LED在设施园艺中的应用系列（二）——LED在叶菜植物工厂中的应用-三稿.doc

LED在设施园艺中的应用系列（二）
LED在叶菜植物工厂中的应用
■ 闻 婧1，魏灵玲1，杨其长1，王凤武2，杨雅婷1
（1中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部农业环境与气候变化重点开放试验室 100081
2天津里自沽农场）

植物工厂作为一种资源集约型生产模式，可以大幅提高单位土地的利用率、产出率和经济效益，同时它受自然条件影响小，植物生产计划性强，生产周期短，自动化程度高，可以在极端的环境条件下保障食物供给和食品安全，有利于农业摆脱资源与环境的限制，实现农业的可持续发展。因此，对植物工厂的研究与应用已经成为众多发达国家的重要课题，其中光环境调控机理是近10年来植物工厂研究的热点。人工光源作为密闭式植物工厂中植物生长的唯一光源，对植物的生长发育起着重要作用，但传统的人工光源（高压钠灯、金属卤化灯等）由于能耗较高，影响了植物工厂的普及。近年来，LED光源的研究开发为人工光型植物工厂的发展提供了良好的契机，使植物工厂的普及应用成为可能（关于LED光源的优势及其工作原理请参见《温室园艺》2009年第5期P13《LED在密闭式植物苗工厂中的应用》一文）。一方面，LED光源的光质可以根据不同植物品种的需求而任意选择，为植物提供适宜的光环境参数；另一方面，LED为冷光源，热辐射很小，可近距离照射植物，不会对植物造成灼伤，同时叶菜类蔬菜所需的生长空间相对较小，适合密闭式植物工厂多层立体式栽培，将LED应用于叶菜类蔬菜植物工厂生产可以进一步有效利用种植空间，成倍提高单产，大幅度降低成本。
叶菜类生产是密闭式植物工厂的主要应用领域之一，LED光源的使用和逐步普及将会使密闭式植物工厂的多层立体栽培优势得到充分的发挥，被认为是当前叶菜植物工厂最有前途的人工光源。
1 叶菜植物工厂LED光源参数的选择和系统的设计
植物对光的吸收波峰分别位于660nm红光和450nm蓝光附近，但是目前我国在660nm 红光LED和450nm 蓝光LED的制造技术方面尚存在一定的障碍，660nm与450nm LED的价格是普通LED的5-6倍，而发光效率却只有普通LED的2172%，不利于作物生长光源的普及。目前在照明领域广泛使用的红蓝LED波峰分别为630nm和460nm，其价格较低（约为660nm和450nmLED的1/10），发光效率较660nm和450nm有较大提高，而且购买方便。但这两种光谱的LED能否在植物工厂应用仍缺乏深入研究。
在本项研究中，综合考虑叶菜植物生长特点和作物生产的要求，探索性地选择了630nm红光LED和460nm蓝光LED光源板作为植物生长光源（以下简称LED-B型光源），同时也选用了660nm和450nm的LED光源板作为对照光源（以下简称LED-A型光源）（见图1、图2）。LED-B型光源是在LED-A的基础上进行的光谱成分与结构设计的改进。首先，在发光面积相同的前提下，减小了外形尺寸，使灯箱重量减少了5kg，便于安装和移动；其次，将电源装置与灯箱合二为一，便于安装，也节省了空间；再次，简化了LED-B型光源的散热装置，风扇由LED-A型的6个缩减为3个，散热片厚度由原来的50mm缩减为20mm，这也是灯箱重量减小的主要原因。虽然LED-B型光源在结构上做了很多精简，但是并没有影响LED-B型光源安全散热和运行的稳定性。总体来说，LED-B型光源的光电转化率高，成本低，更轻便，易于安装和移动，也更加省电。

图1 LED-A型光源 图2 LED-B型光源

图3 LED光源下生长的叶用莴苣
2 LED 光源板在叶菜植物工厂的应用实验
2.1 试验设计
光环境是影响植物光合作用最重要的因素。光环境分为三个部分：光照度（光量）、光质（光谱分布）以及光周期（明/暗期时间）。两种LED光源板均能准确地调控人工光源的光环境三要素，为不同的植物提供最适宜的光环境。
LED光源板的试验于2007年8月-2009年3月在中国农业科学院重大科学工程温室的叶菜植物工厂内进行，选用典型的叶菜作物——叶用莴苣在人工光环境下进行栽培试验（见图3），光源选用LED-A和LED-B，同时与荧光灯进行对照。根据红蓝光的比值不同，LED-A和LED-B分别设置3个不同的光质处理区（R/B=6/1，8/1，10/1），加上荧光灯的对照处理，试验共设置7个不同的光质处理区（见表1），光周期均为10h·d-1。对照荧光灯采用松下36W三基色荧光灯，由于荧光灯产热量大，不能近距离照射，试验中将其置于种植槽上部30cm处。与此同时，LED光源置于种植槽上部20cm处。
表1 光质处理区设置（单位：μmol·m-2·s-1）
试验区
LED-A1
LED-A2
LED-A3
LED-B1
LED-B2
LED-B3
CK
R
132
136
140
131
136
139
—
B
22
17
14
23
17

14
—
∑PPF
154
153
154
154
153
153
154
R/B
6/1
8/1
10/1
6/1
8/1
10/1
—
注：R表示红光LED的光照度，B表示蓝光LED的光照度，∑PPF表示光照度总和，R/B表示红光与蓝光的光质比。
2.2 试验结果

2.2.1 净光合速率
在对叶用莴苣叶片光合生理指标的测量中发现，LED-A型光源和LED-B型光源照射下的叶用莴苣的净光合速率的平均值分别为7.60±0.29 μmol·m-2·s-1和7.49±1.00 μmol·m-2·s-1，而对照荧光灯组叶用莴苣叶片净光合速率仅为5.70±0.14 μmol·m-2·s-1。数据说明，LED光源在光照度相同的前提下，能够显著促进植株的光合作用，同时LED-A型与LED-B型两种不同波峰的光源对叶用莴苣叶片光合生理特性没有显著影响。但是，在对光质影响的分析中发现，LED-A2和LED-B2两个处理的净光合速率优于同一光源照射下的其他处理，分别是7.88±0.07 μmol·m-2·s-1和8.44±0.51 μmol·m-2·s-1。这说明净光合速率与不同光质比有一定关系，合适的光质比能更好地满足植物的生长需要。
2.2.2叶绿素和类胡萝卜素含量
叶绿素含量体现了植物对光能的利用和调节能力，是评价植物生长发育状况的一项基础指标。而类胡萝卜素在植物叶绿体光合作用中也起着重要作用，是光合作用中光传导途径和光反应中心的重要结构成分。在对叶用莴苣叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量的分析中发现，LED-A光源下生长的叶用莴苣的叶绿素含量的平均值略高于LED-B光源下，但是差异不显著，而类胡萝卜素含量则是相同的。在光质比对叶绿素含量和类胡萝卜素含量的影响方面，发现在LED-A3处理和LED-B2处理的叶绿素含量最高，但分别与LED-A2处理和LED-B1处理没有显著差异；而LED-A2处理和LED-B2处理的类胡罗素含量最高，但前者与LED-A3没有显著差异。从以上分析可知，叶用莴苣在不同波峰下生长时，存在不同的适宜红/蓝光质比。LED-A型光源照射下，红蓝光质比为10/1时，更有利于莴苣叶片叶绿素和类胡萝卜素的积累；而在LED-B型光源照射下，红/蓝光质比为8/1时，更有利于莴苣叶片叶绿素和类胡萝卜素的积累。
2.2.3 维生素C含量等营养品质指标
在营养品质分析中，测量了Vc含量、总糖、粗蛋白和硝酸盐含量，发现LED-A与LED-B两种光源照射下叶用莴苣各营养品质指标均无显著差异，说明LED-A与LED-B两种不同波长的光源对叶用莴苣的营养品质没有显著影响。同时，在分析光质比对营养品质的影响时，发现无论是选用LED-A型光源，还是选用LED-B型光源，R/B=8/1是最好的光质比，均可显著提高Vc、总糖、粗蛋白的含量，而降低硝酸盐含量。
2.2.4 电量消耗
人工光源的电能消耗是叶菜植物工厂内最主要的能量消耗，也是增加运行成本的直接原因，所以降低其耗电量不仅可以有效降低密闭式植物工厂的运行成本，还是其进一步推广应用的重要催化剂。在对各处理电量消耗的分析中发现，LED-B型光源电能消耗整体低于LED-A型光源，是LED-A型光源耗电量的54.27%。同时，耗电量还与光质比有关，随着光质比的增大，耗电量下降，LED-B2和LED-B3处理的耗电量均为最小。
2.2.5 产量——对不起，没有做产量的测量
3 结论与建议
通过对LED-A、LED-B以及与荧光灯的对照试验，表明：
（1） 红光630nm和蓝光460nm 的LED组合可以作为密闭式植物工厂叶用莴苣生产的人工光源；
（2） LED-A和LED-B均可以明显促进叶用莴苣的光合速率，而且与荧光灯对照相比，其叶绿素、类胡萝卜素、Vc、总糖和粗蛋白含量均没有表现出显著差异；
（3） 综合考虑植物生长状况和电源耗电量，采用630nm红光和460nm蓝光组合、光质比为8/1是密闭式植物工厂叶用莴苣生产的理想光源；
（4） 本项研究在降低植物工厂LED的光源成本和耗电量方面进行了实质性探索，所研究的结果对植物工厂的普及具有重要参考价值。■