植物照明到底有多火?

　　在近期北京大學(xué)高安研究院研究人員的相關(guān)調(diào)研結(jié)果中就指出，這首先具體展現(xiàn)在LED照明在這個方面的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛：例如包括了植物組培、葉菜生產(chǎn)、溫室補(bǔ)光、植物工廠、育苗工廠、藥用植物栽培、食用菌工廠、藻類培養(yǎng)、植物保護(hù)、太空果蔬、花卉種植、驅(qū)殺蚊蟲等。

　　據(jù)悉，其中植物種苗培育、植物組培苗生產(chǎn)、食用菌生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)將有望成為先導(dǎo)領(lǐng)域，用LED光源取代傳統(tǒng)光源。植物工廠和溫室補(bǔ)光是發(fā)展最快的半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，技術(shù)含量高，裝備智能化系統(tǒng)性強(qiáng)，是農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點。

　　而通過LED植物照明技術(shù)種植出來的果蔬、花卉、藥材等產(chǎn)品，則可以大大滿足軍隊邊防哨所、高寒地區(qū)、水電資源匱乏地區(qū)、家庭辦公園藝、海洋太空人員、特殊病人等地區(qū)或人群的需要。

　　此外，該領(lǐng)域適用的LED植物照明裝置種類繁多，例如有目前在市場上已研發(fā)和生產(chǎn)出來的LED植物生長燈、植物生長箱、宅用LED植物生長臺燈、驅(qū)殺蚊蟲燈等。其中，LED植物生長燈常見的形態(tài)就有燈泡、燈條、面板燈、燈帶、筒燈、燈柵等。

　　根據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)下我國從事LED植物照明的企業(yè)超過150家，主要是分布在長三角和珠三角地區(qū)。中國農(nóng)科院預(yù)判，包括LED植物照明在內(nèi)的農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明市場前景將非常廣闊，按照我國現(xiàn)有農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模估算，未來的5年里，農(nóng)用LED照明燈具及其控制裝備的需求量將達(dá)到幾十億元，10年內(nèi)將達(dá)到百億規(guī)模，年增長率達(dá)到20%~50%，農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)總規(guī)模更是可以達(dá)到上千億元。

　　消息指，雖然我國在LED植物照明技術(shù)的起步較晚，并且光生物學(xué)規(guī)律及LED光源裝置和照明智能控制系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化還依然有不少障礙，還需進(jìn)一步研究。然而，LED光源在植物工廠中的推廣應(yīng)用將會呈現(xiàn)逐年廣泛。為此，中國農(nóng)科院推測，未來10-20年后，中國將成為世界農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)及其應(yīng)用大國和強(qiáng)國。

　　由于LED可發(fā)射出植物生理有效輻射300~800nm范圍內(nèi)的窄譜單色光，光質(zhì)豐富、光源光譜可組合調(diào)制、光環(huán)境智能可控，LED光源具有環(huán)保、節(jié)能、體積小、冷光源、低電壓、直流電等優(yōu)勢，故此一直有著良好的口碑，被業(yè)界人士譽(yù)為設(shè)施農(nóng)業(yè)的理想光源。

　　LED植物照明屬于農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明范疇，即采用半導(dǎo)體電光源及其智能化管控裝備，按照植物生長的光環(huán)境需求規(guī)律和生產(chǎn)目標(biāo)要求，利用人工光創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補(bǔ)自然光照的不足，調(diào)控植物的生長，以實現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、高校、生態(tài)、安全”生產(chǎn)目標(biāo)的一種農(nóng)業(yè)工程措施。

　　LED植物照明屬于LED在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用，據(jù)透露，目前國家對《植物生長用LED照明術(shù)語和定義》正在緊鑼密鼓的編制中。

　　鑒于LED植物照明領(lǐng)域的未來發(fā)展前景，一切都被描述得切實而美好，也就是在這種巨大的誘惑之下，越來越多的企業(yè)前赴后繼地進(jìn)入到LED植物照明行業(yè)中來。為此，北京大學(xué)高安研究院研究人員歸納出了進(jìn)入該行業(yè)的6大基本點，以及詳細(xì)介紹了植物照明中光質(zhì)對光合作用及光形態(tài)建成的影響，以供各企業(yè)單位學(xué)習(xí)參考之用。

　　進(jìn)入LED植物照明行業(yè)應(yīng)知的6大基本點

　　1 最大的難點在哪?

　　LED植物照明是生物學(xué)、設(shè)施園藝學(xué)、蔬菜學(xué)、植物生理學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、生物環(huán)境工程、LED照明、智能控制技術(shù)等多學(xué)科交叉和有機(jī)結(jié)合發(fā)展的產(chǎn)物。所以只擅長半導(dǎo)體、植物、智能化系統(tǒng)之一或兩者的都是不夠的，充分的協(xié)作和交叉研究應(yīng)用至關(guān)重要。進(jìn)入LED植物照明市場最大的難點是為了研發(fā)生產(chǎn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生態(tài)的LED植物光源或燈具，就需要同時解決光環(huán)境智能調(diào)控、植物光生物學(xué)、LED半導(dǎo)體技術(shù)三者如何融合與一體的發(fā)展問題。

　　2 植物光生物學(xué)指的是什么?

　　研究植物光生物學(xué)規(guī)律是LED植物照明的重要基礎(chǔ)，包括研究光環(huán)境的數(shù)量屬性(光強(qiáng)和光周期)、質(zhì)量屬性(光質(zhì)和光譜)、電光源發(fā)光特性(占空比、頻率)等。植物光生物學(xué)具有較高的復(fù)雜性和系統(tǒng)性。

　　光質(zhì)是指對生物有作用的光質(zhì)類型，包括可見光、UV和遠(yuǎn)紅光。光質(zhì)生物學(xué)方面，我們要搞清楚以下問題：

　　第一，光質(zhì)的生物學(xué)功能，研究單一光質(zhì)及復(fù)合光質(zhì)對植物生長和產(chǎn)量品質(zhì)影響的生理代謝，分子生物學(xué)及蛋白組學(xué)機(jī)理;

　　第二，植物種類及品種間光質(zhì)適應(yīng)性和利用差異性機(jī)理;

　　第三，光質(zhì)與環(huán)境其他因子互動的生物學(xué)機(jī)制;

　　第四，照明設(shè)施的光質(zhì)數(shù)量屬性有效閾值和基準(zhǔn)值。

　　另外，逆境光質(zhì)生物學(xué)的明確弱光、強(qiáng)光及連續(xù)光照下光合機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)效率的響應(yīng)機(jī)理也需要研究。

　　3 不同企業(yè)但同一種植物的光照配方為何不同?

　　建立各種植物生長發(fā)育、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)所需要的光照配方是發(fā)展LED植物照明產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

　　光照配方是以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標(biāo)，按照特點植物種類及品種生長發(fā)育各階段所需的光質(zhì)種類及其數(shù)量屬性的參數(shù)集合。每種植物及不同生長階段所適宜的光照配方都是不同的。

　　不同企業(yè)針對同一種植物的光照配方會不一樣，甚至相差很大，主要和企業(yè)對植物生長目標(biāo)有一定關(guān)系。簡單點說，企業(yè)根據(jù)市場需求和企業(yè)自身發(fā)展需要，可以降低要求，只需要超過植物生長的最低光照配方需求，對生物生長的其他環(huán)境也放寬要求的話，不僅光照配方會不一樣，對于環(huán)境控制系統(tǒng)也會很不一樣。

　　相反，企業(yè)也可以嚴(yán)格要求，盡量給植物創(chuàng)造最好的生長環(huán)境和條件，這樣所研發(fā)的光照配方就好。未來隨著我國LED植物照明領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求的陸續(xù)出臺，光照配方講逐步統(tǒng)一或保持基本條件的一致性。

　　4 LED植物生長光源和燈具研發(fā)生產(chǎn)需要注意哪些原則?

　　LED植物生長光源及燈具是LED植物照明產(chǎn)業(yè)的核心，企業(yè)需要根據(jù)光照配方來研發(fā)植物生長所需要的光源及燈具。

　　以下四個原則要注意：

　　第一，高光能利用率原則，制定合理光譜組分最大程度增加LED光源的發(fā)光效率，減少光源與被照射植物距離，減少光損失，提高光能利用效率;

　　第二，低成本原則，成本是決定LED植物照明產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的最重要因素之一;

　　第三，生態(tài)安全原則，在紅藍(lán)光譜中，增加微量或少量綠光成分，增加視覺健康;

　　第四，優(yōu)先開發(fā)附加值高的植物專用的LED光源及燈具。

　　5 植物光環(huán)境控制是什么，包括哪些方面?

　　光環(huán)境控制是以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標(biāo)，以植物工廠各生產(chǎn)系統(tǒng)所栽培的植物種類及品種生長各階段光照配方為基礎(chǔ)，通過計算機(jī)直接控制和切換光環(huán)境參數(shù)的時空管理。

　　例如，溫室補(bǔ)光需要考慮自然光日變化參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、植物光合生理參數(shù)、植物生長階段和燈具屬性，實施經(jīng)濟(jì)有效地補(bǔ)光方法，滿足光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期需求，節(jié)能高效。

　　植物光環(huán)境控制主要是指控制LED燈具的光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期、空間位置和移動速率等。光環(huán)境控制具有明顯的時空特征，因此建立動態(tài)實時控制非常重要，實現(xiàn)LED植物照明光環(huán)境控制的自動化、智能化是大勢所趨。

　　6 LED植物照明燈具設(shè)計主要關(guān)注哪些指標(biāo)和性能?

　　LED植物照明燈具設(shè)計師需要關(guān)注如下指標(biāo)和性能：1.光照的均勻性;2.光質(zhì)組配的合理性;3.散熱的可靠性;4.LED芯片功率的適宜性;5.發(fā)光面的高效性;6.視覺的舒適性。

　　光質(zhì)對光合作用及光形態(tài)建成的影響

　　1光對于植物的意義是什么?

　　光是植物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因子之一。太陽光到達(dá)地面的43%~52.5%波長為400~700nm，是人眼可以看到的可見光，這正是光合作用能量和環(huán)境信號，通過光合作用和光形態(tài)建成途徑影響植物的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)。

　　第一，光合作用是植物生物量與產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，植物95%的干物質(zhì)源于光合作用產(chǎn)生的碳水化合物。植物對光照條件存在復(fù)雜的反應(yīng)，包括光響應(yīng)、光抑制、光適應(yīng)、避陰反應(yīng)等。太陽的全色光譜中只有部分波段的光被植物吸收產(chǎn)生光合作用，植物的葉片形態(tài)、植物的生理反應(yīng)、等都會影響光合作用。

　　第二，光形態(tài)建成是指光作為環(huán)境信號作用于植物，調(diào)節(jié)植物生長、分化和發(fā)育的過程。感受光的受體在植物細(xì)胞中含量微少，但對外界光環(huán)境的額變化很敏感。例如600~700nm的紅光領(lǐng)域促進(jìn)萵苣種子萌發(fā)，而720~740nm遠(yuǎn)紅光領(lǐng)域抑制萵苣種子萌發(fā)。

　　2“光肥”是指什么?

　　植物利用各種不同波長進(jìn)行光合作用，也就是說植物對光譜具有選擇性，植物的光合作用在可見光光譜(380~760nm)范圍內(nèi)所吸收的光能約在6成，其中以波長610~720nm(波峰為660nm)的紅橙光以及400~510nm(波峰為450nm)的藍(lán)紫光為吸收峰值區(qū)域，這兩個波段倍成為植物的“光肥”。

　　LED能夠發(fā)出植物生長所需要的單色光，單色光組合后能形成植物光合作用與形態(tài)建成所需要的光譜。LED植物生長光源能提高植物的光能利用率。

　　3 何謂光合機(jī)構(gòu)，它受什么影響?

　　光和機(jī)構(gòu)廣義說就是能夠進(jìn)行光合作用部分反應(yīng)或全部反應(yīng)的機(jī)構(gòu)，小到葉綠體、類囊體，大到葉肉細(xì)胞、葉片器官，以致整個植物體。狹義就是葉綠體。

　　第一，光合機(jī)構(gòu)受光逆境影響。過強(qiáng)過弱的光將導(dǎo)致植物光逆境發(fā)生，抑制光合作用，降低光合效率。弱光導(dǎo)致黃化現(xiàn)象發(fā)生，強(qiáng)光下植物產(chǎn)生活性氧自由基，產(chǎn)生光抑制。

　　第二，光合機(jī)構(gòu)受溫度影響。溫度的周期性變化影響的是植物光合碳固定、還原、蔗糖合成，光合產(chǎn)物的運(yùn)輸與分配和電子傳遞。

　　第三，光合機(jī)構(gòu)受養(yǎng)分供應(yīng)影響。氮素營養(yǎng)是植物的生命基礎(chǔ)。葉片光合能力與含氮量之間的相關(guān)系數(shù)平均為0.9.光飽和的光合速率隨著葉片含氮量增加而直線提高。因此保持氮營養(yǎng)及其他與葉綠素合成代謝相關(guān)元素供應(yīng)對保障光合機(jī)構(gòu)活性很重要。

　　第四，光合機(jī)構(gòu)受二氧化碳的影響。二氧化碳是光合作用的主要原料，空氣中二氧化碳濃度在飽和點下的升高能提高植物光合速率，減少蒸騰作用，抑制植物呼吸，顯著提高植物水分利用效率。保持適宜二氧化碳濃度對促進(jìn)二氧化碳至關(guān)重要。

　　第五，光合機(jī)構(gòu)受濕度風(fēng)速等的影響。過配的氣孔導(dǎo)度低或過高空氣相對濕度都會降低植物葉片的氣孔導(dǎo)度，增加二氧化碳進(jìn)入葉片阻力，降低蒸騰速率，尤其在低水肥供應(yīng)條件下，容易導(dǎo)致植物水分營養(yǎng)不足，降低增施二氧化碳的效果。風(fēng)速大小會影響植物冠層與群落內(nèi)部二氧化碳的均勻分布，影響增施二氧化碳的效果。水供給充足情況下，高濃度二氧化碳增大了大豆葉片的氣孔導(dǎo)度，減少水分蒸發(fā)量。

　　LED發(fā)出主要光對植物的影響有哪些?

　　紅光

　　在可見光中，被綠色植物吸收最多的是紅橙光(波長600~700nm)和藍(lán)紫光(波長400~500nm)，對綠色光(500~600nm)只有微量吸收。

　　紅光是最早被用于作物栽培試驗的光質(zhì)，是作物正常生長的必須光質(zhì)，生物需求數(shù)量居于各種單色光質(zhì)之首，人工光源中最重要的光質(zhì)。紅光下所生成的物質(zhì)使植物長高，而藍(lán)光下所生成的物質(zhì)促進(jìn)蛋白質(zhì)與非碳水化合物的積累，給植物增重。

　　補(bǔ)遠(yuǎn)紅外使花色速苷、類胡蘿卜素和葉綠素濃度分別降低40%、11%和14%、而使得植株鮮重、干重、莖長、葉長和葉寬分別增加28%、15%、14%、44%和15%。

　　紅光通過光敏色素調(diào)控光形態(tài)建成;紅光通過光合色素吸收驅(qū)動光合作用;紅光促進(jìn)莖伸長，促進(jìn)碳水化合物合成，有利于果蔬VC和糖的合成;但抑制氮同化作用。但是單獨紅光想很好地栽培植物還是有點難度。

　　藍(lán)光

　　藍(lán)光是紅光用于作物栽培必要的補(bǔ)充光質(zhì)，是作物正常生長的必需光質(zhì)，光強(qiáng)生物用量僅次于紅光。藍(lán)光抑制莖伸長，促進(jìn)葉綠素合成，有利于氮同化和蛋白質(zhì)合成，有利于抗氧化物質(zhì)合成。藍(lán)光影響植物的向光性、光形態(tài)發(fā)生、氣孔開放以及葉片的光合作用。

　　LED紅光補(bǔ)充LED藍(lán)光可提高小麥的干物質(zhì)量、分薛數(shù)和種子產(chǎn)量，增加生菜的干物質(zhì)量。藍(lán)光顯著抑制散葉萵苣莖的生長。白光中增加藍(lán)光可縮短節(jié)間、縮小葉面積、降低相對生長速率和提高N/C效率。

　　高等植物葉綠素合成和葉綠體形成以及具有高葉綠素a/b比與低葉綠體都需要藍(lán)光。過量藍(lán)光不利于植物生長發(fā)育。紅藍(lán)光組合光譜比紅光或藍(lán)光單色光更能促進(jìn)蔬菜幼苗的生長發(fā)育，不同植物所需要的紅藍(lán)光組合比例不一樣。

　　綠光

　　綠光與紅藍(lán)光可以和諧調(diào)節(jié)適應(yīng)植物的生長發(fā)育。一般在紅藍(lán)LED復(fù)合光下，植物略帶紫灰色，使得病害和失調(diào)癥狀不易診斷，可以通過補(bǔ)充少量綠光來解決。綠光效應(yīng)通常與紅藍(lán)光效應(yīng)相對立，例如綠光可以逆轉(zhuǎn)藍(lán)光促進(jìn)的氣孔開放等。

　　在強(qiáng)白光下上部位于近光照表面的葉綠體的光合作用量子產(chǎn)額比下部的葉綠體低。因為強(qiáng)白光下綠光比紅光、藍(lán)光更能穿透葉片，下部葉綠體吸收額外的綠光比額外吸收紅光和藍(lán)光能更大程度增加葉片光合作用。低光強(qiáng)栽培植物可不考慮綠光，低密度低冠層厚度設(shè)施植物不考慮綠光，高光強(qiáng)高密度高冠層厚度時綠光必須考慮。

　　黃光和橙光

　　黃光、橙光、綠光、紫光都是重要的光合有效輻射，但植物需求量較小。在紅藍(lán)光基礎(chǔ)上添加黃光可顯著提高菠菜苗的生長。黃光對提高葉用萵苣的營養(yǎng)品質(zhì)效果最好，但藍(lán)光更有利于顯著提高萵苣礦質(zhì)元素的含量。

　　添加黃光和紫光能夠提高櫻桃番茄幼苗的光合能力，緩解紅藍(lán)弱光脅迫。與白光相比，紫光和藍(lán)光提高了抗氧化酶的活性，延緩了植株的衰老，而紅光、綠光和黃光抑制了抗氧化酶的活性，加速了植株的衰老進(jìn)程。

　　遠(yuǎn)紅光

　　730nm的遠(yuǎn)紅光雖然對光合作用意義不大，但其強(qiáng)弱及其與660nm紅光間的比例對作物株高、節(jié)間長等形態(tài)建成，具有重要作用。通過光質(zhì)調(diào)節(jié)，R/FR比值來控制植株形態(tài)和植株高度。

　　比值變大時植物莖節(jié)間距變小，植株矮化，繁殖植物有伸長的傾向，比值的變化還對腋芽分化、葉綠素含量、氣孔指數(shù)及葉面積等產(chǎn)生不同程度的影響。植物對紅光的選擇性吸收和對遠(yuǎn)紅光的選擇性透過使得位于遮陰下的植物處于一個遠(yuǎn)紅外富集的光環(huán)境中。

　　紫外光(UV)

　　波長小于380nm的波段稱為紫外光。根據(jù)紫外線的物理和生物學(xué)特性，波長320~380nm為長波紫外線(UV-A)、波長280~320nm的中波紫外線(UV-B)和波長100~280nm的短波紫外線(UV-C)。到達(dá)地面上的UV種95%為UV-A。在太陽光光譜中光合有效輻射、UV和遠(yuǎn)紅光對植物生長發(fā)育具有調(diào)控功能。

　　紫外輻射減少植物葉面積、抑制下胚軸伸長、降低光合作用和生產(chǎn)力，使植物易受病原體攻擊，但是可以誘導(dǎo)類黃酮合成及防御機(jī)制。低UV-B輻射的環(huán)境下造成植株徒長，還會阻礙植物色素的合成，不易用于覆蓋茄果類蔬菜。植物工廠的一個重要特征是缺乏太陽光中的UV-A和UV-B輻射，完全缺失UV輻射會帶來生產(chǎn)負(fù)效應(yīng)和影響植物生長發(fā)育，因此調(diào)控植物工廠內(nèi)UV的輻射水平是十分必要的，需要注意以生產(chǎn)需求和植物耐受響應(yīng)規(guī)律為依據(jù)。