LED光源在植物工厂中的应用

徐圆圆 覃仪 吕蔓芳 刘旭庆 韦素洁 杨梅

摘要 LED光源作为第四代新型半导体固态冷光源，具有光质纯、光效高、波长类型丰富、光强与光质可调控及节能、环保、寿命长等优点，在人工光植物工厂光环境调控和太阳光植物工厂人工补光方面具有广泛的应用前景。文章阐述了植物工厂和LED光源的特性及优点，介绍了LED光源在植物工厂补光、光环境调控中的应用，并对LED光源在植物工厂中的应用前景进行了展望。

关键词 LED光源；植物工厂；光环境调控

中图分类号 S123 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）06-0161-02

Current Status and Developmental Trends of LED light source Utilization in Plant Factory

XU Yuan-yuan 1 QIN Yi 2 LV Man-fang 2 LIU Xu-qing 1 WEI Su-jie 1 YANG Mei 1 *

（1 College of Forestry，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004； 2 Guangxi State-owned Weidu Forest Farm）

Abstract LED light source as the fourth generation of new type semiconductor solid state cold light source，with the advantages of pure light quality，high efficiency，rich wavelength，light intensity and light quality are controlling and energy saving，environmental protection，and so on. These advantages make LED light source have a wide application prospect in artificial light plant factory ambient light regulation and solar plant factory of artificial lighting in. The advantages and characteristics of plant factory and light-emitting diode were described，the application of light fill and light environment regulation in plant factory were introduced，and the application of LED light source in plant factory was prospected.

Key words LED light source；plant factory；light environment regulation

隨着人们对农产品需求的日益增加，人们的环境意识薄弱使得环境污染不断加重，气候灾害频发，使得农业资源减少，农田生态系统的生产性能与稳定性下降，严重影响其可持续发展[1]，设施农业的出现为解决此类问题提供了途径。植物工厂是设施农业的最高级发展阶段，它很好地将现代工业、生物科技、营养液栽培和信息技术等相结合，对设施内环境因子实施高精度控制，具有全封闭、对周围环境要求低，缩短植物收获期，节水节肥、无农药生产、不向外排放废物等优点[2]，单位土地利用效率是露地生产的40～108倍，智能化人工光源及其光环境调控对其生产效率起到决定性作用[3]。植物工厂的能耗成本通常占总运行费用的50%～60%，将LED光源运用于植物工厂可以降低运行成本，随着半导体光源技术的发展，LED光源品质不断提高、价格逐渐下降，LED将逐渐取代荧光灯作为密闭式植物工厂中的人工光源[4-5]，这很好地解决了植物工厂的能耗问题。早在20世纪50年代，美国就提出了植物工厂这一概念，并在70年代使其商业化，随后日本研究者也逐渐对植物工厂进行研发[6]。我国对植物工厂方面的研究起步较晚，研究相对滞后。本文在前人研究的基础上对植物工厂的概念及特点进行了阐述，介绍了LED光源的特点及其在植物工厂补光、光环境调控中的应用，并对LED光源在植物工厂中的应用前景进行了展望。

1 植物工厂的概念及特点

植物工厂是一种实现植物周年、立体连续生产的高效系统，设施内的温度、湿度、CO2浓度、气流、光照和营养液组分等环境因子均由计算机实施高精度控制，不受或很少受自然条件制约[7]。根据光照来源不同，植物工厂可分为人工光植物工厂和太阳光植物工厂。人工光植物工厂采用人工光源与营养液栽培，栽培条件完全密闭，不受外界气候条件影响，植物可进行周年生产；太阳光植物工厂光源为太阳光或短期人工补光，采用营养液栽培，栽培条件半密闭，植物可周年生产[8]。目前，植物工厂可应用于反季节蔬菜、花卉、果品和食用菌生产，以及种苗、组培苗、大田作物育苗（水稻、烟草等）和濒危植物（中草药）扩繁与生产，我国有蔬菜工厂、种苗工厂、植物组培工厂等多种形式[9]。

2 应用于植物工厂的LED光源特征

发光二极管（light-emitting diode，LED），是一种直接将电能转化为光能的新一代照明光源，具有结构简单、重量轻、体积小、抗震性好、安全性高等属性特点，及光效高、低能耗、寿命长、冷光源、响应快、环保性高、使用方便等光电优势[10-11]。与传统植物设施栽培中使用的光源（荧光灯、金属卤化物灯、白炽灯等）相比，LED光源具有以下优点：①LED的光谱可按植物生长发育需求进行调制，生物光效高；②LED为冷光源，可贴近植物照射，空间利用率是温室的5～10倍；③LED为直流电，可控性好，光能有效利用率高，能对光强、光质和光周期等实现精准调控，适宜植物工厂的生产；④节能、环保、体积小、重量轻、长寿命；⑤LED光源装置多样（灯板、灯带、灯管和灯泡），适于植物工厂的应用[10]。研究表明，蔬菜中糖分、维生素的含量会随着光质和光照时间的不同而不同，可实现使用不同组合LED光源对蔬菜的营养成分和口味进行调整。对于植物的生长，采用LED进行跳动式的间歇光照，比连续照射更有效率[12]。

植物对蓝紫光（400～510 nm）、红橙光（610～720 nm）和远红光（720～780 nm）反应最为敏感，其中可吸收的波长主要集中在蓝紫光段（波峰为450 nm）和红橙光段（波峰为660 nm），但不同植物间所需的适宜光质存在差异，LED发射的窄单色红光光谱（620～625 nm）、蓝光光谱（470～475 nm），与光合色素（叶绿素a、b）的吸收波长相匹配，且LED光源光质调配精确、生物效应指向性高，使LED光源实施精准光环境调控提供了可能[13]。

3 LED光源在植物工厂中的应用

1957年世界上第一座太阳光植物工厂（1 000 m2）在丹麦诞生，用于种植水芹，而后奥地利建成第一座人工光植物工厂，种植生菜。1973年，英国发明了营养液膜栽培法，日本发明了深液流栽培法[8]。1994年日本开始试用LED作为植物工厂的照明光源，并在生菜、小白菜、茼蒿、芹菜、水稻、糊蝶兰等的工厂化生产上获得了成功[14]。2009年，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所成功研制了国内第一例智能型LED植物工厂，采用LED光源进行育苗生产，运行效果良好[15]。2010年4月，日本三菱化学公司将废旧大型集装箱改造成植物工厂辅以现代信息管理技术和LED光源进行作物的光合作用，日本昭和电工专门开发相关LED产品适应新生植物工厂的需求[16]。

3.1 植物工厂中人工补光

光是环境信号和光合作用能量的唯一来源，对太阳光植物工厂来说，人工补光是十分必要的，自然界中许多因素可能导致植物工厂内光环境（光强、光质和光周期）不能满足植物生长需求，此时就需要进行人工补光，而LED用于植物工厂人工补光具有一定优势。早在1982年就有关于采用波长650 nm的红色LED光源进行温室番茄补光的试验报道[17]。侯红英[18]用不同光质LED光源对小白菜、番茄、油菜进行补光栽培试验，结果表明红光使植株的鲜质量和株高显著提高，而蓝光苗更为粗壮。

3.2 植物工厂中人工光环境调控

人工光植物工厂中光环境的调控更为必要，其光源质量直接影响着植物的生产效率及其品质。渡边博之采用水冷模板LED光源栽培植物工厂内生菜、芹菜等蔬菜，光能利用效率较高，且能明显缩短生产周期。Okamoto等[19]使用超高亮度LED红光∶蓝光=2∶1培育莴苣获得成功。Yanagi等[20]研究表明，单色蓝光LED处理下莴苣干物重较纯红光或红蓝光组合下小，但植株显得更加矮壮和健康。Nichols等[21]研究发现传统人工光源产热较多，用LED补充照明，可将电能高效转变为有效光合辐射。研究发现，以LED单一或组合光源作为植物工厂内菠菜[22]、萝卜[23]、甜菜[24]等蔬菜的光源，可提高光合效率，促进植株生长，调控其形态建成。LED的光谱域宽在±20 nm左右，完全能够满足植物对单色光的需求，对红光、蓝光及其PPFD实现单独控制[20]。刘水丽[25]研究表明，与人工光照处理相比，LED光源下植株生长速率高，叶面积大，叶片数多，叶片生长速度快，扎根较深。张 欢等[26]研究表明，红光有利于萝卜芽苗菜生长，提高产量，改善部分营养品质。陈晓丽等[27]研究了LED组合光谱对水培生菜矿物质吸收的影响，结果表明，与叶绿素生理吸收波峰（峰值450、660 nm）对应的单一或组合光谱均可增强水培生菜根对Na、Fe、Mn、Cu、Mo元素的吸收能力，且单一红光光谱的促进作用最为显著。周 华等[28]在江西省科学院植物工厂内研究不同波长LED光源对生菜生长和品质的影响，结果表明红光能提高地上生物量，蓝光能矮化植物，提高生菜VC和粗蛋白质含量，复合光质（R∶B∶UV-B=20∶5∶1）可降低生菜叶面积，提高VC、粗蛋白质和粗纤维含量。

4 LED光源在植物工厂中的应用前景

世界上的可用耕地面积是有限的，随着工业化的发展，耕地面积减少，环境污染日益严重，植物工厂的出现，为人类目前所面临的粮食紧缺、资源耗尽、耕地紧张等诸多问题提供了一条可行的解决途径[29-30]。据报道，2013年全球植物工厂LED灯具产值高达12亿美元，较2012年增长了27%。LED光源植物工厂是植物工厂发展的方向，符合现代农业生产高效、高产、优质、生态和安全的总体要求，节能效果明显，推广应用前景广阔。

LED光源在我国植物工厂中的应用仍处于起步阶段，仍存在着许多问题，制约着其发展：LED光源价格偏高；植物工厂中LED应用技术需进一步提高，相关方面的研发和经费投入不足；产业化和标准化较低，植物工厂用LED光源仍处于试验研究阶段，未形成完善的标准化技术体系；缺乏有效的政策扶持。因此，不断借鉴国内外研究成果，进一步深入系统地研究LED光源在我国植物工厂上的应用具有重要意义。植物工厂作为一种新型的农业生产方式，正处于学习和成长阶段，还需要投入更多的关注和研究，而LED光源作为新一代光源应用于植物工厂具有很多优势，LED光源的使用可使作物栽培层的间距降低，再加上其散热少、光合利用率高，可降低成本、增加产量[31]。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在认知和磨合期[32]。而LED光环境调控是个复杂的过程，涉及光质、光强和光周期等的综合调控，也是未来人工光植物工厂必需实现和满足的技术手段，近些年，相关学者对LED光源在植物工厂中光生物学规律和光催化提效及LED光源装置创新與制造方面进行了研究[9]，但仍存在一些阻碍，有待深入系统的研究[33]。

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