LED在设施园艺产业的应用现状与发展趋势

基金项目：科技部平台项目（2006JG003600），中央级公益性科研院所基本科研业务费项目。作者简介：杨其长（1963—），男，安徽无为人，研究员，博士生导师，主要从事设施园艺与生物环境工程方面的研究。北京中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，100081。Email:[e-mail]在设施园艺产业的应用现状与发展趋势杨其长(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081)摘要：设施园艺是一个能耗相对较高的产业，其中人工光能耗占有相当的比重，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：人工光源；发光二极管(LED)；设施园艺ApplicationandForegroundofLight-EmittingDiode（LED）inProtectedHorticultureYangQichang(InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)Abstract:Theprotectedhorticultureindustryusemoreenergy,mostofwhichareconsumedbyartificiallight.Howtoreducethepartofenergyisanimportantissuetorealizeenergy-savingprotectedhorticulture.Theapplicationoflight-emittingdiode(LED)inagricultureandbio-industryhasbeenconcernedbyallovertheworldwiththedevelopmentofLEDtechnology.LEDnotonlyhasmanyadvantages,suchassmallsize,longerlife,lowenergyconsumption,particularwavelengthandlowproductionofheat,butalsocanemittheexactspectrumbasedontheneedofplant.LEDcanactualizealotoffunctions,suchasenergy-saving,environment-friendlyandefficientspaceutilization,whichcannotbeachievedbyconventionallightsource.TheapplicationsofLEDinagricultureandbio-industrywerereviewedinthispaper,whichincludedthecharacteristicsofLED,theprogressesofLEDappliedinplantcultivation,tissueculture,plantfactoryandcontrolledecologicallifesupportsystem(CELSS).TrendsofLEDappliedinartificiallighting,plantfactory,CELSSandcombinationwithnewenergywerealsooutlined.Keywords:Artificiallighting,Light-EmittingDiode(LED),Protectedhorticulture0引言设施园艺是一个高投入、高产出的产业，同时也是高能耗的行业。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15％～40％。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％，空气搅拌风机、营养液泵等其他占3％（Kozai，2004）；人工光植物工厂（以荧光灯为光源）的照明能耗(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课题。近年来，随着光电技术的发展，带动了高亮度红光、蓝光与远红光发光二极管（Light-EmittingDiode,LED）的发展，使低能耗人工光源在设施园艺领域的应用成为可能。LED具有光电转换效率高、使用直流电、体积小、寿命长、耗能低、波长固定与发热低等优点，与目前普遍使用的高压钠灯和荧光灯相比，不仅光量、光质（红/蓝光比例或红/远红光比例等）可调，而且还是低发热量的冷光源，可近距离照射，从而使植物的栽培层数和空间利用率大大提高。因此，LED被认为是未来设施园艺领域昀有前途的人工光源，具有良好的发展前景[1,2]。1LED的基本原理与优势LED（Light-EmittingDiode），又称发光二极管，由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料制成，其核心是PN结（图1所示）。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。按发光强度和工作电流可分为普通亮度的LED（发光强度10mcd）、高亮度LED（发光强度在10～100mcd之间）和超高亮度的LED（发光强度100mcd）等类型，其中超高亮度LED寿命可达5万小时以上，且光衰仅为30%[3]。LED的相关产品早在20世纪60年代初就已面世，1962年世界上首个GaAsP红色LED图1LED结构原理图Fig1SchematicdiagramofLEDstructure（λp=650nm）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也研制成功。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。昀近10年来，随着国际上对半导体发光材料研究的不断深入，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红蓝光光谱分布Fig.2SpectrumsofredandblueLED目前，LED已被广泛应用于汽车、通讯、资讯、交通信号、家电、照明以及生物医药等众多领域。与高压钠灯、白炽灯、荧光灯等其他人工光源相比，LED的优势在于：1.使用电源电压较低，供电电压仅为2~24V，比使用高压电源更安全；2.节能高效，耗电量仅为白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一；3.可发出光波较窄的单色光（图2），如红外、红色、橙色、黄色、绿色、蓝色等，而且还可以根据不同需要任意组合；4.低发热特性的冷光源，可以近距离照射植物，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]。2LED在设施园艺领域的应用现状园艺作物的光合作用，主要是利用波长为610mm~720nm（波峰为660nm）的红橙光，吸收的光能约占生理辐射的55％左右；其次是波长为400~510nm（波峰为450nm）的蓝紫光，吸收的光能约占生理辐射的8％左右。LED能够发出植物生长所需要的单色光（如波峰为450nm的蓝光、波峰为660nm的红光等），光谱域宽仅为±20nm。红蓝光LED组合后，能形成与作物光合作用和形态建成基本吻合的光谱吸收峰值，光能利用率可达80％~90％，节能效果显著。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]。2.1LED在设施栽培领域的应用世界上昀早将LED用于植物栽培的是日本三菱公司，早在1982年就有关于采用波长650nm红色LED进行温室番茄补光的试验报道[6]。1987年美国Wisconsin大学Tibbitts等人开始采用LED进行莴苣的栽培试验，1991年该校的Bula等人利用红光660nm的LED与蓝色荧光灯结合，进行生菜（LactucaSativaL）的栽培试验，获得成功[7]。1993年日本香川大学的冈本和柳用红色LED进行了菠菜和莴苣的栽培试验。三菱化学（株）的渡边和田中也利用LED进行植物栽培的实用化研究，探讨了脉冲光照射周期与占空比对植物生长的影响。结果表明，占空比达25％~50％时，可加速植物生长。Okamoto等(1996)使用超高亮度红光LED与蓝光LED，在红蓝光比值（R/B）为2：1时，可以正常培育莴苣；同年，Yanagi等(1996)使用红光LED与蓝光LED来探讨光质与光量对莴苣生长与光形态建成的影响，将莴苣栽培于纯蓝光LED（170µmol·m-2·s-1)的环境中，证实可分化生长，虽然干物重小于纯红光或红蓝光组合下的植株，但纯蓝光下的植株显得更加矮壮和健康。三菱化学的渡边博之（2002）使用LED脉冲光对莴苣的生长以及光合成反应的影响进行研究。结果表明，在周期为100µs以下的脉冲光条件下，生菜生长比连续光照射条件下促进效果提高了20%，从而证实了采用不同频率脉冲光照射莴苣可以加速植物生长。Heo等（2002）研究发现，荧光灯+红色LED和荧光灯+远红外LED的复合光照处理，比单一荧光灯处理能显著提高万寿菊的气孔数量[8]。中林和重（2002）研究了红色、蓝色LED特定频率的光刺激对小油菜的影响，证实了采用LED进行光刺激对植物体生长、汁液成份以及无机成份（钾、钠）含量产生影响。魏灵玲等（2007）利用红色LED（660nm）+蓝色LED（450nm）进行了黄瓜的育苗试验（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昀优，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，认为LED的红蓝光比值（R/B）为8：1时，有效地提高了叶用莴苣Vc含量和净光合速率，并且硝酸盐含量昀低[25]。到目前为止，LED已成功用于多种作物的设施栽培，包括：莴苣（Bulaetal.,1991;Okamotoetal..1997）、胡椒图3LED黄瓜育苗试验Fig3TestofcucumberseedlingunderLED(Schuergeretal.,1997)、胡瓜(Schuerger&Brown,1997)、小麦(Goinsetal.,1997)、菠菜(Yanagi&Okamoto.1994)、虎头兰(Tankaetal.,199