高压钠灯和发光二极管在植物设施栽培中的应用现状与展望

孔乐 耿 博 郑梦影 苗辰 龙家焕 尤杰

摘要：光照是影响植物生长的关键限制因子，它不仅是绿色植物顺利完成生命周期的必需环境因素，还是植物光合作用的能量来源，更是调节植物生理活动的重要环境信号。随着温室设施栽培、室内栽培、植物工厂技术的飞速发展，科学家对农业光照的研究越加深入。目前植物设施栽培中使用的光源主要有白炽灯、荧光灯、金卤灯、高压钠灯（high pressure sodium lamp，简称HPS）以及发光二极管（light-emitting diode，简称LED）。本文系统梳理了第三代光源HPS和第四代光源LED的发光原理及其在植物栽培中的应用特点、应用现状，以期为设施农业的补光应用提供支持。

关键词：高压钠灯（HPS）;发光二极管（LED）;设施补光;设施栽培;调节信号

中图分类号： S625.5+2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）18-0006-04

光是自然界最主要的能量来源，几乎所有生物的生长都离不开光，绿色植物更是如此，光既是植物生长的能量来源，也是植物发育最重要的调节信号。设施覆盖材料的遮蔽和过滤作用均会导致设施内部光照不足，设施生产旺季频繁出现的连阴雨天气和雾霾天气进一步加剧了温室设施内的光照不足问题，人工补光已经成为现代农业高效生产的重要保障手段。随着人类生活水平的提高，对农产品的品质要求也越来越高，对设施栽培中的补光技术和光源产品提出更高的要求。目前市场上的照明灯具主要有农用高压钠灯（high pressure sodium lamp，简称HPS）、荧光灯、白炽灯、发光二极管（light-emitting diode，简称LED）等。HPS是老牌植物补光灯，应用范围广、技术成熟，LED作为新型照明设备，具有诸多优点，也存在不少缺陷。本文讨论HPS和LED等2种光源在设施植物栽培中的应用特性和现状。

1 HPS与LED的发光原理

1.1 HPS的发光原理

钠灯分为低压钠灯和高压钠灯。低压钠灯的放电辐射集中在589.0、589.6 nm的2条双D谱线上，这2条线非常接近人眼视觉曲线的最高值（555 nm），发光效率很高。但低压钠灯单色性太强、显色性差、放电管过长等，针对这些缺点，科研工作者于1961年發明HPS。电弧管是HPS的关键部件，由耐高温和抗钠蒸汽腐蚀的多晶氧化铝和陶瓷管制成，灯芯采用金属支架将电弧管、消气剂环等固定在芯柱上，电弧管2端电极分别与芯柱上2根内导丝连接。玻壳是选用耐高温的硬料玻璃制造，玻壳与灯芯的喇叭口经高温火焰熔融封口，内抽真空或充入惰性气体。灯泡启动后，电弧管2端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用，管内的汞、钠受热气化为气态汞和气态钠，阴极发射的电子在向阳极运动过程中，撞击放电物质的原子，使其获得能量产生电离或激发，然后由激发态回复到基态或由电离态变为激发态，再回到基态，无限循环，此时多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光[1]。HPS需要匹配镇流器，有电感镇流器和电子镇流器之分，不同功率的HPS配合使用相应规格镇流器。电感HPS需配套电感镇流器、启动器、灯泡、灯头、灯罩使用[2]。HPS的光谱能量大致分布为红、橙色光39%～40%，绿、黄色光51%～34%，蓝、紫色光9%。HPS光谱中含有较多的红橙光，有很高的红光/远红光（R/FR）比例，蓝紫光含量少，补光效率较高。寿命可达20 000～24 000 h。HPS需要配合反光罩或反光板使用，是温室中常用的人工补光光源。

1.2 LED灯的发光原理

1962年，美国物理学家Nick Holonyak发明的LED，是1种由Ⅲ-Ⅳ族化合物制成的具有2个电极的固态半导体发光器，可以直接把电能转化为光能，其发光的基本原理是利用半导体P-N结或类似结构把电能转换成光能。LED发光的波长由P-N结的材料决定[1]，不同的材料具有不同的带隙，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体会发出从紫色到红色不同颜色的光线。光的强弱与电流大小有关，电子和空穴之间的能量越大，产生光子的能量就越高，光子的能量与光的颜色对应，在可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，橘色光、红色光携带的能量最少[3]。

LED的核心部件是1个半导体晶片，晶片2端分别附在1个支架上，分别连接电源的正负极，整个晶片被环氧树脂封装。半导体晶片由2部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，主要是电子。这2种半导体连接起来的时候它们之间就形成一个P-N结，电流通过导线作用于这个晶片时，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，将多余的能量以光子的形式释放出来，从而把电能直接转化为光能。

LED刚问世时其辐射强度低，且颜色种类少，所以只局限于标示及观赏等用途。20世纪80年代中期开始出现高亮度的LED，直到1993年高亮度蓝光LED的出现，使得全彩化的LED产品得以实现，其应用范围也拓展到了汽车、通信产品、资讯产品、交通信号、照明及生物农业等领域[3]。

2 HPS与LED的优缺点

2.1 HPS的优点

经过几十年的发展，目前HPS的寿命已达到2万h以上，工作期间光谱特性稳定，12 000 h内光衰低于20%。电子产品的寿命一般取决于滤波电容，而电感钠灯的电容可以支持它用20年。HPS具有以下优点，（1）光效高，10万lx的光照度对生产中几乎所有植物的光周期都能够确定保证可用;（2）不诱虫，使用HPS对植物补光不需要考虑造成额外的虫害，而且还可以降低番茄灰霉病的发生和预防忌光性昆虫;（3）密封性好，电子镇流器HPS要么采用密封超级好的外壳，完全不漏气，要么采用“呼吸孔”，这种孔上有特别的膜，可以向里和向外鼓起来，释放压力;（4）照明面积大，包含电缆槽灯具在内，投影面积与目标面的面积比小于3%，优秀的设计甚至能做到1%;（5）不易使被照物褪色、透雾性能好、属于暖光源等，这些特点使HPS被广泛应用于普通照明的各个角落[4]。HPS经过几十年的实践应用优化，已经形成较成熟的应用技术，能够适应各种不同的天气情况。种植者在长期使用HPS的过程中，结合环境变化，已经形成了成熟的计算机自动控制与运行模式。

2.2 HPS的缺点

随着照明灯具的发展、LED灯的改良推广，HPS逐渐表现出一些不足。首先，HPS的光源属于全向发光，有超过50%的光线需要经反射器反射后才能照射到地面，在这个过程中必然会损失一部分光线，而且光照范围内的照度不均，在相邻2个灯具的交叉位置，照度仅仅达到直接照射方向的40%左右。其次，钠灯的照明持续性非常不好，理论上HPS的寿命可以达到24 000 h，但受电网电压波动以及运行环境的影响，其使用寿命远远无法达到理论寿命，每年灯具的损坏率都超过60%。虽然通过利用灯光节电器调压降能、提高功率因数、降低线路损耗、及时调整亮灯和熄灯时间等方法可以减轻这种损耗，但无法从根本上消除这种缺陷。再者，HPS采用汞蒸汽发光，在光源废弃后，如果不能有效处理，必然会造成环境污染。另外，HPS色温为2 000～3 000 K，显色指数为20～25，传统的HPS主要发射光谱集中在560～640 nm范围内[5]，与植物光合作用中的有效辐射光谱不能很好地吻合[6]，而且在HPS中，配光曲线需要由反射器决定，因此存在着很大的局限性。

2.3 LED的优点

LED属于无危险类灯具类别。与传统光源不同，LED燈是半空间发光的光源，光线的利用率比HPS高，其具有以下优点：（1）作为一种半导体元件，理论上，LED灯的有效使用寿命可以达到50 000 h，HPS有效使用寿命可以达到20 000 h。频繁开关的情况对LED灯寿命影响不大。LED灯不含汞，不存在对人体有害的物质，是一种绿色环保的光源。（2）白光LED的色温为3 000～10 000 K，显色指数为60～95，与HPS相比，大多LED灯的显色指数可以达到80%以上，能很好地还原物体的实际色彩，相当接近自然光照[7]。（3）LED灯在打开的瞬间就能够达到最佳光照水平，不存在所谓的启动时间，因此，LED灯有更加完善的自动化控制系统，可以根据不同的时段和光照条件，对灯具的亮度进行相应的调整，从而起到良好的节能效果[7]。（4）理论上，白光LED灯的能耗仅为HPS的3/5，在农业照明中只用HPS 75%的耗能就可以获得相同的产量。一个温室用HPS补光需要耗电1 224 kW·h，而用LED灯补光只需要耗电294 kW·h[3]。（5）从光学系统方面分析，LED灯单向发光，光线能够直接定向照射，因此，光能利用率相对较高。同时LED采用分布式光源，通过对各个电光源的有效设计，能够使得灯具的光源呈现出理想状态，实现对配光曲线的合理调整，控制光线的分布，在灯具的有效照射范围内，照度相对比较均匀。LED是热辐射较小的冷光源，可用于多层立体栽培系统进行近距离照射植物，使光能和空间利用率都得到有效提高，大幅度降低成本。（6）LED运输和安装方便。LED灯芯片体积很小，固态封装、抗震性好，可以被装置在任何微型和封闭的设备中，无需担心振动;可以制成各种类型的灯，有助于灯具的小型化和特色化，其中插件LED灯基本上是一块很小的LED灯珠，被封装在环氧树脂里面，它非常小、非常轻，贴片LED灯就更小了[3]。（7）LED的光密度调节方便，灯具的光输出和工作电流成正比，可以通过增减电流的方法来调光照度，还可以采用脉冲宽度调节的方法，通过调节电压的占空比和工作频率，调节LED灯的发光强度。（8）LED可作诱虫灯板。LED诱虫灯板的颜色包括黄色、绿色、蓝色、红色，上面覆盖像电蚊拍的高压电网，进行诱捕杀虫。研究表明，白色LED灯板诱杀虫的效果最好，蓝色、绿色LED灯板次之，再次是黄色LED灯板，效果最差的是红色LED灯板[3]。

2.4 LED的缺点

LED具有以下缺点，（1）LED的光效为100 lm/W以上，相比HPS，其发光效率较低，补光能力较差;（2）LED照射过于集中，处理不当易导致叶片损伤。大面积照明时照射的均匀度相对较差，可以通过对其光路的二次设计，使灯具的光源呈现出理想状态，实现对配光曲线的合理调整，控制光线的分布，从而实现照度的均匀性，但必然会引起光输出效率下降。由于发光二极管属于冷光源，与HPS相比，产生的热量少，不容易烧伤植株，所以采用LED灯补光，可使灯尽量靠近植株，以增加光的利用率。根据植株品种和生长特性，可以把补光灯设计成为长条形、棒形、平板型，近距离地安放在植株上部、中部，进而使光源得到有效利用。（3）LED散热的问题导致灯具损坏后，基本上是直接更换灯具，造成巨大浪费。有研究人员设计了一款集光源、散热、驱动器于一体的LED光源，用于保留原HPS灯具壳体，直接更换LED光源[8]。（4）LED的光衰减率较大，使用寿命远远无法达到理论寿命等。在实际应用过程中，由于长期处于高温工作环境中，LED灯的使用寿命会受到相应的影响，如果结温由115 ℃提升到135 ℃，则LED灯的使用寿命会从理论的50 000 h降到20 000 h。有研究表明，可以通过加强散热的方式来延长LED灯的使用寿命，采用回路热管（loop heat pipe，简称LHP）冷却技术，可实现LED灯的工作散热，能够将LED灯的结温降低到65 ℃，在这样的温度下，若灯具每天工作12 h，则其光衰小于3%[7]。但这种处理方法增加了LED灯的使用成本，造成电能浪费。（5）LED有诱虫功能，温室补光时往往会起到消极作用。（6）LED在农业上的应用时间尚短，应用范围暂时不广泛，对它在植物照明方面的研究还比较少，而且LED灯的光谱范围很大，生产厂家对温室环境了解粗浅，难以生产出适合温室照明的LED灯具。

3 HPS与LED在农业照明上的应用

3.1 2种光源在植物补光中的应用概况

作为第3代照明电器，关于HPS在农业上的应用早有研究，国外研究和实践应用表明，HPS在可见波段红光区域有正好位于植物对光源的敏感波段范围内的较强红光输出，能大大提高植物的光合作用，因此，HPS与其他类型的灯混用可以高效率地提供植物生长所需红光光成分。HPS作为促进植物生长的光源更适用于植物生长周期的开花和结果阶段[9-10]，从而提高果实品质和产量[11]。HPS虽含有较多的红橙光，但较缺少蓝紫光，改良后的HPS虽能发射蓝光，但会对植物产生负面影响，如导致叶绿素含量降低、气孔变小、地上部干物质积累量降低等。

LED于1990年第1次被用于植物照明研究，并被证明是一种比传统光源更为有效的替代光源。与LED相比，传统人工光源产生热量过多，造成大量能源浪费，若采用LED补光，不仅可有效提高光照度，还能使电能高效地转化为有效辐射，具有更高的光能利用率。试验发现，在应用LED为400 ms脉冲周期和50%占空比下，蔬菜的生长速率和光合速率均提高了20%以上[12]。但并非太阳光谱中的所有光质都对植物的生长起促进作用，有些光质（如绿光等）对植物的生长甚至有抑制作用。所以在使用LED进行补光时要注意光谱的组合。此外，在植物组织培养方面，LED的使用也取得了卓越的成就[13]。

3.2 2种光源补光对植物苗期的影响

无论是LED还是HPS，补光均能对处理植株产生积极作用，其中HPS补光可以有效促进草莓植株生长，加速草莓茎、叶的生长发育，有利于营养物质的贮存[11]。仅对于苗期而言，一般来说，LED的效果优于HPS。对苗期黄瓜、番茄、辣椒、茄子等作物的试验表明，一定光质LED补光能够明显协调促进植物器官的生长，提高植株壮苗指数及其抗病性、抗逆性、抗衰老能力和光合能力，有助于实现育苗生产中培育壮苗的目的，是工厂化设施育苗过程中可供参考的适宜补光光质[14-18]。当光周期设置为12 h，光密度为50 μmol/（m2·s）时，红光（630～660 nm）、橙光（590～610 nm）、蓝光（450～460 nm）、绿光（340～540 nm）LED处理与自然光相比，均显著提高了赛田番茄幼苗的壮苗指数[18]。龚婷等使用自制的LED进行补光后发现，辣椒、番茄和茄子幼苗的株高、根长、茎粗、叶面积和整个幼苗的鲜质量、干质量均明显增加[19]。郑丽等研究表明，LED植物补光灯处理下的切花菊植株高度、节间长度以及花茎比HPS处理下的植株分别高出164%、0.4 cm、1.6 cm[20]。Poel等用LED处理，HPS作对照研究了补光处理下辣椒、番茄、天竺葵、矮牵牛和金鱼草在苗期的生长状况，结果发现，除辣椒外，各个材料株高、叶面积和叶片数差异不显著，且光源差异对各试验材料的开花没有影响[21]，这表明在植物苗期不管用LED还是HPS作为光源补光，幼苗生长基本相似，但当交替用HPS和LED对番茄补光时，植株鲜质量比单独用HPS低。在相同光照度下对西瓜嫁接苗进行补光，开始补光后前13 dHPS处理与自然光照下的株高均高于LED（R ∶B=1 ∶1）处理，17 d后，LED处理的嫁接苗株高增长明显，株高显著高于HPS处理与自然光照处理，LED对西瓜嫁接苗生物量积累的促进效果优于HPS，对提高嫁接苗成活率和抗病性的效果也优于HPS[22]。

3.3 2种灯具补光对植物干物质积累和产量的影响

HPS和LED补光在植物物质积累方面有积极影响，有学者研究发现，400 W的HPS和LED红蓝光补光处理2 h，均可促进番茄株高、茎粗、叶柄数以及地上部生物量增加，但两者之间没有显著的差异，对番茄的产量也没有显著影响;而当LED补光时间增加至10 h时，可以增加番茄产量[23]。在黄瓜栽培中，无论是单独补充LED光还是在钠灯的基础上补充LED，均可以增加黄瓜产量[24-25]。在草莓栽培中，70 W的HPS就可以显著影响草莓植株形态并增加其产量[11]。研究表明，在光量子通量密度（PPFD）为90 μmol/（m2·s）时，LED、HPS处理下的辣椒、番茄、天竺葵、矮牵牛、金鱼草幼苗具有相似的干物质量[21]。在玫瑰栽培中，在LED下生长植株茎长和叶面积通常较低，而鲜质量和干质量不受灯类型的影响[26]。在PPFD为100 μmol/（m2·s ）条件下培养15 d的大白菜中，在LED补光下生长的植株有比HPS下生长的植株稍高的根冠比，但在红蓝组合LED下生长的大白菜比HPS下生长的大白菜生产力更低[27]。HPS近距离照射会对玫瑰产生热胁迫，从而导致玫瑰花瓣呼吸作用过度和水分流失，造成花瓣变色和同化物消耗，影響产量和品质[28]。有研究发现，对番茄品种Brioso RZ进行LED株间补光时，可以增加番茄植株叶片生物量和番茄全红果的比率，提高番茄品质[29]。

3.4 2种光源补光对植物水分利用效率和光合速率的影响

在蔬菜和花卉的商业生产中，补光灯的波长可能严重影响水分利用效率、蒸腾速率。在用HPS和LED（红蓝、红白）对植物进行补光时观察到，HPS处理下番茄和洋桔梗的水分利用效率高于LED处理，蒸腾速率低于LED处理，但二者间的净CO2交换速率和最终生物量没有差异，且不同处理下的最大光合速率相同[30]。在LED和HPS下生长的白菜叶绿体中光合电子传递速率没有显著差异[31]，且在LED下生长的植物的光合电子传递速率不低于（或更高）其他补光光源下生长的植物[27]。但在番茄中，LED处理下的最大光量子效率高于HPS处理[26]。

研究表明，在光谱以及各种环境刺激下，植物光合作用的各个步骤可能会不平衡，因此只测量有限数量的光合参数很可能不能正确评测植物的光合作用性能和生长情况。值得注意的是，大部分光合作用和生长参数研究结果显示，植物对光质的响应与物种相关[32]。

3.5 2种光源补光对病虫害的影响

陈善飞等研究表明，在开启钠灯补光的温室与不补光的温室相比，棚内相对湿度下降，温度上升，补光后明显加速了番茄的开花结果，而且降低了水果番茄灰霉病的发病率[32]。虫害对植物的生长有很大影响，在大面积的露天栽培中选用黄色HPS可有效防治忌光性昆虫，从而可以提高作物的外观品质与产量。而LED灯有诱虫效果，补光应用时附带消极影响。

3.6 2种光源补光对植物体内化学物质含量的影响

植物补光灯会影响其下生长的植物内含物含量。LED补光10 h时，番茄的维C含量、可溶性糖含量显著增加，有机酸含量降低[23]。蓝光（435 nm）LED处理下的葡萄果实里那醇、萜品醇等萜烯类特征香气物质含量高峰出现的时间较早，紫外光（<380 nm）LED处理下葡萄果实里那醇等萜烯类特征香气物质含量最高，红蓝光对改善果实的品质效果较差[33]。LED灯补光有利于白菜光合色素的积累[34]，并可提高辣椒、番茄和茄子幼苗叶中的可溶性糖、类胡萝卜素含量[19]。当LED处理红蓝光比为10 ∶0时，番茄总酚、苯丙素、黄酮醇含量很低，说明蓝光对于这些化合物的合成至关重要，HPS处理下的植物体内这些化合物含量同样很低，可能是因为HPS中蓝色光谱很少[34]。在Ptushenko所做的8个生长试验中，有5个在LED下生长的植物中平均单位叶面积光合色素含量高于HPS[35]。随着LED光源悬挂高度的升高，黄瓜叶片超氧化物歧化酶（SOD）及抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性表现出先升高后降低的趋势[36]，且LED处理下植物在几乎所有生育阶段和所研究的各个光照度下APX、SOD活性均低于HPS处理[34]。与HPS下生长的对照植物相比，远红光、深红光和蓝光LED组合光谱可以大大增强生菜对钾、钙和镁的摄取[37]。

4 展望

農业照明技术的应用推广对于我国设施农业的发展有着十分重要的推动作用。探索适宜、高效、节能和绿色环保的植物生长灯光源一直是设施栽培补光技术应用研究的重要内容。HPS已经在植物温室补光领域应用了几十年，科研人员和用户对HPS的性能和使用方法已经非常熟悉，相关配套设施很全面，且有一整套的使用流程。HPS本身具有很多优点，可以较好地完成补光任务，用户能够准确预期应用HPS进行温室补光后会有什么样的作用，得到什么样的结果。因此在全球范围内HPS的应用范围最广，使用最普遍。LED在植物照明领域是一种新型灯具，在很多方面较传统的HPS优势突出，但现在对LED在植物照明方面的研究较少，应用不够广泛，有很多生产上的问题亟待解决。这些问题都是植物照明领域新旧灯具交替所必然产生的矛盾，不能因为HPS被普遍应用就放弃LED的应用，也不能因为LED具有某些方面的优点而否认HPS的应用优势。LED在植物照明领域的发展必然是一个缓慢的过程，不能一蹴而就，在这个过程中仍然要挖掘HPS和其他光源的潜力，相互补充，相辅相成。

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