LED在植物生长中的应用研究

目录引言产品背景LED植物灯概述光合作用原理LED植物灯与传统灯比照LED植物灯应用国情国策未来LED植物灯五点开展建议引言

光是植物生长中的重要环境因子之一。LED因体积小、质量轻、寿命长、光强可调等优点，使其成为植物光环境调控的重要光源之一，并在节能和促进植物生长方面都具有明显的优势。目前，LED在植物组织培养研究中已得到一定的应用，并取得了一些可喜的进展。

LED独有的优点，使其成为植物组织培养研究的重要光源之一。20世纪80年代以来，世界上一些国家陆续开始了LED在植物组织培养中应用研究。中国的一些高等院校和科研机构也开始了该方面的研究，并取得了一些可喜的进展。产品背景传统植物载培所采用的光源多为荧光灯、高压钠灯或白炽灯，但它们均以人眼为应用对象，以人眼的视觉效应最高为设计原那么，而不是以植物的生理效应最高为设计准那么[1-3]，光对植物的生物效应完全不同于人眼的视觉效应[1，3]，因而其生物效能很低，其光辐射能无法被植物高效吸收利用，只能转化为热能，并导致环境温度升高，反而需空调降温，造成极大的能源浪费。植物对它们的能量利用率尚缺乏0.2%，考虑到空调除热的能耗，其能量综合利用率在0.1%以下[4，5]，光效低，发热量大，能耗本钱约占其运行费用的40-50%[1，2，6]。如右图为采用荧光灯的大型植物组培工厂。LED植物灯概述LED植物灯特点：具有高光电转换效率、使用直流电、体积小、寿命长、波长固定与低发热等几项优点，相较目前使用荧光灯或高压钠灯等人工光源的系统而言具有光量可调整、光质(红蓝光比例或红/远红光比例〕可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等优点。研究现状：LED使用直流电源，同时具有光量、频率与工作比可调整特性，因而可产生连续光源或间歇光源[7－9]；Iwanami[10]通过使用LED补充红光或远红光光量来改变光质，进而控制马铃薯组培苗茎的长度与生长状况；Yanagi[11]使用红光与蓝光LED来探讨光质与光量对莴苣生长与光形态发生之影响。Nhut[12]发现使用LED作为草莓组培苗生长的人工光源可提高其在驯化阶段存活率，同时使用LED作为白鹤芋组培苗生产的人工光源[13]，比起荧光灯光源来更加有效率。Johnsonet[14]研究发现参加红外光LED光源将改变原燕麦苗的生长状态与对重力的反响。Jao[15]使用高频闪烁的红、蓝光LED为光源，发现可在不提高耗电本钱下提高马铃薯组培苗的生长速率。光合作用原理植物对光有选择性到达地面的太阳光波长大约从300～2600nm，其中对光合作用的有效波长在400～700nm之间，其中425～490nm的蓝光以及610～700nm的红光对光合作用奉献率最大，而520～610nm(绿色)的光线被植物吸收的比率很低。因此，并不是所有的光都有助于植物的光合作用。光合作用原理植物生长的吸收光谱色素吸收光能产生一系列的生化反响，不同色素吸收不同波长。植物体内有很多色素，分别起着不同的作用，但有两种色素，即光敏色素和隐花色素在调节植物对光的反响中起着关键性的作用。光敏色素有两个互变异构体一远红光光敏色素(a)和红光光敏色素(b)。a吸收波长660nm左右的远红光，b吸收波长460nm左右的红光。由此可见，460nm左右的蓝光和660nm左右的红光是植物最需要的光波，并对植物的生长发育起着关键性的作用。叶绿素a,b的光吸收光谱光合作用原理缺蓝光，影响地下部形成缺蓝光，地上部纤细红蓝光比例9：1最佳。红蓝光对植物生长影响日本的Tanaka等较早地利用LED作为兰花组培苗光源，发现试管苗生长的最正确红蓝光比例为8：2。LeVan等人研究说明，在红蓝光比例为3：1时愈伤组织的生长效果最正确，但100％的红光对愈伤组织的诱导率最高。张婕等研究说明，红蓝光比例7：3的条件下，菊花组培苗的生长状况最好。不同的植物对红蓝光配比的要求不同。光合作用原理光质影响植物营养成份LED频谱较窄，可以有针对性的对植物进行光照处理。红光有利于可溶性糖和淀粉的积累，降低色素含量。而红光+红外光的组合可以促使植物维他命Ｃ的增加，以及色素和可溶性蛋白的合成。红光和蓝光组合处理的植物叶中可溶性糖和淀粉含量以及根系活力均高于荧光处理。LED植物灯与传统灯比照与传统植物灯相比，LED具有体积小、重量轻、固态、寿命长、波长特殊、驱动电压较低、光效率高、能耗小、平安、可靠耐用、不容易色衰的优点，且红光LED光子具有较大的光通量。另外，LED具有较窄的波谱，波谱半宽范围从几纳米到几十纳米，在±20nm左右，波长正好与植物光合成和光形态形成的光谱范围相吻合。LED植物灯与传统灯比照捕虫用荧光灯谱害虫趋向性光谱害虫趋向性光谱与荧光灯谱对比图荧灯光与LED灯对害虫作用LED频谱较窄，对植物生长有利的蓝光局部频谱不在害虫趋向的(320~380nm)范围内。荧光灯的频谱与害虫的趋光频谱吻合处较多，因此，比较吸引害虫。LED植物灯应用LED植物灯起着趋虫避害作用LED发光光谱偏离虫子的视觉曲线，也可以用于农业害虫的物理防治，采用特定波长的LED光源灭杀害虫；还可以用于动物的养殖，采用特定波长的LED实施光照促进动物生产，减少病害发生，减少饲料添加剂及激素的使用等等。LED植物灯应用LED作为植物光合作用补充照明传统人工光源产生太多热量，如采用LED补充照明和水培系统，空气能够被循环使用，过多的热量和水份可以被移除，电能能够被高效地转变为有效光合辐射，最终转化为植物物质。研究说明：采用LED照明，生菜的生长速率、光合速率都提高20%以上，将LED用于植物工厂是可行的。研究发现，与荧光灯相比，混合波长的LED光源能够显著促进菠菜、萝卜和生菜的生长发育，提高形态指标；能够使甜菜生物积累量最大，毛根中甜菜素积累最显著，并在毛根中产生最高的糖分和淀粉积累。与金属卤化灯相比，生长在符合波长LED下的胡椒、紫苏植株，其茎、叶的解剖学形态发生显著的变化，并且随着光密度提高，植株的光合速率提高。复合波长的LED可引起万寿菊和鼠尾草两种植物的气孔数目增多。LED植物灯应用LED作为植物光周期、光形态建成的诱导照明特定波长的LED可影响植物的开花时间、品质和花期持续时间。某些波长的LED能够提高植物的花芽数和开花数；某些波长的LED能够降低成花反响，调控了花梗长度和花期，有利于切花生产和上市。由此可见通过LED调控可以调控植物的开花和随后的生长。LED植物灯应用LED应用于航天生态生保系统的研究建立受控生态生保系统(ControlledEcologicalLifeSupportSystem,CELSS)是解决长期载人航天生命保障问题的根本途径，高等植物的栽培是CELSS的重要元件，其关键之一光照。基于空间环境的特殊要求，空间高等植物栽培中使用的光源必须具有发光效率高、输出的光波适合于植物光合作用和形态建成、体积小、重量轻、寿命长、高平安可靠性记录和无环境污染等特点。与冷白荧光灯、高压钠灯和金属卤素灯等其它光源相比较，LED更能有效地将光能转化成光合有效辐射；此外,它具有寿命长、体积小、重量轻和呈固态等特点，因此，近年来在地面和空间植物栽培中倍受重视。研究说明LED照明系统能提供光谱能量分布均匀的照明，其电能转换为植物所需光的效率超过金卤灯的520倍。国情国策依据《国家中长期科学和技术开展规划纲要〔2006-2020年〕》、《国务院关于加快培育和开展战略性新兴产业的决定》和《国家“十二五”科学和技术开展规划》等文件精神，指出特别加强半导体照明在农业、医疗和通讯等创新应用领域的非视觉照明技术及照明系统研究。半导体照明材料、器件，制定本半导体照明光源在植物中的应用是国家“863”重点扶持工程。

国情国测目前现有的供给商共有110家左右,主要集中在广东区域广东浙江湖北四川江苏上海广西福建山东辽宁湖南合计数量858522222221113国情国策当前市场环境分析现有产品绝大局部都是由小功率灯珠制作的。现有产品的功率主要集中在15W以下及90W左右，200W以上及40W左右的产品一定程度上存在市场空白。由于产品质量的良莠不齐，同功率产品市场价格跨度也相对较大。除去少数灯泡样式的不管多少功率都是1元左右外，其余的相功率及价格分布如右表所示。国情国策未来客户分析由市场面得来的数据分析山东、江苏、浙江、河南一带LED植物灯在农业中的应用产业相对的兴旺，是最具市场潜力的。以上地区政府对推广农业科技提升比较重视，并投入相当的人力及财力。国情国测市场预测在传统农业生产中一般使用普通光源补充光照和应用不同覆盖材料等农业技术措施，如采用单色荧光灯或彩色塑料薄膜，改变光环境以调控设施栽培环境中植物的生长发育。但这些措施存在着不同程度的问题，如缺乏对具体光谱成分的分析导致光质处理不纯，光强不一致、接近甚至或低于植物的光补偿点，照射光源能效低等。LED在植物设施栽培环境中的大量应用研究结果说明，LED能够解决这些难题，特别适合应用于人工光控制型植物设施栽培环境。仅植物工厂化育苗产业一项就为LED光源提供了巨大的消费市场，据南农大课题组的测算，幼苗仅出口一项就到达近百亿株之巨量，国内年消费量那么更大，如果在植物工厂化育苗中采用LED替代传统电光源，其一次性总市场规模将到达2000亿元。未来LED植物灯五点开展建议加大LED农业照明产品的研发力度目前，农业专用芯片的研发生产主要由国外公司控制，比方660nm、730nm波长的LED芯片，中国目前没有公司在研发和生产。受制于国外的情况不利于国内LED农业应用领域的研发和推广进程，国家应加大农业专用LED芯片及灯具的研发和生产。其次，应加快低本钱农业专用LED光源的研发。目前本钱是制约LED光源农业应用的瓶颈，降低本钱是其能够大面积应用推广的根底，如农业照明灯具外观上的要求并不严格，故而可以减少在此方面的设计及投入，从而降低制造本钱；此外，由于农业照明环境及其对照明质量须求的特殊性，现有的民用LED灯具并不适于农业照明，必须结合农业照明特殊的环境以及内在光学指标要求进行研发，如温室内高温高湿环境，温室补光LED光源必须密封性良好，防水防腐蚀，同时，其光质组成不一定要求全光谱，仅满足植物对红蓝光的须求即可。未来LED植物灯五点开展建议要加快农业LED光源标准的构建标准化是产品能够健康有序开展的关键因素，对于农业LED光源也是如此，只有有了标准化的约束，才能使LED农业光源更好更快的开展。但是标准化体系的建立，应从LED农业光源的研发与实际应用两个方面进行更多的调查研究，从而制定出有利于行业和产品开展的农业LED光源标准。扶持农业LED光源生产企业开展目前，我国各级政府已经出台了一系列政策措施推动和鼓励半导体照明产业的开展，为我国半导体照明产业的开展发挥了巨大的作用，但是对农业LED照明产业的关注度还甚少，这在一定程度上不利于农业LED光源技术的快速开展。可以考虑培育一批有核心竞争力的科研院所和龙头骨干企业，形成一批有国际先进水平的特色优势产品，创立一批有持续创新能力的重点技术创新中心，以产业链关键技术突破为目标，抢占产业链高端环节，争取重点领域的跨越式开展，实现做大做强、做专做精的战略目标。未来LED植物灯五点开展建议开展农业LED光源规模性示范由于农业投入的特殊性，靠农业企业本身来完成LED光源生产的投入，困难重重。建议重点建设应用示范推广工程：集中规划建设假设干个蔬菜、花卉、组培、中药以及禽类养殖等农业龙头企业LED产品应用示范基地，形成政府主导、企业主体、市场配置“三力合一”.通过示范工程的建设，提高农业产业基地的创新意识，打造农用LED的大规模应用平台和展示平台，以示范应用促进LED农业应用的开展。制定农用LED的资金补贴政策由于农用LED光源价格还相对较高，但是却具有节能高效的生产潜力，为了使其能够更好地发挥节能高效的作用，在一定程度上须要政策性补贴，包括科研工程经费支持、重大装备购置资金补贴、产品应用补贴等。建议将LED植物灯纳入国家农业装备购置补贴目录，确保农业生产单位在购置LED植物灯时能够直接享受到国家30%~50%政策性支农财政补贴。这将有助于建立农业LED光源的节能高效生产模式，实现传统照明产业的升级改造，促进农业LED光源产业的健康合理开展。THANKS参考文献1AndreaK,FranciscoJZA.Naturallightasanalternativelightsourcefortheinvitrocultureofbanana[J].PlantCellTissueandOrganCulture,1999,55:141-1452肖玉兰.植物无糖组培快繁工厂化生产技术[M].昆明：云南科技出版社，20033蔡祖泉.电光源原理引论[M].上海：复旦大学出版社，19874贺冬仙，朱本海，杨珀，李保明.密闭式植物种苗工厂的设计理念与环境控制.中国农业工程学会学术论文集，2005，Ⅴ：34-415李江，马正炳，孙仲序等.植物组织培养的简化[J].植物生理学通讯，2003，39〔4〕：356-3586AndreaK,FranciscoJZA.Naturallightasanalternativelightsourcefortheinvitrocultureofbanana[J].PlantCellTissueandOrganCulture,1999,55:141～1457LadislavN.,V.Tichy,F.XiongandJ.U.Grobbelaar.1996.Microscopicgreenalageandcyanobacteriainhigh-frequencyintermittentlight.J.App.Phy.8:325-3338Lee,C.G..andB.Palsson.1994.High-densityalgalphotobioreactorsusinglight-emittingdiodes.Biotech.AndBioeng.V44:1161-1167.9Hans,C.P.M.,H.Balke,U.M.VanHes,B.M.A.Kroon,L.R.MurandR.A.Binot.1996.Applicationoflight-emittingdiodesinbioreactors:flashinglighteffectsandenergyeconomyinAlgalculture(Chlorellapyrenoidosa).Biotech.AndBioeng.50:98-10710Iwanami,Y.,T.Kozai,Y.KitayaandS.Kino.1992.Effectsofsupplementalredandfar-redlightingusinglightemittingdiodesonstemelongationandgrowthofpotatoplantletsinvitro.Abstr.Intl.Symp.TransplantProductionSystems.P18311YanagiT.,K.OkamotoandS.Takita.1996.Effectsofblueandblue/redlightsoftwodifferentPPFlevelsongrowthandmorphogenesisoflettuceplants.ActaHorticulturae440:117-122.12Nhut,D.T.,N.,T.Takamura,H.WatanabeandM.Tanaka.2000.Lightemittingdiodes(LEDs)asaradiationsourceformicropropagationofstrawberry.In“TransplantProductioninthe21stCentury”