LED灯在植物工厂中的应用及对植物生长的影响

樊晓雅 初燕芳 袁玉麟

[摘 要] 光是影响植物生长的重要因素，其在植物形态建成、光合作用、物质代谢等过程中均有重要作用。通过调节光质控制植株形态的形成和生长发育是设施农业中的一项重要技术。近年来，由于LED灯具有波段较窄、光谱光量皆可调控、耗能低、产热较少等优势，被广泛应用于研究植物生长对人工光组合光谱的响应。基于此，本文主要概述LED灯在植物工厂中的发展及对植物生长的影响，以期为LED灯的合理应用提供理论参考。

[关键词] 植物工厂;LED灯;植物生长

[中图分类号] F426 [文献标识码] A [文章编号] 1674-7909（2020）29-107-3

1 植物工厂概述

植物工厂是一个高效率的农业系统，其通过在设施内进行高精度的环境控制，使得作物能够周年连续生产。植物工厂是在作物生长发育过程中由计算机对温度、湿度、光照、二氧化碳浓度和营养液等环境因素进行自动控制，不受或很少受自然条件影响的节省劳力的一种生产方式[1]。植物工厂的核心技术有无土栽培技术、光照技术和环境控制技术，这3种技术相互关联，并以植物高效率生产为目标进行集成。由于植物工厂不受土地空间限制，可实现多层立体栽培，机械化程度较高。由于植物工厂多在密闭环境中运作，因此其具有不受气候条件影响、生产环境干净等优势。

2 LED灯在植物工厂中的应用

LED灯是一种半导体固态光源，其可提供单色光和组合光，还可根据植物需求调制出更加合适的光谱，与传统补光光源相比有着无法比拟的光电优势，其是一种能将传统光源替代，对作物进行高效率补光的理想光源。LED灯作为第4代新型照明光源，与荧光灯和太阳辐射不同，LED的光能利用率和光合速率更加高，光谱组成更加稳定，具有发热少、空间利用率高、使用寿命长、没有污染等诸多优点，可用于植物工厂中的多层栽培和立体组合系统等[2]。

最早将LED光源用在植物栽培研究中的是日本，1994年以来，LED被日本用作植物工厂的照明光源。现今日本三菱公司开发了利用LED栽培蔬菜的技术，LED可以产生一种特定波长的红光，这种红光可以促进植物进行光合作用，缩短作物的生长周期，从而降低生产成本。20世纪80年代开始，发达国家（如美国、日本、荷兰等）开始了有关LED光源作为植物生长光源的研究，并重点开展了LED光质对植物育苗、蔬菜、粮食等作物的生长发育和产量影响的相关研究[3]。2006年，我国开始在植物工厂中应用LED光源，同年3月中国农科院环境与可持续发展研究所建立了一所面积为20 m2的小型人工光型植物工厂，光源一半采用了LED灯，而另一半采用了荧光灯，这是我国第一个人工光植物工厂试验系统，也是第一个采用LED光源作为人工光源的植物生产系统。

3 LDE灯对植物生长的影响

近年来，随着LED灯的发展，其取代了荧光灯，实现了人造光源植物工厂中效率高、能耗少的生产，且LED灯的使用正逐渐成为我国植物工厂的重要趋势[3]，通过合理调节LED灯光质及光强等可有利调控植的物生长。光环境包括光质、光强、照射时间与方式等要素，对于作物生长和作物产量有很大影响，而且会影响作物的品质。

3.1 光质对植物生长及品质的影响

光作为植物生长发育的基本要素之一，光质、光强、光照时间等因素对植物的生长发育均会产生很大影响，其可调节种子的萌发、茎的生长、叶和根的发育、成花诱导、叶绿素的合成以及次生代谢等。光质对植物的生长、形态的建成、物质的代谢和基因的表达等均起着重要的调控作用。在自然光谱中，只有380～780 nm的可见光可被植物吸收利用，即吸收波峰为660 nm的红光和450 nm的蓝光。合适的红蓝光配比的光能利用率在80%～90%。由于光谱构成的成分不同，对作物的影响也不尽相同，紫光和绿光会抑制生菜的生长;单一的红光可明显促进生菜对钠、铁、锰、铜、钼元素的吸收;单一的蓝光则会抑制根对钙和镁元素的吸收[4]。余意等研究发现，绿叶生菜和紫叶生菜在白光照射下地上鲜质量最大，在红光照射下叶绿素a、花青素及总光和色素含量最小;蓝光可促进花青素的合成，但单一红光会阻碍花青素的合成[5]。

光质会影响作物对营养物质的吸收，其能调节高等植物的碳水化合物含量还会影响蛋白质的代谢。红光能促进根系丢氮的吸收和地上部对磷的吸收，且红蓝光组合光谱有利于生菜对矿质元素的吸收。陈娴等研究发现，红光可促进韭菜光合色素的合成与积累，而单纯的红光或蓝光则会阻碍类黄酮的合成;红光有利于可溶性糖含量的增加，但对可溶性蛋白和维生素C的形成和积累起抑制作用，蓝光则相反;蓝光能促进韭菜中磷、钾元素的积累与吸收，红光与不同比例的红蓝光能增加韭菜对钙、锌含量的吸收与积累[6]。

在植物生长发育过程中，单色红光或者蓝光不足以保证植物良好生长，LED灯红蓝组合光谱可有效解决这一问题。在植物的可见光中，红光和蓝光是光合作用的主要光源，其不仅能提供能量，还可以调节植物的生命活动。在前人的研究中，红蓝光能提高生菜的品质且能增加生菜生物量的积累，但单一红光不能保证生菜的良好营养品质。赵娇娇等研究发现，红蓝组合光可以提高地上部干物质、根系生物量、干物质的积累，红蓝光3∶1的组合处理能促进水培瞿麦开花[7]。

光质在调节蔬菜中抗氧化化合物的合成和积累方面起着重要作用，不同品种的蔬菜对光质的反应不同，其中的差异值得进一步研究。以往研究表明，不同光质对植物生长有不同的影响。由于植物种类、生长条件、生长时期和环境条件的不同，不同光质对植物的生長影响也有差异。

3.2 光强对植物生长及品质的影响

在某一二氧化碳（CO2）浓度和一定光照强度范围内，光合强度会随光照强度的增加而增加。当光照强度在光饱和点以下时，植物光合作用会随着光强的增大而增强;当光照强度在光饱和点之上时，净光合速率不但不会增加，反而会形成抑制作用，其会诱导叶绿素分解而导致作物产生生理障碍;当光强长时间在光补偿点之下时，植物的呼吸作用会大于光合作用，此时有机物消耗量多于有机物积累量，从而导致作物生长缓慢，甚至会致使植物枯死，对植物的生长造成不利[8]。周成波等研究表明，随着光强的增加，对水培生菜的根系和形态结构的建成有利[9]。太低的光强不利于生菜生长，随着红蓝光强的提高，能显著提高植物的光合作用，促进生菜生长发育，提高其产量。太高的光强虽能提高植物的光合作用，但会使生菜根系有机碳的释放增加，同时会增加自毒物质的分泌、增加能耗，造成资源浪费。因此，只有适当的光强才能既有效增加作物产量，又降低能耗和资源浪费。

光照条件不同对植物的影响也不同，最大净光合速率是评价蔬菜叶片光合特性的重要指标之一。适当增加光强可提升生菜的光能转化速率与光合效率，从而促进生菜生长。但过高的光强处理则会抑制叶绿素的合成、降低光能转换效率和净光合效率，从而抑制生菜的生长。光强通过影响叶片形态、生理和解剖学结构而影响植物的光合作用。王君等研究发现，在光照强度200 μmol/（m2·s）条件下，可促进生菜生长;增强光强能够提升叶片的光合能力且有利于叶面积的增加以及光合有效辐射捕捉量，进而增加了生菜地上部分干质量[10]。丁恒等研究表明，随着光强的减小，叶绿素的相关光谱参数在总体上呈现升高趋势;随着光强的减少，三叶青的叶片中可溶性蛋白含量呈现出先降后升的趋势[11]。周庐萍等研究发现，高光强能够促进菊花种苗水分和养分的吸收，有利于菊花苗生長发育;提高光强能让菊花气孔导度增加，从而提高光合速率[12]。

4 讨论与展望

研究发现，光对于植物生长起着至关重要的作用，会影响植物对微量元素的吸收，植物光合作用的能力和植物根系的发育等。光强、光质、光照方向、光照时间等在植物生育期内有重要影响，其可作为环境信号调节植物的生命活动。合适的红蓝光配比可促进植物的生长并有利于微量元素的合成，单一的红光或蓝光不能满足植物生长的正常需求。过高或过低的光强对植物的生长会产生抑制作用，其无法达到最大的净光合速率，无法保证植物的光合作用达到最强，从而导致植物无法较好生长。

LED光源是一种半导体固态冷光源，有着光质纯、光效高且波长类型丰富、可以便捷的调控光强与光质等优点，是植物工厂中植物生长光环境的最佳选择[13]。LED被认为是农业领域最有前景的人工光源，有助于解决环境污染，提高空间利用率，减少温室效应[14]。展望未来，在被誉为“光的世纪”的21世纪，LED植物工厂以其特有的优势将快速得到普及。

参考文献

[1]孙洪助.红蓝光比例对绿叶蔬菜生理特性及品质的影响[D].南京：南京农业大学，2014.

[2]周恺.植物工厂条件下氮素与光照互作对雾培生菜产量和抗氧化营养品质的影响[D].杭州：浙江大学，2016.

[3]陈浩伟，文尚胜，马丙戌，等.基于光量子学的植物照明用自由曲面底板LED光源设计[J].光学学报，2017（2）：207-216.

[4]陈晓丽，郭文忠，薛绪掌，等.LED组合光谱对水培生菜矿物质吸收的影响[J].光谱学与光谱分析，2014（5）：1394-1397.

[5]余意，杨其长，赵姣姣，等.LED光质对三种叶色生菜光谱吸收特性、生长及品质的影响[J].照明工程学报，2013（s1）：139-145.

[6]陈娴.不同LED光源对韭菜生理特性及品质的影响[D].泰安：山东农业大学，2012.

[7]赵姣姣，杨其长，刘文科.LED光质对水培瞿麦生长及氮磷吸收的影响[J].照明工程学报，2013（s1）：146-149.

[8]植物光合作用及其对光的需求[J].农业工程技术，2017（7）：71-72.

[9]周成波，刘文科，查凌雁，等.LED红蓝光强对水培生菜生长以及有机碳和自毒物质分泌的影响[J].植物生理学报，2019（4）：466-474.

[10]王君.红蓝光下不同光强和光质配比对生菜光合能力影响机理[D].北京：中国农业科学院，2016.

[11]丁恒.三叶青生理生化特性对于不同光强处理的响应[D].杭州：浙江农林大学，2018.

[12]周庐萍，崔永一.光照强度和营养液电导率对微型水培菊花苗生长的影响[J].浙江林学院学报，2010（4）：554-558.

[13]刘文科，杨其长.人工光在植物工厂中的应用[J].照明工程学报，2014（4）：50-53，61.

[14]陈娴.不同LED光源对韭菜生理特性及品质的影响[D].泰安：山东农业大学，2012.

基金项目：第十三届学生科技创新创业行动基金项目（2020ZKY365）。