LED在设施栽培中的应用和前景

柴贵贤

摘    要：通过介绍LED技术相比其他人工光源在植物设施栽培方面的优势，分析了LED技术在设施栽培中的应用，指出了该技术在设施栽培方面的发展前景，以期为智慧设施农业发展提供技术指导。

关键词：LED技术;设施栽培;应用;发展前景

文章编号：1005-2690（2022）07-0142-03       中国图书分类号：S316;S123       文献标志码：A

植物的生长发育和产品器官的形成，都需要在一定的光照条件下进行。随着现代设施农业的不断发展，我国设施栽培面积已位居世界前列，设施栽培可充分发挥作物的增产潜力，实现产量增加，并能使作物反季节生长，在有限的空间中生产出高品质的作物。但是，由于设施农业栽培一般采用塑料棚膜、玻璃、PVC板等覆盖材料，影响了设施的透光性能，使光照成为制约设施反季节作物栽培的主要因素。为满足植物正常生长发育时对光的需求，进行人工补光势在必行。随着半导体技术发展日益成熟，LED以其体积小、节能以及冷光源等优势对植物进行按需补光，大大促进了植物生长，在植物设施栽培中表现出了良好的应用前景。

1 LED应用于植物设施栽培的优势

合理利用光照可以促进植物生长发育、增强植物光合作用、控制植株形态。在设施栽培领域，人工光源补充是一项极为重要的技术。以往人们对设施栽培进行补光时，大多使用荧光灯、高压钠灯或白炽灯等，而这些光源光谱中波长较为杂乱，对植物产生的促进作用较少[1]。随着光电技术不断进步，LED逐渐取代了其他补光方式，成为设施栽培领域人工补光的首选光源，这与其优势有着密不可分的关系。

1.1 光效高

LED光源能量转化效率极高，能耗低，仅为白炽灯的10%左右，相对于荧光灯可节能50%。当前白光LED的光效是120 Lm/W，相当于普通荧光灯的4倍，这使该技术成为了植物设施栽培补光领域的重要发展趋势。

1.2 光谱可按需任意组合

当前，设施栽培领域所应用的LED多为单色光，波段丰富，光谱能量分布符合植物生长需求。在实际应用时，LED可根据植物生长发育需求进行光谱调制，任意组合光谱，形成植物所需的特定光照配方，并且选择适宜的波长峰值，促进植物对光能的吸收，真正实现按需用光，使植物处于最适宜生长的光环境中。这一特点也是LED在植物补光领域最大的应用优势。

1.3 绿色、环保、安全、寿命长

LED属于半导体光源，耐冲击，环保性较强，不易破碎，不会排放铅和汞等有害物质，废弃物可回收。LED为低压电源，供电电压在6～24 V之间，使用安全。LED使用期间不易衰减，平均寿命大约为10万h，降低了更换频率和维修成本。

1.4 体积小、重量轻，便于组合安装及二次光学设计

LED体积小、重量轻，能运用于各种设备的布置和设计中，易于分解或组合控制，在光源二次光学设计方面有较大的潜力。LED光源可以进行多样化搭配组合，特别适用于植物照明，尤其是对光源光谱有特殊要求的作物生产。

1.5 防潮、防水性强

LED光源密封性好，可防潮防水，能在相对湿度较大的环境中正常工作，甚至可以应用于水下照明，特别适用于设施栽培的环境中。

1.6 LED光环境可进行智能化控制，实现光照按需调控

LED可通过连续照射或脉冲间歇照射精准调控LED光源所发射光的光强、光质和光周期等属性，实现光周期按需调控，满足植物生长对光强、光质、光周期的需求，从而促进植物生长。LED适宜植物工厂化生产，有助于设施栽培智慧生产。

2 我国植物设施栽培中光环境现状及问题

设施内的光环境对作物生长发育影响重大，调节好光环境是实现高效、高产、优质的首要条件。在设施栽培中，由于受覆盖材料的影响，植物缺乏自然光源的摄入，因此必须通过调控设施内的光环境来促进植物生长，实现高产、优质的目的。通常来说，植物设施栽培都属于反季节栽培，冬季因光照时间短及保温被、草苫等保温材料的使用，使设施内更加缺乏光照，一旦遇到阴天、下雪、雾霾等天气，设施内缺光的现象将更为严重。而植物光辐射条件达不到生长要求，极易出现幼苗徒长，造成后期产量下降。另外，一些喜光的果蔬植物若长期处于弱光环境中，将抑制其生长，影响开花结果和果实品质。总的来说，植株若无法正常进行光合作用，其生长发育会受到极大影响，容易引发病虫害，甚至绝收。为了给设施植物提供充足的光照环境，进一步提高产量，尤其是在自然光相对较弱的季节和地区，利用人工光源控制和调节设施植物的生长是非常必要的。生产中，一般用白炽灯、日光灯、高压钠灯等光源进行人工补光，但是与植物光合作用所需吸收的光谱匹配度不高，光合效能低，不是理想的人工光源。随着光电子技术的不断发展，LED已成为21世纪最具发展潜力的新型人工光源，其光谱组成与植物吸收光谱匹配度较高，用于植物补光的效果显著。同时，LED作为设施栽培的补光光源，不仅推动了设施作物生产节能减排，也促进了设施农业高效、高产、优质发展。LED已成为设施农业栽培和学术界关注的热点。

3 LED在植物设施栽培中的应用

3.1 LED在设施植物栽培补光中的应用

光源是设施栽培发展中不可缺少的条件，光对植物的影响主要分为光强、光质和光周期3个方面。LED光源的出现解决了设施栽培中传统光源不足的问题，通过人工调节光质、光强和光周期提高作物的产量和品质已成为可能。

国内外的许多研究發现，利用LED光源的光质、光强、光周期可控的特点，可提高设施作物产量和品质。LED应用于设施栽培主要表现在两方面：一是当植物缺乏光照或光照时间短时，可作为植物光合作用补充光源。研究表明，使用LED照明技术后，设施内空气可形成微循环，使植物能充分吸收热能，极大地促进植物生长及光合作用。二是可引导植物形成光周期以及特定的形态构造。LED灯具有不同的波长，利用某一特定波长可以人工调节植物开花时间以及花期长短等。郝东川和司雨（2012）[2]发现，LED灯补光处理能显著增加瓜类的主蔓雌花数量及其单果重量。吴芳兰等（2022）[3]研究表明，用LED光源不同的光周期处理香梓楠幼苗时，香梓楠的苗高增长量、叶面积、叶绿素a/b比值、类胡萝卜素含量以及光饱和点都有所不同。在红蓝组合光质基础上添加紫、绿光提高了幼苗的质量指数、促进了光合产物的合成和积累。刘晓英（2010）[4]用6种不同光强的LED红蓝光处理樱桃番茄发现，樱桃番茄干鲜重随光强提高而增加，用低光强处理后叶面积大而薄，株高、节间距增大，植株发生徒长现象;用高光强处理樱桃番茄后其茎变粗，植株健壮。卢阳阳（2019）[5]研究发现，用蓝绿组合光、蓝光、绿光处理香菇后，其子实体原基数量、单菇鲜重及转化率都较高。陈丹等（2021）[6]用4个不同时长LED对火龙果进行补光，发现补光时长为4 h时效果较好，而且能节省电能，降低成本。

3.2 LED在设施育苗中的应用

现代农业不断细化，设施育苗业已从种植业中分离出来，形成一个新兴产业，密闭式植物种苗工厂应运而生，其受自然环境影响较小，可有计划地开展作物生产工作，同时拥有极高的自动化程度，可开展立体栽培。该模式对土地要求较低，是未来育苗业的重点发展方向。在育苗过程中使用LED光源板可起到良好的效果，只要科学调整光照度、光质等参数，植株在光合速率、根系活力、叶面积等方面比露地栽培植株表现更为优异。在实际应用中，根据植物生长需求调节光源板光质，对植株株高、生长速度、叶片数等具有明显的促进作用。LED在闭锁型育苗体系中的应用前景较为广阔，崔瑾等（2009）[7]利用红光、黄光、绿光、红蓝组合光和蓝光对设施内的番茄、黄瓜、辣椒进行补光处理，发现红光和红蓝光有利于番茄、黄瓜、辣椒幼苗生长，能使茎变粗，鲜干重及壮苗指数均高于无补光处理的幼苗。

3.3 LED在植物组织培养中的应用

植物组织培养由于繁殖速度快、周期短，不受外界环境、气候、时间和地域等条件的限制，目前已经成为植物遗传育种、脱毒繁殖、种质资源保藏的重要手段。但由于传统植物组织培养所采用的人工光源光效低、热量大，其光谱植物不能有效利用，造成高耗能、高成本。而LED光源体积小，可以任意设计光源形状、光谱组成和光周期，能为植物组织培养中新型光源的开发提供新思路。钱创建等（2021）[8]利用LED混合光源绿光∶蓝光∶红光=1∶1∶3对马铃薯脱毒试管苗进行补光，结果发现，经LED光源补光后微型薯的结薯数量和总质量都有所提高。张晓雪等（2021）[9]试验发现，在红掌和观赏凤梨组培苗工厂化生产中宜选用光质配方为深红+白+远红+中蓝的LED光配方灯代替传统的荧光灯。韩逸飞等（2021）[10]研究发现，红光会使马铃薯组培苗茎秆变细，并能增加其节间长和茎节数，降低壮苗指数，而蓝光会诱导组培苗茎秆矮化并加粗，促进干物质积累，有利于培育壮苗。

3.4 LED在设施栽培害虫防治中的应用

由于设施栽培具有温度高、湿度大等特点，容易引发虫害，长期使用农药防治易使病虫产生耐药性，也容易造成农药残留，从而影响农产品品质、污染生产环境。而害虫普遍具有趋光性，利用这一特性对其进行光诱杀能很好地解决这些问题。LED光源波长种类较为齐全，在害虫诱杀方面具有较大的优势和应用潜力。全林发等（2021）[11]试验表明，荔枝蒂蛀虫对紫外光有明显的避光性，夜间用波长为400～700 nm的LED白光和波长为570～575 nm的LED黄光持续照射，可有效降低成虫交配率和繁殖力。张敏（2018）[12]以LED光的波长因素作为变量，研究波长处理对昆虫生长发育的影响，发现黄橙光可以抑制绿盲蝽卵和若虫的发育，蓝光能缩短菜粉蝶蛹期的发育历期，波长为435 nm的LED光对大头金蝇种群繁殖的限制作用明显。目前，我国开发出了适合温室使用的杀虫灯，这种杀虫灯性能稳定、使用寿命长、对环境较为友好且价格低廉，不仅极大地节约了生产成本，也使杀虫效率大大提升，在设施栽培领域广泛适用。

3.5 LED在设施农业贮藏保鲜中的应用

光是调控设施作物生命周期中化学成分和基因表达的重要调节因子，LED能实现对光质、光强、光配比、光分布均匀性等参数的精确控制，因而在果蔬贮藏保鲜领域应用十分广泛。刘帮迪等（2021）[13]试验发现，蓝、紫光可以抑制香蕉呼吸强度，减少乙烯的释放量，延长贮藏期，减少纤维素分解为果胶的数量，防止香蕉软化，抑制色泽转黄和淀粉到糖的转化，而蓝光延缓后熟的能力比紫光更好。闫志成（2019）[14]认为，LED照明是一种有效的保鲜方式，可以改变小白菜的生理代谢和基因表达状况，以维持贮藏期间小白菜的品质和营养水平。李宁等（2015）[15]发现，用LED红蓝复合光处理西兰花后，其保鲜期延长10～15 d，还能很好地保持西兰花原有的外观和品质，并且防止了西兰花贮藏期间维生素C的快速流失，延缓了贮藏期间乙烯释放量峰值和呼吸跃变出现的时间，降低了呼吸跃变的峰值，减少了膜脂过氧化对西兰花造成的损伤。LED辐照处理在促进采后果蔬营养物质的积累、增强抗氧化能力、延缓果实衰老等方面具有良好的采后应用潜力，成为减少果蔬采后损失的高效、安全、友好型技术。

4 LED应用于设施栽培的前景

随着LED光源高效节能技术的发展，使用LED补光已逐渐成为设施栽培的主流。在植物设施栽培模式光照不足的情况下，通过人工调控光源光质、强度等参数对植物补充光源，有效促进其生长发育，达到增产、抗病、优质、无公害等目的。LED补光在设施栽培领域的应用将更加广泛，对促进农业现代化和智能化、提升农产品品质、节能环保等方面都有举足轻重的意义。

LED光源以其特有的优势受到了世界各国的重视，尤其在全球能源緊缺的情况下，LED应用于设施农业栽培领域的优势众多，既可为植物生长提供纯正的单色光，又能根据植物需求提供复合光谱，针对植物生长的不同时期组合光谱。此外，还能为植物提供高频间歇光，这一特性能够满足植物对于光周期的要求。

目前，世界各国在LED用于植物设施栽培领域的研究更加深入，且对于LED应用技术与相关产品的兴趣有所提高。针对这一方向开展的各种试验均证明LED在植物设施栽培领域具有巨大优势。另外，我国虽然是农业大国，设施栽培面积也居世界前列，但设施栽培领域自主知识产权却极少。针对这一情况，工程学科及植物学科相关专家应开展合作，共同研发出符合我国生产实际的LED照明控制系统、植物生长调控装置以及工厂化育苗设施等。目前，我国半导体照明技术发展速度越来越快，生产成本也逐年下降，相信LED技术在未来必将更广泛地应用于设施栽培领域。

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[14]闫志成.LED白光照射对采后小白菜贮藏品质的影响[D].沈阳：沈阳农业大学，2019.

[15]李宁，阎瑞香，张娜.LED复合光处理对西兰花低温保鲜效果的影响[J].华北农学报，2015，30（1）：188-193.

（编辑：牛 佳）