led在設(shè)施園藝中的應(yīng)用系列（二）——led在葉菜植物工廠中的應(yīng)用-三稿

1、LED在設(shè)施園藝中的應(yīng)用系列（二）在設(shè)施園藝中的應(yīng)用系列（二）LED在葉菜植物工廠中的應(yīng)用在葉菜植物工廠中的應(yīng)用■聞婧1，魏靈玲1，楊其長1，王鳳武2，楊雅婷1（1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，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點(diǎn)開放試驗(yàn)室1000812天津里自沽農(nóng)場）植物工廠作為一種資源集約型生產(chǎn)模式，可以大幅提高單位土地的利用率、產(chǎn)出率和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)它受自然條件影響小，植物生產(chǎn)計(jì)劃性強(qiáng)，生產(chǎn)周期短，自動(dòng)化程度高，可以在極端的環(huán)

2、境條件下保障食物供給和食品安全，有利于農(nóng)業(yè)擺脫資源與環(huán)境的限制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)植物工廠的研究與應(yīng)用已經(jīng)成為眾多發(fā)達(dá)國家的重要課題，其中光環(huán)境調(diào)控機(jī)理是近10年來植物工廠研究的熱點(diǎn)。人工光源作為密閉式植物工廠中植物生長的唯一光源，對(duì)植物的生長發(fā)育起著重要作用，但傳統(tǒng)的人工光源（高壓鈉燈、金屬鹵化燈等）由于能耗較高，影響了植物工廠的普及。近年來，LED光源的研究開發(fā)為人工光型植物工廠的發(fā)展提供了良好的契機(jī)，使植物工廠的普及應(yīng)

3、用成為可能（關(guān)于LED光源的優(yōu)勢(shì)及其工作原理請(qǐng)參見《溫室園藝》2009年第5期P13《LED在密閉式植物苗工廠中的應(yīng)用》一文）。一方面，LED光源的光質(zhì)可以根據(jù)不同植物品種的需求而任意選擇，為植物提供適宜的光環(huán)境參數(shù)；另一方面，LED為冷光源，熱輻射很小，可近距離照射植物，不會(huì)對(duì)植物造成灼傷，同時(shí)葉菜類蔬菜所需的生長空間相對(duì)較小，適合密閉式植物工廠多層立體式栽培，將LED應(yīng)用于葉菜類蔬菜植物工廠生產(chǎn)可以進(jìn)一步有效利用種植空間，成倍提高單

4、產(chǎn)，大幅度降低成本。葉菜類生產(chǎn)是密閉式植物工廠的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，LED光源的使用和逐步普及將會(huì)使密閉式植物工廠的多層立體栽培優(yōu)勢(shì)得到充分的發(fā)揮，被認(rèn)為是當(dāng)前葉菜植物工廠最有前途的人工光源。1葉菜植物工廠葉菜植物工廠LEDLED光源參數(shù)的選擇和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)光源參數(shù)的選擇和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)植物對(duì)光的吸收波峰分別位于660nm紅光和450nm藍(lán)光附近，但是目前我國在660nm紅光LED和450nm藍(lán)光LED的制造技術(shù)方面尚存在一定的障礙，660nm

5、與450nmLED的價(jià)格是普通LED的56倍，而發(fā)光效率卻只有普通LED的21%72%，不利于作物生長光源的普及。目前在照明領(lǐng)域廣泛使用的紅藍(lán)LED波峰分別為630nm和460nm，其價(jià)格較低（約為660nm和450nmLED的110），發(fā)光效率較660nm和450nm有較大提高，而且購買方便。但這兩種光譜的LED能否在植物工廠應(yīng)用仍缺乏深入研究。在本項(xiàng)研究中，綜合考慮葉菜植物生長特點(diǎn)和作物生產(chǎn)的要求，探索性地選擇了630nm紅光LED

6、和460nm藍(lán)光LED光源板作為植物生長光源（以下簡稱LEDB型光源），同時(shí)也選用了660nm和450nm的LED光源板作為對(duì)照光源（以下簡稱LEDA型光源）（見圖1、圖2）。LEDB型光源是在LEDA的基礎(chǔ)上進(jìn)行的光譜成分與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)。首先，在發(fā)光面積相同的前提下，減小了外形尺寸，使燈箱重量減少了5kg，便于安裝和移動(dòng)；其次，將電源裝置與燈箱合二為一，便于安裝，也節(jié)省了空間；再次，簡化了LEDB型光源的散熱裝置，風(fēng)扇由LEDA型的

7、6個(gè)縮減為3個(gè)，散熱片厚度由原來的50mm縮減為20mm，這也是燈箱重量減小的主要原因。雖然LEDB型光源在結(jié)構(gòu)上做了很多精簡，但是并沒有影響LEDB型光源安全散熱和運(yùn)行的穩(wěn)定性?？傮w來說，LEDB型光源的光電轉(zhuǎn)化率高，成本低，更輕便，易于安裝和移動(dòng)，也更加省電。2.2試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果2.2.1凈光合速率凈光合速率在對(duì)葉用萵苣葉片光合生理指標(biāo)的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，LEDA型光源和LEDB型光源照射下的葉用萵苣的凈光合速率的平均值分別為7.600

8、.29μmolm2s1和7.491.00μmolm2s1，而對(duì)照熒光燈組葉用萵苣葉片凈光合速率僅為5.700.14μmolm2s1。數(shù)據(jù)說明，LED光源在光照度相同的前提下，能夠顯著促進(jìn)植株的光合作用，同時(shí)LEDA型與LEDB型兩種不同波峰的光源對(duì)葉用萵苣葉片光合生理特性沒有顯著影響。但是，在對(duì)光質(zhì)影響的分析中發(fā)現(xiàn)，LEDA2和LEDB2兩個(gè)處理的凈光合速率優(yōu)于同一光源照射下的其他處理，分別是7.880.07μmolm2s1和8.440

9、.51μmolm2s1。這說明凈光合速率與不同光質(zhì)比有一定關(guān)系，合適的光質(zhì)比能更好地滿足植物的生長需要。2.2.2葉綠素和類胡蘿卜素含量葉綠素和類胡蘿卜素含量葉綠素含量體現(xiàn)了植物對(duì)光能的利用和調(diào)節(jié)能力，是評(píng)價(jià)植物生長發(fā)育狀況的一項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)。而類胡蘿卜素在植物葉綠體光合作用中也起著重要作用，是光合作用中光傳導(dǎo)途徑和光反應(yīng)中心的重要結(jié)構(gòu)成分。在對(duì)葉用萵苣葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量的分析中發(fā)現(xiàn)，LEDA光源下生長的葉用萵苣的葉綠素含量

10、的平均值略高于LEDB光源下，但是差異不顯著，而類胡蘿卜素含量則是相同的。在光質(zhì)比對(duì)葉綠素含量和類胡蘿卜素含量的影響方面，發(fā)現(xiàn)在LEDA3處理和LEDB2處理的葉綠素含量最高，但分別與LEDA2處理和LEDB1處理沒有顯著差異；而LEDA2處理和LEDB2處理的類胡羅素含量最高，但前者與LEDA3沒有顯著差異。從以上分析可知，葉用萵苣在不同波峰下生長時(shí)，存在不同的適宜紅藍(lán)光質(zhì)比。LEDA型光源照射下，紅藍(lán)光質(zhì)比為101時(shí)，更有利于萵苣葉

11、片葉綠素和類胡蘿卜素的積累；而在LEDB型光源照射下，紅藍(lán)光質(zhì)比為81時(shí)，更有利于萵苣葉片葉綠素和類胡蘿卜素的積累。2.2.3維生素維生素C含量等營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)含量等營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)在營養(yǎng)品質(zhì)分析中，測(cè)量了Vc含量、總糖、粗蛋白和硝酸鹽含量，發(fā)現(xiàn)LEDA與LEDB兩種光源照射下葉用萵苣各營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)均無顯著差異，說明LEDA與LEDB兩種不同波長的光源對(duì)葉用萵苣的營養(yǎng)品質(zhì)沒有顯著影響。同時(shí)，在分析光質(zhì)比對(duì)營養(yǎng)品質(zhì)的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)無論是選用LED

12、A型光源，還是選用LEDB型光源，RB=81是最好的光質(zhì)比，均可顯著提高Vc、總糖、粗蛋白的含量，而降低硝酸鹽含量。2.2.4電量消耗電量消耗人工光源的電能消耗是葉菜植物工廠內(nèi)最主要的能量消耗，也是增加運(yùn)行成本的直接原因，所以降低其耗電量不僅可以有效降低密閉式植物工廠的運(yùn)行成本，還是其進(jìn)一步推廣應(yīng)用的重要催化劑。在對(duì)各處理電量消耗的分析中發(fā)現(xiàn)，LEDB型光源電能消耗整體低于LEDA型光源，是LEDA型光源耗電量的54.27%。同時(shí)，耗電

13、量還與光質(zhì)比有關(guān)，隨著光質(zhì)比的增大，耗電量下降，LEDB2和LEDB3處理的耗電量均為最小。2.2.5產(chǎn)量產(chǎn)量——對(duì)不起，沒有做產(chǎn)量的測(cè)量對(duì)不起，沒有做產(chǎn)量的測(cè)量3結(jié)論與建議結(jié)論與建議通過對(duì)LEDA、LEDB以及與熒光燈的對(duì)照試驗(yàn)，表明：（1）紅光630nm和藍(lán)光460nm的LED組合可以作為密閉式植物工廠葉用萵苣生產(chǎn)的人工光源；（2）LEDA和LEDB均可以明顯促進(jìn)葉用萵苣的光合速率，而且與熒光燈對(duì)照相比，其葉綠素、類胡蘿卜素、Vc、