LED在設施栽培中的應用和前景

柴貴賢

摘? ? 要：通過介紹LED技術相比其他人工光源在植物設施栽培方面的優勢，分析了LED技術在設施栽培中的應用，指出了該技術在設施栽培方面的發展前景，以期為智慧設施農業發展提供技術指導。

關鍵詞：LED技術;設施栽培;應用;發展前景

文章編號：1005-2690（2022）07-0142-03? ? ? ?中國圖書分類號：S316;S123? ? ? ?文獻標志碼：A

植物的生長發育和產品器官的形成，都需要在一定的光照條件下進行。隨著現代設施農業的不斷發展，我國設施栽培面積已位居世界前列，設施栽培可充分發揮作物的增產潛力，實現產量增加，并能使作物反季節生長，在有限的空間中生產出高品質的作物。但是，由于設施農業栽培一般采用塑料棚膜、玻璃、PVC板等覆蓋材料，影響了設施的透光性能，使光照成為制約設施反季節作物栽培的主要因素。為滿足植物正常生長發育時對光的需求，進行人工補光勢在必行。隨著半導體技術發展日益成熟，LED以其體積小、節能以及冷光源等優勢對植物進行按需補光，大大促進了植物生長，在植物設施栽培中表現出了良好的應用前景。

1 LED應用于植物設施栽培的優勢

合理利用光照可以促進植物生長發育、增強植物光合作用、控制植株形態。在設施栽培領域，人工光源補充是一項極為重要的技術。以往人們對設施栽培進行補光時，大多使用熒光燈、高壓鈉燈或白熾燈等，而這些光源光譜中波長較為雜亂，對植物產生的促進作用較少[1]。隨著光電技術不斷進步，LED逐漸取代了其他補光方式，成為設施栽培領域人工補光的首選光源，這與其優勢有著密不可分的關系。

1.1 光效高

LED光源能量轉化效率極高，能耗低，僅為白熾燈的10%左右，相對于熒光燈可節能50%。當前白光LED的光效是120 Lm/W，相當于普通熒光燈的4倍，這使該技術成為了植物設施栽培補光領域的重要發展趨勢。

1.2 光譜可按需任意組合

當前，設施栽培領域所應用的LED多為單色光，波段豐富，光譜能量分布符合植物生長需求。在實際應用時，LED可根據植物生長發育需求進行光譜調制，任意組合光譜，形成植物所需的特定光照配方，并且選擇適宜的波長峰值，促進植物對光能的吸收，真正實現按需用光，使植物處于最適宜生長的光環境中。這一特點也是LED在植物補光領域最大的應用優勢。

1.3 綠色、環保、安全、壽命長

LED屬于半導體光源，耐沖擊，環保性較強，不易破碎，不會排放鉛和汞等有害物質，廢棄物可回收。LED為低壓電源，供電電壓在6～24 V之間，使用安全。LED使用期間不易衰減，平均壽命大約為10萬h，降低了更換頻率和維修成本。

1.4 體積小、重量輕，便于組合安裝及二次光學設計

LED體積小、重量輕，能運用于各種設備的布置和設計中，易于分解或組合控制，在光源二次光學設計方面有較大的潛力。LED光源可以進行多樣化搭配組合，特別適用于植物照明，尤其是對光源光譜有特殊要求的作物生產。

1.5 防潮、防水性強

LED光源密封性好，可防潮防水，能在相對濕度較大的環境中正常工作，甚至可以應用于水下照明，特別適用于設施栽培的環境中。

1.6 LED光環境可進行智能化控制，實現光照按需調控

LED可通過連續照射或脈沖間歇照射精準調控LED光源所發射光的光強、光質和光周期等屬性，實現光周期按需調控，滿足植物生長對光強、光質、光周期的需求，從而促進植物生長。LED適宜植物工廠化生產，有助于設施栽培智慧生產。

2 我國植物設施栽培中光環境現狀及問題

設施內的光環境對作物生長發育影響重大，調節好光環境是實現高效、高產、優質的首要條件。在設施栽培中，由于受覆蓋材料的影響，植物缺乏自然光源的攝入，因此必須通過調控設施內的光環境來促進植物生長，實現高產、優質的目的。通常來說，植物設施栽培都屬于反季節栽培，冬季因光照時間短及保溫被、草苫等保溫材料的使用，使設施內更加缺乏光照，一旦遇到陰天、下雪、霧霾等天氣，設施內缺光的現象將更為嚴重。而植物光輻射條件達不到生長要求，極易出現幼苗徒長，造成后期產量下降。另外，一些喜光的果蔬植物若長期處于弱光環境中，將抑制其生長，影響開花結果和果實品質?？偟膩碚f，植株若無法正常進行光合作用，其生長發育會受到極大影響，容易引發病蟲害，甚至絕收。為了給設施植物提供充足的光照環境，進一步提高產量，尤其是在自然光相對較弱的季節和地區，利用人工光源控制和調節設施植物的生長是非常必要的。生產中，一般用白熾燈、日光燈、高壓鈉燈等光源進行人工補光，但是與植物光合作用所需吸收的光譜匹配度不高，光合效能低，不是理想的人工光源。隨著光電子技術的不斷發展，LED已成為21世紀最具發展潛力的新型人工光源，其光譜組成與植物吸收光譜匹配度較高，用于植物補光的效果顯著。同時，LED作為設施栽培的補光光源，不僅推動了設施作物生產節能減排，也促進了設施農業高效、高產、優質發展。LED已成為設施農業栽培和學術界關注的熱點。

3 LED在植物設施栽培中的應用

3.1 LED在設施植物栽培補光中的應用

光源是設施栽培發展中不可缺少的條件，光對植物的影響主要分為光強、光質和光周期3個方面。LED光源的出現解決了設施栽培中傳統光源不足的問題，通過人工調節光質、光強和光周期提高作物的產量和品質已成為可能。

國內外的許多研究發現，利用LED光源的光質、光強、光周期可控的特點，可提高設施作物產量和品質。LED應用于設施栽培主要表現在兩方面：一是當植物缺乏光照或光照時間短時，可作為植物光合作用補充光源。研究表明，使用LED照明技術后，設施內空氣可形成微循環，使植物能充分吸收熱能，極大地促進植物生長及光合作用。二是可引導植物形成光周期以及特定的形態構造。LED燈具有不同的波長，利用某一特定波長可以人工調節植物開花時間以及花期長短等。郝東川和司雨（2012）[2]發現，LED燈補光處理能顯著增加瓜類的主蔓雌花數量及其單果重量。吳芳蘭等（2022）[3]研究表明，用LED光源不同的光周期處理香梓楠幼苗時，香梓楠的苗高增長量、葉面積、葉綠素a/b比值、類胡蘿卜素含量以及光飽和點都有所不同。在紅藍組合光質基礎上添加紫、綠光提高了幼苗的質量指數、促進了光合產物的合成和積累。劉曉英（2010）[4]用6種不同光強的LED紅藍光處理櫻桃番茄發現，櫻桃番茄干鮮重隨光強提高而增加，用低光強處理后葉面積大而薄，株高、節間距增大，植株發生徒長現象;用高光強處理櫻桃番茄后其莖變粗，植株健壯。盧陽陽（2019）[5]研究發現，用藍綠組合光、藍光、綠光處理香菇后，其子實體原基數量、單菇鮮重及轉化率都較高。陳丹等（2021）[6]用4個不同時長LED對火龍果進行補光，發現補光時長為4 h時效果較好，而且能節省電能，降低成本。

3.2 LED在設施育苗中的應用

現代農業不斷細化，設施育苗業已從種植業中分離出來，形成一個新興產業，密閉式植物種苗工廠應運而生，其受自然環境影響較小，可有計劃地開展作物生產工作，同時擁有極高的自動化程度，可開展立體栽培。該模式對土地要求較低，是未來育苗業的重點發展方向。在育苗過程中使用LED光源板可起到良好的效果，只要科學調整光照度、光質等參數，植株在光合速率、根系活力、葉面積等方面比露地栽培植株表現更為優異。在實際應用中，根據植物生長需求調節光源板光質，對植株株高、生長速度、葉片數等具有明顯的促進作用。LED在閉鎖型育苗體系中的應用前景較為廣闊，崔瑾等（2009）[7]利用紅光、黃光、綠光、紅藍組合光和藍光對設施內的番茄、黃瓜、辣椒進行補光處理，發現紅光和紅藍光有利于番茄、黃瓜、辣椒幼苗生長，能使莖變粗，鮮干重及壯苗指數均高于無補光處理的幼苗。

3.3 LED在植物組織培養中的應用

植物組織培養由于繁殖速度快、周期短，不受外界環境、氣候、時間和地域等條件的限制，目前已經成為植物遺傳育種、脫毒繁殖、種質資源保藏的重要手段。但由于傳統植物組織培養所采用的人工光源光效低、熱量大，其光譜植物不能有效利用，造成高耗能、高成本。而LED光源體積小，可以任意設計光源形狀、光譜組成和光周期，能為植物組織培養中新型光源的開發提供新思路。錢創建等（2021）[8]利用LED混合光源綠光∶藍光∶紅光=1∶1∶3對馬鈴薯脫毒試管苗進行補光，結果發現，經LED光源補光后微型薯的結薯數量和總質量都有所提高。張曉雪等（2021）[9]試驗發現，在紅掌和觀賞鳳梨組培苗工廠化生產中宜選用光質配方為深紅+白+遠紅+中藍的LED光配方燈代替傳統的熒光燈。韓逸飛等（2021）[10]研究發現，紅光會使馬鈴薯組培苗莖稈變細，并能增加其節間長和莖節數，降低壯苗指數，而藍光會誘導組培苗莖稈矮化并加粗，促進干物質積累，有利于培育壯苗。

3.4 LED在設施栽培害蟲防治中的應用

由于設施栽培具有溫度高、濕度大等特點，容易引發蟲害，長期使用農藥防治易使病蟲產生耐藥性，也容易造成農藥殘留，從而影響農產品品質、污染生產環境。而害蟲普遍具有趨光性，利用這一特性對其進行光誘殺能很好地解決這些問題。LED光源波長種類較為齊全，在害蟲誘殺方面具有較大的優勢和應用潛力。全林發等（2021）[11]試驗表明，荔枝蒂蛀蟲對紫外光有明顯的避光性，夜間用波長為400～700 nm的LED白光和波長為570～575 nm的LED黃光持續照射，可有效降低成蟲交配率和繁殖力。張敏（2018）[12]以LED光的波長因素作為變量，研究波長處理對昆蟲生長發育的影響，發現黃橙光可以抑制綠盲蝽卵和若蟲的發育，藍光能縮短菜粉蝶蛹期的發育歷期，波長為435 nm的LED光對大頭金蠅種群繁殖的限制作用明顯。目前，我國開發出了適合溫室使用的殺蟲燈，這種殺蟲燈性能穩定、使用壽命長、對環境較為友好且價格低廉，不僅極大地節約了生產成本，也使殺蟲效率大大提升，在設施栽培領域廣泛適用。

3.5 LED在設施農業貯藏保鮮中的應用

光是調控設施作物生命周期中化學成分和基因表達的重要調節因子，LED能實現對光質、光強、光配比、光分布均勻性等參數的精確控制，因而在果蔬貯藏保鮮領域應用十分廣泛。劉幫迪等（2021）[13]試驗發現，藍、紫光可以抑制香蕉呼吸強度，減少乙烯的釋放量，延長貯藏期，減少纖維素分解為果膠的數量，防止香蕉軟化，抑制色澤轉黃和淀粉到糖的轉化，而藍光延緩后熟的能力比紫光更好。閆志成（2019）[14]認為，LED照明是一種有效的保鮮方式，可以改變小白菜的生理代謝和基因表達狀況，以維持貯藏期間小白菜的品質和營養水平。李寧等（2015）[15]發現，用LED紅藍復合光處理西蘭花后，其保鮮期延長10～15 d，還能很好地保持西蘭花原有的外觀和品質，并且防止了西蘭花貯藏期間維生素C的快速流失，延緩了貯藏期間乙烯釋放量峰值和呼吸躍變出現的時間，降低了呼吸躍變的峰值，減少了膜脂過氧化對西蘭花造成的損傷。LED輻照處理在促進采后果蔬營養物質的積累、增強抗氧化能力、延緩果實衰老等方面具有良好的采后應用潛力，成為減少果蔬采后損失的高效、安全、友好型技術。

4 LED應用于設施栽培的前景

隨著LED光源高效節能技術的發展，使用LED補光已逐漸成為設施栽培的主流。在植物設施栽培模式光照不足的情況下，通過人工調控光源光質、強度等參數對植物補充光源，有效促進其生長發育，達到增產、抗病、優質、無公害等目的。LED補光在設施栽培領域的應用將更加廣泛，對促進農業現代化和智能化、提升農產品品質、節能環保等方面都有舉足輕重的意義。

LED光源以其特有的優勢受到了世界各國的重視，尤其在全球能源緊缺的情況下，LED應用于設施農業栽培領域的優勢眾多，既可為植物生長提供純正的單色光，又能根據植物需求提供復合光譜，針對植物生長的不同時期組合光譜。此外，還能為植物提供高頻間歇光，這一特性能夠滿足植物對于光周期的要求。

目前，世界各國在LED用于植物設施栽培領域的研究更加深入，且對于LED應用技術與相關產品的興趣有所提高。針對這一方向開展的各種試驗均證明LED在植物設施栽培領域具有巨大優勢。另外，我國雖然是農業大國，設施栽培面積也居世界前列，但設施栽培領域自主知識產權卻極少。針對這一情況，工程學科及植物學科相關專家應開展合作，共同研發出符合我國生產實際的LED照明控制系統、植物生長調控裝置以及工廠化育苗設施等。目前，我國半導體照明技術發展速度越來越快，生產成本也逐年下降，相信LED技術在未來必將更廣泛地應用于設施栽培領域。

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（編輯：牛 佳）