植物補光燈研究進展及應用前景

陳佳佳 胡煒鋼

【摘 要】通過介紹植物生長的光環(huán)境控制照明技術，比較不同波長的光對植物生長過程的影響。研究表明，植物的補充照明、誘導照明，對植物光合作用和植物光周期及光形態(tài)的形成有著顯著的作用。通過比較不同光源特點發(fā)現(xiàn)，LED補光燈在植物照明中具有更好的優(yōu)勢，利用其光譜可調的特點，針對不同植物對光質的需求各異進行定制化補光照明，為農(nóng)作物增產(chǎn)增收提供強有力的技術支持。

【關鍵詞】LED補光燈；植物照明；光譜可調

一、前言

近幾十年來，隨著工業(yè)化、城市化節(jié)奏加快，汽車尾氣排放、工業(yè)廢氣、垃圾焚燒導致霧霾嚴重，大氣透明度不斷下降，致使地球表面接收到的陽光輻射日趨減少，嚴重影響了植物生長所需。光照不足，植物的生長就會受到抑制，其原因是植物在光補償點以下無凈光合作用的累積。所以大力推廣科學種糧、科技種糧，切實提高種植效益，研究開發(fā)出更有利于植物生長的種植手段刻不容緩。

至此，一種通過人工干預方式研發(fā)的人工光源控制系統(tǒng)應運而生，它極大的解決了植物生長過程中關鍵影響因素之一光源---植物工廠。這是一種高科技、高成本、智能化的生產(chǎn)體系，通過計算機和電子傳感技術，精密控制植物光照，保證植物連續(xù)生長的高效生產(chǎn)方式。

近年來，隨著LED應用普及和技術發(fā)展，傳統(tǒng)光源與之相比相形見絀。LED有著明顯的優(yōu)勢：低功耗、壽命長、安裝靈活、安全可靠、光譜可調等特點。在農(nóng)業(yè)種植、空間栽培等領域應用具有良好的發(fā)展前景。

二、植物生長和光

光照對植物的誘導形態(tài)建成、代謝生理、光合作用都有重要影響。太陽光譜不能全被植物吸收。植物吸收光譜主要為波長為595-760nm的紅橙光和波長為370-435nm的藍紫光如（圖2.1所示）。它們在光合作用的光反應和暗反應中起到了至關重要的作用。

三、植物補光燈（植物燈）傳統(tǒng)光源和LED光源比較

3.1植物補光燈傳統(tǒng)光源特點

傳統(tǒng)的植物補光領域主要采用白熾燈、高壓水銀燈、熒光燈及金屬鹵化物燈作為人工光源。傳統(tǒng)光源因其發(fā)光原理原因，光譜基本固定，如圖3.1所示，這就導致了使用的局限性。不能夠滿足不同作物或者作物不同階段對各種光照的需要，更不能滿足例如空間環(huán)境等特殊領域的科研需求。所以它們的補光效果一般，適用范圍窄。

3.2 LED光源特點

3.2.1 LED使用靈活，節(jié)能、低功耗

LED光源有體積小的特點，可以考慮將不同光譜的LED集成在一個補光燈具內(nèi)，通過控制技術實現(xiàn)在不同時間段選用最佳的光譜對植物進行補光。這樣既節(jié)約資源，同時由于補光效率的提高，還可以使用較小功率的LED光源，從而降低了環(huán)境的總熱量，使環(huán)境使用的空調功率下降，進一步降低了補光的耗電，節(jié)約了成本，這也使其成為節(jié)能環(huán)保光源的首選。

3.2.2 LED光譜的靈活性

LED光源作為第四代新型照明。這是一種光譜非常靈活的光源，理論上通過多個LED的組合快于產(chǎn)生任何需要的光譜，使其可以有優(yōu)針對性地對植物進行補光。通過定制化的光配方，根據(jù)植物的要求選擇最佳光譜進行補光。最終達到增產(chǎn)增收、提高作物品質的目的。

3.2.3 LED燈具壽命長

理論上LED壽命長達10萬小時，實際已經(jīng)超過3萬小時，是傳統(tǒng)光源3倍以上。因此，采用LED補光可以節(jié)約維護成本。

四、LED植物補光燈原理

光質對植物生長發(fā)育有很重要的影響，尤其是波長370-435nm的藍紫光和波長595-760nm的紅橙光。而根據(jù)發(fā)光學和色度學原理，實現(xiàn)不同光譜的植物燈可由紫外光、藍光和紅光混合，也可以由藍、綠、紅三基色光混合，根據(jù)LED發(fā)光原理有如下幾類：

（1）藍光LED芯片與熒光粉組合

利用藍光芯片和可被藍光芯片有效激發(fā)的熒光體（有機或無機）混合發(fā)出特定光譜光源。

硫化物系列紅色熒光粉：作為傳統(tǒng)LED紅光發(fā)射光轉換材料，二價銪摻雜的CaS及SrS。因為Sr2+和Ca2+的半徑接近，因此（Ca1-xSrx）S：Eu2+可以形成固溶體。通過改變基質的組份，Eu2+的發(fā)射峰可表現(xiàn)出藍移。胡運生等人通過固相反應制備的（Ca1-xSrx）S：Eu2+激發(fā)光帶位于430-490nm。這與目前白光技術廣泛使用的藍色芯片波長450-470nm可以較好的匹配使用，組合后可以得到藍色+紅色為主的混合光譜。

由于硫化物系列熒光粉穩(wěn)定性差等缺陷，逐漸被氮化物系列熒光粉替代。

（2）紫外光、近紫外光LED芯片和熒光粉組合

將紫外光LED芯片和藍色熒光粉、紅色熒光粉組合。例如利用382nm紫外LED激發(fā)藍色熒光粉（Sr，Ca，Ba，Mg）10（PO4）6Cl：Eu2+，紅色熒光粉La2O2S：Eu3+；可以獲得對應藍色熒光粉發(fā)射波長447nm，紅色熒光粉發(fā)射波長626nm。組合后也可以得到藍色+紅色為主的混合光源。

但紫外光、近紫外芯片技術不成熟，光轉化效率低，目前還未全面推廣。

（3）多基色LED組合

將發(fā)藍色、紅色、綠色單一芯片或者多種芯片組裝成一個LED；可以組成任意光譜組合； 缺點：由于電流、工作溫度、工作響應時間不同，存在一定的技術難點。

（4）有機LED（OLED）

技術不成熟，尚處于發(fā)展階段。

五、LED補光燈（植物燈）應用現(xiàn)狀

LED的上述特點，已經(jīng)在多種植物補光中獲得了應用，如菠菜、蘿卜、生菜、番茄、黃瓜、鐵皮石斛等。

魏靈玲等對黃瓜的育苗補光試驗研究時，利用波長660nm紅光LED和波長450nm的藍光LED組合照明進行實驗比對，當LED的紅藍光質比為7：1時，黃瓜苗的生長最佳。

2010年，周國泉等對生菜補光研究時發(fā)現(xiàn)，利用紅、藍和遠紅外3種不同光質的LED組合燈作為補光條件，研究最佳補光條件時得出R：B：FR=5：1：0.15時，各項指標可以達到最佳狀態(tài)。利用該補光照射，生菜品質得到了提高。

LED補光燈在除了在植物生長過程中的促進作用大放光彩。其對于農(nóng)業(yè)害蟲的物理防治，也可起到獨樹一幟的作用。研究發(fā)現(xiàn)，動植物生長都有病蟲或者某些細菌伴隨，而這些病蟲細菌可在某種光照下會被一定程度抑制。

六、結語

基于LED光源這些顯著的特征，LED補光燈在植物組織培養(yǎng)、植物工廠等智慧農(nóng)業(yè)以及畜牧業(yè)、空間栽培、科研等領域有著較好的應用前景。

縱觀國內(nèi)外LED植物照明市場，歐美、日韓等發(fā)達國家企業(yè)與科研機構相關技術研究相對深入。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化、自動化程度高，已經(jīng)有更好的基礎。所以目前LED植物照明市場更多的以出口為主。國內(nèi)LED植物照明的應用普及善不成熟，LED補光燈照明的國內(nèi)市場拓展阻力重重。主要困難點在于一些基礎性設施不齊套，植物工廠及相關概念還未普及，暫不具備快速發(fā)展的市場土壤。因此對國內(nèi)企業(yè)而言，顯得勢單力薄，任重而道遠。

【參考文獻】

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