led在設施農(nóng)業(yè)的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(完整版)
【正文】 +紅色LED, 熒光燈+遠紅外LED復合光照處理，比單一熒光燈處理能顯著提高萬壽菊的氣孔數(shù)量[8]。1993年日本香川大學的岡本和柳用紅色LED進行了菠菜和萵苣的栽培試驗。與高壓鈉燈、白熾燈、熒光燈等其他人工光源相比，LED的優(yōu)勢在于：，供電電壓僅為6~24V，比使用高壓電源更安全；，耗電量僅為白熾燈的八分之一，熒光燈的二分之一；（圖2），如紅外、紅色、橙色、黃色、綠色、藍色等，而且還可以根據(jù)不同需要任意組合；4. 低發(fā)熱特性的冷光源，可以近距離照射植物，提高空間利用率；，響應時間快；、結構緊湊、穩(wěn)定性強；，作為全固體發(fā)光體，不含金屬汞、耐沖擊、不易破碎，廢棄物可回收，是一種綠色照明產(chǎn)品；，可達50,000小時以上，是普通照明燈具的幾十倍。它是利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料，當兩端加上正向電壓，半導體中的載流子發(fā)生復合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。人工光源作為設施園藝的重要組成部分，同時也是耗能和增加運行成本的主要因素。該文通過對LED在設施園藝領域研究現(xiàn)狀的詳細闡述，重點介紹了LED的光源特性及其在設施栽培、組織培養(yǎng)、植物工廠和太空農(nóng)業(yè)等方面的應用進展，并對LED在人工補光、植物工廠、生命保障系統(tǒng)以及與新能源結合等方面的應用前景進行了分析和展望。LED具有高光電轉換效率、使用直流電、體積小、壽命長、耗能低、波長固定與低發(fā)熱等優(yōu)點，與目前普遍使用的高壓鈉燈和熒光燈相比，不僅光量、光質(zhì)（紅/藍光比例或紅/遠紅光比例等）可調(diào)，而且還是低發(fā)熱量的冷光源，可近距離照射，從而使植物的栽培層數(shù)和空間利用率大大提高。但由于受亮度、價格等因素的影響，LED很長一段時期一直未能作為通用光源推廣應用。LED光源這種獨特的性能，為其在設施園藝領域的應用提供了有效的發(fā)展空間[6]。s1)的環(huán)境中，證實可分化生長，雖然干物重小于純紅光或紅藍光組合下的植株，但純藍光下的植株顯得更加矮壯和健康。圖3 LED黃瓜育苗試驗 Fig2 Test of cucumber seedling under LED到目前為止，LED已成功用于多種作物的設施栽培，包括：萵苣（Bula et al.,1991。隨著LED研究的不斷深入，必將會有越來越多的作物栽培獲得成功。主要原因是單色紅光導致了系統(tǒng)可利用的光能分布不平衡，抑制了莖的生長[15]。Hahn等（2000）研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)單一紅光LED或藍光LED處理的毛地黃組培苗出現(xiàn)徒長現(xiàn)象，但是在紅藍光LED組合下生長健壯。楊雅婷等（2009）研究了紅藍光LED光強對甘薯組培苗的影響。因此，節(jié)能降耗已經(jīng)成為人工光完全控制型植物工廠的重要課題[8,21]。該工廠的建筑尺寸為13m13m12m，栽培床面積為800m2(8m10m10層)，栽培光源為改良型水冷式紅色LED，其他環(huán)境要素如溫度、濕度、CO氣流速度等均可實現(xiàn)自動控制。mol光照周期24h（亮）/0h（暗）的條件下，利用紅藍兩種LED的四種不同組合作為照明光源，在多孔管和多孔陶瓷顆粒無土栽培裝置下進行植物栽培試驗，結果表明，紅色LED下生長的植物初期呈匍匐狀，后期直立、細長；紅藍光LED組合下的植株生長基本正常，但90％紅光LED＋10％藍光LED更為適宜[24]。荷蘭等一些發(fā)達國家已經(jīng)在大功率LED的溫室補光方面進行了中試（圖5所示）。太陽能光伏技術以及其它新能源與LED的結合，也使得工廠化農(nóng)業(yè)、摩天大樓農(nóng)業(yè)以及太空農(nóng)業(yè)、星球農(nóng)業(yè)的能源利用效率得到大幅度提高，甚至會帶來植物生產(chǎn)體系的重大革命與突破。單色LED對不同植物的作用機理、適宜的LED組合配比參數(shù)及其專用燈具的開發(fā)，以及如何進一步提高光效、降低成本等，都是當前亟待解決的關鍵課題。 圖5溫室 LED人工補光 LED將在植物工廠和生命保障系統(tǒng)中發(fā)揮積極作用 LED的顯著特征是能發(fā)出不同波長的單色光，并可根據(jù)植物光合作用和形態(tài)建成的光譜需求進行相應的組合，形成節(jié)能高效的人工光源。 21世紀被譽為是“光的世紀”，植物光合作用是地球上一切生命的基礎。 隨著空間技術的發(fā)展，人類進行太空探索逐漸成為現(xiàn)實，基于空間環(huán)境的特殊要求，植物栽培使用的光源必須具有發(fā)光效率高、輸出光譜與植物光合作用需求吻合、體積小、重量輕、壽命長、無污染等特征。1994年以來，日本開始試用LED作為植物工廠的照明光源，東海大學高辻正基和大阪大學中山正宣使用波長為660 nm的紅色LD加上5%的藍色LED的組合光源進行生菜和水稻的栽培，獲得成功?？梢?，不同紅藍光LED組合下的光照對幼苗生長有很大的影響。Jao and Fang (2001)使用高頻閃爍的紅、藍光LED為光 源，發(fā)現(xiàn)可在不提高耗電成本下提高馬鈴薯組培苗的生長速率 [13,14,18]。圖4 LED組培光源Fig3 The LED lighting source for tissue culture在紅藍光組合及其配比對組培苗影響方面，研究表明，紅藍光LED組合對組培植物生長發(fā)育能產(chǎn)生積極影響，主要是由于紅、藍光的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜峰值區(qū)域一致，從而提高了組培苗的凈光合速率。但由于采用的人工光源多為熒光燈，光效低，發(fā)熱量大，能耗成本高。 Brown,1997)、小麥(Goins et al.,1997)、菠菜(Yanagi amp。結果表明，在周期為100μs以下的脈沖光條件下，生菜生長比連續(xù)光照射條件下促進效果提高了20%，從而證實了采用不同頻率脈沖光照射萵苣可以加速植物生長。1987年美國Wisconsin大學Tibbitts等人開始采用LED進行萵苣的栽培試驗，1991年該校的Bula等人利用紅光660nm的LED與藍色熒光燈結合，進行生菜（Lactuca Sativa L）
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