LED设施农业应用现状与发展趋势(杨其长).docx

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1、LED设施农业应用现状与发展趋势(杨其长)LED 在设施农业的应用现状与发展趋势( 杨其长)LED 在设施园艺产业的应用现状与进展趋势杨其长 ( 中国农业科学院农业环境与可连续进展探讨所，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，削减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，而且还能依照植物须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 在设施园艺领域探讨现状的具体阐述，重点介绍了 LED 的光源特性及其在设施栽培、组织培育、植物工

2、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、生命保证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 DiodeLEDin Protected HorticultureYang Qichang ( Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing

3、 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 an

4、d 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 agricult

5、ure 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

6、 and combination with new energy are also outlined. Key words: Artificial lighting, Light-Emitting DiodeLED), 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。据联合国粮食准备署统计，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 1540。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要紧因素。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

7、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 3Kozai，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/m 2 ，约占总能耗的 45-55Yang，2006)；植物组培人工光以荧光灯为人工光源的能耗培育架四层结构为 500-600W/m 2 ，约占运行费用的 30%-40。长期以来在设施园艺领域运用的人工光源要紧有高压钠灯、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、削减能耗始终是设施园艺领域人工光应用的重要课题。 近年来，随着光电技术的进展，带动

8、了高亮度红光、蓝光与远红光发光二极管Light-Emitting Diode, LED的产生，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、运用直流电、体积小、寿命长、耗能低、波长固定与低发热等 优点，与目前普遍运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，而且照旧低发热量的冷光源，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 被认为是以后设施园艺领域最有前途的人工光源，具有良好的进展前景 1,2 。1LED 的差不多 原理 与优势 LEDLight- Emitting Diode ， 又称发光二极管，由-族化

9、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放射产生可见光。按发光强度和工作电流可分为一般亮度的 LED发光强度lt;10mcd、高亮度 LED发光强度在 10100mcd 之间和超高亮度的 LED发光强度gt;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 年头初就已面世，1962年世界上首个GaAsP 红色LEDλp=65

10、0nm研制胜利， 随后黄色 LED 起先显现，但这一时期 LED 光源仅局限于标识、欣赏等领域的应用。20 世纪 80 年头中期，高亮度 LED 起先推出，1993 年又相继研制出蓝色和图 1 LED 结构原理图 Fig1 Schematic diagram of LED structure绿色 LED 产品，1996 年白色 LED 相继研制胜利。但由于受亮度、价格等因素的阻碍，LED特地长一段时期始终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探讨的不断深化，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 的普及逐步成为可

11、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.运用电源电压较低，供电电压仅为 624V，比运用高压电源更平安；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，而且还能够依照不同须要随意组合；4. 低发热特性的冷光源，能够近距离照射植物，提高空间利用率；5.能够在极短时刻内发出脉冲光，响应时刻快；6.体积小、结构紧凑、稳固性强；7.无污染，作为全固体发光体，不含金

12、属汞、耐冲击、不易裂开，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，是一般照明灯具的几十倍。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动 2,3 ，为这一新型光源的普及与应用供应了宽敞的空间 5 。2 LED 在 在 设施园艺 领域的应用现状园艺作物的光合作用，要紧是利用波长为 610mm720nm波峰为 660nm的红橙光，吸取的光能约占生理辐射的 55左右；其次是波长为 400510nm 波峰为 450nm的蓝紫光，约占 8左右。LED 能够发出植物生长所须要的单色光如波峰为 450nm 的蓝光、波峰为 660nm 的红光等，光谱

13、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差不多吻合的光谱吸取峰值，光能利用率可达 8090，节能成效显著。LED光源这种特地的性能，为其在设施园艺领域的应用供应了有效的进展空间 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 年就有关于接受波长650nm 红色 LED 进行温室番茄补光的试验报道 6 。1987 年美国 Wisconsin 高校 Tibbitts 等人起先接受 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

14、合，进行生菜Lactuca Sativa L的栽培试验，获得胜利 7 。1993 年日本香川高校的冈本和柳用红色 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 进行植物栽培的有用化探讨，探讨了脉冲光照射周期与占空比对植物生长的阻碍。结果说明，占空比达 2550时，可加速植物生长。Okamoto 等(1996)运用超高亮度红光LED 与蓝光 LED，在红蓝光比值R/B为 2：1 时，能够正常培育莴苣；同年，Yanagi 等(1996) 运用红光 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阻碍，将莴苣栽培于纯蓝光 LED170μmolm -2

15、 s -1 )的环境中，证明可分化生长，尽管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运用 LED 脉冲光对莴苣的生长以及光合成反应的阻碍进行探讨。结果说明，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成效提高了 20%，从而证明了接受不同频率脉冲光照射莴苣能够加速植物生长。Heo 等2002探讨发觉，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探讨了红色、蓝色 LED 特定频率的光刺激对小油菜的阻碍，证明了接受 LED

16、 进行光刺激对植物体生长、汁液成份以及无机成份钾、钠含量产生阻碍。魏灵玲等2007利用红色 LED660nm+蓝色 LED450nm进行了黄瓜的育苗试验图 3 所示，结果说明，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，节能成效显著 9 。闻婧等2020通过对R/B的不同配比条件下叶用莴苣生理形态及品质的阻碍机理探讨，。到目前为止，LED 已胜利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

17、amp; Brown,1997)、小麦(Goins et al.,1997)、菠菜(Yanagi amp; Okamoto.1994)、虎头兰(Tanka et al.,1998)、草莓(Nhut et al.,2000)、马铃薯(Iwanami et al.,1992,Jao amp; Fang,2002)、蝴蝶兰(Jao amp; Fang,2002)、白鹤芋(Nhut et al.,2001)及藻类(Lee amp; Palsson,1994;Hans,et al.,1996)等 1014 。随着 LED 探讨的不断深化，必将会有越来越多的作物栽培获得胜利。图 3 LED 黄瓜育苗试验F

18、ig2 Test of cucumber seedling under LED2.2 LED 在组培领域的应用 植物组织培育是一项能够通过规模化生产，在短时刻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、地域和时刻等条件的约束，目前差不多成为遗传育种、种质资源爱惜和脱毒快繁的重要手段。但由于接受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、削减能耗始终是植物组培探讨的一大热点。20世纪90年头以来，世界各国都在主动探讨利用LED作为组培光源的可行性。在单色光对组培苗的阻碍方面，Iwanami等(1992) 通过运用LED补充单色红光或远

19、红光来变更光质，进而操纵马铃薯组培苗茎的长度与生长状况。Tanaka1998等人探讨发觉，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探讨认为，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。要紧原因是单色红光导致了系统可利用的光能分布不平稳，抑制了茎的生长15 。Poudel等2020探讨发觉，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

20、及其配比对组培苗阻碍方面，探讨说明，红蓝光LED组合对组培植物生长发育能产生主动阻碍，要紧是由于红、蓝光的光谱能量分布与叶绿素吸取光谱峰值区域一样，从而提高了组培苗的净光合速率。Tanaka1998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探讨，接受80红光LED20蓝光与90红光LED10蓝光LED在不同的光照强度45，60，75μmolm -2 s -1 下照射香蕉苗，结果说明，在80红光LED20蓝光LED60μmolm -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探讨发觉，经单一红光LED或蓝光LED处

21、理的毛地黄组培苗显现徒长现象，然而在红蓝光LED组合下生长健壮。饶瑞佶、方炜2000运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)运用高频闪烁的红、蓝光LED为光 源，发觉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 。以色列卡纳塔克邦高校设施技术进展探讨中心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探讨，结果说明红蓝光组合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LED660 nm和蓝色LED450 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模板的内侧运用冷却水循环降温的方法防止模板温度上升。图 4 LED 组培光源 Fig3 The LED lighting source for tissue cultureNhut等2003探讨发觉，70红光LED30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2020探讨了红蓝光LED光强对甘薯组培苗的阻碍。可见，不同红蓝光LED组合下的光照对幼苗生长有特地大的阻碍。.