LED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
Application and Foreground of Light-Emitting Diode（LED）in Protected Horticulture
Yang Qichang
( Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences,
Beijing 100081, China)
Abstract: The application of light-emitting diode (LED) in agriculture and bio-industry has been concerned by all over the world with the development of LED technology. LED not only has many advantages, such as small size, longer life, low energy consumption, particular wavelength and low production of heat, but also can emit the exact spectrum based on the need of plant. LED can actualize a lot of functions, such as energy-saving, environment-friendly and efficient space utilization, which can’t be achieved by conventional light source. The application of LED in agriculture and bio-industry has been reviewed in this paper, which includes the characteristics of LED and the progress of LED applied in plant cultivation, tissue culture, plant factory and controlled ecological life support system(CELSS). Trends of LED applied in artificial lighting, plant factory, CELSS and combination with new energy are also outlined.
Key words: Artificial lighting, Light-Emitting Diode（LED), Protected Horticulture 0 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％，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-Emitting Diode, LED）的诞生，使低能耗人工光源在设施园艺领域的应用成为可能。LED具有高光电转换效率、使用直流电、体积小、寿命长、耗能低、波长固定与低发热等 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最有前途的人工光源，具有良好的发展前景[1,2]。 1 LED的基本原理与优势
LED（Light- Emitting Diode），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（λ
图1 LED结构原理图
Fig1 Schematic diagram of LED structure
p=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
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6~24V，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]。 2 LED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，约占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]。 2.1 LED在设施栽培领域的应用
世界上最早将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（Lactuca Sativa L）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, 荧光灯+远红外LED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，。。。。。。
到目前为止，LED已成功用于多种作物的设施栽培，包括：莴苣（Bula et al.,1991;Okamoto et al..1997）、胡椒(Schuerger et al.,1997)、胡瓜(Schuerger & Brown,1997)、小
图3 LED黄瓜育苗试验 Fig2 Test of cucumber seedling under LED 麦(Goins et al.,1997)、菠菜(Yanagi & Okamoto.1994)、虎头兰(Tanka et al.,1998)、草莓(Nhut et al.,2000)、马铃薯(Iwanami et al.,1992,Jao & Fang,2002)、蝴蝶兰(Jao & Fang,2002))、白鹤芋(Nhut et al.,2001)及藻类(Lee & Palsson,1994;Hans,et al.,1996)等[10~14]。随着LED研究的不断深入，必将会有越来越多的作物栽培获得成功。 2.2 LED在组培领域的应用
植物组织培养是一项可以通过规模化生产，在短时间内获得大量同品质种苗的快速繁育技术，组培育苗由于繁育速度快，不受外界气候、地势、地域和时间等条件的约束，目前已经成为遗传育种、种质资源保护和脱毒快繁的重要手段。但由于采用的人工光源多为荧光灯，光效低，发热量大，能耗成本高。应用新型节能光源、减少能耗一直是植物组培研究的一大热点。20世纪90年代以来，世界各国都在积极研究利用LED作为组培光源的可行性。
在单色光对组培苗的影响方面，Iwanami等(1992) 通过使用LED补充单色红光或远红光来改变光质，进而控制马铃薯组培苗茎的长度与生长状况。Tanaka（1998）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]
。
在红蓝光组合及其配比对组培苗影响方面，研究表明，红蓝光LED组合对组培植物生长发育能产生积极影响，主要是由于红、蓝光的光谱能量分布与叶绿素吸收光谱峰值区域一致，从而提高了组培苗的净光合速率。Tanaka（1998）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％红光LED＋20％蓝光与90％红光LED＋10％蓝光LED在不同的光照强度（45，60，75μmol·m-2·s-1）下照射香蕉苗，结果表明，在80％红光LED＋20％蓝光LED（60μmol·m-2·s-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长速率
[13,14,18]
。以色列卡纳塔克邦大学设施技术发展研究
图4 LED组培光源 Fig3 The LED lighting source for tissue culture 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LED＋30％蓝光LED照射下，草莓组培苗的叶片数、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。
2.3LED在植物工厂的应用
植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段，被认为是21世纪农业取得革命性突破的重要技术手段之一。植物工厂是通过计算机对设施内植物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度和营养等环境条件进行高精度的控制，实现农作物周年连续生产的高效农业系统。目前，植物工厂有两种主要模式。一种是以温室为主体的太阳光和人工光并用型植物工厂；另一种是以封闭的隔热空间为主体的人工光完全控制型植物工厂[6]。与并用型植物工厂相比，人工光完全控制型植物工厂受外界气候影响小，可实现周年连续生产，且可多层培植，空间利用率和产量水平高，优势明显，但空调和照明耗电大、运行成本高也成为其发展的重要制约因素。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]。
高效率人工光源的选择是解决植物工厂能耗问题的重要手段，目前植物工厂主要以高压钠灯和荧光灯为照明光源，散热量大，制冷费用高。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（170μmol·m-2·s-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，生产能力为5900株/天，150万株/年。该工厂的建筑尺寸为13m×13m×12m，栽培床面积为800m(8m×10m×10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2.4LED在太空生命保障系统的应用研究
随着空间技术的发展，人类进行太空探索逐渐成为现实，基于空间环境的特殊要求，植物栽培使用的光源必须具有发光效率高、输出光谱与植物光合作用需求吻合、体积小、重量轻、寿命长、无污染等特征。由于LED具有空间环境所需要的基本特征，近年来已经成为太空农业重要的人工光源。美国航空航天局（NASA）针对宇宙基地闭锁式生命维持系统
[6,8,22]
2
。
（Controlled Ecological Life Support System,CELSS）的植物生产特点，把LED光源列为空间植物栽培系统首选光源（Bartaefal,1992）[6]，并委托Wisconsin 大学等单位开展研究，探索利用最小面积生产出可供一个人在太空中生活的必需食物，目前已经研究出利用6-14m2 就能提供一个人需要的面粉、豆、薯、菜、蕃茄、玉米等食物的生产模式。Cuello等（2002）研究发现，在CELSS系统中LED的光能转换率比氙气金卤灯高出5倍[2,23]。 Bula 等针对空间植物的特点，提出了在CELSS系统中人工植物光源必须具备发光效率高、光质适宜、体积小、重量轻、寿命长、安全可靠和无污染等特点，并指出LED是最理想的太空植物光源[6,19,23]。
我国航天医学工程研究所郭双生等（2003）在模拟空间舱内环境温度控制在22℃、相对湿度70％、CO2浓度500μmol·mol-1、光照周期24h（亮）/0h（暗）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LED＋10％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.LED在设施园艺领域的发展趋势
21世纪被誉为是“光的世纪”，植物光合作用是地球上一切生命的基础。太阳光照不足情况下的人工补光以及密闭环境下的人工照明均需要高光效、低能耗的新型光源。LED以其节能高效的特有优势正吸引着全世界的目光，尤其是在全球能源短缺的背景下，LED的推广普及正受到世界各国的高度重视，预计在不久的将来LED将会在设施园艺领域获得广泛的应用。
3.1 LED将在设施园艺人工补光领域发挥重要作用
人工补光是设施园艺的重要手段，尤其是在光照较弱的季节以及高纬度地区这种需求更为迫切。目前，普遍使用的光源主要为高压钠灯和金属卤素灯等，能耗大，运行成本高，严重影响人工补光技术的普及。近年来，随着高亮度、大功率LED产品的开发，红、蓝和远红光LED及其组合灯具的不断推出，可实现节能50％~80％。荷兰等一些发达国家已经在大功率LED的温室补光方面进行了中试（图5所示）。预计在不久的将来，随着半导体光源性能的不断完善，价格的进一步降低，以LED为核心的人工补光技术必将在设施园艺领域发挥重要作用。
图5温室 LED人工补光
3.2 LED将在植物工厂和生命保障系统中发挥积极作用
LED的显著特征是能发出不同波长的单色光，并可根据植物光合作用和形态建成的光谱需求进行相应的组合，形成节能高效的人工光源。LED这些显著优势，必将会在农业与生物产业的众多领域发挥积极作用。在植物组培领域，将会出现替代传统荧光灯的组培LED专用灯具，大幅度降低组培系统的能耗；在完全控制型植物工厂将会出现采用多个单色光（如红蓝光）LED组合的人工光源，使作物栽培层的间距和空间利用率成倍提高，进而促进植物工厂的普及与应用。在太空航天器、远洋航船以及其他星球等特定场所，将会出现以LED为人工光源的植物生产系统，以满足特殊环境下人们的食物需求。 3.3 LED与新能源结合将会带来植物生产体系的革命性突破
随着太阳能光伏技术的发展以及风能、潮汐能、生物能等新能源的应用，节能光源LED 与这些新能源的结合将是必然趋势。届时，设施园艺将会彻底摆脱对化石能源的依赖，实现污染物零排放条件下的作物高效生产。太阳能光伏技术以及其它新能源与LED的结合，也使得工厂化农业、摩天大楼农业以及太空农业、星球农业的能源利用效率得到大幅度提高，甚至会带来植物生产体系的重大革命与突破。
综上所述，LED在设施园艺的应用已经显示出旺盛的活力，然而，要实现LED光源的真正普及，仍有很多课题需要探索。单色LED对不同植物的作用机理、适宜的LED组合配比参数及其专用灯具的开发，以及如何进一步提高光效、降低成本等，都是当前亟待解决的关键课题。随着半导体光源工程的启动、LED技术的不断成熟、制造成本的逐渐降低以及国家对节能工程的进一步重视，相信不久的将来LED会在农业的众多领域得到广泛作用。
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