LED光调控技术在设施农业中的应用研究进展

徐永+林魁

【摘要】设施农业是一个集智能化、自动化等多学科领域的环境可控农业，其中人工光能耗占了相当大的比重，减少能耗是实现设施农业节能的重要研究课题。本文以设施农业中LED的应用为主要研究对象，分别从设施农业光环境调控的必要性、LED光环境调控技术在设施农业中的应用及其复杂性、LED在设施农业应用的展望等方面进行阐述，为进一步的研究提供理论依据。

前言

以设施蔬菜为主体的中国设施农业在扭转蔬菜长期供应不足，实现自给自足，并成为世界蔬菜出口大国中发挥了关键作用[1]。设施农业是一种现代化的可控农业，又称环境调控农业，是高投入、高产出、高能耗的行业，可以减轻或防止露地生产条件下灾害性气候和不利环境条件对农业生产的危害[2]。设施内的环境调控技术呈自动化、智能化、管理现代化等特点，是现代农业的主要生产形式之一[3]。

光是影响植物生长发育和功能性化学物质积累的最重要环境因素之一，光不仅能够作为一种能量源参与植物的光合作用过程，也能作为一种信号源调节植物自身的生长、分化和代谢[4]。当农业生产从天然不可控的自然环境移到人工可控的室内设施环境后，可控因素大大增加，从而延伸了对传统设施农业中光环境维度的一般定义，即由原来所认识的3个维度（光强、光质、光周期），扩展到光的7个维度特性[5]（光强、光质、光照模式、均匀性、方向性、偏振性和相干性）。这些维度特性不仅丰富了人工控制植物生长发育的途径，而且对于深入探究不同维度或多种途径的综合效益具有重要的指导意义。

设施农业光调控的必要性

从世界范围来看，早在20世纪20年代，发达国家就开始发展绿色农产品。在随后近100年的时间里，现代农业获得了突破性的进展。在石油农业时代，化肥、农药的大量施用，导致农产品过剩，也带来了农业生态环境的破坏和农产品的污染问题。以生菜为例，在长期的消费过程中，人们对生菜品质和口味等要求逐渐提高，但传统栽培与生产方式很难满足广大消费者的需求，生产商转而使用如植物生长调节剂和微量元素等化学方式，以求能够在短期内促进生菜的生长发育及功能性化学物质的快速积累。然而大量施用化肥和农药，使土壤中原本的营养素浓度及营养元素的比例因化肥的施用和生菜的选择性

吸收而逐渐偏离正常值，并随着栽培时间的增加而逐步加剧，导致土壤肥力严重下降，生菜栽培效益逐年递减。更为严重的是，在多茬种植后土壤中积累了大量的生菜根系分泌物，这些分泌物经过一系列化学反应转化成对土壤和生菜有害的自毒物质，从而造成了生菜的连作障碍[1]。

用光照的方式促进植物生长和有效物质积累与传统的转基因、杂交和施用化肥等方法有着本质的区别[5]。它通过对外部条件的控制，利用各种不同光谱成分的组合和光强调控技术来促进植物的生长，从而达到增产增收、增质增效的作用。同时，在不同的生长阶段使用不同光波谱段的组合，还可以对植物的生长和功能性化学物质的积累进行对症配光，并将这些配光方案组合起来对植物进行照射，从而生产出产量佳、口味好、营养高的作物。因此，光调控技术对于减少化肥、农药和生长调节剂等的使用，生产出品质好、产量高的作物具有独特的效果。

此外，受气候变化影响，严重的干旱、洪涝等自然灾害频繁发生，近几年由于大规模引入化工及其他重污染型企业使高纬度以及其他许多地区（如中国北方地区）的空气污染指数持续攀升，使得自然光照条件（光照强度、光质、光照时间）欠缺现象严重，制约作物的生长发育及其品质的提高和优质高效的生产。因此，研发安全环保、经济有效的补光技术是当今设施农业生产的重要课题。植物的光环境调控是对植物的生长和发育过程进行光环境调控的一种物理手段，生态安全，环境负效应少[6]。设施农业作为一种环境可控的农业生产方式，为克服上述设施农业生产中的弱光寡照等光环境问题，发展光环境调控及LED照明技术是其内在要求，更是客观需求。

LED及其相关应用

光源是发展设施农业光调控技术不可或缺的主要部分。长期以来，在农业照明领域内常用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤化物光源等，这些光源均存在光效低、能耗高、寿命短等弊端[7]。发光二极管（light-emitting diode，LED）是一种能够直接将电能转化为光能的固态（Solid-state）半导体发光器件。由于兼具光、电、热等多种优良特性（高光效、低功耗、低发热等）及结构方面的优势（如体积小、重量轻、安全性高等），使之在各种应用中逐步取代传统光源的地位，具有广泛的应用前景[7-9]。近年来，随着LED技术的不断成熟及制造成本的日益降低，LED逐渐被广泛应用于各领域，如背光、通信、装饰、城市夜景布控等。更为重要的是，在非视觉照明的领域（如医疗、植物照明等）LED的运用范围也不断扩大，其优越性得到更为充分的体现[1]。

目前，LED在设施农业领域的应用研究已经引起全世界的广泛关注，具有广阔的应用前景。除了将LED运用于温室补光，在种苗繁育与苗菜栽培等方面，LED也發挥着重要的作用。同时在植物组织培养领域，采用LED作为供给光源，调控组培植物生长的光环境，不仅有利于植物生长发育和形态建成，同时能够大大降低耗损，节约成本，并加快培育过程[10]。总之，LED光源被认为是现代农业照明的理想光源，半导体照明必将逐步替代传统光源而被广泛运用到设施农业生产的各个领域。

LED照明在设施农业中的

应用现状及其复杂性

LED的出现在很大程度上弥补了传统光源在设施农业生产中的不足，比如无法实时调控其光强和光质成分等。LED在设施农业中的应用领域多样，各领域生物形态多样，光环境需求差别迥异。总结起来，LED在设施农业光环境调控中的应用领域主要有以下几个方面。

LED在温室补光中的研究

自然界中，太阳的光照度随地理位置、海拔高度、四季变化和时间的不同而变化。温室内的光照度除与上述因素有关外，还与温室结构、管理措施及材料的透光性能等密切相关[11]。由于受温室方位、覆盖材料的特性及其洁净程度等多种因素的影响，温室内的光环境较露地有很大差异，尤其在寒冷的冬季、早春季节或阴雪天，太阳高度角低，日照时间短，温室内光照度往往不能满足作物生长的光需求。人工补光成为众多可控环境温室管理的必然选择。

温室内光环境调节主要包括光辐射量、光照时长和光质的调节[12]。近年来，随着技术的不断进步和工艺水平的不断提高，新型节能LED光源也引起了广泛关注。常用的LED温室补光光源主要有2种形式，一种是垂直照射的点式光源，另一种是穿插于植株之间进行侧面照射的带式光源[11]。将LED作为温室补光光源，不仅可以根据气候条件、作物类型以及作物生长不同阶段，调整LED补光的光强、光质和光照时间。同时因其结构简单、便于安装、高度可调等优点使其在温室补光中的优势日益凸显，且逐步发展成为温室植物补光照明的主流技术。

目前，已有的研究结果大多显示，对温室内的作物进行LED补光处理能够在不同程度上影响植物的生长发育过程。比如Jamal和Shandiz[13]对温室番茄进行LED光照处理后发现，在LED红光处理或者LED红蓝混合光处理下的植株茎粗更大。而在单一蓝光照射下，植株高度会降低，且脯氨酸含最高。同时，不同LED光质对番茄生长的影响具有品种特异性，对不同品种其作用程度也不同。总而言之，LED照明技术的不断进步正引领温室补光照明进入一个更节能、更可控的时代，也势必会在未来设施农业生产中扮演一个不可或缺的角色。

LED在种苗繁育中的研究

LED在种苗繁育领域的应用研究主要包括植物组织培养、扦插和嫁接苗的光照、种苗的生长发育研究等。利用LED光源对种苗繁育进行研究，对于保护和利用种质资源、培育种苗、提高种苗品质和产量具有重要意义。

在植物组织培养中，光环境的调控策略对植物的光合作用及其形态建成具有重要作用。因此在组培苗培养过程采用LED作为供给光源，并对其光照强度和光质配比进行调控，不仅能够促进组培植株的生长发育和形态建成，还能缩短培养周期、提高组培苗质量。多年来，国内外学者围绕LED光源在植物组培苗的生长发育、形态和器官分化等应用领域进行了不懈的探索，取得了重要的进展。总结起来，主要包括以下3个方面：①不同LED单色光对组培苗的影响及作用机理；②LED紅蓝混合光对组培植株生长发育的影响；③不同LED光质组合优化参数对组培苗的生物效应。具体而言，Duong等[14]在单质红光LED的研究中发现，草莓组培苗茎明显伸长，但叶绿素含量却有所降低。而在LED光质对马蹄莲组培苗兼养条件下生长效果的影响研究中发现，未经LED照射处理的干质量和生长速率差异不显著，但添加蓝光LED后对组培苗的株高和叶绿素含量有显著的正效应[15]。不同植物对光质配比的敏感性不同，表现出不同的适应性。闻永慧等[16]研究了LED不同光质对白芨生长及其可溶性糖含量的影响，发现红蓝光比例调整为1：1有利于白芨组培苗可溶性糖的积累；而经移栽后的白掌组培苗在80%红光LED+20%蓝光LED处理下生长状况最好[17]。Jao和Fang[18]同样指出，45%红光LED+55%蓝光LED的处理对于马铃薯组培苗的生长效应是最适宜的。

随着社会的发展，LED的光谱可调控性、技术的不断创新和成熟以及使用量的日益增加（因而价格的日益降低），使它成为植物组织培养中的优选光源。如何将LED更好地运用于植物组织培养中，需要投入更多的关注和研究。比如，在选择适合植物生长的LED光源时，需要综合考虑研究对象的特殊性和LED的特性，充分考虑不同植物对不同LED光质的需求，合理地选用LED光源。同时，应结合环境调控等多个因素的耦合效应，如不同温度梯度、CO2浓度等，使LED光源在植物组织培养中的应用研究得以更加深入和系统，为LED光源在植物组培工厂化生产领域提供有参考价值的依据和可行性参数。

LED在苗菜栽培中的研究

LED光源的研发为人工光型植物工厂的发展提供了契机。国内外有关单一或组合的LED光质对不同蔬菜品种进行调控的主要作物包括生菜、芽苗菜和甜菜等，并取得了喜人成就。研究表明，光质能够影响生菜的生长及其体内功能性化学物质的积累。如Johkan等[19]利用蓝光、红光、红蓝光混合等不同光质的LED灯及荧光灯来照射红叶生菜植株。经不同光质与光强的配比处理17天后发现，荧光灯培养下的生菜体内的多酚含量和总抗氧化能力显著低于在蓝色LED光照处理下的植株。该试验表明在蓝光下培育幼苗对于促进种植后的生菜植株多酚含量的积累是有帮助的。Goto[20]研究了红叶生菜在相同光合有效量子辐射下，通过使用红光LED和蓝光LED来研究二者对红叶生菜花青素积累的作用，试验结果表明，花青素的浓度随着蓝光比重的增加而增加，说明蓝光照射能够有效促进红叶生菜功能性化学物质的合成。黄枝等[21]就不同LED复合光质对瓠瓜幼苗生长及生理生化指标的影响做了深入研究，他们用4个不同LED复合光质（7R0G3B，6R2G2B，3R0G7B，2R2G6B）与对照白光对瓠瓜幼苗进行照射处理。结果表明，可以采用红绿蓝比例为6：2：2的LED复合光作为瓠瓜生长的最适光源。

LED在应用于设施农业蔬菜栽培的光电子农业调控中具有无可比拟的优越性，被认为是在蔬菜设施栽培中有广阔应用前途的人工光源。中国学者率先开展了LED光源在芽苗菜生产中应用的研究，取得了针对不同种类芽苗菜的光环境参数，LED光源在该领域的推广奠定了基础。今后，深入探究不同光环境因子的协同作用、光环境参数的优化、植物光形态建成的机理，以及光环境与其他环境因素对植物生长发育的交互影响等问题，不仅是光生物学理论研究的热点，还能为设施农业蔬菜生产的光环境调控技术的发展提供科学依据。

LED在食用菌生产中的研究

食用菌口感鲜美，营养丰富，深受广大消费者喜爱。食用菌工厂化生产是指利用工业技术对设施环境要素（如光照、温湿度等）进行自动化控制，并进行高效率的机械化、自动化作业，实现食用菌的规模化、集约化、智能化、标准化、周年化生产[22]。常见的食用菌工厂化生产的品种如金针菇、杏鲍菇、蟹味菇等，均需要一定的光照才能够正常出菇。

光对食用菌的影响涉及菌丝体和子实体两个阶段，适宜的光照条件才能促进食用菌的优质高产，实现工厂化的高效生产。然而，不同品种的食用菌对不同的光谱成分和光强的反应不同，且不同的生长阶段对光强和光质的要求也有差异。据报道，LED蓝光有利于灵芝、黑木耳菌丝体的生长[23-24]，蟹味菇子实体的生长，并且在LED蓝光照射下的产量最高[25]；LED红光有利于绣球菌和平菇菌丝的生长[26-27]，且为杏鲍菇子实体原基形成和发育阶段的最适光质[28]；黄光对绣球菌原基形成有较强的诱导作用，且出菇同步性好[26]。此外，在有关不同光质LED光源对工厂化金针菇菌株生长的影响研究中发现，在金针菇催蕾育菇阶段，黄光比蓝光、白光对菇柄具有更好的促进伸长作用[29]。其他研究同样表明，不同波段的光谱对食用菌生长的影响不同[30]。有关不同光强对食用菌的影响最早涉及食用菌菌丝生长、出菇、产量等形态特征及色泽方面的研究。田雪梅等[31]研究了不同光质光量对樟芝菌丝体生长的影响，认为是在菌丝体生长过程给予适当的光照能够促进其生长。李玉等[30]同样指出不同食用菌对光照需求差异不同。相关研究表明，强光下（4000 lx）培养的平菇菌丝受到强烈的抑制[32]，而金针菇白色品系在抑制阶段的不同时期采用光照对菌盖的形成效果不同[33]。

迄今，有关食用菌光生物学领域的研究进展缓慢，基本处于停滞状态，且鲜有报道[22]。随着食用菌工厂化栽培的发展，对智能化的环境控制要求越来越高，有关LED对食用菌菌丝生长与转化代谢方面的促进作用仍有待更为深入的研究，以确定最佳光环境参数，研发专用的灯具和布控方式等。此外，制定适于食用菌光环境控制策略、光照模式及相应的光调控实现方法，探索不同光环境下食用菌工厂化生产的品质和产量综合效益，特别是药用食用菌的营养保健价值响应机制仍是当务之急。笔者坚信，LED光源在食用菌光生物学及其产业发展中将起到非常重要的作用。

LED光源对设施农业作物生长

发育调节的复杂性

上述简要介绍了LED在设施农业光环境调控中的应用领域。可以看出，LED光调控设施作物生长发育的作用具有较高的复杂性，且生物种类和生物效应庞杂，需从多个层面、多个尺度进行逐一解析并开展更为详尽和系统的研究工作[34]。这样做的原因有3点：①在设施农业生产的各个领域，不同园艺作物种类及品种、植物生长发育的不同阶段，以及不同组织或器官对LED光源的响应机理、方式和敏感程度各不相同，加之农作物的营养生长和生殖生长阶段具有多样性和复杂性[7]，而且，在人工可控环境条件下，光环境的维度不仅包括传统定义的光强、光质、光周期等维度，还包括光的偏振性、方向性甚至相干性等因素，从而大大增加了设施农业光环境调控的复杂性，需要逐一进行系统的研究，揭示其光生物学规律；②不同光生物学指标对光环境响应的不一致性或不同步性是设施农业LED光调控的另一重要特征，且研究方法各异，需要对各个指标逐一进行明确的研究，一种作物的研究成果很难类推到另一种作物上；③LED光源的应用效果并非对所有的形态和营养指标都同向变化，而是呈现出离散型响应方式，某种对形态指标有益的光环境并非对营养指标也有益，某种对某一营养指标有益的光环境并非同时对另一种营养指标也有益，等等。因此需要区分正效应和负效应，以提高调控效果[7]。上述3方面的叠加效应显示了植物光生物学研究的复杂性和长期性。最后，设施系统种类多，光环境特征及变化规律迥异，因此需要有针对性进行光环境的调控[34]。

LED光调控技术在设施农业中

应用的展望

21世纪被誉为“光的世纪”，植物光合作用是地球上一切生命的基础。然而，太阳光照的不足将对农作物生产的产量和质量带来严重的负面影响，在这种情况下，人工补光以及在密闭环境下的人工照明均需要高光效、低能耗的新型光源。LED以其高效节能的特有优势正吸引着全世界的目光，尤其是在全球能源短缺的背景下，LED的推广和普及正受到世界各国政府的日益重视[35]。

运用人工光进行栽培的技术实质上是通过类似光催化反应而进行的，是通过对外部条件的控制，同时利用不同光质的组合和光照模式的匹配来促进植物的光合作用、生长发育和有效物质的合成，最终达到增產增质的目的。设施农业生产中的LED光调控技术的实质是通过对外部条件的控制，并根据植物生长过程的光需求，提供相应的光谱成分的组合和光强调控并配以合适的光周期，以促进植物的生长和功能性物质的积累，从而达到增产、增收、增质和增效的目的[36]。设施农业中LED光调控植物生长发育的方式不仅环保、副作用小，而且能够达到优质高产的目的。

本文所提到LED的显著优势，必将会在设施农业等众多领域内发挥积极的作用。近年来随着科技的不断发展和进步，LED的制造和使用成本也将越来越低，其优越性也将得到更为充分的体现。因此LED必将在植物组织培养、工厂化育苗、高附加值植物和名贵中药材等设施园艺植物栽培等领域得到越来越广泛的应用。在植物组培领域将有可能出现替代传统荧光灯的LED专用组培灯具，其光强、光质和光照时间均可根据作物的生长需求进行自动调节，从而大幅度提高组培效率，并降低系统的能耗；在完全控制型植物工厂中也会出现由多种单色LED光（如红蓝光）组合的人工光源，使作物栽培层的间距和空间利用率都得到有效的提高，进而促进植物工厂的普及与应用及成本的降低。在戈壁滩、沙漠、边远岛屿、南北极地，以及太空航天器、远洋航船和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对食物的需求。

目前，以LED为设施作物照明主要供给光源的研究方兴未艾，发展势头如火如荼，但基于LED对设施农作物生长发育调节的复杂性，探索设施农业LED对植物生长发育的影响的光配方及专用灯具的研发尚有很长的路要走。相信在不久的将来，通过行业科研人员的不断努力，LED在设施农业中的应用将会取得长足的进步，也将极大地推进设施农业LED光调控技术的深层次普及和发展以及光植物学科的研究进展和突破。

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