LED在植物生長中的應(yīng)用研究

目錄引言產(chǎn)品背景LED植物燈概述光合作用原理LED植物燈與傳統(tǒng)燈比照LED植物燈應(yīng)用國情國策未來LED植物燈五點(diǎn)開展建議引言

光是植物生長中的重要環(huán)境因子之一。LED因體積小、質(zhì)量輕、壽命長、光強(qiáng)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為植物光環(huán)境調(diào)控的重要光源之一，并在節(jié)能和促進(jìn)植物生長方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，LED在植物組織培養(yǎng)研究中已得到一定的應(yīng)用，并取得了一些可喜的進(jìn)展。

LED獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，使其成為植物組織培養(yǎng)研究的重要光源之一。20世紀(jì)80年代以來，世界上一些國家陸續(xù)開始了LED在植物組織培養(yǎng)中應(yīng)用研究。中國的一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)也開始了該方面的研究，并取得了一些可喜的進(jìn)展。產(chǎn)品背景傳統(tǒng)植物載培所采用的光源多為熒光燈、高壓鈉燈或白熾燈，但它們均以人眼為應(yīng)用對(duì)象，以人眼的視覺效應(yīng)最高為設(shè)計(jì)原那么，而不是以植物的生理效應(yīng)最高為設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么[1-3]，光對(duì)植物的生物效應(yīng)完全不同于人眼的視覺效應(yīng)[1，3]，因而其生物效能很低，其光輻射能無法被植物高效吸收利用，只能轉(zhuǎn)化為熱能，并導(dǎo)致環(huán)境溫度升高，反而需空調(diào)降溫，造成極大的能源浪費(fèi)。植物對(duì)它們的能量利用率尚缺乏0.2%，考慮到空調(diào)除熱的能耗，其能量綜合利用率在0.1%以下[4，5]，光效低，發(fā)熱量大，能耗本錢約占其運(yùn)行費(fèi)用的40-50%[1，2，6]。如右圖為采用熒光燈的大型植物組培工廠。LED植物燈概述LED植物燈特點(diǎn)：具有高光電轉(zhuǎn)換效率、使用直流電、體積小、壽命長、波長固定與低發(fā)熱等幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，相較目前使用熒光燈或高壓鈉燈等人工光源的系統(tǒng)而言具有光量可調(diào)整、光質(zhì)(紅藍(lán)光比例或紅/遠(yuǎn)紅光比例〕可調(diào)整、冷卻負(fù)荷低與允許提高單位面積栽培量等優(yōu)點(diǎn)。研究現(xiàn)狀：LED使用直流電源，同時(shí)具有光量、頻率與工作比可調(diào)整特性，因而可產(chǎn)生連續(xù)光源或間歇光源[7－9]；Iwanami[10]通過使用LED補(bǔ)充紅光或遠(yuǎn)紅光光量來改變光質(zhì)，進(jìn)而控制馬鈴薯組培苗莖的長度與生長狀況；Yanagi[11]使用紅光與藍(lán)光LED來探討光質(zhì)與光量對(duì)萵苣生長與光形態(tài)發(fā)生之影響。Nhut[12]發(fā)現(xiàn)使用LED作為草莓組培苗生長的人工光源可提高其在馴化階段存活率，同時(shí)使用LED作為白鶴芋組培苗生產(chǎn)的人工光源[13]，比起熒光燈光源來更加有效率。Johnsonet[14]研究發(fā)現(xiàn)參加紅外光LED光源將改變?cè)帑溍绲纳L狀態(tài)與對(duì)重力的反響。Jao[15]使用高頻閃爍的紅、藍(lán)光LED為光源，發(fā)現(xiàn)可在不提高耗電本錢下提高馬鈴薯組培苗的生長速率。光合作用原理植物對(duì)光有選擇性到達(dá)地面的太陽光波長大約從300～2600nm，其中對(duì)光合作用的有效波長在400～700nm之間，其中425～490nm的藍(lán)光以及610～700nm的紅光對(duì)光合作用奉獻(xiàn)率最大，而520～610nm(綠色)的光線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長的吸收光譜色素吸收光能產(chǎn)生一系列的生化反響，不同色素吸收不同波長。植物體內(nèi)有很多色素，分別起著不同的作用，但有兩種色素，即光敏色素和隱花色素在調(diào)節(jié)植物對(duì)光的反響中起著關(guān)鍵性的作用。光敏色素有兩個(gè)互變異構(gòu)體一遠(yuǎn)紅光光敏色素(a)和紅光光敏色素(b)。a吸收波長660nm左右的遠(yuǎn)紅光，b吸收波長460nm左右的紅光。由此可見，460nm左右的藍(lán)光和660nm左右的紅光是植物最需要的光波，并對(duì)植物的生長發(fā)育起著關(guān)鍵性的作用。葉綠素a,b的光吸收光譜光合作用原理缺藍(lán)光，影響地下部形成缺藍(lán)光，地上部纖細(xì)紅藍(lán)光比例9：1最佳。紅藍(lán)光對(duì)植物生長影響日本的Tanaka等較早地利用LED作為蘭花組培苗光源，發(fā)現(xiàn)試管苗生長的最正確紅藍(lán)光比例為8：2。LeVan等人研究說明，在紅藍(lán)光比例為3：1時(shí)愈傷組織的生長效果最正確，但100％的紅光對(duì)愈傷組織的誘導(dǎo)率最高。張婕等研究說明，紅藍(lán)光比例7：3的條件下，菊花組培苗的生長狀況最好。不同的植物對(duì)紅藍(lán)光配比的要求不同。光合作用原理光質(zhì)影響植物營養(yǎng)成份LED頻譜較窄，可以有針對(duì)性的對(duì)植物進(jìn)行光照處理。紅光有利于可溶性糖和淀粉的積累，降低色素含量。而紅光+紅外光的組合可以促使植物維他命Ｃ的增加，以及色素和可溶性蛋白的合成。紅光和藍(lán)光組合處理的植物葉中可溶性糖和淀粉含量以及根系活力均高于熒光處理。LED植物燈與傳統(tǒng)燈比照與傳統(tǒng)植物燈相比，LED具有體積小、重量輕、固態(tài)、壽命長、波長特殊、驅(qū)動(dòng)電壓較低、光效率高、能耗小、平安、可靠耐用、不容易色衰的優(yōu)點(diǎn)，且紅光LED光子具有較大的光通量。另外，LED具有較窄的波譜，波譜半寬范圍從幾納米到幾十納米，在±20nm左右，波長正好與植物光合成和光形態(tài)形成的光譜范圍相吻合。LED植物燈與傳統(tǒng)燈比照捕蟲用熒光燈譜害蟲趨向性光譜害蟲趨向性光譜與熒光燈譜對(duì)比圖熒燈光與LED燈對(duì)害蟲作用LED頻譜較窄，對(duì)植物生長有利的藍(lán)光局部頻譜不在害蟲趨向的(320~380nm)范圍內(nèi)。熒光燈的頻譜與害蟲的趨光頻譜吻合處較多，因此，比較吸引害蟲。LED植物燈應(yīng)用LED植物燈起著趨蟲避害作用LED發(fā)光光譜偏離蟲子的視覺曲線，也可以用于農(nóng)業(yè)害蟲的物理防治，采用特定波長的LED光源滅殺害蟲；還可以用于動(dòng)物的養(yǎng)殖，采用特定波長的LED實(shí)施光照促進(jìn)動(dòng)物生產(chǎn)，減少病害發(fā)生，減少飼料添加劑及激素的使用等等。LED植物燈應(yīng)用LED作為植物光合作用補(bǔ)充照明傳統(tǒng)人工光源產(chǎn)生太多熱量，如采用LED補(bǔ)充照明和水培系統(tǒng)，空氣能夠被循環(huán)使用，過多的熱量和水份可以被移除，電能能夠被高效地轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Ч夂陷椛洌罱K轉(zhuǎn)化為植物物質(zhì)。研究說明：采用LED照明，生菜的生長速率、光合速率都提高20%以上，將LED用于植物工廠是可行的。研究發(fā)現(xiàn)，與熒光燈相比，混合波長的LED光源能夠顯著促進(jìn)菠菜、蘿卜和生菜的生長發(fā)育，提高形態(tài)指標(biāo)；能夠使甜菜生物積累量最大，毛根中甜菜素積累最顯著，并在毛根中產(chǎn)生最高的糖分和淀粉積累。與金屬鹵化燈相比，生長在符合波長LED下的胡椒、紫蘇植株，其莖、葉的解剖學(xué)形態(tài)發(fā)生顯著的變化，并且隨著光密度提高，植株的光合速率提高。復(fù)合波長的LED可引起萬壽菊和鼠尾草兩種植物的氣孔數(shù)目增多。LED植物燈應(yīng)用LED作為植物光周期、光形態(tài)建成的誘導(dǎo)照明特定波長的LED可影響植物的開花時(shí)間、品質(zhì)和花期持續(xù)時(shí)間。某些波長的LED能夠提高植物的花芽數(shù)和開花數(shù)；某些波長的LED能夠降低成花反響，調(diào)控了花梗長度和花期，有利于切花生產(chǎn)和上市。由此可見通過LED調(diào)控可以調(diào)控植物的開花和隨后的生長。LED植物燈應(yīng)用LED應(yīng)用于航天生態(tài)生保系統(tǒng)的研究建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)(ControlledEcologicalLifeSupportSystem,CELSS)是解決長期載人航天生命保障問題的根本途徑，高等植物的栽培是CELSS的重要元件，其關(guān)鍵之一光照。基于空間環(huán)境的特殊要求，空間高等植物栽培中使用的光源必須具有發(fā)光效率高、輸出的光波適合于植物光合作用和形態(tài)建成、體積小、重量輕、壽命長、高平安可靠性記錄和無環(huán)境污染等特點(diǎn)。與冷白熒光燈、高壓鈉燈和金屬鹵素?zé)舻绕渌庠聪啾容^，LED更能有效地將光能轉(zhuǎn)化成光合有效輻射；此外,它具有壽命長、體積小、重量輕和呈固態(tài)等特點(diǎn)，因此，近年來在地面和空間植物栽培中倍受重視。研究說明LED照明系統(tǒng)能提供光譜能量分布均勻的照明，其電能轉(zhuǎn)換為植物所需光的效率超過金鹵燈的520倍。國情國策依據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)開展規(guī)劃綱要〔2006-2020年〕》、《國務(wù)院關(guān)于加快培育和開展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》和《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)開展規(guī)劃》等文件精神，指出特別加強(qiáng)半導(dǎo)體照明在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和通訊等創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域的非視覺照明技術(shù)及照明系統(tǒng)研究。半導(dǎo)體照明材料、器件，制定本半導(dǎo)體照明光源在植物中的應(yīng)用是國家“863”重點(diǎn)扶持工程。

國情國測(cè)目前現(xiàn)有的供給商共有110家左右,主要集中在廣東區(qū)域廣東浙江湖北四川江蘇上海廣西福建山東遼寧湖南合計(jì)數(shù)量858522222221113國情國策當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境分析現(xiàn)有產(chǎn)品絕大局部都是由小功率燈珠制作的?，F(xiàn)有產(chǎn)品的功率主要集中在15W以下及90W左右，200W以上及40W左右的產(chǎn)品一定程度上存在市場(chǎng)空白。由于產(chǎn)品質(zhì)量的良莠不齊，同功率產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格跨度也相對(duì)較大。除去少數(shù)燈泡樣式的不管多少功率都是1元左右外，其余的相功率及價(jià)格分布如右表所示。國情國策未來客戶分析由市場(chǎng)面得來的數(shù)據(jù)分析山東、江蘇、浙江、河南一帶LED植物燈在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)相對(duì)的興旺，是最具市場(chǎng)潛力的。以上地區(qū)政府對(duì)推廣農(nóng)業(yè)科技提升比較重視，并投入相當(dāng)?shù)娜肆柏?cái)力。國情國測(cè)市場(chǎng)預(yù)測(cè)在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一般使用普通光源補(bǔ)充光照和應(yīng)用不同覆蓋材料等農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，如采用單色熒光燈或彩色塑料薄膜，改變光環(huán)境以調(diào)控設(shè)施栽培環(huán)境中植物的生長發(fā)育。但這些措施存在著不同程度的問題，如缺乏對(duì)具體光譜成分的分析導(dǎo)致光質(zhì)處理不純，光強(qiáng)不一致、接近甚至或低于植物的光補(bǔ)償點(diǎn)，照射光源能效低等。LED在植物設(shè)施栽培環(huán)境中的大量應(yīng)用研究結(jié)果說明，LED能夠解決這些難題，特別適合應(yīng)用于人工光控制型植物設(shè)施栽培環(huán)境。僅植物工廠化育苗產(chǎn)業(yè)一項(xiàng)就為LED光源提供了巨大的消費(fèi)市場(chǎng)，據(jù)南農(nóng)大課題組的測(cè)算，幼苗僅出口一項(xiàng)就到達(dá)近百億株之巨量，國內(nèi)年消費(fèi)量那么更大，如果在植物工廠化育苗中采用LED替代傳統(tǒng)電光源，其一次性總市場(chǎng)規(guī)模將到達(dá)2000億元。未來LED植物燈五點(diǎn)開展建議加大LED農(nóng)業(yè)照明產(chǎn)品的研發(fā)力度目前，農(nóng)業(yè)專用芯片的研發(fā)生產(chǎn)主要由國外公司控制，比方660nm、730nm波長的LED芯片，中國目前沒有公司在研發(fā)和生產(chǎn)。受制于國外的情況不利于國內(nèi)LED農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的研發(fā)和推廣進(jìn)程，國家應(yīng)加大農(nóng)業(yè)專用LED芯片及燈具的研發(fā)和生產(chǎn)。其次，應(yīng)加快低本錢農(nóng)業(yè)專用LED光源的研發(fā)。目前本錢是制約LED光源農(nóng)業(yè)應(yīng)用的瓶頸，降低本錢是其能夠大面積應(yīng)用推廣的根底，如農(nóng)業(yè)照明燈具外觀上的要求并不嚴(yán)格，故而可以減少在此方面的設(shè)計(jì)及投入，從而降低制造本錢；此外，由于農(nóng)業(yè)照明環(huán)境及其對(duì)照明質(zhì)量須求的特殊性，現(xiàn)有的民用LED燈具并不適于農(nóng)業(yè)照明，必須結(jié)合農(nóng)業(yè)照明特殊的環(huán)境以及內(nèi)在光學(xué)指標(biāo)要求進(jìn)行研發(fā)，如溫室內(nèi)高溫高濕環(huán)境，溫室補(bǔ)光LED光源必須密封性良好，防水防腐蝕，同時(shí)，其光質(zhì)組成不一定要求全光譜，僅滿足植物對(duì)紅藍(lán)光的須求即可。未來LED植物燈五點(diǎn)開展建議要加快農(nóng)業(yè)LED光源標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化是產(chǎn)品能夠健康有序開展的關(guān)鍵因素，對(duì)于農(nóng)業(yè)LED光源也是如此，只有有了標(biāo)準(zhǔn)化的約束，才能使LED農(nóng)業(yè)光源更好更快的開展。但是標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立，應(yīng)從LED農(nóng)業(yè)光源的研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行更多的調(diào)查研究，從而制定出有利于行業(yè)和產(chǎn)品開展的農(nóng)業(yè)LED光源標(biāo)準(zhǔn)。扶持農(nóng)業(yè)LED光源生產(chǎn)企業(yè)開展目前，我國各級(jí)政府已經(jīng)出臺(tái)了一系列政策措施推動(dòng)和鼓勵(lì)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的開展，為我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的開展發(fā)揮了巨大的作用，但是對(duì)農(nóng)業(yè)LED照明產(chǎn)業(yè)的關(guān)注度還甚少，這在一定程度上不利于農(nóng)業(yè)LED光源技術(shù)的快速開展。可以考慮培育一批有核心競(jìng)爭(zhēng)力的科研院所和龍頭骨干企業(yè)，形成一批有國際先進(jìn)水平的特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品，創(chuàng)立一批有持續(xù)創(chuàng)新能力的重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新中心，以產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)突破為目標(biāo)，搶占產(chǎn)業(yè)鏈高端環(huán)節(jié)，爭(zhēng)取重點(diǎn)領(lǐng)域的跨越式開展，實(shí)現(xiàn)做大做強(qiáng)、做專做精的戰(zhàn)略目標(biāo)。未來LED植物燈五點(diǎn)開展建議開展農(nóng)業(yè)LED光源規(guī)模性示范由于農(nóng)業(yè)投入的特殊性，靠農(nóng)業(yè)企業(yè)本身來完成LED光源生產(chǎn)的投入，困難重重。建議重點(diǎn)建設(shè)應(yīng)用示范推廣工程：集中規(guī)劃建設(shè)假設(shè)干個(gè)蔬菜、花卉、組培、中藥以及禽類養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)LED產(chǎn)品應(yīng)用示范基地，形成政府主導(dǎo)、企業(yè)主體、市場(chǎng)配置“三力合一”.通過示范工程的建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基地的創(chuàng)新意識(shí)，打造農(nóng)用LED的大規(guī)模應(yīng)用平臺(tái)和展示平臺(tái)，以示范應(yīng)用促進(jìn)LED農(nóng)業(yè)應(yīng)用的開展。制定農(nóng)用LED的資金補(bǔ)貼政策由于農(nóng)用LED光源價(jià)格還相對(duì)較高，但是卻具有節(jié)能高效的生產(chǎn)潛力，為了使其能夠更好地發(fā)揮節(jié)能高效的作用，在一定程度上須要政策性補(bǔ)貼，包括科研工程經(jīng)費(fèi)支持、重大裝備購置資金補(bǔ)貼、產(chǎn)品應(yīng)用補(bǔ)貼等。建議將LED植物燈納入國家農(nóng)業(yè)裝備購置補(bǔ)貼目錄，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)單位在購置LED植物燈時(shí)能夠直接享受到國家30%~50%政策性支農(nóng)財(cái)政補(bǔ)貼。這將有助于建立農(nóng)業(yè)LED光源的節(jié)能高效生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)的升級(jí)改造，促進(jìn)農(nóng)業(yè)LED光源產(chǎn)業(yè)的健康合理開展。THANKS參考文獻(xiàn)1AndreaK,FranciscoJZA.Naturallightasanalternativelightsourcefortheinvitrocultureofbanana[J].PlantCellTissueandOrganCulture,1999,55:141-1452肖玉蘭.植物無糖組培快繁工廠化生產(chǎn)技術(shù)[M].昆明：云南科技出版社，20033蔡祖泉.電光源原理引論[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，19874賀冬仙，朱本海，楊珀，李保明.密閉式植物種苗工廠的設(shè)計(jì)理念與環(huán)境控制.中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)論文集，2005，Ⅴ：34-415李江，馬正炳，孫仲序等.植物組織培養(yǎng)的簡(jiǎn)化[J].植物生理學(xué)通訊，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.Watanab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