LED補(bǔ)光燈在設(shè)施園藝中的應(yīng)用及對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

設(shè)施園藝的設(shè)施類型主要包括塑料大棚、日光溫室、連棟溫室和植物工廠等，由于設(shè)施建筑在一定程度上遮擋了自然光源，導(dǎo)致室內(nèi)光線不足，進(jìn)而造成作物減產(chǎn)和品質(zhì)降低。因此，補(bǔ)光燈在設(shè)施作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)上起到了不可或缺的作用，但也成為設(shè)施內(nèi)能耗和運(yùn)行成本增加的主要因素。

長(zhǎng)期以來(lái)，在設(shè)施園藝領(lǐng)域使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素?zé)?、白熾燈等，突出缺點(diǎn)是產(chǎn)熱高、能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高。新一代照明光源發(fā)光二極管（Light－Emitting Diode，LED）的發(fā)展，使低能耗人工光源在設(shè)施園藝領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。LED具有光電轉(zhuǎn)換效率高、使用直流電、體積小、壽命長(zhǎng)、耗能低、波長(zhǎng)固定、熱輻射低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，與目前普遍使用的高壓鈉燈和熒光燈相比，LED不僅光量、光質(zhì)（ 各種波段光的比例等） 可以根據(jù)植物生長(zhǎng)的需要精確調(diào)整，并因其冷光性可近距離照射植物， 從而使栽培層數(shù)和空間利用率提高，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光源無(wú)法替代的節(jié)能、環(huán)保和空間高效利用等功能?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，LED被成功應(yīng)用于設(shè)施園藝照明、可控環(huán)境基礎(chǔ)研究、植物組織培養(yǎng)、植物工廠化育苗及航天生態(tài)系統(tǒng)等。近年來(lái)，LED補(bǔ)光燈的性能不斷提高、價(jià)格逐漸下降以及各類特定波長(zhǎng)的產(chǎn)品逐漸被開發(fā)，其在農(nóng)業(yè)與生物領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將會(huì)更加廣闊。

該文綜述了LED在設(shè)施園藝領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了LED補(bǔ)光燈應(yīng)用的光生物學(xué)基礎(chǔ)、LED補(bǔ)光燈對(duì)植物光形態(tài)建成、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)與延緩衰老的影響、光配方的構(gòu)建與應(yīng)用等方面的應(yīng)用，并對(duì)LED補(bǔ)光燈技術(shù)目前存在的問題與前景進(jìn)行了分析和展望。

LED補(bǔ)光燈對(duì)園藝作物生長(zhǎng)的影響

光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)節(jié)作用包括種子萌發(fā)、莖的伸長(zhǎng)、葉和根的發(fā)育、向光性、葉綠素的合成與分解及花的誘導(dǎo)等。設(shè)施內(nèi)的光照環(huán)境要素包括光照強(qiáng)度、光照周期和光譜分布，采用人工補(bǔ)光的方式，可以對(duì)其要素進(jìn)行調(diào)節(jié)而不受天氣條件的限制。

植物對(duì)光具有選擇性吸收的特性，由不同的光受體感知光信號(hào)，目前發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)至少有三類光受體，光敏素（吸收紅光和遠(yuǎn)紅光）、隱花色素（吸收藍(lán)光和近紫外光）和紫外光受體（UV－A和UV－B）。采用特定波長(zhǎng)光源來(lái)照射作物，可提高植物的光合作用效率，使其光形態(tài)建成加快，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。植物光合作用主要是利用紅橙光（610～720 nm）和藍(lán)紫光（400～510nm）。利用LED技術(shù)，能夠輻射出符合葉綠素最強(qiáng)吸收區(qū)波段的單色光（如波峰為660nm的紅光、波峰為450nm的藍(lán)光等），光譜域?qū)拑H為±20 nm。目前認(rèn)為，紅橙光會(huì)使植物的發(fā)育顯著加速，促進(jìn)干物質(zhì)的積累，鱗莖、塊根、葉球以及其他植物器官的形成，引起植物較早開花、結(jié)實(shí)，在植物增色中起著主導(dǎo)作用；藍(lán)、紫光能夠控制植物葉片向光性，促進(jìn)氣孔開放及葉綠體運(yùn)動(dòng)，抑制莖伸長(zhǎng)，防止植物徒長(zhǎng)，還可延遲植物開花，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)；紅藍(lán)光LED 組合后可彌補(bǔ)兩者單色光的不足，形成與作物光合作用和形態(tài)建成基本吻合的光譜吸收峰值，光能利用率可達(dá)80％～90％，節(jié)能效果顯著。

設(shè)施園藝中配備LED補(bǔ)光燈可達(dá)到非常顯著的增產(chǎn)效果。有研究表明，300 μmol／（m²·s）LED燈帶和LED燈管12h（8：00～20：00）補(bǔ)光下的櫻桃番茄的掛果數(shù)、總產(chǎn)量和單果重都顯著提高， 其中LED燈帶補(bǔ)光分別提高了42．67％、66．89％和16．97％，LED燈管補(bǔ)光分別提高了48．91％、94．86％和30．86％。全生育期LED燈補(bǔ)光［紅藍(lán)光質(zhì)比為3：2，光強(qiáng)為300 μmol／（m²·s）］ 處理可顯著增加節(jié)瓜和茄子的單果質(zhì)量和單位面積產(chǎn)量，節(jié)瓜提高了5．3％、15．6％，茄子提高了7．6％、7．8％。通過(guò)全生育期LED光質(zhì)及其強(qiáng)度、時(shí)長(zhǎng)的時(shí)空調(diào)配，能夠縮短植物生長(zhǎng)周期，提高農(nóng)產(chǎn)品商品性產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及形態(tài)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)設(shè)施園藝作物高效、節(jié)能和智能化生產(chǎn)。

LED補(bǔ)光燈在蔬菜育苗上的應(yīng)用

LED光源調(diào)控植株形態(tài)建成和生長(zhǎng)發(fā)育是溫室栽培領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。高等植物能通過(guò)光敏色素、隱花色素、向光素等光受體系統(tǒng)感應(yīng)并接受光信號(hào)，經(jīng)胞內(nèi)信使傳導(dǎo)，調(diào)控植物組織和器官建成等形態(tài)變化。光形態(tài)建成是植物依賴光來(lái)控制細(xì)胞的分化、結(jié)構(gòu)和功能的改變，以及組織和器官的建成，包括對(duì)部分種子萌發(fā)的影響、促進(jìn)頂端優(yōu)勢(shì)抑制側(cè)芽生長(zhǎng)、莖伸長(zhǎng)、引起向性運(yùn)動(dòng)等。

蔬菜育苗是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié)。連續(xù)的陰雨天氣會(huì)使設(shè)施內(nèi)的光照不足，幼苗極易發(fā)生徒長(zhǎng)，進(jìn)而影響蔬菜的生長(zhǎng)、花芽分化及果實(shí)發(fā)育，最終影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。生產(chǎn)中，為調(diào)控幼苗的生長(zhǎng)會(huì)使用一些植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，如赤霉素、生長(zhǎng)素、多效唑和矮壯素等，但是植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的不合理使用易使蔬菜及設(shè)施環(huán)境受到污染，對(duì)人類健康不利。LED補(bǔ)光燈獨(dú)有諸多補(bǔ)光優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用LED 補(bǔ)光燈育苗是一個(gè)可行的途徑。在弱光［0～35 μmol／（m²·s）］ 條件下進(jìn)行的LED補(bǔ)光［25±5 μmol／（m²·s）］ 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，綠光促進(jìn)黃瓜幼苗的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，紅光與藍(lán)光抑制幼苗徒長(zhǎng)，與自然弱光下幼苗壯苗指數(shù)相比，補(bǔ)充紅、藍(lán)光的壯苗指數(shù)分別提高了151．26％、237．98％，且與單色光質(zhì)相比，含紅藍(lán)成分的復(fù)合光質(zhì)補(bǔ)光處理下壯苗指數(shù)提高304．46％。對(duì)黃瓜幼苗補(bǔ)紅光能提高黃瓜幼苗的真葉數(shù)、葉面積、株高、莖粗、干鮮質(zhì)量、壯苗指數(shù)、根系活力、SOD活性和可溶性蛋白含量，補(bǔ)UV－B則能提高黃瓜幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量；與自然光相比，補(bǔ)充LED紅光、藍(lán)光使番茄幼苗葉面積、干物質(zhì)量、壯苗指數(shù)顯著提高，補(bǔ)充LED紅光、綠光使番茄幼苗株高、莖粗顯著增加；LED綠光補(bǔ)光處理能夠顯著提高黃瓜和番茄幼苗的生物量，且幼苗鮮、干重隨綠光補(bǔ)光強(qiáng)度增強(qiáng)呈增加的趨勢(shì)，而番茄幼苗莖粗、壯苗指數(shù)均隨綠光補(bǔ)光強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加；LED紅藍(lán)組合光能增加茄子的莖粗、葉面積、全株干重、根冠比、壯苗指數(shù)；與白光相比，LED紅光能提高結(jié)球甘藍(lán)幼苗的生物量，促進(jìn)結(jié)球甘藍(lán)幼苗的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)和葉片擴(kuò)展；LED藍(lán)光促進(jìn)結(jié)球甘藍(lán)幼苗的加粗生長(zhǎng)、干物質(zhì)積累和壯苗指數(shù)，使結(jié)球甘藍(lán)幼苗矮化。以上結(jié)果表明，結(jié)合光調(diào)控技術(shù)培育出的蔬菜幼苗優(yōu)勢(shì)十分明顯。