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光茵生物科技

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專家的話：

LED在植物設施栽培中的應用和前景引言隨著半導體技術的飛速發展，各種波長的發光二極體（lightemittingdiode，LED）被開發出來並被廣泛應用於各行業。

近年來，LED作為一種可應用於植物設施栽培的新型半導體光源，具有一系列傳統電光源技術無可比擬的優點而日益受到關注。

目前LED在植物設施栽培中的應用正日益擴大並呈良好的發展前景。

本文簡要從以下幾個方面對LED在植物設施栽培方面已做過的工作做一個總結，並對它在該領域的應用前景做一個評估。

1、應用於植物設施栽培的LED特徵光是植物生長發育的基本因素之一。

光質對植物的生長、形態建成、光合作用、物質代謝以及基因表達均有調控作用。

通過光質調節，控制植株形態建成和生長發育是設施栽培領域的一項重要技術。

作為第四代新型照明光源，LED具有節能環保、安全可靠、使用壽命長、回應時間短、體積小、重量輕、發熱量少、易於分散或組合控制等許多不同于其他電光源的重要特點。

傳統植物設施栽培中使用的光源一般是螢光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和白熾燈。

這些光源是依據人眼對光的適應性所選擇的，其光譜有很多不必要的波長，對植物生長的促進作用少。

而隨著光電技術革新和生產成本下降，LED因具備以下卓越性能成為植物設施栽培領域的首選光源：

光譜性能好，可按照需要組合獲得純正單色光與複合光譜，其波譜寬度小於±30nm，波長正好與植物光合成和光形態建成的光譜範圍吻合；光能有效利用率可達80%～90%，並能對不同光質和發光強度實現單獨控制；作為冷光源，可以近距離地照射植物，大大提高空間的利用效率，可用於多層栽培立體組合系統，實現了低熱負荷和生產空間小型化；此外，LED耐衝擊，不易破碎，不含汞，無污染，廢棄物可回收利用，使用壽命是普通光源的數十倍，特強的耐用性也降低了運行成本。

由於這些顯著的特徵，LED十分適合應用於可控設施環境中的植物栽培，如植物組織培養、設施園藝和閉鎖式植物工廠以及航太生態生保系統等。

由於目前LED的價格較高，在植物設施栽培領域的推廣應用還需要有一個過程。

但隨著LED向高亮度、低價格的方向飛速發展，LED一定會在不久的將來廣泛應用於植物設施栽培領域。

2、LED應用於植物設施栽培的研究1964年世界首個紅色LED研製成功，之後黃色LED出現，直到1994年藍色、綠色LED才研製成功。

但由於其亮度差、價格昂貴等條件的限制，一直無法作為通用光源推廣應用。

近十年來，隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入，LED製造工藝的不斷進步和新材料的開發應用，LED的發展取得了突破性進展，價格也大幅度下降，其應用於植物設施栽培的研究逐漸被各國學者關注。

尤其是在超高亮度LED開發成功後，被廣泛應用于植物生理或栽培領域的研究，如光形態發生、光合作用及葉綠素合成研究等。

2.1、LED應用于植物組織培養的研究在植物組織培養中，光合光量子通量密度（PPFD：

PhotosyntheticPhotonFluxDensity）、光照週期和光譜分佈對植物的光合作用和形態建成起重要作用。

植物組培主要依靠電光源，傳統電光源對植物的生物能效極低、發熱量大，光照用電約占整個電費成本的65％，是植物組織培養中最高的非人力成本之一。

因此在植物組織培養中採用LED提供照明，調控光質和PPFD，不僅能夠調控組培植物的生長發育和形態建成、縮短培養週期、提高品質，而且能夠大大減少能耗，降低成本。

2.1.1、紅光（620～660nm）和遠紅光（710～740nm）LED對組培植物生長的影響光譜中紅光與遠紅光光通量的比值（R/FR）對植物形態建成、調節植株高度具有重要影響。

R/FR比值已成為控制植株形態的一個重要評價參數。

Fujiwara等研究發現，LED光源中，紅光LED和遠紅光LED光源比螢光燈更易影響組培苗的光形態建成和生長發育。

Tanaka等研究發現紅光LED促進蘭花組培苗葉片生長但降低了葉綠素含量、莖和根的幹重。

Lian等研究表明：

在單獨紅光LED照射下，百合離體培養鱗莖的生長指標和幹物質積累較低，這與單獨紅光導致的低CO2同化作用有關。

這一結果印證了Goins等將紅光LED應用於小麥光合產量的研究結果。

然而，有關紅光或遠紅光LED對組培植物生長影響的報導並不一致。

Miyashita等研究發現隨著紅光LED的PPFD增加，馬鈴薯組培苗莖伸長，葉綠素含量也增加，但葉面積和幹重沒有顯著差異。

Nhut等的研究表明，在紅光LED照射下，草莓組培苗葉片伸展、葉柄伸長、莖明顯伸長，但葉綠素含量降低。

Kim等研究認為，單獨紅光LED或紅光LED＋遠紅光LED處理下，菊花組培苗莖過分伸長導致莖杆脆弱，其他重要生長指標也降低了，總體上不利於植物的正常生長發育。

Hahn等發現了紅光LED對毛地黃組培苗莖生長的抑制作用。

這些現象被認為是單色紅光導致光系統Ⅰ和Ⅱ可利用的光能量分佈不平衡，因此抑制莖的生長。

此外，在研究PPFD均為45μmol/（m2·s）的不同光質LED對蘭花原球莖小塊照射處理的實驗結果中，發現紅光LED處理對從原球莖片段中誘導愈傷組織是最有效的。

2.1.2、藍光（450～470nm）LED對組培植物生長的影響有報導認為藍光直接或間接影響植物胚軸的伸長、酶的調節和合成、氣孔的張開、葉綠體的成熟和光形態建成。

但是有關單一藍光LED顯著影響組培苗生長發育的報導並不多見。

Appelgen等曾報導藍光強烈抑制天竺葵組培苗莖的延長。

Nhut等的研究表明，經單一藍光LED處理的草莓組培苗葉片數目最少，根長最短，抑制草莓組培苗生長，但沒有藍光LED照射會導致草莓組培苗生長和發育不平衡。

在對馬蹄蓮組培苗光合兼養條件下生長效果的研究中發現，在LED處理之前，幹品質和生長速率沒有顯著的差異，但是添加藍光LED處理對葉綠素含量和株高指標有顯著的正效應。

Tanaka等研究發現紅光LED促進了蘭花葉片的生長但降低了葉綠素的含量，然而藍光LED卻逆轉這個效應。

2.1.3、紅光與藍光LED組合對組培植物生長的影響迄今為止，有不少報導認為，紅藍LED組合對組培植物的生長發育產生積極影響，優於單色光處理。

如Hahn等研究發現，經單一紅光LED或藍光LED處理的毛地黃組培苗出現徒長現象，但是在紅藍LED複合光下生長健壯。

還有研究發現，一種雙蝴蝶屬組培植物在紅光LED下生根最好，在藍光LED下生根最差；而在紅藍LED複合光照下，植物的根數、鮮重和葉綠素含量綜合指標明顯好於單色LED和螢光燈處理。

有研究認為紅、藍光LED組合可以通過增加淨光合速率以提高植物的生長和發育是因為紅光與藍光的光譜能量分佈與葉綠素吸收光譜一致。

Kim等研究發現在紅、藍LED複合光照射下的菊花組培苗淨光合速率最高，鮮品質、幹品質和葉面積達到最大，氣孔的數目最少，氣孔開度最大。

Tanaka等報導指出在紅、藍LED複合光照射的蘭花組培苗的鮮重和幹重增加。

Lian等對百合離體培養鱗莖進行實驗得出,紅、藍LED複合光更適合鱗莖的生長，鱗莖的尺寸、鮮、幹品質和根的數量最高。

但是有關紅藍LED組合的配比，不同組培植物作為試驗材料所開展研究的報導結果並不一致。

如Nhut等採用80％紅光LED＋20％藍光LED組合對其對香蕉組培苗生長和馴化移栽有明顯促進效果。

而一項對於桉樹組培苗的研究發現，同樣的紅藍LED配比，並配合透氣膜和岩棉基質能夠實現其無糖培養。

Nhut等後又研究發現在70％紅光LED＋30％藍光LED照射下，草莓組培苗的葉片數、根數、根長、鮮重、幹品質值最大，移栽到土壤中長勢也最好。

隨後對白鶴芋組培苗的研究也得到了相似的結果。

由此可見，不同的植物對光質配比的敏感性不同，表現出不同的適應性。

在對馬鈴薯組培苗的鮮/幹品質積累量指標的研究結果中發現，協同光照控制優於交替間歇光照控制，45%紅光LED55%藍光LED的處理對於馬鈴薯組培苗的生長效應是最佳的。

此外，有研究發現在25%紅光75%藍光LED組合下，從蘭花原球莖小塊中誘導的愈傷組織中能夠獲得最高發生率的原球莖體。

2.2、LED應用於設施園藝的研究近十年來，中國設施園藝面積發展迅速，植物生長的光環境控制照明技術已經引起重視。

設施園藝照明技術主要應用於兩個方面：

一、在日照量少或日照時間短的時候作為植物光合作用的補充照明；二、作為植物光週期、光形態建成的誘導照明。

2.2.1、LED作為植物光合作用補充照明的研究Nichols等研究發現溫室內的傳統人工光源產生太多熱量，如採用LED補充照明和水培系統，空氣能夠被迴圈使用，過多的熱量和水分可以被移除，電能能夠被高效地轉變為有效光合輻射，最終轉化為植物物質。

在應用LED為400ms頻率和50%占空比下，生菜的生長速率、光合速率都提高20%以上，該研究表明將LED用於植物工廠是可行的。

Yanagi等研究發現，與螢光燈相比，紅光LED對菠菜生長效應不明顯，加入藍光LED後菠菜生長形態指標顯著提高。

Yorio等研究發現，應用90%紅光LED10%藍光LED作為補充照明，能夠顯著促進菠菜、蘿蔔和生菜的生長發育。

Shin等的研究發現，紅藍LED複合光照下生長的甜菜生物積累量最大，毛根中甜菜素積累最顯著，並在毛根中產生最高的糖分和澱粉積累。

有報導指出同對照金屬鹵化燈相比，生長在紅藍LED複合光照下的胡椒莖、葉的解剖學形態發生顯著的變化。

Choi等的研究也有類似結論，在紅藍LED複合光照下生長的紫蘇的莖、葉的解剖結構特徵變化與在金屬鹵化燈下生長的紫蘇有顯著差異，並且隨著PPFD提高，紫蘇光合速率提高。

Heo對萬壽菊和鼠尾草進行顯微結構觀察發現，同單色的藍光或紅光LED相比，紅藍LED複合光照下兩種植物的氣孔數目增多。

2.2.2、LED作為植物光週期、光形態建成的誘導照明Goins等研究發現紅光LED可延遲擬南芥的開花時間。

Heo等研究發現紅光＋藍光LED對仙客來開花起誘導作用，10h光週期處理下，花芽數和開花數最高；單獨的紅光或藍光LED照射降低了成花反應，調控了花梗長度和花期，有利於切花生產和上市。

由此可見通過光質和光週期可以調控植物的開花和隨後的生長。

Heo等研究結果表明：

在螢光燈藍光LED、螢光燈紅LED、螢光燈遠紅LED光照處理下，藿香薊的幹品質無顯著差異；螢光燈和螢光燈紅LED光照處理下，藿香薊和萬壽菊的株高無顯著差異，但是螢光燈遠紅光處理下的兩種植物株高最高；與單一螢光燈處理相比，螢光燈紅LED和螢光燈遠紅LED複合光照處理顯著提高萬壽菊氣孔的數量。

2.3、LED應用於航太生態生保系統的研究目前國際上普遍認為，建立受控生態生保系統（ControlledEcologicalLifeSupportSystem,CELSS）是解決長期載人航太生命保障問題的根本途徑。

而要建立好該系統,關鍵技術之一就是必須解決好其中的高等植物栽培技術，在空間進行高等植物栽培涉及到的關鍵問題之一就是光照技術。

基於空間環境的特殊要求，空間高等植物栽培中使用的光源必須具有發光效率高、輸出的光波適合於植物光合作用和形態建成、體積小、重量輕、壽命長、高安全可靠性記錄和無環境污染等特點。

因此，近年來發光二極體在空間植物栽培中的應用倍受重視。

研究發現氙氣金鹵燈和LED兩種照明系統都能提供CELSS要求的光譜能量分佈和均勻的照明，但是採用LED的照明系統的電能轉換效率超過採用氙氣金鹵燈系統的5倍。

郭雙生等研究發現，太空植株正常生長可採用紅色和藍色LED的一定組合，以90%紅色10%藍色LED管更為適宜。

Kim等研究發現，24%綠光藍光紅光（RGB）處理促進了生菜的生長，與冷白螢光燈處理組相比，RGB處理組的生菜光合產量顯著提高。

3、LED應用於植物設施栽培的前景分析21世紀將是生態農業的世紀，而物理農業是實現生態農業的主要途徑之一，在眾多的物理學科知識中,光學在其中起著至關重要的作用，因此，有學者認為“光的世紀”即將來臨。

如何在太陽光照不足情況下調控特定人造光源對綠色植物實施不同“光肥”，不僅促進作物生長發育，還可以達到增產、高效、優質、抗病、無公害的目的，這對於促進中國現代農業的發展具有非常重要的現實意義。

LED以其固有的優越性正吸引著世界的目光，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下。

將LED應用於植物設施栽培領域具有很多優勢：

可提供多種純正單色光和複合光譜，可根據不同作物及不同生長發育時期提供相應的光譜組合；具有PPFD可調的特性，可以模擬太陽光強度的變化；發光頻率與占空比可調節的特性可以提供高頻間歇給光模式，有利於探討光合作用中明期和暗期的控制機理，並可以擴大節能空間。

LED在植物生理與植物栽培領域的應用研究已經引起全世界的廣泛關注。

以日本和美國為代表的發達國家不僅深入研究LED對植物生長發育的調控機理，更注重積極研究將LED廣泛應用於植物設施栽培領域的技術和產品。

美國NASA研究中心把LED補光設施作為宇宙基地等閉鎖式生命維持系統的相關技術之一開展研究。

日本的閉鎖式LED植物工廠的研究已經進入實用化階段；CCS公司製作的植物生長系統通過生長控制軟體控制LED照明，能實現不同光質的自動控制；新型LED光源組培容器“Uni-PACK”也研製成功，具有提高組培空間利用率、有效波長利用率和照明效率，降低組培苗生產成本等優勢。

迄今為止，中國植物設施栽培領域的LED應用機理研究還處於起步階段。

借鑒國外研究成果，進一步系統深入研究LED應用於中國設施栽培領域的基礎理論十分必要。

值得注意的是，不同植物不同生長時期所需的光譜組合、PPFD及光照週期存在一定差異，雖有一些國外文獻報導應用紅藍LED等光譜組合對不同植物生長發育和形態建成影響的研究，但缺乏結合不同物種不同時期生長特性，分析植物對LED光質調控回應機理的研究，因此也未能給出不同植物在不同生育期中最佳LED光譜組成、PPFD及光照週期的可靠參數和系統資料。

此外，中國雖然是植物設施栽培面積大國，但在設施栽培領域具有自主知識產權的LED技術產品的研發基本還是空白，急需工程學科和植物學科的研究者共同合作，研製開發出符合中國生產實際的LED植物光源、照明自動控制系統、新型植物生長調控裝置和大型植物工廠化育苗設施等。

隨著LED技術的發展與生產成本的逐年下降，特別是隨著中國半導體照明工程的啟動，相信在不久的將來，與LED相關的各種技術和產品將廣泛應用於植物設施栽培的生產實踐中。

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