LED人工补光在植物照明中的应用及发展趋势

张 莉，喻晓鹏，黄依婷，袁毅凯，梁丽芳，李 程

（佛山市国星光电股份有限公司，广东佛山528000）

在自然界中，光环境是植物生长和发育必须的物理环境因子之一，它不仅是植物生长发育过程中的能量源，而且是植物生长发育的重要信号源。传统农业主要依靠太阳光，导致植物生长易受自然环境影响；而植物照明生产的植物不受限于自然环境，并可以接受更适宜的光照、温度等，即使在恶劣条件下仍可正常连续生产，且能精确调控植物的生长周期。

植物照明技术作为现代农业建设环节中重要的一部分，传统人工补光主要是通过白炽灯、卤素灯以及高压钠灯等途径进行的。而这些传统光源具有发光波长单一、能耗大等缺点。LED作为新型光源，与传统光源相比其优点包括：1）LED作为单色光光源，可以根据植物生长需求对光环境进行调控，形成适宜植物生长的最优环境；2）LED光源体积小，可以通过自由设计照明系统的结构增加空间栽培密度，适用于多层栽培立体组合系统；3）LED属于冷光源，发热量小，从而可以实现对植物进行近距离的照射而不被灼伤。

LED在现代农业领域的应用已引起国内外广泛关注，被应用于人工补光领域达到增产、高效、优质的目的。本文探讨采用LED对植物人工补光的应用情况，对于增强我国农业产出能力、保障农业产品安全、加快我国农业现代化建设具有非常重要的意义。

1 LED光源对植物生长发育的影响

1.1 光合作用

光合作用是植物赖以生存的基础，光照在光合作用中主要分为直接和间接作用。直接作用体现在为光反应提供给所需能量、调节叶片气孔开闭等方面；间接作用主要是光照影响叶绿素合成等，进而影响光合作用。植物对周围光环境的感知并作出相应响应是基于感光受体对光的吸收，如光合色素以及光敏色素等。

光合色素是光系统的基础元件，包括了叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素，主要负责光合作用中的光能接收、能量传递和光电转换等过程。叶绿素主要吸收波长集中在640～663 nm处，并在430～470 nm处有一个次吸收峰，如图1所示。因此，通常采用450 nm的蓝光和660 nm的红光来实现高效的LED植物补光照明。

光敏色素是光受体中对植物光信号调控作用最明显的一种色素，包括700～760 nm远红光（Pfr，lmax=730 nm）和 600～700 nm 红光（Pr，lmax=660 nm）两种吸收类型。远红光一般与红光配比使用，共同调节光敏色素从而调节植物光形态建成，如改变植物种子萌发、幼苗形成、茎的伸长、避荫作用等形态。两种光吸收型在不同比例下可以相互逆转，光敏色素Pr向Pfr转换主要由660 nm的红光进行诱导，而Pfr向Pr的转换一般在晚上自然发生，也可以由730 nm远红光照射来激发［1］，如图2所示。由于这种可逆作用，可以通过调节红光/远红光比例控制植物开花周期，当红外/远红外为0.8相比于比值为0.9的延时补光能够促进长日植物花芽提早分化［2］。

图1 光合色素吸收光谱

图2 光敏色素Pr和Pfr之间的相互转换

1.2 LED光特性对植物生长发育的影响

1.2.1 光照强度对植物生长发育的影响

光照强度主要影响植物的光合作用速率，进而改变植物的形态。植物对光强的需求通常采用光补偿点和光饱和点表示，当光照强度＜光补偿点时，呼吸速率大于光合速率；当光补偿点＜光照强度＜光饱和点时，植物进行正常的光合作用；当光照强度＞光饱和点时，蒸腾作用加快，植物为了防止水分过多流失而关闭气孔，引发氧化胁迫，对光合作用产生较大的危害，这种现象称为“光合午休”，如图3所示。

图3 净光合速率日变化

由图3可以看出，植物净光合速率日变化进行是一条双峰曲线，上下各有一个高峰，下午峰值通常低于上午的峰值，在两个峰之间形成中午的一个低谷，该低谷即为午休现象，它发生的时间因不同物种或同一物种处于不同环境而异，一般集中在11～15时之间。光合午休是植物适应不良外界环境而产生的一种自我保护的生理现象，但是在正午光强最大时光合作用利用率低。有研究表明，在光合午休现象严重的时候，它可以使植物的日光合生产力降低30%～50%，甚至更多［3］。因此，在采用人工光源培养植物时，所提供的植物光照应该接近或者等于植物的光饱和点［4-5］。

光强除了影响植物光合作用速率，还影响果实的品质。弱光条件会对植物造成不利的影响，如对辣椒进行遮光处理，会提高辣椒的开花节位，降低成花率，花粉无法正常发育，对辣椒的果实形成和产量造成不良影响［6］。但是，在连续高温环境下，遮荫能有效改善水环境，减小对植物造成的伤害［7］。

1.2.2 光质对植物生长发育的影响

光质，具体指的是植物接受光照中对应的光谱分布情况，它对植物光合作用和形态建成同样具有重要影响，不同光质下植物的生物学效应如表1所示。

表1 不同光质下植物的生物学效应

从表1可以看出，太阳光光谱组成绝大部分在300～2 600 nm范围内，可见光光谱范围是380～720 nm，而波长在400～700 nm的光能够被植物利用进行光合作用，成为植物光合有效辐射。对于波长小于400 nm的紫外光以及波长为700～800 nm的红外光，尽管无法直接对光合作用产生驱动，但是能够作为一种环境信号对植物生长发育进程及代谢产生影响。

Blum等人提出蓝光和红光是植物生长最重要的两种光谱，增加红光和蓝光比例有助于提高植物的光合作用效率。通常认为，红光有利于碳水化合物形成，能促进可溶性糖的合成，蓝光在促进光合作用的同时促进蛋白质的形成［8］。

研究发现，红光对子叶生长［9］和顶端弯勾的伸长［10-11］有着极大的促进作用，并且能增大叶片的生长速率，但是单纯红光照射又会限制了叶子的扩大［12］。通过补充红光可以显著地提高番茄和黄光幼苗的株高［13］。

蓝光主要影响植物根系和茎秆的生长发育，蓝光照射下作物幼苗发根数目，而且蓝光能够提高幼苗根系活力和吸收面积。蓝光对茎伸长有着抑制作用，与白光相比，蓝光明显使株高减少，但能够使茎粗增加［14］。

1.2.3 光周期对植物生长发育的影响

光周期作为调节植物生长发育重要的信号源，如植物的开花时间与时令密切相关，迎春花在早春开花，而菊花要到秋天才开花，这与植物通过感受周期性的光照时间变化来调节自身生长周期有关。它对植物种子萌发、植物开花时间和植物休眠等有深远影响。如秋海棠［15］种子必须处于8～12 h的光周期才能最大程度地萌发；花旗杉［16］需要16 h才能加速种子萌发。光周期影响植物茎的伸长和内部生长激素的水平，诱导与促进营养生长相关基因的表达［17］。通过对光周期进行恰当延长，可以增加植物光合作用的时间，碳水化合物的比例也会增加，从而有利于植物萌发。

植物可以分为3大类：长日照植物、短日照植物和日中性植物。许多植物开花有明确的极限日照时间，称为临界日常，长日植物开花时间需要长于临界日长，菠菜的临界日长为13 h，日照长于13 h才开花，短于13 h推迟开花或不开花；而短日植物则要求短于临界日长，日照越短，开花越早，如烟草为14 h，采用人工遮挡能够诱导提早开花；采用夜间补光或延长光照等模式能推迟花期。

光周期也是诱导植物休眠发生的重要因素。如草莓［18］因短日照延长生长，杨树、桑树［19］在内的木本植物会因为光期减少发生休眠现象。

2 LED人工光源设计要素分析

2.1 光谱分布

不同光源的光谱能量分布的峰值不同，对植物的影响大小相应不同。植物生长发育所需的波长范围为400～700 nm，其中红光（600～700 nm）和蓝光（400～500 nm）是光合作用的主要波段。由于红光的量子效率高于蓝光［20］，因此人工光源应用中，红光比例要高于蓝光。自然光下，蓝光能量一般占20%，但是人工光源中蓝光不需要如此高的比例，对于正常发育的植物而言，Hogewoning等研究发现蓝光不低于7%为宜［21］。因蓝光有利于植物叶片生长，所以对于花卉类观赏性植物，蓝光成分可以多点。若蓝光不足，红光比例过多，将造成茎部过度成长，容易造成叶片黄化；蓝光过多会导致植物间距紧凑，从而影响光能利用效率。

波长小于400 nm紫外光以及波长为730 nm远红光，虽然无法直接驱动光合作用，但是能够作为一种环境信号影响植物生长发育及代谢过程。

2.2 有效补光位置

2.2.1 顶部补光

由于传统光源发热大，容易使热量集中从而损伤植物，且光能利用率低，通常避免采用顶部补光的模式，即将人工光源安装在被照植物正上方某一特定距离，最近距离在10 cm左右而LED由于属于冷光源，不对植物造成伤害。

2.2.2 株间侧面补光

当采用顶部补光模式时，植物顶部叶片容易遮光，导致下冠层光照不足的问题。株间侧面补光能够促进垂直方向上的光照分布，诱导下面叶片快速同化，提高光照利用效率。经研究发现，分别采用LED侧面补光和高压钠灯顶部补光时，两种方式下番茄［22］产量和品质无明显区别，但是LED侧面补光能够节能36.3%。由此可知，LED光源非常适合于侧面补光。

2.3 光周期调控

光周期调控是指对植物间接补光或遮光的模式调控其光照时间，从而影响植物花芽分化。需通过明确植物类型（长日、短日、日中性植物）为依据来确定其光周期。对于长日照植物，可以通过人工补光的方式延长光照时间，促使其在短日照时节开花；对于短日照植物，若采取遮光处理可以促进花芽分化，若延长光长可推迟开花。对于大多数作物来说，每天必须保证至少4 h的暗期，否则容易出现光合产物在叶片积累，从而降低光能利用效率。

3 人工光照调控植物生长发育研究现状

人工环境下进行植物幼苗生长时，通过人工补光或全人工光照射植物，可以促进植物生长，提高产量，改善产品形态、色泽等，而且还可以减少害虫的发生。随着人工光源技术的发展，利用光质调控对植物生长发育成为一项新型的调控技术［23］。研究发现，在相同光强下，分别采用绿膜和红膜进行遮盖，草莓的叶面积与叶柄长度有着明显增加，但是在蓝膜覆盖下，叶面积与叶柄长度明显降低［24］。蓝光和紫外光减少葡萄单叶面积，红光处理明显增加总的干物质积累并促进新梢加粗生长［25］。在红蓝光的基础上补充绿光能够减缓莴苣叶片中叶绿素的降解［26］，提高番茄幼苗中叶绿素的含量从而促进幼苗生长。佘新［27］等人利用红光打断暗期处理黄光和番茄幼苗，能够抑制黄光和番茄幼苗的茎的伸长，减小叶面积，有效抑制幼苗徒长。

光调控技术的发展一方面依赖于人工光源技术的进步，另一方面推动了人工光照系统的发展。传统人工光源包括高压钠灯、金属卤化物等。

（1）高压钠灯的主要发生光谱集中在560～640 nm之间，与植物的光合有效辐射的光谱不能够较好的吻合（400～700 nm），通常采用高压钠灯延长植物光照时间从而提高植物产品。但是早期的高压钠灯缺少对植物生长起决定性作用的蓝光。经改良后，对植物会产生一些负面的影响，如降低叶绿素含量和干物质合成量等［28-29］。

（2）金属卤化物灯中的镝灯密集型光谱（380～780 nm）相当接近太阳光谱，具有较高的发光效率（＞75 lm/W）和显色性（Ra＞80），但是发射的有效光子束密度相对LED较低，不利于植物的光合作用。

（3）LED灯不仅可以发出光波较窄的单色光，而且能根据植物需要进行任意组合光源，在植物照明领域应用优势明显。

4 结论与展望

无论是促进现代化农业发展的角度，还是实现节能环保的角度，LED植物照明都具有非常重要的意义，而农业的地位和发展需求也为LED植物照明发展提供了新的机遇。2013年以来，全球LED植物照明市场进入快速发展时期，主要集中在美国、日本、荷兰等地区。2010年，日本三菱化学用大型集装箱改造植物工厂，并以LED光源进行光合作用。2012年首套LED照明的植物工厂系统用来栽培莴苣和嫩叶菜，从而拉开LED植物照明的帷幕。据LED inside统计，2014年全球LED植物照明市场规模为1亿美元，2016年市场规模为5.75亿美元，预估至2020年将增长至14亿美元。

国内的植物照明还处于行业发展的初期阶段，厂家规模小、数量少、缺乏核心技术和统一的标准规范是国内植物照明技术发展的瓶颈。

为促进LED人工植物照明行业健康持续发展，需要从以下方面着手。

（1）植物照明是一项专业性、综合性强的跨学科技术，因此需对LED光源及植物学等展开全面系统深入的研究。

（2）标准化工作是促进科研成果产业化，支撑产业规范发展的重要手段，因此需加快标准制定工作，完善标准检测认证体系。

（3）加强政策引导和研发投入。