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【摘 要】通過(guò)介紹植物生長(zhǎng)的光環(huán)境控制照明技術(shù)，比較不同波長(zhǎng)的光對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程的影響。研究表明，植物的補(bǔ)充照明、誘導(dǎo)照明，對(duì)植物光合作用和植物光周期及光形態(tài)的形成有著顯著的作用。通過(guò)比較不同光源特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，LED補(bǔ)光燈在植物照明中具有更好的優(yōu)勢(shì)，利用其光譜可調(diào)的特點(diǎn)，針對(duì)不同植物對(duì)光質(zhì)的需求各異進(jìn)行定制化補(bǔ)光照明，為農(nóng)作物增產(chǎn)增收提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】LED補(bǔ)光燈；植物照明；光譜可調(diào)

一、前言

近幾十年來(lái)，隨著工業(yè)化、城市化節(jié)奏加快，汽車(chē)尾氣排放、工業(yè)廢氣、垃圾焚燒導(dǎo)致霧霾嚴(yán)重，大氣透明度不斷下降，致使地球表面接收到的陽(yáng)光輻射日趨減少，嚴(yán)重影響了植物生長(zhǎng)所需。光照不足，植物的生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制，其原因是植物在光補(bǔ)償點(diǎn)以下無(wú)凈光合作用的累積。所以大力推廣科學(xué)種糧、科技種糧，切實(shí)提高種植效益，研究開(kāi)發(fā)出更有利于植物生長(zhǎng)的種植手段刻不容緩。

至此，一種通過(guò)人工干預(yù)方式研發(fā)的人工光源控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它極大的解決了植物生長(zhǎng)過(guò)程中關(guān)鍵影響因素之一光源---植物工廠。這是一種高科技、高成本、智能化的生產(chǎn)體系，通過(guò)計(jì)算機(jī)和電子傳感技術(shù)，精密控制植物光照，保證植物連續(xù)生長(zhǎng)的高效生產(chǎn)方式。

近年來(lái)，隨著LED應(yīng)用普及和技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)光源與之相比相形見(jiàn)絀。LED有著明顯的優(yōu)勢(shì)：低功耗、壽命長(zhǎng)、安裝靈活、安全可靠、光譜可調(diào)等特點(diǎn)。在農(nóng)業(yè)種植、空間栽培等領(lǐng)域應(yīng)用具有良好的發(fā)展前景。

二、植物生長(zhǎng)和光

光照對(duì)植物的誘導(dǎo)形態(tài)建成、代謝生理、光合作用都有重要影響。太陽(yáng)光譜不能全被植物吸收。植物吸收光譜主要為波長(zhǎng)為595-760nm的紅橙光和波長(zhǎng)為370-435nm的藍(lán)紫光如（圖2.1所示）。它們?cè)诠夂献饔玫墓夥磻?yīng)和暗反應(yīng)中起到了至關(guān)重要的作用。

三、植物補(bǔ)光燈（植物燈）傳統(tǒng)光源和LED光源比較

3.1植物補(bǔ)光燈傳統(tǒng)光源特點(diǎn)

傳統(tǒng)的植物補(bǔ)光領(lǐng)域主要采用白熾燈、高壓水銀燈、熒光燈及金屬鹵化物燈作為人工光源。傳統(tǒng)光源因其發(fā)光原理原因，光譜基本固定，如圖3.1所示，這就導(dǎo)致了使用的局限性。不能夠滿(mǎn)足不同作物或者作物不同階段對(duì)各種光照的需要，更不能滿(mǎn)足例如空間環(huán)境等特殊領(lǐng)域的科研需求。所以它們的補(bǔ)光效果一般，適用范圍窄。

3.2 LED光源特點(diǎn)

3.2.1 LED使用靈活，節(jié)能、低功耗

LED光源有體積小的特點(diǎn)，可以考慮將不同光譜的LED集成在一個(gè)補(bǔ)光燈具內(nèi)，通過(guò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)在不同時(shí)間段選用最佳的光譜對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光。這樣既節(jié)約資源，同時(shí)由于補(bǔ)光效率的提高，還可以使用較小功率的LED光源，從而降低了環(huán)境的總熱量，使環(huán)境使用的空調(diào)功率下降，進(jìn)一步降低了補(bǔ)光的耗電，節(jié)約了成本，這也使其成為節(jié)能環(huán)保光源的首選。

3.2.2 LED光譜的靈活性

LED光源作為第四代新型照明。這是一種光譜非常靈活的光源，理論上通過(guò)多個(gè)LED的組合快于產(chǎn)生任何需要的光譜，使其可以有優(yōu)針對(duì)性地對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光。通過(guò)定制化的光配方，根據(jù)植物的要求選擇最佳光譜進(jìn)行補(bǔ)光。最終達(dá)到增產(chǎn)增收、提高作物品質(zhì)的目的。

3.2.3 LED燈具壽命長(zhǎng)

理論上LED壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，實(shí)際已經(jīng)超過(guò)3萬(wàn)小時(shí)，是傳統(tǒng)光源3倍以上。因此，采用LED補(bǔ)光可以節(jié)約維護(hù)成本。

四、LED植物補(bǔ)光燈原理

光質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有很重要的影響，尤其是波長(zhǎng)370-435nm的藍(lán)紫光和波長(zhǎng)595-760nm的紅橙光。而根據(jù)發(fā)光學(xué)和色度學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)不同光譜的植物燈可由紫外光、藍(lán)光和紅光混合，也可以由藍(lán)、綠、紅三基色光混合，根據(jù)LED發(fā)光原理有如下幾類(lèi)：

（1）藍(lán)光LED芯片與熒光粉組合

利用藍(lán)光芯片和可被藍(lán)光芯片有效激發(fā)的熒光體（有機(jī)或無(wú)機(jī)）混合發(fā)出特定光譜光源。

硫化物系列紅色熒光粉：作為傳統(tǒng)LED紅光發(fā)射光轉(zhuǎn)換材料，二價(jià)銪摻雜的CaS及SrS。因?yàn)镾r2+和Ca2+的半徑接近，因此（Ca1-xSrx）S：Eu2+可以形成固溶體。通過(guò)改變基質(zhì)的組份，Eu2+的發(fā)射峰可表現(xiàn)出藍(lán)移。胡運(yùn)生等人通過(guò)固相反應(yīng)制備的（Ca1-xSrx）S：Eu2+激發(fā)光帶位于430-490nm。這與目前白光技術(shù)廣泛使用的藍(lán)色芯片波長(zhǎng)450-470nm可以較好的匹配使用，組合后可以得到藍(lán)色+紅色為主的混合光譜。

由于硫化物系列熒光粉穩(wěn)定性差等缺陷，逐漸被氮化物系列熒光粉替代。

（2）紫外光、近紫外光LED芯片和熒光粉組合

將紫外光LED芯片和藍(lán)色熒光粉、紅色熒光粉組合。例如利用382nm紫外LED激發(fā)藍(lán)色熒光粉（Sr，Ca，Ba，Mg）10（PO4）6Cl：Eu2+，紅色熒光粉La2O2S：Eu3+；可以獲得對(duì)應(yīng)藍(lán)色熒光粉發(fā)射波長(zhǎng)447nm，紅色熒光粉發(fā)射波長(zhǎng)626nm。組合后也可以得到藍(lán)色+紅色為主的混合光源。

但紫外光、近紫外芯片技術(shù)不成熟，光轉(zhuǎn)化效率低，目前還未全面推廣。

（3）多基色LED組合

將發(fā)藍(lán)色、紅色、綠色單一芯片或者多種芯片組裝成一個(gè)LED；可以組成任意光譜組合； 缺點(diǎn)：由于電流、工作溫度、工作響應(yīng)時(shí)間不同，存在一定的技術(shù)難點(diǎn)。

（4）有機(jī)LED（OLED）

技術(shù)不成熟，尚處于發(fā)展階段。

五、LED補(bǔ)光燈（植物燈）應(yīng)用現(xiàn)狀

LED的上述特點(diǎn)，已經(jīng)在多種植物補(bǔ)光中獲得了應(yīng)用，如菠菜、蘿卜、生菜、番茄、黃瓜、鐵皮石斛等。

魏靈玲等對(duì)黃瓜的育苗補(bǔ)光試驗(yàn)研究時(shí)，利用波長(zhǎng)660nm紅光LED和波長(zhǎng)450nm的藍(lán)光LED組合照明進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對(duì)，當(dāng)LED的紅藍(lán)光質(zhì)比為7：1時(shí)，黃瓜苗的生長(zhǎng)最佳。

2010年，周?chē)?guó)泉等對(duì)生菜補(bǔ)光研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，利用紅、藍(lán)和遠(yuǎn)紅外3種不同光質(zhì)的LED組合燈作為補(bǔ)光條件，研究最佳補(bǔ)光條件時(shí)得出R：B：FR=5：1：0.15時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)可以達(dá)到最佳狀態(tài)。利用該補(bǔ)光照射，生菜品質(zhì)得到了提高。

LED補(bǔ)光燈在除了在植物生長(zhǎng)過(guò)程中的促進(jìn)作用大放光彩。其對(duì)于農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)的物理防治，也可起到獨(dú)樹(shù)一幟的作用。研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)植物生長(zhǎng)都有病蟲(chóng)或者某些細(xì)菌伴隨，而這些病蟲(chóng)細(xì)菌可在某種光照下會(huì)被一定程度抑制。

六、結(jié)語(yǔ)

基于LED光源這些顯著的特征，LED補(bǔ)光燈在植物組織培養(yǎng)、植物工廠等智慧農(nóng)業(yè)以及畜牧業(yè)、空間栽培、科研等領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。

縱觀國(guó)內(nèi)外LED植物照明市場(chǎng)，歐美、日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)相關(guān)技術(shù)研究相對(duì)深入。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，已經(jīng)有更好的基礎(chǔ)。所以目前LED植物照明市場(chǎng)更多的以出口為主。國(guó)內(nèi)LED植物照明的應(yīng)用普及善不成熟，LED補(bǔ)光燈照明的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)拓展阻力重重。主要困難點(diǎn)在于一些基礎(chǔ)性設(shè)施不齊套，植物工廠及相關(guān)概念還未普及，暫不具備快速發(fā)展的市場(chǎng)土壤。因此對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)而言，顯得勢(shì)單力薄，任重而道遠(yuǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

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