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4、tml销售经理理学院56套讲座座+ 144350份份资料./Shoop/466.shttml销售人员员培训学院院72套讲座座+ 48879份资料./Shoop/477.shttml LED在设设施园艺产产业的应用用现状与发发展趋势 杨其长 (中国农业业科学院农农业环境与与可持续发发展研究所所，北京 1000081)摘 要：设施园艺艺是一个能能耗相对较较高的产业业，其中人人工光能耗耗占有相当当的比重，减少人工光能耗是实现设施园艺节能的重要课题。LED不仅具有体积小、寿命长、耗能低、波长固定与低发热等优点，而且还能根据植物需要进行发光光谱的精确配置，实现传统光源无法替代的节能、环保和空间高效利用等
5、功能。该文通过对LED在设施园艺领域研究现状的详细阐述，重点介绍了LED的光源特性及其在设施栽培、组织培养、植物工厂和太空农业等方面的应用进展，并对LED在人工补光、植物工厂、生命保障系统以及与新能源结合等方面的应用前景进行了分析和展望。关键词：人人工光源；发光二极极管(LEED)；设设施园艺Appliicatiion aand FForeggrounnd off Ligght-EEmittting Diodde（LEED）inn Prootectted HHortiicultture Yang Qichhang( Insstituute oof Ennviroonmennt annd Suu
6、staiinablle Deeveloopmennt inn Agrricullturee, Chhinesse Accademmy off Agrricullturaal Scciencces, Beijjing 1000081, Chinna)Abstrract: Thee appplicaationn of lighht-emmittiing ddiodee (LEED) iin aggricuulturre annd biio-induustryy hass beeen cooncerrned by aall oover the worlld wiith tthe ddevellopm
7、eent oof LEED teechnoologyy. LEED noot onnly hhas mmany advaantagges, suchh as smalll siize, longger llife, loww eneergy conssumpttion, parrticuular waveelenggth aand llow pproduuctioon off heaat, bbut aalso can emitt thee exaact sspecttrum baseed onn thee neeed off plaant. LED can actuualizze a lot
8、 of ffuncttionss, suuch aas ennergyy-savving, envvironnmentt-friiendlly annd effficiient spacce uttilizzatioon, wwhichh cannt bee achhieveed byy connventtionaal liight sourrce. The appllicattion of LLED iin aggricuulturre annd biio-inndusttry hhas bbeen reviiewedd in thiss papper, whicch inncluddes
9、tthe ccharaacterristiics oof LEED annd thhe prrogreess oof LEED appplieed inn plaant ccultiivatiion, tisssue ccultuure, plannt faactorry annd coontroolledd ecoologiical lifee suppportt sysstem(CELSSS). Trendds off LEDD apppliedd in artiificiial llightting, plaant ffactoory, CELSSS annd coombinnatioo
10、n wiith nnew eenerggy arre allso ooutliined.Key wwordss: Arrtifiiciall ligghtinng, LLightt-Emiittinng Diiode（LLED), Prootectted HHortiicultture0 引言言 设设施园艺是是一个高投投入、高产产出的产业业，同时也也是高能耗耗的行业。据联合国粮食计划署统计，全世界一年农业生产的能耗量有35用于设施园艺产业，能耗费用约占温室作物生产总费用的1540。人工光源作为设施园艺的重要组成部分，同时也是耗能和增加运行成本的主要因素。有关资料显示，大型连栋温室人工补光（以高
11、压钠灯或金属卤素灯为人工光源）的能耗功率约为200kw/ha；植物苗工厂（以荧光灯为人工光源）各种设备的能耗比例为：照明约占82，空调制冷约占15，其他占3（Kozai，2002）；人工光植物工厂（以荧光灯为光源），照明能耗(三层结构）为800W/m2，约占总能耗的45-55（Yang，2006）)；植物组培人工光（以荧光灯为人工光源）的能耗（培养架四层结构）为500-600W/m2，约占运行费用的30%-40。长期以来在设施园艺领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等，这些光源的突出缺点是能耗大、运行费用高。因此，提高发光效率、减少能耗一直是设施园艺领域人工光应用的重要
12、课题。 如果能能近年来，随随着光电技技术的发展展，带动了了高亮度红红光、蓝光光与远红光光发光二极极管（Liight-Emitttingg Dioode, LED）的的诞生，使使低能耗人人工光源在在设施园艺艺领域的应应用成为可可能。LEED具有高高光电转换换效率、使用直流流电、体积积小、寿命长、耗能低、波波长固定与与低发热等等优点，与目目前普遍使使用的高压压钠灯和荧荧光灯相比比，不仅光光量、光质质（红/蓝蓝光比例或或红/远红红光比例等等）可调，而而且还是低低发热量的的冷光源，可可近距离照照射，从而而使植物的的栽培层数数和空间利利用率大大大提高。因因此，LEED被认为为是未来设设施园艺领领域最有前
13、前途的人工工光源，具具有良好的的发展前景景1,2。1 LEED的基本本原理与优优势图1 LED结构原理图Fig1 Schematic diagram of LED structureLED（LLightt- Emmittiing DDiodee），又称称发光二极极管，由-族化合物物，如GaaAs（砷砷化镓）、GGaP（磷磷化镓）、GGaAsPP（磷砷化化镓）等半半导体材料料制成，其其核心是PPN结（图图1所示）。它它是利用固固体半导体体芯片作为为发光材料料，当两端端加上正向向电压，半半导体中的的载流子发发生复合，放放出过剩的的能量而引引起光子发发射产生可可见光。按按发光强度度和工作电电流可分为
14、为普通亮度度的LEDD（发光强强度1000mcdd）等类型型，其中超超高亮度LLED寿命命可达5万万小时以上上，且光衰衰仅为300%3。LED的相相关产品早早在20世世纪60年年代初就已面世世，19662年世界界上首个GGaAsPP 红色LLED（p=6550nm）研制成功，随后黄色LED开始出现，但这一阶段LED光源仅局限于标识、观赏等领域的应用。20世纪80年代中期，高亮度LED开始推出，1993年又相继研制出蓝色和绿色LED产品，1996年白色LED相继研制成功。但由于受亮度、价格等因素的影响，LED很长一段时期一直未能作为通用光源推广应用。最近10年来，随着国际上对半导体发光材料研究的
15、不断深入，LED性能的不断提高，价格的大幅度下降，以及大功率LED产品的相继推出，使LED的普及逐渐成为可能4。图2 红蓝蓝光光谱分分布目前，LEED已被广泛应应用于汽车车、通讯、资资讯、交通通信号、家家电、照明明以及生物医医药等众多多领域。与与高压钠灯灯、白炽灯灯、荧光灯灯等其他人人工光源相相比，LEED的优势势在于：11.使用电电源电压较较低，供电电电压仅为6624V，比比使用高压压电源更安安全；2.节能高效效，耗电量仅为为白炽灯的的八分之一一，荧光灯灯的二分之之一；3.可发出光光波较窄的的单色光（图图2），如如红外、红红色、橙色色、黄色、绿绿色、蓝色色等，而且且还可以根根据不同需需要任意
16、组组合；4. 低发热热特性的冷冷光源，可可以近距离照照射植物，提高空间利用率；5.可以在极短时间内发出脉冲光，响应时间快；6.体积小、结构紧凑、稳定性强；7.无污染，作为全固体发光体，不含金属汞、耐冲击、不易破碎，废弃物可回收，是一种绿色照明产品；8.寿命长，可达50,000小时以上，是普通照明灯具的几十倍。近年来，随着光电技术的不断革新，LED正向高亮度、低成本的目标快速推进2,3，为这一新型光源的普及与应用提供了广阔的空间5。2 LEDD在设施园园艺领域的的应用现状状 园艺作物物的光合作作用，主要要是利用波波长为6110mm720nnm（波峰峰为6600nm）的的红橙光，吸吸收的光能能约占
17、生理理辐射的555左右右；其次是是波长为44005510nmm （波峰峰为4500nm）的的蓝紫光，约约占8左右。 LEDD能够发出出植物生长长所需要的的单色光（如如波峰为4450nmm的蓝光、波波峰为6660nm的的红光等），光谱域宽宽仅为20nmm，红蓝光光LED组合合后，能形形成与作物物光合作用用和形态建建成基本吻吻合的光谱谱吸收峰值值，光能利用用率可达8090，节能效效果显著。LED光源这种独特的性能，为其在设施园艺领域的应用提供了有效的发展空间6。2.1 LLED在设设施栽培领领域的应用用世界上最早早将LEDD用于植物物栽培的是是日本三菱菱公司，早早在19882年就有有关于采用用波长
18、6550nm红红色LEDD进行温室室番茄补光光的试验报报道6。19887年美国国Wiscconsiin大学TTibbiitts等等人开始采采用LEDD进行莴苣苣的栽培试试验，19991年该该校的Buula等人人利用红光光660nnm的LEED与蓝色色荧光灯结结合，进行行生菜（LLactuuca SSativva L）的的栽培试验验，获得成成功7。19993年日本本香川大学学的冈本和和柳用红色色LED进行行了菠菜和和莴苣的栽栽培试验。三三菱化学（株株）的渡边边和田中也也利用LEED进行植植物栽培的的实用化研研究，探讨讨了脉冲光光照射周期期与占空比比对植物生生长的影响响。结果表表明，占空空比达25
19、550时，可加加速植物生生长。Okkamotto等(11996)使用超高高亮度红光光LED与与蓝光LEED，在红红蓝光比值值（R/BB）为2：1时，可可以正常培培育莴苣；同年，YYanaggi 等(19996) 使使用红光LLED与蓝蓝光LEDD来探讨光光质与光量量对莴苣生生长与光形形态建成的的影响，将将莴苣栽培培于纯蓝光光LED（1170mmolmm-2s-1)的环境中中，证实可可分化生长长，虽然干干物重小于于纯红光或或红蓝光组组合下的植植株，但纯纯蓝光下的的植株显得得更加矮壮壮和健康。三菱化学学的渡边博博之（20002）使使用LEDD脉冲光对对莴苣的生生长以及光光合成反应应的影响进进行研究
20、。结结果表明，在在周期为1100s以下的的脉冲光条条件下，生生菜生长比比连续光照照射条件下下促进效果果提高了220%，从从而证实了了采用不同同频率脉冲冲光照射莴莴苣可以加加速植物生生长。Heeo 等（22002）研研究发现，荧荧光灯+红红色LEDD, 荧光灯+远红外LLED复合合光照处理理，比单一一荧光灯处处理能显著著提高万寿寿菊的气孔孔数量8。中林和和重（20002）研研究了红色色、蓝色LLED特定定频率的光光刺激对小小油菜的影影响，证实实了采用LLED进行行光刺激对对植物体生生长、汁液液成份以及及无机成份份（钾、钠钠）含量产产生影响。魏魏灵玲等（22007）利利用红色LLED（6660nm
21、m）+蓝色色LED（4450nmm）进行了了黄瓜的育育苗试验（图图3所示），结果表明，LED的红蓝光比值（R/B）为7：1时，黄瓜苗的各项生理指标最优，LED的能耗与荧光灯相比为1：2.73，节能效果显著9。闻婧等（2009）通过对R/B的不同配比条件下叶用莴苣生理形状及品质的影响机理研究，。图3 LED黄瓜育苗试验 Fig2 Test of cucumber seedling under LED到目前为止止，LEDD已成功用用于多种作作物的设施施栽培，包包括：莴苣苣（Bulla ett al.,19991;Okkamotto ett al.19997）、胡胡椒(Scchuerrger et
22、aal.,11997)、胡瓜(Schuuergeer & Browwn,19997)、小小麦(Gooins et aal.,11997)、菠菜(Yanaagi & Okaamotoo.19994)、虎虎头兰(TTankaa et al.,19988)、草莓莓(Nhuut ett al.,20000)、马马铃薯(IIwanaami eet all.,19992,JJao & Fanng,20002)、蝴蝴蝶兰(JJao & Fanng,20002)、白鹤芋芋(Nhuut ett al.,20001)及藻藻类(Leee & Palssson,19944;Hanns,ett al.,19996)等1
23、014。随着LEED研究的的不断深入入，必将会会有越来越越多的作物物栽培获得得成功。2.2 LLED在组组培领域的的应用植物组织培培养是一项项可以通过过规模化生生产，在短短时间内获获得大量同同品质种苗苗的快速繁繁育技术，组组培育苗由由于繁育速速度快，不不受外界气气候、地势势、地域和和时间等条条件的约束束，目前已已经成为遗遗传育种、种种质资源保保护和脱毒毒快繁的重重要手段。但但由于采用用的人工光光源多为荧荧光灯，光光效低，发发热量大，能能耗成本高高。应用新新型节能光光源、减少少能耗一直直是植物组组培研究的的一大热点点。20世世纪90年年代以来，世世界各国都都在积极研研究利用LLED作为为组培光源
24、源的可行性性。 在单色光对对组培苗的的影响方面面，Iwaanamii等(19992) 通通过使用LLED补充充单色红光或或远红光来来改变光质质，进而控控制马铃薯薯组培苗茎茎的长度与与生长状况况。Tanaaka（11998）等人研究发现，红光LED能促进兰花组培苗叶片生长，但叶绿素含量、茎和根的干重比荧光灯略低。Kim等（2004）研究认为，单独红光LED或红光LED+远红光LED处理下，菊花组培苗茎过分伸长导致茎杆脆弱，其他重要指标也降低了，总体上不利于植物正常生长发育。主要原因是单色红光导致了系统可利用的光能分布不平衡，抑制了茎的生长15。Poudel等（2008）研究发现，纯红光LED处理
25、的葡萄组培苗，其株高与节间长度明显比荧光灯处理的长，但叶绿素含量以及叶片气孔数目以单色蓝光LED处理的为最高，红光LED处理的为最低16。图4 LED组培光源Fig3 The LED lighting source for tissue culture在红蓝光组组合及其配配比对组培培苗影响方方面，研究究表明，红红蓝光LEED组合对对组培植物物生长发育育能产生积积极影响，主主要是由于于红、蓝光光的光谱能能量分布与与叶绿素吸吸收光谱峰峰值区域一一致，从而而提高了组组培苗的净净光合速率率。Tannaka（11998）等人用不同组合的红蓝光LED与荧光灯相比较对香蕉组培苗的生长状况进行了研究，采用80
26、红光LED20蓝光与90红光LED10蓝光LED在不同的光照强度（45，60，75molm-2s-1）下照射香蕉苗，结果表明，在80红光LED20蓝光LED（60molm-2s-1）的光照强度下试管苗的芽和根鲜重明显高于其他处理17。Hahn等（2000）研究发现，经单一红光LED或蓝光LED处理的毛地黄组培苗出现徒长现象，但是在红蓝光LED组合下生长健壮。饶瑞佶、方炜（2000）使用超高亮度红光与蓝光LED开发出可调整光量、光质、发光频率与占空比的人工光源系统（图4所示）。Jao and Fang (2001)使用高频闪烁的红、蓝光LED为光 源，发现可在不提高耗电成本下提高马铃薯组培苗的生
27、长速率 13,14,18。以色列卡纳塔克邦大学设施技术发展研究中心（2001）用红光、蓝光及其组合LED对百合属植物的幼芽分化再生进行研究，结果表明红蓝光组合LED与其它光源相比更能促进花芽分化，更适合幼芽生长，植株大小和干、鲜重都有了明显的增长。田中道男（2002）开发了由红色LED（660 nm）和蓝色LED（450 nm）组成的独立光源新型组培容器“UniPACK”。为解决LED光源的散热问题，从LED光源板的各个侧面打孔并安装了特制的风扇。同时在LED模板的内侧使用冷却水循环降温的方法防止模板温度上升。Nhut等（2003）研究发现，70红光LED30蓝光LED照射下，草莓组培苗的叶片
28、数、根数、根长、鲜重、干重值最大，移栽后长势也最好1,19,20。杨雅婷等（2009）研究了红蓝光LED光强对甘薯组培苗的影响。可见，不同红蓝光LED组合下的光照对幼苗生长有很大的影响。 2.3LEED在植物物工厂的应应用植物工厂作作为设施园园艺的最高高级发展阶阶段，被认认为是211世纪农业业取得革命命性突破的的重要技术术手段之一一。植物工工厂是通过过计算机对对设施内植植物生育过过程的温度度、湿度、光光照、COO2浓度和营营养等环境境条件进行行高精度的的控制，实实现农作物物周年连续续生产的高高效农业系系统。目前前，植物工工厂有两种种主要模式式。一种是是以温室为为主体的太太阳光和人人工光并用用型
29、植物工工厂；另一一种是以封封闭的隔热热空间为主主体的人工工光完全控制型型植物工厂厂6。与并用型型植物工厂厂相比，人人工光完全全控制型植植物工厂受受外界气候候影响小，可可实现周年年连续生产产，且可多多层培植，空空间利用率率和产量水水平高，优优势明显，但但空调和照照明耗电大大、运行成成本高也成成为其发展展的重要制制约因素。因此，节能降耗已经成为人工光完全控制型植物工厂的重要课题8,21。高效率人工工光源的选选择是解决决植物工厂厂能耗问题题的重要手手段，目前前植物工厂厂主要以高高压钠灯和和荧光灯为为照明光源源，散热量量大，制冷冷费用高。1994年以来，日本开始试用LED作为植物工厂的照明光源，东海大
30、学高辻正基和大阪大学中山正宣使用波长为660 nm的红色LD加上5%的蓝色LED的组合光源进行生菜和水稻的栽培，获得成功。Okamoto等(1996)使用超高亮度的红光LED与蓝光LED，在红蓝光比值（R/B）为2：1时，培育莴苣获得成功。Yanagi 等 (1996) 使用单色红光LED、蓝光LED及其组合进行了莴苣生长与形态建成的试验研究，结果表明，将莴苣栽培于单色蓝光LED（170molm-2s-1)的环境中，其干物重小于纯红光LED或红蓝光LED组合下的植株，但植株显得更加矮壮和健康。渡边博之（1997）报道了一种采用水冷模板LED光源的蔬菜植物工厂，采用NFT方式生产生菜、芹菜等，生
31、产能力为5900株/天，150万株/年。该工厂的建筑尺寸为13m13m12m，栽培床面积为800m2(8m10m10层)，栽培光源为改良型水冷式红色LED，其他环境要素如温度、湿度、CO2、气流速度等均可实现自动控制。蔬菜定植2周后即可收获，植物培育效率（光合成所用的光能/灯管投入的电力）为0.01，光能利用效率极高6,8,22。 2.4LEED在太空空生命保障障系统的应应用研究 随着空间间技术的发发展，人类类进行太空空探索逐渐渐成为现实实，基于空空间环境的的特殊要求求，植物栽栽培使用的的光源必须须具有发光光效率高、输输出光谱与与植物光合合作用需求求吻合、体体积小、重重量轻、寿寿命长、无无污染
32、等特特征。由于于LED具具有空间环环境所需要要的基本特特征，近年年来已经成成为太空农农业重要的的人工光源源。美国航航空航天局局（NASSA）针对对宇宙基地地闭锁式生生命维持系系统 （CContrrolleed Eccologgicall Liffe Suupporrt Syystemm,CELLSS）的的植物生产产特点，把把LED光光源列为空空间植物栽栽培系统首首选光源（BBartaaefall,19992）66，并委委托Wissconssin 大大学等单位位开展研究究，探索利利用最小面面积生产出出可供一个个人在太空空中生活的的必需食物物，目前已已经研究出出利用6-14m22 就能能提供一个个
33、人需要的的面粉、豆豆、薯、菜菜、蕃茄、玉玉米等食物物的生产模模式。Cuuelloo等（20002）研研究发现，在在CELSSS系统中中LED的的光能转换换率比氙气气金卤灯高高出5倍2,23。 Bulaa 等针对对空间植物物的特点，提提出了在CCELSSS系统中人人工植物光光源必须具具备发光效效率高、光光质适宜、体体积小、重重量轻、寿寿命长、安安全可靠和和无污染等等特点，并并指出LEED是最理理想的太空空植物光源源6,19,233。我国航天医医学工程研研究所郭双双生等（22003）在在模拟空间间舱内环境温度控制在在22、相相对湿度770、CO2浓度5000moolmool-1、光照周期期24h（
34、亮亮）/0hh（暗）的的条件下，利用红蓝两种LED的四种不同组合作为照明光源，在多孔管和多孔陶瓷颗粒无土栽培装置下进行植物栽培试验，结果表明，红色LED下生长的植物初期呈匍匐状，后期直立、细长；红蓝光LED组合下的植株生长基本正常，但90红光LED10蓝光LED更为适宜24。这一结果对我国太空生命保障系统LED的应用研究具有重要的参考价值。3.LEDD在设施园园艺领域的的发展趋势势 221世纪被被誉为是“光的世纪纪”，植物光光合作用是是地球上一一切生命的的基础。太太阳光照不不足情况下下的人工补补光以及密密闭环境下下的人工照照明均需要要高光效、低低能耗的新新型光源。LLED以其其节能高效效的特有
35、优优势正吸引引着全世界界的目光，尤尤其是在全全球能源短短缺的背景景下，LEED的推广广普及正受受到世界各各国的高度度重视，预预计在不久久的将来LLED将会会在设施园园艺领域获获得广泛的的应用。3.1 LLED将在在设施园艺艺人工补光光领域发挥挥重要作用用 人工补光光是设施园园艺的重要要手段，尤尤其是在光光照较弱的的季节以及及高纬度地地区这种需需求更为迫迫切。目前前，普遍使使用的光源源主要为高高压钠灯和和金属卤素素灯等，能能耗大，运运行成本高高，严重影影响人工补补光技术的的普及。近近年来，随随着高亮度度、大功率率LED产产品的开发发，红、蓝蓝和远红光光LED及及其组合灯灯具的不断断推出，可可实现
36、节能能5080。荷兰等等一些发达达国家已经经在大功率率LED的的温室补光光方面进行行了中试（图图5所示）。预预计在不久久的将来，随随着半导体体光源性能能的不断完完善，价格格的进一步步降低，以以LED为为核心的人人工补光技技术必将在在设施园艺艺领域发挥挥重要作用用。 图55温室 LED人人工补光3.2 LLED将在在植物工厂厂和生命保保障系统中中发挥积极极作用 LLED的显显著特征是是能发出不不同波长的的单色光，并并可根据植植物光合作作用和形态态建成的光光谱需求进进行相应的的组合，形形成节能高高效的人工工光源。LLED这些些显著优势势，必将会会在农业与与生物产业业的众多领领域发挥积积极作用。在在
37、植物组培培领域，将将会出现替替代传统荧荧光灯的组组培LEDD专用灯具具，大幅度度降低组培培系统的能能耗；在完完全控制型型植物工厂厂将会出现现采用多个个单色光（如如红蓝光）LLED组合合的人工光光源，使作作物栽培层层的间距和和空间利用用率成倍提提高，进而而促进植物物工厂的普普及与应用用。在太空空航天器、远远洋航船以以及其他星星球等特定定场所，将将会出现以以LED为为人工光源源的植物生生产系统，以以满足特殊殊环境下人人们的食物物需求。3.3 LLED与新新能源结合合将会带来来植物生产产体系的革革命性突破破 随随着太阳能能光伏技术术的发展以以及风能、潮潮汐能、生生物能等新新能源的应应用，节能能光源L
38、EED 与这些新新能源的结结合将是必必然趋势。届届时，设施施园艺将会会彻底摆脱脱对化石能能源的依赖赖，实现污污染物零排排放条件下下的作物高高效生产。太太阳能光伏伏技术以及及其它新能能源与LEED的结合合，也使得得工厂化农农业、摩天天大楼农业业以及太空空农业、星星球农业的的能源利用用效率得到到大幅度提提高，甚至至会带来植植物生产体体系的重大大革命与突突破。 综综上所述，LLED在设设施园艺的的应用已经经显示出旺旺盛的活力力，然而，要要实现LEED光源的的真正普及及，仍有很很多课题需需要探索。单单色LEDD对不同植植物的作用用机理、适适宜的LEED组合配配比参数及及其专用灯灯具的开发发，以及如如何
39、进一步步提高光效效、降低成成本等，都都是当前亟亟待解决的的关键课题题。随着半半导体光源源工程的启启动、LEED技术的的不断成熟熟、制造成成本的逐渐渐降低以及及国家对节节能工程的的进一步重重视，相信信不久的将将来LEDD会在农业业的众多领领域得到广广泛作用。参考文献1 魏魏灵玲,杨其长,刘水丽.LLED在植植物工厂中中的研究现现状与应用用前景.中国农学学通报,22007, 23 (11):4088-4111.2 崔崔瑾,徐志刚,邸秀茹等等.LED在植植物设施栽栽培中的应应用和前景景J.农业工程程学报，2008,24(88):24492553. 3 刘刘江,范广涵,刘承宜.改进实用用型LEDD生物
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