led光调控技术在设施农业中的应用研究进展

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1、LED光调控技术在设施农业中的应用研究进展【】设施农业是一个集智能化、自动化等多学科领域的环境可控农业，其中人工光能耗占了相当大的比重，减少能耗是实现设施农业节能的重要研究课题。本文以设施农业屮LH）的应用为主要研究对象，分别从设施农业光环境调控的必要性、LED光环境调控技术在设施农业中的应用及其复杂性、LED在设施农业应用的展望等方面进行阐述，为进一步的研宄提供理论依据。-JLZ-—刖S以设施蔬菜为主体的中国设施农业在扭转蔬菜长期供应不足，实现自给自足，并成为世界蔬菜出口大国中发挥了关键作用［1］。设施农业是一种现代化的可控农业，又称环境调控农业，是高投入、高产出、高能耗的行业

2、，可以减轻或防止露地生产条件下灾害性气候和不利环境条件对农业生产的危害［2］。设施内的环境调控技术呈自动化、智能化、管理现代化等特点，是现代农业的主要生产形式之一［3］。光是影响植物生长发育和功能性化学物质积累的最里要环境因素之一，光不仅能够作为一种能量源参与植物的光合作用过程，也能作为一种信号源调节植物自身的生长、分化和代谢［4］。当农业生产从天然不可控的白然环境移到人工可控的室内设施环境后，可控因素大大增加，从而延伸了对传统设施农业中光环境维度的一般定义，即由原来所认识的3个维度（光强、光质、光周期），扩展到光的7个维度特性［5］（光强、光质、光照模式、均匀性、方向性、偏振性

3、和相干性）。这些维度特性不仅丰富了人工控制植物生长发育的途径，而且对于深入探究不同维度或多种途径的综合效益具有重要的指导意义。设施农业光调控的必要性从世界范围来看，早在20世纪20年代，发达国家就开始发展绿色农产品。在随后近100年的时间里，现代农业获得了突破性的进展。在石油农业时代，化肥、农药的大量施用，导致农产品过剩，也带来了农业生态环境的破坏和农产品的污染问题。以生菜为例，在长期的消费过程中，人们对生菜品质和口味等要求逐渐提高，但传统栽培与生产方式很难满足广大消费者的需求，生产商转而使用如植物生长调节剂和微量元素等化学方式，以求能够在短期内促进生菜的生长发育及功能性化学物质

4、的快速积累。然而大量施用化肥和农药，使土壤中原木的营养素浓度及营养元素的比例因化肥的施用和生菜的选择性吸收而逐渐偏离正常值，并随着栽培时间的增加而逐步加剧，导致土壤肥力严重下降，生菜栽培效益逐年递减。更为严重的是，在多茬种植后土壤中积累了大量的生菜根系分泌物，这些分泌物经过一系列化学反应转化成对土壤和生菜有害的自毒物质，从而造成了生菜的连作障碍［1］。用光照的方式促进植物生长和有效物质积累与传统的转基因、杂交和施用化肥等方法有着本质的区别［5］。它通过对外部条件的控制，利用各种不同光谱成分的组合和光强调控技术来促进植物的生长，从而达到增产增收、增质增效的作用。同时，在不同的生长阶

5、段使用不同光波谱段的组合，还可以对植物的生长和功能性化学物质的积累进行对症配光，并将这些配光方案组合起来对植物进行照射，从而生产出产量佳、口味好、营养高的作物。因此，光调控技术对于减少化肥、农药和生长调节剂等的使用，生产出品质好、产量高的作物具有独特的效果。此外，受气候变化影响，严重的干旱、洪涝等自然火害频繁发生，近几年由于大规模引入化工及其他重污染型企业使高纬度以及其他许多地区（如中国北方地区）的空气污染指数持续攀升，使得自然光照条件（光照强度、光质、光照时间）欠缺现象严重，制约作物的生长发育及其品质的提高和优质高效的生产。因此，研发安全环保、经济有效的补光技术是当今设施农业生

6、产的重要课题。植物的光环境调控是对植物的生长和发育过程进行光环境调控的一种物理手段，生态安全，环境负效应少［6］。设施农业作为一种环境可控的农业生产方式，为克服上述设施农业生产中的弱光寡照等光环境问题，发展光环境调控及LED照明技术是其内在要求，更足客观需求。LED及其相关应用光源是发展设施农业光调控技术不可或缺的主耍部分。长期以来，在农业照明领域内常用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤化物光源等，这些光源均存在光效低、能耗高、寿命短等弊端［7］。发光二极管（light-emittingdiode,LED）是一种能够直接将电能转化为光能的固态（Solid-state）半导体

7、发光器件。由于兼具光、电、热等多种优良特性（高光效、低功耗、低发热等）及结构方面的优势（如体积小、重量轻、安全性高等），使之在各种应用中逐步取代传统光源的地位，具有广泛的应用前景［7-9］。近年来，随着LED技术的不断成熟及制造成本的日益降低，LED逐渐被广泛应用于各领域，如背光、通信、装饰、城市夜景布控等。更为重要的是，在非视觉照明的领域（如医疗、植物照明等）LED的运用范围也不断扩大，其优越性得到更为充分的体现［1］。目前，LED在设施农业领域的应用研究已经引起全世界的广泛关