LED用于植物栽培

    多年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞LED植物照明應(yīng)用進(jìn)行了不懈的探索，Bula等(1991)利用660nm紅光LED與藍(lán)色熒光燈組合，進(jìn)行了萵苣的栽培試驗，獲得成功。以色列卡納塔克邦大學(xué)設(shè)施技術(shù)發(fā)展研究中心(2001)用紅光、藍(lán)光及其組合LED對百合屬植物的幼芽分化再生進(jìn)行研究，結(jié)果表明紅藍(lán)光組合LED與其它光源相比更能促進(jìn)花芽分化，更適合幼芽生長，植株大小和干、鮮重都有明顯的增長。Yanagi等(1996)使用紅光LED與藍(lán)光LED來探討光質(zhì)與光量對萵苣生長與光形態(tài)建成的影響，將萵苣栽培于純藍(lán)光LED(170μmol?m-2?s-1)的環(huán)境中，證實可分化生長，雖然干物重小于純紅光或紅藍(lán)光組合下的植株，但純藍(lán)光下的植株顯得更加矮壯和健康。Kozai等(1999)使用LED脈沖光對萵苣的生長以及光合成反應(yīng)的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在周期為100μs以下的脈沖光條件下，萵苣生長比連續(xù)光照射條件下的促進(jìn)效果提高了20%，從而證實了采用不同頻率脈沖光照射萵苣可以加速其生長的設(shè)想。Tanaka等(1994)通過對LED植物栽培的實用化研究，探討了脈沖光照射周期與占空比對植物生長的影響，結(jié)果表明，占空比達(dá)25%～50%時，可加速植物生長。Heo等(2002)研究發(fā)現(xiàn)，熒光燈+紅色LED，熒光燈+遠(yuǎn)紅外LED復(fù)合光照處理，比單一熒光燈處理能顯著提高萬壽菊的氣孔數(shù)量。Okamoto等(1996)使用超高亮度紅光LED與藍(lán)光LED，在紅藍(lán)光比值(R/B)為2：1時，可以正常培育萵苣。美國航空航天局(NASA，1992)針對宇宙基地閉鎖式生命維持系統(tǒng)(Controlled Ecological Life Support System, CELSS)的植物生產(chǎn)特點(diǎn)，把LED光源列為空間植物栽培系統(tǒng)首選光源，并委托Wisconsin大學(xué)等單位開展研究，探索利用最小面積生產(chǎn)出可供一個人在太空中生活的必需食物，目前已經(jīng)研究出利用6～14m2就能提供一個人需要的面粉、豆、薯、菜、番茄、玉米等食物的生產(chǎn)模式。郭雙生等(2003)在模擬空間艙內(nèi)環(huán)境溫度控制在22℃、相對濕度70%、CO2濃度500mol?mol-1、光照周期24h(亮)/0h(暗)的條件下，利用紅、藍(lán)光LED的4種不同組合作為照明光源，在多孔管和多孔陶瓷顆粒無土栽培裝置下進(jìn)行植物栽培試驗，結(jié)果表明紅藍(lán)光LED組合下的植株生長基本正常，90%紅光LED+10%藍(lán)光LED更為適宜。這一結(jié)果對太空農(nóng)業(yè)LED的應(yīng)用也具有重要的參考價值。魏靈玲等(2007)利用紅色LED(660nm)+藍(lán)色LED(450nm)進(jìn)行了黃瓜的育苗試驗，結(jié)果表明，LED的紅藍(lán)光比值(R/B)為7：1時，黃瓜苗的各項生理指標(biāo)最優(yōu)，LED的能耗與熒光燈相比為1：2.73，節(jié)能效果顯著。到目前為止，LED已成功用于多種植物的栽培試驗，包括：萵苣、胡椒、胡瓜、小麥、菠菜、虎頭蘭、草莓、馬鈴薯、白鶴芋以及藻類等。上述研究表明，LED作為植物照明光源可以廣泛應(yīng)用于設(shè)施栽培、組培培養(yǎng)、植物工廠等眾多領(lǐng)域，具有促進(jìn)植物生長、調(diào)節(jié)植物形態(tài)以及節(jié)能環(huán)保等多方面優(yōu)勢。

    2.LED養(yǎng)殖業(yè)照明研究進(jìn)展

    人工照明是畜禽養(yǎng)殖業(yè)尤其是集約化畜禽舍環(huán)境控制的重要手段之一，長期以來，養(yǎng)殖業(yè)領(lǐng)域使用的人工光源主要有白熾燈、熒光燈等，不僅能耗較大，而且也難以實現(xiàn)針對畜禽的生理需求進(jìn)行光質(zhì)調(diào)控，影響畜禽生產(chǎn)效率的提高。近年來，隨著LED等單色節(jié)能光源的出現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者圍繞畜禽對光色、光強(qiáng)與光周期等光環(huán)境指標(biāo)與生長性能的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，探明了畜禽對光環(huán)境需求的相關(guān)參數(shù)。通過研究發(fā)現(xiàn)，AA肉雞生長前期采用綠光LED或藍(lán)光LED照射，生長后期采用藍(lán)光LED照射，能顯著促進(jìn)肉雞的生長發(fā)育，提高生產(chǎn)性能;肉雞生長早期(0-7d)選用綠光LED照明，可不同程度地改善肉雞小腸黏膜結(jié)構(gòu)，提高小腸對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，從而促進(jìn)肉雞生長發(fā)育;藍(lán)、綠光LED照明可使視網(wǎng)膜面積、視網(wǎng)膜節(jié)細(xì)胞(RGCs)總數(shù)增加;從視網(wǎng)膜的中央?yún)^(qū)到周邊部，綠光組的RGCs密度梯度下降幅度和藍(lán)光組的RGCs大小梯度增大幅度最明顯。也有的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光可在一定程度上抑制肉雞因注射脂多糖(LPS)刺激引起的體增重下降以及應(yīng)激激素和細(xì)胞因子IL-1β水平的升高，并可提高細(xì)胞免疫和體液免疫功能。采用綠光LED、藍(lán)光LED及其組合對Anak肉雞生長影響的研究結(jié)果表明，4d后綠光下雞增重最大，10d后用藍(lán)光下也有進(jìn)一步促進(jìn)肉雞增重的效果。我國學(xué)者通過LED光源對種雞的光色、光強(qiáng)與光周期優(yōu)化指標(biāo)的系統(tǒng)研究，確定了調(diào)控光色、光強(qiáng)和光周期來改善雞的生理節(jié)律、攝食行為、生長發(fā)育、繁殖性能的技術(shù)指標(biāo)體系，消減了諸如禽產(chǎn)品“污染”(如藥物殘留、激素殘留等)的負(fù)面影響，大大提高了雞的生產(chǎn)潛力。以上這些研究表明，LED在畜牧業(yè)中的實際應(yīng)用是可行的，通過適當(dāng)?shù)腖ED光照調(diào)節(jié)，能夠顯著促進(jìn)畜禽生長，提高其免疫力，大大提高畜禽養(yǎng)殖的生產(chǎn)潛力。

    三、LED農(nóng)業(yè)照明應(yīng)用現(xiàn)狀

    人工補(bǔ)光與照明是LED農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最重要的應(yīng)用方式，根據(jù)動植物發(fā)育的不同需求，采用不同波長的單色光組合起來形成農(nóng)用照明光源，并通過對光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期的靈活調(diào)整，實現(xiàn)節(jié)能與高效生產(chǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要應(yīng)用方向。目前，LED在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到植物照明、畜禽養(yǎng)殖照明、食用菌生產(chǎn)、微藻繁殖、害蟲誘捕、誘魚等眾多領(lǐng)域，前景極為誘人。

    1. LED植物照明應(yīng)用現(xiàn)狀

    植物照明是LED農(nóng)業(yè)應(yīng)用最為廣闊的領(lǐng)域之一，溫室大棚、植物組培、植物工廠以及食用菌生產(chǎn)等眾多場合均可采用LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源。目前，LED植物照明光源主要應(yīng)用場合包括：

    (1)溫室補(bǔ)光

    光是作物生長最重要的環(huán)境因子之一，荷蘭學(xué)者認(rèn)為：“1%的光照就是1%的產(chǎn)量”，可見光照在作物生產(chǎn)中的重要程度。溫室本身的光照比露地要低得多，尤其在冬春季節(jié)和連陰、雨、雪、霧等天氣條件下，光照不足的狀況會更加明顯，常常會限制溫室作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，人工補(bǔ)光已經(jīng)成為溫室高效生產(chǎn)的重要手段。目前，溫室的人工補(bǔ)光光源主要有高壓鈉燈、低壓鈉燈、金屬鹵化物燈和熒光燈等，這些光源的紅外和綠光等光譜成分較大，作物光合作用所需的紅、藍(lán)光譜成分相對較少，光能利用率低，耗能大，運(yùn)行成本高。近年來，隨著LED光源的快速發(fā)展，尤其是大功率LED芯片產(chǎn)品的開發(fā)成功，為溫室補(bǔ)光提供了新的手段。常用的LED溫室補(bǔ)光光源主要有兩種，一種是垂直照射的LED點(diǎn)光源，燈具采用類似于高壓鈉燈的圓頭燈結(jié)構(gòu);一種是穿插于植株之間進(jìn)行側(cè)面照射的LED帶光源，燈具常常采用柔性燈帶。目前，LED光源用于溫室人工補(bǔ)光仍處于小規(guī)模示范階段。

    (2)植物工廠

    植物工廠是通過計算機(jī)對設(shè)施內(nèi)植物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度和營養(yǎng)等環(huán)境條件進(jìn)行高精度控制，實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，被認(rèn)為是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)取得革命性突破的重要技術(shù)手段之一。目前，植物工廠有兩種主要型式：一種是以溫室為主體的太陽光和人工光并用型植物工廠，其光源系統(tǒng)與溫室補(bǔ)光完全一致;另一種是以封閉的隔熱空間為主體的人工光完全控制型植物工廠，這種植物工廠是在完全人工環(huán)境下進(jìn)行植物生產(chǎn)的方式，受外界氣候影響小，可周年連續(xù)生產(chǎn)，空間利用率和單位面積產(chǎn)量高，但空調(diào)和照明耗電大、運(yùn)行成本高也是限制其發(fā)展的重要瓶頸。因此，節(jié)能降耗已經(jīng)成為人工光完全控制型植物工廠的重要課題。

    高效率人工光源的應(yīng)用是解決植物工廠能耗問題的重要手段，目前植物工廠的人工照明光源主要有高壓鈉燈和熒光燈等，能耗高，散熱量大，空調(diào)運(yùn)行成本高。LED的出現(xiàn)為解決植物工廠能耗問題提供了重要手段。1994年以來，日本開始試用LED作為植物工廠的照明光源，使用波長為660nm的紅色LED加上5%的藍(lán)色LED的組合光源進(jìn)行人工植物工廠栽培生菜和水稻作物，獲得成功。1997年渡邊博之采用水冷模板LED光源在植物工廠內(nèi)種植蔬菜，栽培方式為營養(yǎng)液膜法(NFT)，作物選用生菜、芹菜等，蔬菜定植2周后即可收獲，在800m2(8m×10m×10層)的栽培面積上，每天生產(chǎn)蔬菜5900株，年產(chǎn)蔬菜150萬株。2009年2月，日本FairyAngel公司宣布，開始與LED照明廠商CCS聯(lián)手，開發(fā)出使用LED照明的蔬菜工廠“AngelFarm福井”。2009年9月，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所成功研制出了國內(nèi)第一例智能型LED植物工廠，建筑面積為200m2，采用LED進(jìn)行人工光育苗生產(chǎn)，取得了良好的運(yùn)行效果。