J].中国照明电器，2014（02）.

[13]岑益超，余桂英，季杭峰，等.新型智能LED植物组培光照系统设计[J].中国农机化学报，2014，35（5）.

〔编辑：白洁〕