LED在设施园艺产业的应用现状和发展趋势（doc 11页）（正式版）

LED在设施园艺产业的应用现状与发展趋势

杨其长

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

摘 要：设施园艺是一个能耗相对较高的产业，其中人工光能耗占有相当的比重，减少人工光能耗是实现设施园艺节能的重要课题。LED不仅具有体积小、寿命长、耗能低、波长固定与低发热等优点，而且还能根据植物需要进行发光光谱的精确配置，实现传统光源无法替代的节能、环保和空间高效利用等功能。该文通过对LED在设施园艺领域研究现状的详细阐述，重点介绍了LED的光源特性及其在设施栽培、组织培养、植物工厂和太空农业等方面的应用进展，并对LED在人工补光、植物工厂、生命保障系统以及与新能源结合等方面的应用前景进行了分析和展望。

关键词：人工光源；发光二极管(LED)；设施园艺

Application and Foreground of Light-Emitting Diode（LED）in Protected Horticulture

Yang Qichang

( Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences,

Beijing 100081, China)

Abstract: The application of light-emitting diode (LED) in agriculture and bio-industry has been concerned by all over the world with the development of LED technology. LED not only has many advantages, such as small size, longer life, low energy consumption, particular wavelength and low production of heat, but also can emit the exact spectrum based on the need of plant. LED can actualize a lot of functions, such as energy-saving, environment-friendly and efficient space utilization, which can’t be achieved by conventional light source. The application of LED in agriculture and bio-industry has been reviewed in this paper, which includes the characteristics of LED and the progress of LED applied in plant cultivation, tissue culture, plant factory and controlled ecological life support system(CELSS). Trends of LED applied in artificial lighting, plant factory, CELSS and combination with new energy are also outlined.

Key words: Artificial lighting, Light-Emitting Diode（LED), Protected Horticulture 0 引言

设施园艺是一个高投入、高产出的产业，同时也是高能耗的行业。据联合国粮食计划署统计，全世界一年农业生产的能耗量有35％用于设施园艺产业，能耗费用约占温室作物生产总费用的15％～40％。人工光源作为设施园艺的重要组成部分，同时也是耗能和增加运行成本的主要因素。有关资料显示，大型连栋温室人工补光（以高压钠灯或金属卤素灯为人工光源）的能耗功率约为200kw/ha；植物苗工厂（以荧光灯为人工光源）各种设备的能耗比例为：照明约占82％，空调制冷约占15％，其他占3％（Kozai，2002）；人工光植物工

厂（以荧光灯为光源），照明能耗(三层结构）为800W/m2，约占总能耗的45-55％（Yang，2006）)；植物组培人工光（以荧光灯为人工光源）的能耗（培养架四层结构）为500-600W/m2，约占运行费用的30%-40％。长期以来在设施园艺领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等，这些光源的突出缺点是能耗大、运行费用高。因此，提高发光效率、减少能耗一直是设施园艺领域人工光应用的重要课题。

近年来，随着光电技术的发展，带动了高亮度红光、蓝光与远红光发光二极管（Light-Emitting Diode, LED）的诞生，使低能耗人工光源在设施园艺领域的应用成为可能。LED具有高光电转换效率、使用直流电、体积小、寿命长、耗能低、波长固定与低发热等 优点，与目前普遍使用的高压钠灯和荧光灯相比，不仅光量、光质（红/蓝光比例或红/远红光比例等）可调，而且还是低发热量的冷光源，可近距离照射，从而使植物的栽培层数和空间利用率大大提高。因此，LED被认为是未来设施园艺领域最有前途的人工光源，具有良好的发展前景[1,2]。 1 LED的基本原理与优势

LED（Light- Emitting Diode），又称发光二极管，由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料制成，其核心是PN结（图1所示）。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。按发光强度和工作电流可分为普通亮度的LED（发光强度<10mcd）、高亮度LED（发光强度在10～100mcd之间）和超高亮度的LED（发光强度>100mcd）等类型，其中超高亮度LED寿命可达5万小时以上，且光衰仅为30%[3]。

LED的相关产品早在20世纪60年代初就已面世，1962年世界上首个GaAsP 红色LED（λ

图1 LED结构原理图

Fig1 Schematic diagram of LED structure

p=650nm）研制成功， 随后黄色LED开始出现，但这一阶段LED光源仅局限于标识、观赏等领域的应用。20世纪80年代中期，高亮度LED开始推出，1993年又相继研制出蓝色和绿色LED产品，1996年白色LED相继研制成功。但由于受亮度、价格等因素的影响，LED很长一段时期一直未能作为通用光源推广应用。最近10年来，随着国际上对半导体发光材

料研究的不断深入，LED性能的不断提高，价格的大幅度下降，以及大功率LED产品的相继推出，使LED的普及逐渐成为可能[4]。

图2 红蓝光光谱分布

目前，LED已被广泛应用于汽车、通讯、资讯、交通信号、家电、照明以及生物医药等众多领域。与高压钠灯、白炽灯、荧光灯等其他人工光源相比，LED的优势在于：1.使用电源电压较低，供电电压仅为6~24V，比使用高压电源更安全；2.节能高效，耗电量仅为白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一；3.可发出光波较窄的单色光（图2），如红外、红色、橙色、黄色、绿色、蓝色等，而且还可以根据不同需要任意组合；4. 低发热特性的冷光源，可以近距离照射植物，提高空间利用率；5.可以在极短时间内发出脉冲光，响应时间快；6.体积小、结构紧凑、稳定性强；7.无污染，作为全固体发光体，不含金属汞、耐冲击、不易破碎，废弃物可回收，是一种绿色照明产品；8.寿命长，可达50,000小时以上，是普通照明灯具的几十倍。近年来，随着光电技术的不断革新，LED正向高亮度、低成本的目标快速推进[2,3]，为这一新型光源的普及与应用提供了广阔的空间[5]。 2 LED在设施园艺领域的应用现状

园艺作物的光合作用，主要是利用波长为610mm~720nm（波峰为660nm）的红橙光，吸收的光能约占生理辐射的55％左右；其次是波长为400~510nm （波峰为450nm）的蓝紫光，约占8％左右。 LED能够发出植物生长所需要的单色光（如波峰为450nm的蓝光、波峰为660nm的红光等），光谱域宽仅为±20nm，红蓝光LED组合后，能形成与作物光合作用和形态建成基本吻合的光谱吸收峰值，光能利用率可达80％~90％，节能效果显著。LED光源这种独特的性能，为其在设施园艺领域的应用提供了有效的发展空间[6]。 2.1 LED在设施栽培领域的应用

世界上最早将LED用于植物栽培的是日本三菱公司，早在1982年就有关于采用波长650nm红色LED进行温室番茄补光的试验报道[6]。1987年美国Wisconsin大学Tibbitts等人

开始采用LED进行莴苣的栽培试验，1991年该校的Bula等人利用红光660nm的LED与蓝色荧光灯结合，进行生菜（Lactuca Sativa L）的栽培试验，获得成功[7]。1993年日本香川大学的冈本和柳用红色LED进行了菠菜和莴苣的栽培试验。三菱化学（株）的渡边和田中也利用LED进行植物栽培的实用化研究，探讨了脉冲光照射周期与占空比对植物生长的影响。结果表明，占空比达25％~50％时，可加速植物生长。Okamoto等(1996)使用超高亮度红光LED与蓝光LED，在红蓝光比值（R/B）为2：1时，可以正常培育莴苣；同年，Yanagi 等(1996) 使用红光LED与蓝光LED来探讨光质与光量对莴苣生长与光形态建成的影响，将莴苣栽培于纯蓝光LED（170μmol·m-2·s-1)的环境中，证实可分化生长，虽然干物重小于纯红光或红蓝光组合下的植株，但纯蓝光下的植株显得更加矮壮和健康。三菱化学的渡边博之（2002）使用LED脉冲光对莴苣的生长以及光合成反应的影响进行研究。结果表明，在周期为100μs以下的脉冲光条件下，生菜生长比连续光照射条件下促进效果提高了20%，从而证实了采用不同频率脉冲光照射莴苣可以加速植物生长。Heo 等（2002）研究发现，荧光灯+红色LED, 荧光灯+远红外LED复合光照处理，比单一荧光灯处理能显著提高万寿菊的气孔数量[8]。中林和重（2002）研究了红色、蓝色LED特定频率的光刺激对小油菜的影响，证实了采用LED进行光刺激对植物体生长、汁液成份以及无机成份（钾、钠）含量产生影响。魏灵玲等（2007）利用红色LED（660nm）+蓝色LED（450nm）进行了黄瓜的育苗试验（图3所示），结果表明，LED的红蓝光比值（R/B）为7：1时，黄瓜苗的各项生理指标最优，LED的能耗与荧光灯相比为1：2.73，节能效果显著[9]。闻婧等（2009）通过对R/B的不同配比条件下叶用莴苣生理形状及品质的影响机理研究，。。。。。。

到目前为止，LED已成功用于多种作物的设施栽培，包括：莴苣（Bula et al.,1991;Okamoto et al..1997）、胡椒(Schuerger et al.,1997)、胡瓜(Schuerger & Brown,1997)、小

图3 LED黄瓜育苗试验 Fig2 Test of cucumber seedling under LED 麦(Goins et al.,1997)、菠菜(Yanagi & Okamoto.1994)、虎头兰(Tanka et al.,1998)、草莓(Nhut et al.,2000)、马铃薯(Iwanami et al.,1992,Jao & Fang,2002)、蝴蝶兰(Jao & Fang,2002))、白鹤芋(Nhut et al.,2001)及藻类(Lee & Palsson,1994;Hans,et al.,1996)等[10~14]。随着LED研究的不断深入，必将会有越来越多的作物栽培获得成功。 2.2 LED在组培领域的应用

植物组织培养是一项可以通过规模化生产，在短时间内获得大量同品质种苗的快速繁育技术，组培育苗由于繁育速度快，不受外界气候、地势、地域和时间等条件的约束，目前已经成为遗传育种、种质资源保护和脱毒快繁的重要手段。但由于采用的人工光源多为荧光灯，光效低，发热量大，能耗成本高。应用新型节能光源、减少能耗一直是植物组培研究的一大热点。20世纪90年代以来，世界各国都在积极研究利用LED作为组培光源的可行性。

在单色光对组培苗的影响方面，Iwanami等(1992) 通过使用LED补充单色红光或远红光来改变光质，进而控制马铃薯组培苗茎的长度与生长状况。Tanaka（1998）等人研究发现，红光LED能促进兰花组培苗叶片生长，但叶绿素含量、茎和根的干重比荧光灯略低。Kim等（2004）研究认为，单独红光LED或红光LED+远红光LED处理下，菊花组培苗茎过分伸长导致茎杆脆弱，其他重要指标也降低了，总体上不利于植物正常生长发育。主要原因是单色红光导致了系统可利用的光能分布不平衡，抑制了茎的生长

[15]

。Poudel等（2008）研究发现，纯

红光LED处理的葡萄组培苗，其株高与节间长度明显比荧光灯处理的长，但叶绿素含量以及叶片气孔数目以单色蓝光LED处理的为最高，红光LED处理的为最低

[16]

。

在红蓝光组合及其配比对组培苗影响方面，研究表明，红蓝光LED组合对组培植物生长发育能产生积极影响，主要是由于红、蓝光的光谱能量分布与叶绿素吸收光谱峰值区域一致，从而提高了组培苗的净光合速率。Tanaka（1998）等人用不同组合的红蓝光LED与荧光灯相比较对香蕉组培苗的生长状况进行了研究，采用80％红光LED＋20％蓝光与90％红光LED＋10％蓝光LED在不同的光照强度（45，60，75μmol·m-2·s-1）下照射香蕉苗，结果表明，在80％红光LED＋20％蓝光LED（60μmol·m-2·s-1）的光照强度下试管苗的芽和根鲜重明显高于其他处理

[17]

。Hahn等（2000）研究发现，经单一红光LED或蓝光LED处理的毛地黄组培苗出现

徒长现象，但是在红蓝光LED组合下生长健壮。饶瑞佶、方炜（2000）使用超高亮度红光与蓝光LED开发出可调整光量、光质、发光频率与占空比的人工光源系统（图4所示）。Jao and Fang (2001)使用高频闪烁的红、蓝光LED为光 源，发现可在不提高耗电成本下提高马铃薯组培苗的生长速率

[13,14,18]

。以色列卡纳塔克邦大学设施技术发展研究

图4 LED组培光源 Fig3 The LED lighting source for tissue culture 中心（2001）用红光、蓝光及其组合LED对百合属植物的幼芽分化再生进行研究，结果表明红蓝光组

合LED与其它光源相比更能促进花芽分化，更适合幼芽生长，植株大小和干、鲜重都有了明显的增长。田中道男（2002）开发了由红色LED（660 nm）和蓝色LED（450 nm）组成的独立光源新型组培容器“UniPACK”。为解决LED光源的散热问题，从LED光源板的各个侧面打孔并安装了特制的风扇。同时在LED模板的内侧使用冷却水循环降温的方法防止模板温度上升。Nhut等（2003）研究发现，70％红光LED＋30％蓝光LED照射下，草莓组培苗的叶片数、根数、根长、鲜重、干重值最大，移栽后长势也最好[1,19,20]。杨雅婷等（2009）研究了红蓝光

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