植物照明到底有多火?
在近期北京大學(xué)高安研究院研究人員的相關(guān)調(diào)研結(jié)果中就指出，這首先具體展現(xiàn)在LED照明在這個方面的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛：例如包括了植物組培、葉菜生產(chǎn)、溫室補光、植物工廠、育苗工廠、藥用植物栽培、食用菌工廠、藻類培養(yǎng)、植物保護、太空果蔬、花卉種植、驅(qū)殺蚊蟲等。
據(jù)悉，其中植物種苗培育、植物組培苗生產(chǎn)、食用菌生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)將有望成為先導(dǎo)領(lǐng)域，用LED光源取代傳統(tǒng)光源。植物工廠和溫室補光是發(fā)展最快的半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，技術(shù)含量高，裝備智能化系統(tǒng)性強，是農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點。
而通過LED植物照明技術(shù)種植出來的果蔬、花卉、藥材等產(chǎn)品，則可以大大滿足軍隊邊防哨所、高寒地區(qū)、水電資源匱乏地區(qū)、家庭辦公園藝、海洋太空人員、特殊病人等地區(qū)或人群的需要。
此外，該領(lǐng)域適用的LED植物照明裝置種類繁多，例如有目前在市場上已研發(fā)和生產(chǎn)出來的LED植物生長燈、植物生長箱、宅用LED植物生長臺燈、驅(qū)殺蚊蟲燈等。其中，LED植物生長燈常見的形態(tài)就有燈泡、燈條、面板燈、燈帶、筒燈、燈柵等。
根據(jù)統(tǒng)計，當下我國從事LED植物照明的企業(yè)超過150家，主要是分布在長三角和珠三角地區(qū)。中國農(nóng)科院預(yù)判，包括LED植物照明在內(nèi)的農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明市場前景將非常廣闊，按照我國現(xiàn)有農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模估算，未來的5年里，農(nóng)用LED照明燈具及其控制裝備的需求量將達到幾十億元，10年內(nèi)將達到百億規(guī)模，年增長率達到20%~50%，農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)總規(guī)模更是可以達到上千億元。
消息指，雖然我國在LED植物照明技術(shù)的起步較晚，并且光生物學(xué)規(guī)律及LED光源裝置和照明智能控制系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化還依然有不少障礙，還需進一步研究。然而，LED光源在植物工廠中的推廣應(yīng)用將會呈現(xiàn)逐年廣泛。為此，中國農(nóng)科院推測，未來10-20年后，中國將成為世界農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)及其應(yīng)用大國和強國。
由于LED可發(fā)射出植物生理有效輻射300~800nm范圍內(nèi)的窄譜單色光，光質(zhì)豐富、光源光譜可組合調(diào)制、光環(huán)境智能可控，LED光源具有環(huán)保、節(jié)能、體積小、冷光源、低電壓、直流電等優(yōu)勢，故此一直有著良好的口碑，被業(yè)界人士譽為設(shè)施農(nóng)業(yè)的理想光源。
LED植物照明屬于農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明范疇，即采用半導(dǎo)體電光源及其智能化管控裝備，按照植物生長的光環(huán)境需求規(guī)律和生產(chǎn)目標要求，利用人工光創(chuàng)造適宜光環(huán)境或彌補自然光照的不足，調(diào)控植物的生長，以實現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、高校、生態(tài)、安全”生產(chǎn)目標的一種農(nóng)業(yè)工程措施。
LED植物照明屬于LED在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用，據(jù)透露，目前國家對《植物生長用LED照明術(shù)語和定義》正在緊鑼密鼓的編制中。
鑒于LED植物照明領(lǐng)域的未來發(fā)展前景，一切都被描述得切實而美好，也就是在這種巨大的誘惑之下，越來越多的企業(yè)前赴后繼地進入到LED植物照明行業(yè)中來。為此，北京大學(xué)高安研究院研究人員歸納出了進入該行業(yè)的6大基本點，以及詳細介紹了植物照明中光質(zhì)對光合作用及光形態(tài)建成的影響，以供各企業(yè)單位學(xué)習(xí)參考之用。
進入LED植物照明行業(yè)應(yīng)知的6大基本點
1 最大的難點在哪?
LED植物照明是生物學(xué)、設(shè)施園藝學(xué)、蔬菜學(xué)、植物生理學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、生物環(huán)境工程、LED照明、智能控制技術(shù)等多學(xué)科交叉和有機結(jié)合發(fā)展的產(chǎn)物。所以只擅長半導(dǎo)體、植物、智能化系統(tǒng)之一或兩者的都是不夠的，充分的協(xié)作和交叉研究應(yīng)用至關(guān)重要。進入LED植物照明市場最大的難點是為了研發(fā)生產(chǎn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生態(tài)的LED植物光源或燈具，就需要同時解決光環(huán)境智能調(diào)控、植物光生物學(xué)、LED半導(dǎo)體技術(shù)三者如何融合與一體的發(fā)展問題。
2 植物光生物學(xué)指的是什么?
研究植物光生物學(xué)規(guī)律是LED植物照明的重要基礎(chǔ)，包括研究光環(huán)境的數(shù)量屬性(光強和光周期)、質(zhì)量屬性(光質(zhì)和光譜)、電光源發(fā)光特性(占空比、頻率)等。植物光生物學(xué)具有較高的復(fù)雜性和系統(tǒng)性。
光質(zhì)是指對生物有作用的光質(zhì)類型，包括可見光、UV和遠紅光。光質(zhì)生物學(xué)方面，我們要搞清楚以下問題：
第一，光質(zhì)的生物學(xué)功能，研究單一光質(zhì)及復(fù)合光質(zhì)對植物生長和產(chǎn)量品質(zhì)影響的生理代謝，分子生物學(xué)及蛋白組學(xué)機理;
第二，植物種類及品種間光質(zhì)適應(yīng)性和利用差異性機理;
第三，光質(zhì)與環(huán)境其他因子互動的生物學(xué)機制;
第四，照明設(shè)施的光質(zhì)數(shù)量屬性有效閾值和基準值。
另外，逆境光質(zhì)生物學(xué)的明確弱光、強光及連續(xù)光照下光合機構(gòu)運轉(zhuǎn)效率的響應(yīng)機理也需要研究。
3 不同企業(yè)但同一種植物的光照配方為何不同?
建立各種植物生長發(fā)育、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)所需要的光照配方是發(fā)展LED植物照明產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。
光照配方是以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標，按照特點植物種類及品種生長發(fā)育各階段所需的光質(zhì)種類及其數(shù)量屬性的參數(shù)集合。每種植物及不同生長階段所適宜的光照配方都是不同的。
不同企業(yè)針對同一種植物的光照配方會不一樣，甚至相差很大，主要和企業(yè)對植物生長目標有一定關(guān)系。簡單點說，企業(yè)根據(jù)市場需求和企業(yè)自身發(fā)展需要，可以降低要求，只需要超過植物生長的最低光照配方需求，對生物生長的其他環(huán)境也放寬要求的話，不僅光照配方會不一樣，對于環(huán)境控制系統(tǒng)也會很不一樣。
相反，企業(yè)也可以嚴格要求，盡量給植物創(chuàng)造最好的生長環(huán)境和條件，這樣所研發(fā)的光照配方就好。未來隨著我國LED植物照明領(lǐng)域相關(guān)標準和要求的陸續(xù)出臺，光照配方講逐步統(tǒng)一或保持基本條件的一致性。
4 LED植物生長光源和燈具研發(fā)生產(chǎn)需要注意哪些原則?
LED植物生長光源及燈具是LED植物照明產(chǎn)業(yè)的核心，企業(yè)需要根據(jù)光照配方來研發(fā)植物生長所需要的光源及燈具。
以下四個原則要注意：
第一，高光能利用率原則，制定合理光譜組分最大程度增加LED光源的發(fā)光效率，減少光源與被照射植物距離，減少光損失，提高光能利用效率;
第二，低成本原則，成本是決定LED植物照明產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的最重要因素之一;
第三，生態(tài)安全原則，在紅藍光譜中，增加微量或少量綠光成分，增加視覺健康;
第四，優(yōu)先開發(fā)附加值高的植物專用的LED光源及燈具。
5 植物光環(huán)境控制是什么，包括哪些方面?
光環(huán)境控制是以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標，以植物工廠各生產(chǎn)系統(tǒng)所栽培的植物種類及品種生長各階段光照配方為基礎(chǔ)，通過計算機直接控制和切換光環(huán)境參數(shù)的時空管理。
例如，溫室補光需要考慮自然光日變化參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、植物光合生理參數(shù)、植物生長階段和燈具屬性，實施經(jīng)濟有效地補光方法，滿足光強、光質(zhì)、光周期需求，節(jié)能高效。
植物光環(huán)境控制主要是指控制LED燈具的光質(zhì)、光強、光周期、空間位置和移動速率等。光環(huán)境控制具有明顯的時空特征，因此建立動態(tài)實時控制非常重要，實現(xiàn)LED植物照明光環(huán)境控制的自動化、智能化是大勢所趨。
6 LED植物照明燈具設(shè)計主要關(guān)注哪些指標和性能?
LED植物照明燈具設(shè)計師需要關(guān)注如下指標和性能：1.光照的均勻性;2.光質(zhì)組配的合理性;3.散熱的可靠性;4.LED芯片功率的適宜性;5.發(fā)光面的高效性;6.視覺的舒適性。
[NT:PAGE]光質(zhì)對光合作用及光形態(tài)建成的影響
1光對于植物的意義是什么?
光是植物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因子之一。太陽光到達地面的43%~52.5%波長為400~700nm，是人眼可以看到的可見光，這正是光合作用能量和環(huán)境信號，通過光合作用和光形態(tài)建成途徑影響植物的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)。
第一，光合作用是植物生物量與產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，植物95%的干物質(zhì)源于光合作用產(chǎn)生的碳水化合物。植物對光照條件存在復(fù)雜的反應(yīng)，包括光響應(yīng)、光抑制、光適應(yīng)、避陰反應(yīng)等。太陽的全色光譜中只有部分波段的光被植物吸收產(chǎn)生光合作用，植物的葉片形態(tài)、植物的生理反應(yīng)、等都會影響光合作用。
第二，光形態(tài)建成是指光作為環(huán)境信號作用于植物，調(diào)節(jié)植物生長、分化和發(fā)育的過程。感受光的受體在植物細胞中含量微少，但對外界光環(huán)境的額變化很敏感。例如600~700nm的紅光領(lǐng)域促進萵苣種子萌發(fā)，而720~740nm遠紅光領(lǐng)域抑制萵苣種子萌發(fā)。
2“光肥”是指什么?
植物利用各種不同波長進行光合作用，也就是說植物對光譜具有選擇性，植物的光合作用在可見光光譜(380~760nm)范圍內(nèi)所吸收的光能約在6成，其中以波長610~720nm(波峰為660nm)的紅橙光以及400~510nm(波峰為450nm)的藍紫光為吸收峰值區(qū)域，這兩個波段倍成為植物的“光肥”。
LED能夠發(fā)出植物生長所需要的單色光，單色光組合后能形成植物光合作用與形態(tài)建成所需要的光譜。LED植物生長光源能提高植物的光能利用率。
3 何謂光合機構(gòu)，它受什么影響?
光和機構(gòu)廣義說就是能夠進行光合作用部分反應(yīng)或全部反應(yīng)的機構(gòu)，小到葉綠體、類囊體，大到葉肉細胞、葉片器官，以致整個植物體。狹義就是葉綠體。
第一，光合機構(gòu)受光逆境影響。過強過弱的光將導(dǎo)致植物光逆境發(fā)生，抑制光合作用，降低光合效率。弱光導(dǎo)致黃化現(xiàn)象發(fā)生，強光下植物產(chǎn)生活性氧自由基，產(chǎn)生光抑制。
第二，光合機構(gòu)受溫度影響。溫度的周期性變化影響的是植物光合碳固定、還原、蔗糖合成，光合產(chǎn)物的運輸與分配和電子傳遞。
第三，光合機構(gòu)受養(yǎng)分供應(yīng)影響。氮素營養(yǎng)是植物的生命基礎(chǔ)。葉片光合能力與含氮量之間的相關(guān)系數(shù)平均為0.9.光飽和的光合速率隨著葉片含氮量增加而直線提高。因此保持氮營養(yǎng)及其他與葉綠素合成代謝相關(guān)元素供應(yīng)對保障光合機構(gòu)活性很重要。
第四，光合機構(gòu)受二氧化碳的影響。二氧化碳是光合作用的主要原料，空氣中二氧化碳濃度在飽和點下的升高能提高植物光合速率，減少蒸騰作用，抑制植物呼吸，顯著提高植物水分利用效率。保持適宜二氧化碳濃度對促進二氧化碳至關(guān)重要。
第五，光合機構(gòu)受濕度風(fēng)速等的影響。過配的氣孔導(dǎo)度低或過高空氣相對濕度都會降低植物葉片的氣孔導(dǎo)度，增加二氧化碳進入葉片阻力，降低蒸騰速率，尤其在低水肥供應(yīng)條件下，容易導(dǎo)致植物水分營養(yǎng)不足，降低增施二氧化碳的效果。風(fēng)速大小會影響植物冠層與群落內(nèi)部二氧化碳的均勻分布，影響增施二氧化碳的效果。水供給充足情況下，高濃度二氧化碳增大了大豆葉片的氣孔導(dǎo)度，減少水分蒸發(fā)量。
LED發(fā)出主要光對植物的影響有哪些?
紅光
在可見光中，被綠色植物吸收最多的是紅橙光(波長600~700nm)和藍紫光(波長400~500nm)，對綠色光(500~600nm)只有微量吸收。
紅光是最早被用于作物栽培試驗的光質(zhì)，是作物正常生長的必須光質(zhì)，生物需求數(shù)量居于各種單色光質(zhì)之首，人工光源中最重要的光質(zhì)。紅光下所生成的物質(zhì)使植物長高，而藍光下所生成的物質(zhì)促進蛋白質(zhì)與非碳水化合物的積累，給植物增重。
補遠紅外使花色速苷、類胡蘿卜素和葉綠素濃度分別降低40%、11%和14%、而使得植株鮮重、干重、莖長、葉長和葉寬分別增加28%、15%、14%、44%和15%。
紅光通過光敏色素調(diào)控光形態(tài)建成;紅光通過光合色素吸收驅(qū)動光合作用;紅光促進莖伸長，促進碳水化合物合成，有利于果蔬VC和糖的合成;但抑制氮同化作用。但是單獨紅光想很好地栽培植物還是有點難度。
藍光
藍光是紅光用于作物栽培必要的補充光質(zhì)，是作物正常生長的必需光質(zhì)，光強生物用量僅次于紅光。藍光抑制莖伸長，促進葉綠素合成，有利于氮同化和蛋白質(zhì)合成，有利于抗氧化物質(zhì)合成。藍光影響植物的向光性、光形態(tài)發(fā)生、氣孔開放以及葉片的光合作用。
LED紅光補充LED藍光可提高小麥的干物質(zhì)量、分薛數(shù)和種子產(chǎn)量，增加生菜的干物質(zhì)量。藍光顯著抑制散葉萵苣莖的生長。白光中增加藍光可縮短節(jié)間、縮小葉面積、降低相對生長速率和提高N/C效率。
高等植物葉綠素合成和葉綠體形成以及具有高葉綠素a/b比與低葉綠體都需要藍光。過量藍光不利于植物生長發(fā)育。紅藍光組合光譜比紅光或藍光單色光更能促進蔬菜幼苗的生長發(fā)育，不同植物所需要的紅藍光組合比例不一樣。
綠光
綠光與紅藍光可以和諧調(diào)節(jié)適應(yīng)植物的生長發(fā)育。一般在紅藍LED復(fù)合光下，植物略帶紫灰色，使得病害和失調(diào)癥狀不易診斷，可以通過補充少量綠光來解決。綠光效應(yīng)通常與紅藍光效應(yīng)相對立，例如綠光可以逆轉(zhuǎn)藍光促進的氣孔開放等。
在強白光下上部位于近光照表面的葉綠體的光合作用量子產(chǎn)額比下部的葉綠體低。因為強白光下綠光比紅光、藍光更能穿透葉片，下部葉綠體吸收額外的綠光比額外吸收紅光和藍光能更大程度增加葉片光合作用。低光強栽培植物可不考慮綠光，低密度低冠層厚度設(shè)施植物不考慮綠光，高光強高密度高冠層厚度時綠光必須考慮。
黃光和橙光
黃光、橙光、綠光、紫光都是重要的光合有效輻射，但植物需求量較小。在紅藍光基礎(chǔ)上添加黃光可顯著提高菠菜苗的生長。黃光對提高葉用萵苣的營養(yǎng)品質(zhì)效果最好，但藍光更有利于顯著提高萵苣礦質(zhì)元素的含量。
添加黃光和紫光能夠提高櫻桃番茄幼苗的光合能力，緩解紅藍弱光脅迫。與白光相比，紫光和藍光提高了抗氧化酶的活性，延緩了植株的衰老，而紅光、綠光和黃光抑制了抗氧化酶的活性，加速了植株的衰老進程。
遠紅光
730nm的遠紅光雖然對光合作用意義不大，但其強弱及其與660nm紅光間的比例對作物株高、節(jié)間長等形態(tài)建成，具有重要作用。通過光質(zhì)調(diào)節(jié)，R/FR比值來控制植株形態(tài)和植株高度。
比值變大時植物莖節(jié)間距變小，植株矮化，繁殖植物有伸長的傾向，比值的變化還對腋芽分化、葉綠素含量、氣孔指數(shù)及葉面積等產(chǎn)生不同程度的影響。植物對紅光的選擇性吸收和對遠紅光的選擇性透過使得位于遮陰下的植物處于一個遠紅外富集的光環(huán)境中。
紫外光(UV)
波長小于380nm的波段稱為紫外光。根據(jù)紫外線的物理和生物學(xué)特性，波長320~380nm為長波紫外線(UV-A)、波長280~320nm的中波紫外線(UV-B)和波長100~280nm的短波紫外線(UV-C)。到達地面上的UV種95%為UV-A。在太陽光光譜中光合有效輻射、UV和遠紅光對植物生長發(fā)育具有調(diào)控功能。
紫外輻射減少植物葉面積、抑制下胚軸伸長、降低光合作用和生產(chǎn)力，使植物易受病原體攻擊，但是可以誘導(dǎo)類黃酮合成及防御機制。低UV-B輻射的環(huán)境下造成植株徒長，還會阻礙植物色素的合成，不易用于覆蓋茄果類蔬菜。植物工廠的一個重要特征是缺乏太陽光中的UV-A和UV-B輻射，完全缺失UV輻射會帶來生產(chǎn)負效應(yīng)和影響植物生長發(fā)育，因此調(diào)控植物工廠內(nèi)UV的輻射水平是十分必要的，需要注意以生產(chǎn)需求和植物耐受響應(yīng)規(guī)律為依據(jù)。
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