植物光照用LED光源与高压钠灯的性能特点

苗 辰，耿 博，尤 杰，龙家焕，孔 乐，郑梦影

(1.南京农业大学，江苏 南京 210095；2.国家半导体照明工程研发与产业联盟，北京 100083)

引言

光作为能量和信号，同时作用于植物，是影响植物生长发育众多外界因素(光照、温度、水分、重力、矿物质等)中最重要的因素，还是植物整个生长和发育过程中重要的调节因子。光照的日累积量参数，也就是每天累积的光合有效辐射总量，对植物苗期和移栽质量有直接影响，如增加节间的干物质质量，减少移植后开花的时间[1]。新玻璃温室的整体透光率最高在80%左右，新塑料温室的整体透光率不超过70%，使用半年以后，温室的透光率会降到自然光的50%以下[2]。近年来，雾霾天气频繁发生，引起设施蔬菜光照不足，导致叶片黄化、植株萎蔫、生长缓慢、落花落果、茄果类作物果实着色不均，转色困难等现象，在生产上造成了严重损失。因此采用人工光源补光，对温室生产尤为重要。目前主流应用的人工光源主要有高压钠灯和发光二极管(LED)，两者在植物光照应用上各有特点。

1 高压钠灯和LED灯的光电性能

高压钠灯是一种高强度气体放电光源，电光转换率高，相对节能，寿命较长(平均为20 000～24 000 h)[3-5]，光谱近似连续性，易发生频闪、热膨胀变形，高压钠灯主要产生黄橙光，改进型的农艺钠灯增加了红蓝光[6]，尤其是红光的光谱能量比率。LED光源具有众多优点：平均寿命达30 000 h，质量轻、体积小，节能且寿命更长，光谱可调等，可以依照不同需求组合[7-11]。

高压钠灯可以做到很高的功率和功率密度，对灯体的散热要求低，功率/重量比、功率/价格比和性价比高。LED灯对灯体的散热要求高，其功率和功率密度有待继续提升，功率/重量比、功率/价格比低。在一定范围内，高压钠灯的光辐射输出与温度呈正相关，从原理上看，这是一个非常好的应用特性； LED灯的光辐射输出与温度是呈负相关性的，在这一特性上有进一步提升的空间。

由此可见，就光电性能特点而言，LED灯和高压钠灯各有优劣、各有特性，在具体使用中，应该依据植物补光的场景和需求特性，扬长避短，选择适宜的光源种类。

2 高压钠灯与LED对植物生理形态的影响

植物的生理形态可以一定程度体现出植物生长发育的好坏，很多生理指标都与植物的产量与品质直接相关。高压钠灯和LED灯对植物生长发育的影响，研究报道很多，但结果并不一致[12]。

陈善飞等[13]研究表明在使用钠灯补光的温室与不补光的温室相比，补光明显加速了番茄的开花结果，且有利于减少发病率。LED对嫁接苗成活率和抗病性优于高压钠灯[14]。王尔镇[15]研究表明在大面积的露地栽培选用黄色高压钠灯可对忌光性昆虫有效防治，从而可以提高作物的外观品质与产量。

郑丽等[15]研究表明LED植物补光灯处理下的切花菊植株高度、节间长度以及花径比高压钠灯处理下的植株分别高出16.4%，0.4 cm和1.6 cm。黄芸萍等[16]人研究表明在补光13 d之前高压钠灯处理下西瓜嫁接苗的株高要高于LED(R∶B=1∶1)处理，然而在17 d之后LED处理的嫁接苗株高增长明显，超过高压钠灯处理的株高，且LED处理的嫁接苗成活率高于高压钠灯处理。Poel等[1]用LED和高压钠灯补光，对辣椒、番茄、天竺葵、矮牵牛和金鱼草在苗期的生长状况做对比研究，发现除辣椒外，株高、叶面积和叶数均无明显差异，且对植物的开花无差异，表明在植物苗期不管用LED还是HPS作为光源补光，幼苗生长基本相似。但是当交替用高压钠灯和LED对番茄补光时，鲜重比单独用高压钠灯的低[13]。

有些研究表明LED处理的植物生物量和钠灯处理间无显著差异。在光量子通量密度(PPF)为90 μmol·m-2·s-1时，LED处理和高压钠灯处理下生长的辣椒、番茄、天竺葵、矮牵牛和金鱼草的幼苗具有相似的干物质量[1]。玫瑰中，在LED灯下生长茎伸长和叶面积通常较低，而新鲜和干重不受灯型的影响[1]。Avercheva等在 PPF为100 μmol·m-2·s-1条件下，培养15 d的大白菜观察到了同样的结果；LED灯下生长的植物比高压钠灯下的植物具有稍高的根茎干重比[17]。也有研究发现，在红蓝组合LED灯下生长的大白菜，其生产力比高压钠灯处理更低[18]。高压钠灯的光线可以更多的射进冠层以下，从而提升下层叶片的光合能力[12]。

对于木本植物，研究显示高压钠灯处理的苏格兰松树幼苗和挪威云杉幼苗的株高均高于LED处理，但高压钠灯处理下，根的干物质重低于LED处理，在茎粗指标上无显著差异[19]，该试验还发现尽管在培育期结束时幼苗生长和形态处理之间存在差异，但是LED处理和高压钠灯处理的幼苗，在田间性能的表现上无显著差异。

夜间开放景观灯还会对叶片颜色产生影响。叶片颜色主要受到100～400 nm的紫外光和400～520 nm蓝光的影响[20]。段然等[21]研究表明高压钠灯对植物叶色影响较小，白色LED对植物叶片颜色影响较大。因此若要避免植物局部叶色的改变则可以使用高压钠灯作为夜景照明，反之则可以使用合适光谱与光强的LED。LED作为草坪的照明光源要比钠灯的显色性能好[22]。

3 LED和高压钠灯对植物生理活动的影响

Lanoue等[23]用高压钠灯和LED(RB,RW)光照处理植物，观察到用高压钠灯补光时番茄和洋桔梗的水分利用效率高于LED处理，蒸腾速率低于LED处理，在净CO2交换速率和最终生物量之间没有差异，但最大光合速率都是相同的，这些结果似乎表明，光谱质量可以影响气孔及其功能，而不影响主要的光合机构。从LED和高压钠灯处理的植物中分离出叶绿体，其光合电子传递速率[24]没有显著差异。LED处理的植物，其光合电子传递速率在体内不低于(或更高)高压钠灯处理的植物[25]。但是Bergstrand等[12]研究表明在LED光照下，叶片的最大光量子效率高于高压钠灯处理。国外研究和实践应用表明，高压钠灯在可见波段红光区域有较强的红光输出正好位于植物对光源的敏感波段范围内，能大大促进植物生长的光合作用[26]，因此高压钠灯与其他类型的灯混用可以高效率地提供植物生长所需红光光成分[5]。

高压钠灯近距离照射植物会对植物产生热胁迫，从而导致玫瑰花瓣中呼吸作用过度和水分流失，造成花瓣变色和同化物的消耗[27]，影响产量和品质。但是有研究显示相反结果，表明高压钠灯下有利于植物的生长，原因可能是叶温的上升[12]。

研究表明在光谱以及各种环境刺激下可导致光合作用的各个步骤不平衡，因此只测量有限数量的光合参数很可能不能正确评测植物的光合作用性能和生长[28]。值得注意的是，植物对光质的响应是与物种相关的[19]。

4 总结

在具体的补光应用中，高压钠灯和LED对同种植物不同指标的影响并无倾向上的一致性，对不同植物同种指标的影响也无确定的倾向性。由此可见，高压钠灯和LED对植物的影响各有优劣。高压钠灯已在温室中广泛应用，LED目前还达不到与之匹敌的应用水平。在温室栽培发达的欧洲国家，高压钠灯依旧是温室栽培中主流人工光源。我们不能不顾及具体应用场景和植物需求特性，而盲目地宣传LED已取代高压钠灯，就现状而言，这种说法还存在片面性，容易导致两者的对立，从方法论上讲也是不适宜的。我们应该客观理智地看到，对于LED灯和高压钠灯，就其自身所具备的光电特性及其植物生理生化效应特性而论，两者在植物光照中的应用各有特点、各有其用，是相辅相成的共赢关系。

植物人工补光的目的是为了在自然条件不利的情况下，人工改变光环境使其满足植物生长需求，从而获得更多的产量和经济效益，那么就要讲究低投入、低能耗、高输出，讲究的是效率和效能。只有将植物灯类型的选择和植物品种、植物需求特性、投入成本、预期产量和经济目标综合起来考虑，我们才能做出合理适宜的选择，进而发挥出植物补光的最佳效能。

[1] POEL B R, RUNKLEC E S. Seedling Growth Is Similar under Supplemental Greenhouse Lighting from High-pressure Sodium Lamps or Light-emitting Diodes[J]. Hortscience A Publication of the American Society for Horticultural Science, 2017, 52(3):388-394.

[2] 杨春宇, 段然, 马俊涛. 园林照明光源光谱与植物作用关系研究[J]. 西部人居环境学刊, 2015(6):24-27.

[3] 张万奎, 丁跃浇. 高压钠灯的技术特性及降压节电应用[J]. 照明工程学报, 2006, 17(4):63-65.

[4] 沈志伟. 浅谈LED灯与传统高压钠灯综合性能优劣[J]. 价值工程, 2011, 30(10):21.

[5] 吕忠甫. 国外人工气候室的照明光源[J]. 辽宁农业科学, 1980(3)：50-55.

[6] 罗珍峰, 杨建虎. 植物生长钠灯与镇流器的匹配特性[J]. 中国照明电器, 2014(10)：34-37.

[7] 朱雪菘, 刘木清. 光对植物生长影响机理的初步探讨[J]. 灯与照明, 2016, 40(1):1-4.

[8] 许东. 植物灯——为植物添能加油[J]. 新农业, 2017(4):46-49.

[9] 刘木清.LED对照明学科的深远影响[J].照明工程学报，2014，25(6)：1-7.

[10] 陈炎华, 张善端. LED应用于莴苣补光照明综述[J]. 照明工程学报, 2013，24(增刊):156-161.

[11] 王声学, 吴广宁, 蒋伟,等. LED原理及其照明应用[J]. 灯与照明, 2006, 30(4):32-35.

[12] BERGSTRAND K J, MORTENSEN L M, SUTHAPARAN A, et al. Acclimatisation of greenhouse crops to differing light quality[J]. Scientia Horticulturae, 2016, 204:1-7.

[13] 陈善飞, 陈晖, 陈善忠,等. 植物生长钠灯补光对越冬茬大棚水果番茄生长的影响[J]. 农业与技术, 2016, 36(3):20-22.

[14] 郑丽, 盛爱武, 薛建平,等. LED光源与传统光源对切花菊“白扇”栽培节能性和有效性对比[C]// 中国园艺学会花卉优质、高产、高效标准化栽培技术交流会论文汇编. 2013.

[15] 王尔镇, 周后. 防除害虫用黄色光源及应用[J]. 灯与照明, 2001, 25(6):54-57.

[16] 黄芸萍, 张华峰, 严蕾艳, 等. 不同人工补光光源对早春西瓜嫁接苗生长的影响[J]. 中国蔬菜, 2015(10)：26-30.

[17] AVERCHEVA O, BERKOVICH Y A, SMOLYANINA S, et al. Biochemical, photosynthetic and productive parameters of Chinese cabbage grown under blue-red LED assembly designed for space agriculture[J]. Advances in Space Research, 2014, 53(11):1574-1581.

[18] PTUSHENKO V V, AVERCHEVA O V, BASSARSKAYA E M, et al. Possible reasons of a decline in growth of Chinese cabbage under a combined narrowband red and blue light in comparison with illumination by high-pressure sodium lamp[J]. Scientia Horticulturae, 2015, 194:267-277.

[19] RIIKONEN J. Pre-cultivation of Scots pine and Norway spruce transplant seedlings under four different light spectra did not affect their field performance[J]. New Forests, 2016, 47(4):607-619.

[20] TSUKAYA H, OHSHIMA T, NAITO S, et al. Sugar-Dependent Expression of the CHS-A Gene for Chalcone Synthase from Petunia in Transgenic Arabidopsis[J]. Plant Physiology, 1991, 97(4): 14-21.

[21] 段然, 杨春宇, 陈霆. 园林照明对景观植物叶片色彩影响研究[J]. 中国园林, 2016, 32(1):83-86.

[22] 张居波，梁伊任．造就绚丽多彩的园林绿地灯光环境——浅论园林绿地灯光环境设计[J]．中国园林，2003(9)：29-34.

[23] LANOUE J, LEONARDOS E D, MA X, et al. The Effect of Spectral Quality on Daily Patterns of Gas Exchange, Biomass Gain, and Water-Use-Efficiency in Tomatoes and Lisianthus: An Assessment of Whole Plant Measurements[J]. Frontiers in Plant Science, 2017, 8：01076.

[24] AVERCHEVA O V, BASSARSKAYA E M, ZHIGALOVA T V, et al. Photochemical and photophosphorylation activities of chloroplasts and leaf mesostructure in Chinese cabbage plants grown under illumination with light-emitting diodes[J]. Russian Journal of Plant Physiology, 2010, 57(3):382-391.

[25] AVERCHEVA O, BERKOVICH Y A, SMOLYANINA S, et al. Biochemical, photosynthetic and productive parameters of Chinese cabbage grown under blue-red LED assembly designed for space agriculture[J]. Advances in Space Research, 2014, 53(11):1574-1581.

[26] BLOM T J, ZHENG Y. The response of plant growth and leaf gas exchange to the speed of lamp movement in a greenhouse[J]. Scientia Horticulturae, 2009, 119(2):188-192.

[27] LEE S J, WAN S K. Shoot Growth and Flower Quality of Cut Rose “Pink Bell” as Affected by Supplemental Lighting Intensity[J]. 2015, 23(3):131-135.

[28] MAXWELL K, JOHNSON G N. Chlorophyll fluorescence-a practical guide[J]. Journal of Experimental Botany, 2000, 51(345):659-668.