隨著人們對半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料的開發(fā)應(yīng)用，LED的發(fā)展取得了突破性進(jìn)展，價(jià)格也大幅度下降，其應(yīng)用于植物設(shè)施栽培的研究逐漸被各國學(xué)者關(guān)注。尤其是在超高亮度LED開發(fā)成功后，被廣泛應(yīng)用于植物生理或栽培領(lǐng)域的研究，如光形態(tài)發(fā)生、光合作用及葉綠素合成研究等。

 

 

　　光是植物生長發(fā)育的基本因素之一。光質(zhì)對植物的生長、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝以及基因表達(dá)均有調(diào)控作用。通過光質(zhì)調(diào)節(jié)，控制植株形態(tài)建成和生長發(fā)育是設(shè)施栽培領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。

 

　　傳統(tǒng)植物設(shè)施栽培中使用的光源一般是熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和白熾燈。這些光源是依據(jù)人眼對光的適應(yīng)性所選擇的，其光譜有很多不必要的波長，對植物生長的促進(jìn)作用少。而LED作為第四代新型照明光源，具有節(jié)能環(huán)保、安全可靠、使用壽命長、響應(yīng)時(shí)間短、體積小、重量輕、發(fā)熱量少、易于分散或組合控制等許多不同于其他電光源的重要特點(diǎn)。

 

　　隨著光電技術(shù)革新和生產(chǎn)成本下降，LED因具備以下卓越性能成為植物設(shè)施栽培領(lǐng)域的首選光源：（1）光譜性能好，可按照需要組合獲得純正單色光與復(fù)合光譜，其波譜寬度小于±30nm，波長正好與植物光合成和光形態(tài)建成的光譜范圍吻合；（2）光能有效利用率可達(dá)80%～90%，并能對不同光質(zhì)和發(fā)光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制；（3）作為冷光源，可以近距離地照射植物，大大提高空間的利用效率，可用于多層栽培立體組合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低熱負(fù)荷和生產(chǎn)空間小型化；（4）LED耐沖擊，不易破碎，不含汞，無污染，廢棄物可回收利用，使用壽命是普通光源的數(shù)十倍，特強(qiáng)的耐用性也降低了運(yùn)行成本。

 

　　由于這些顯著的特征，LED十分適合應(yīng)用于可控設(shè)施環(huán)境中的植物栽培，如植物組織培養(yǎng)、設(shè)施園藝和閉鎖式植物工廠以及航天生態(tài)生保系統(tǒng)等。不過，由于目前LED的價(jià)格較高，在植物設(shè)施栽培領(lǐng)域的推廣應(yīng)用還需要有一個(gè)過程。但隨著LED向高亮度、低價(jià)格的方向飛速發(fā)展，LED一定會(huì)在不久的將來廣泛應(yīng)用于植物設(shè)施栽培領(lǐng)域。

 

　　2、LED應(yīng)用于植物組織培養(yǎng)

 

　　在植物組織培養(yǎng)中，光合光量子通量密度（PPFD：PhotosyntheticPhotonFluxDensity）、光照周期和光譜分布對植物的光合作用和形態(tài)建成起重要作用。植物組培主要依靠電光源，傳統(tǒng)電光源對植物的生物能效極低、發(fā)熱量大，光照用電約占整個(gè)電費(fèi)成本的65％，是植物組織培養(yǎng)中最高的非人力成本之一。因此在植物組織培養(yǎng)中采用LED提供照明，調(diào)控光質(zhì)和PPFD，不僅能夠調(diào)控組培植物的生長發(fā)育和形態(tài)建成、縮短培養(yǎng)周期、提高品質(zhì)，而且能夠大大減少能耗，降低成本。

 

　　（1）紅光（620～660nm）和遠(yuǎn)紅光（710～740nm）LED對組培植物生長的影響

 

　　光譜中紅光與遠(yuǎn)紅光光通量的比值(R/FR)對植物形態(tài)建成、調(diào)節(jié)植株高度具有重要影響。R/FR比值已成為控制植株形態(tài)的一個(gè)重要評價(jià)參數(shù)。

 

　　Fujiwara等研究發(fā)現(xiàn)，LED光源中，紅光LED和遠(yuǎn)紅光LED光源比熒光燈更易影響組培苗的光形態(tài)建成和生長發(fā)育。Tanaka等研究發(fā)現(xiàn)紅光LED促進(jìn)蘭花組培苗葉片生長但降低了葉綠素含量、莖和根的干重。Lian等研究表明：在單獨(dú)紅光LED照射下，百合離體培養(yǎng)鱗莖的生長指標(biāo)和干物質(zhì)積累較低，這與單獨(dú)紅光導(dǎo)致的低CO2同化作用有關(guān)。這一結(jié)果印證了Goins等將紅光LED應(yīng)用于小麥光合產(chǎn)量的研究結(jié)果。

 

　　然而，有關(guān)紅光或遠(yuǎn)紅光LED對組培植物生長影響的報(bào)道并不一致。Miyashita等研究發(fā)現(xiàn)隨著紅光LED的PPFD增加，馬鈴薯組培苗莖伸長，葉綠素含量也增加，但葉面積和干重沒有顯著差異。Nhut等的研究表明，在紅光LED照射下，草莓組培苗葉片伸展、葉柄伸長、莖明顯伸長，但葉綠素含量降低。Kim等研究認(rèn)為，單獨(dú)紅光LED或紅光LED＋遠(yuǎn)紅光LED處理下，菊花組培苗莖過分伸長導(dǎo)致莖桿脆弱，其它重要生長指標(biāo)也降低了，總體上不利于植物的正常生長發(fā)育。Hahn等發(fā)現(xiàn)了紅光LED對毛地黃組培苗莖生長的抑制作用。這些現(xiàn)象被認(rèn)為是單色紅光導(dǎo)致光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ可利用的光能量分布不平衡，因此抑制莖的生長。

 

　　此外，在研究PPFD均為45μmol/(m2·s)的不同光質(zhì)LED對蘭花原球莖小塊照射處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)紅光LED處理對從原球莖片段中誘導(dǎo)愈傷組織是最有效的。

 

　　（2）藍(lán)光（450～470nm）LED對組培植物生長的影響

 

　　有報(bào)道認(rèn)為藍(lán)光直接或間接影響植物胚軸的伸長、酶的調(diào)節(jié)和合成、氣孔的張開、葉綠體的成熟和光形態(tài)建成。但是有關(guān)單一藍(lán)光LED顯著影響組培苗生長發(fā)育的報(bào)道并不多見。

 

　　Appelgen等曾報(bào)道藍(lán)光強(qiáng)烈抑制天竺葵組培苗莖的延長。Nhut等的研究表明，經(jīng)單一藍(lán)光LED處理的草莓組培苗葉片數(shù)目最少，根長最短，抑制草莓組培苗生長，但沒有藍(lán)光LED照射會(huì)導(dǎo)致草莓組培苗生長和發(fā)育不平衡。

 

　　在對馬蹄蓮組培苗光合兼養(yǎng)條件下生長效果的研究中發(fā)現(xiàn)，在LED處理之前，干質(zhì)量和生長速率沒有顯著的差異，但是添加藍(lán)光LED處理對葉綠素含量和株高指標(biāo)有顯著的正效應(yīng)。Tanaka等研究發(fā)現(xiàn)紅光LED促進(jìn)了蘭花葉片的生長但降低了葉綠素的含量，然而藍(lán)光LED卻逆轉(zhuǎn)這個(gè)效應(yīng)。

 

　　（3）紅光與藍(lán)光LED組合對組培植物生長的影響

 

　　迄今為止，有不少報(bào)道認(rèn)為，紅藍(lán)LED組合對組培植物的生長發(fā)育產(chǎn)生積極影響，優(yōu)于單色光處理。如Hahn等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)單一紅光LED或藍(lán)光LED處理的毛地黃組培苗出現(xiàn)徒長現(xiàn)象，但是在紅藍(lán)LED復(fù)合光下生長健壯。還有研究發(fā)現(xiàn)，一種雙蝴蝶屬組培植物在紅光LED下生根最好，在藍(lán)光LED下生根最差；而在紅藍(lán)LED復(fù)合光照下，植物的根數(shù)、鮮重和葉綠素含量綜合指標(biāo)明顯好于單色LED和熒光燈處理。

 

　　有研究認(rèn)為紅、藍(lán)光LED組合可以通過增加凈光合速率以提高植物的生長和發(fā)育是因?yàn)榧t光與藍(lán)光的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜一致。Kim等研究發(fā)現(xiàn)在紅、藍(lán)LED復(fù)合光照射下的菊花組培苗凈光合速率最高，鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和葉面積達(dá)到最大，氣孔的數(shù)目最少，氣孔開度最大。Tanaka等報(bào)道指出在紅、藍(lán)LED復(fù)合光照射的蘭花組培苗的鮮重和干重增加。Lian等對百合離體培養(yǎng)鱗莖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出，紅、藍(lán)LED復(fù)合光更適合鱗莖的生長，鱗莖的尺寸、鮮、干質(zhì)量和根的數(shù)量最高。

 

　　但是有關(guān)紅藍(lán)LED組合的配比，不同組培植物作為試驗(yàn)材料所開展研究的報(bào)道結(jié)果并不一致。如Nhut等采用80％紅光LED＋20％藍(lán)光LED組合對其對香蕉組培苗生長和馴化移栽有明顯促進(jìn)效果。而一項(xiàng)對于桉樹組培苗的研究發(fā)現(xiàn)，同樣的紅藍(lán)LED配比，并配合透氣膜和巖棉基質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)其無糖培養(yǎng)。Nhut等后又研究發(fā)現(xiàn)在70％紅光LED＋30％藍(lán)光LED照射下，草莓組培苗的葉片數(shù)、根數(shù)、根長、鮮重、干質(zhì)量值最大，移栽到土壤中長勢也最好。隨后對白鶴芋組培苗的研究也得到了相似的結(jié)果。由此可見，不同的植物對光質(zhì)配比的敏感性不同，表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。

 

　　在對馬鈴薯組培苗的鮮/干質(zhì)量積累量指標(biāo)的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，協(xié)同光照控制優(yōu)于交替間歇光照控制，45%紅光LED+55%藍(lán)光LED的處理對于馬鈴薯組培苗的生長效應(yīng)是最佳的。此外，有研究發(fā)現(xiàn)在25%紅光+75%藍(lán)光LED組合下，從蘭花原球莖小塊中誘導(dǎo)的愈傷組織中能夠獲得最高發(fā)生率的原球莖體。

 

　　3、LED應(yīng)用于設(shè)施園藝

 

　　近十幾二十年來，中國設(shè)施園藝面積發(fā)展迅速，植物生長的光環(huán)境控制照明技術(shù)已經(jīng)引起重視。設(shè)施園藝照明技術(shù)主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：一是在日照量少或日照時(shí)間短的時(shí)候作為植物光合作用的補(bǔ)充照明；二是作為植物光周期、光形態(tài)建成的誘導(dǎo)照明。

 

　　（1）LED作為植物光合作用補(bǔ)充照明

 

　　Nichols等研究發(fā)現(xiàn)溫室內(nèi)的傳統(tǒng)人工光源產(chǎn)生太多熱量，如采用LED補(bǔ)充照明和水培系統(tǒng)，空氣能夠被循環(huán)使用，過多的熱量和水分可以被移除，電能能夠被高效地轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Ч夂陷椛洌罱K轉(zhuǎn)化為植物物質(zhì)。在應(yīng)用LED為400ms頻率和50%占空比下，生菜的生長速率、光合速率都提高20%以上，該研究表明將LED用于植物工廠是可行的。

 

　　Yanagi等研究發(fā)現(xiàn)，與熒光燈相比，紅光LED對菠菜生長效應(yīng)不明顯，加入藍(lán)光LED后菠菜生長形態(tài)指標(biāo)顯著提高。Yorio等研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用90%紅光LED+10%藍(lán)光LED作為補(bǔ)充照明，能夠顯著促進(jìn)菠菜、蘿卜和生菜的生長發(fā)育。Shin等的研究發(fā)現(xiàn)，紅藍(lán)LED復(fù)合光照下生長的甜菜生物積累量最大，毛根中甜菜素積累最顯著，并在毛根中產(chǎn)生最高的糖分和淀粉積累。

 

　　有報(bào)道指出同對照金屬鹵化燈相比，生長在紅藍(lán)LED復(fù)合光照下的胡椒莖、葉的解剖學(xué)形態(tài)發(fā)生顯著的變化。Choi等的研究也有類似結(jié)論，在紅藍(lán)LED復(fù)合光照下生長的紫蘇的莖、葉的解剖結(jié)構(gòu)特征變化與在金屬鹵化燈下生長的紫蘇有顯著差異，并且隨著PPFD提高，紫蘇光合速率提高。Heo對萬壽菊和鼠尾草進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，同單色的藍(lán)光或紅光LED相比，紅藍(lán)LED復(fù)合光照下兩種植物的氣孔數(shù)目增多。

 

　　（2）LED作為植物光周期、光形態(tài)建成的誘導(dǎo)照明

 

　　Goins等研究發(fā)現(xiàn)紅光LED可延遲擬南芥的開花時(shí)間。Heo等研究發(fā)現(xiàn)紅光＋藍(lán)光LED對仙客來開花起誘導(dǎo)作用，10h光周期處理下，花芽數(shù)和開花數(shù)最高；單獨(dú)的紅光或藍(lán)光LED照射降低了成花反應(yīng)，調(diào)控了花梗長度和花期，有利于切花生產(chǎn)和上市。由此可見通過光質(zhì)和光周期可以調(diào)控植物的開花和隨后的生長。

 

　　Heo等研究結(jié)果表明：在熒光燈+藍(lán)光LED、熒光燈+紅LED、熒光燈+遠(yuǎn)紅LED光照處理下，藿香薊的干質(zhì)量無顯著差異；熒光燈和熒光燈+紅LED光照處理下，藿香薊和萬壽菊的株高無顯著差異，但是熒光燈+遠(yuǎn)紅光處理下的兩種植物株高最高；與單一熒光燈處理相比，熒光燈+紅LED和熒光燈+遠(yuǎn)紅LED復(fù)合光照處理顯著提高萬壽菊氣孔的數(shù)量。

 

　　4、LED應(yīng)用于航天生態(tài)生保系統(tǒng)

 

　　目前國際上普遍認(rèn)為，建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)（Controlled Ecological Life Support System，CELSS）是解決長期載人航天生命保障問題的根本途徑。而要建立好該系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)之一就是必須解決好其中的高等植物栽培技術(shù)，在空間進(jìn)行高等植物栽培涉及到的關(guān)鍵問題之一就是光照技術(shù)。

 

　　基于空間環(huán)境的特殊要求，空間高等植物栽培中使用的光源必須具有發(fā)光效率高、輸出的光波適合于植物光合作用和形態(tài)建成、體積小、重量輕、壽命長、高安全可靠性記錄和無環(huán)境污染等特點(diǎn)。因此，近年來發(fā)光二極管在空間植物栽培中的應(yīng)用倍受重視。研究發(fā)現(xiàn)氙氣金鹵燈和LED兩種照明系統(tǒng)都能提供CELSS要求的光譜能量分布和均勻的照明，但是采用LED的照明系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率超過采用氙氣金鹵燈系統(tǒng)的5倍。

 

　　郭雙生等研究發(fā)現(xiàn)，太空植株正常生長可采用紅色和藍(lán)色LED的一定組合，以90%紅色+10%藍(lán)色LED管更為適宜。Kim等研究發(fā)現(xiàn)，24%綠光+藍(lán)光+紅光（RGB）處理促進(jìn)了生菜的生長，與冷白熒光燈處理組相比，RGB處理組的生菜光合產(chǎn)量顯著提高。

 

　　21世紀(jì)將是生態(tài)農(nóng)業(yè)的世紀(jì)，而物理農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的主要途徑之一，在眾多的物理學(xué)科知識中，光學(xué)在其中起著至關(guān)重要的作用，因此，有學(xué)者認(rèn)為“光的世紀(jì)”即將來臨。如何在太陽光照不足情況下調(diào)控特定人造光源對綠色植物實(shí)施不同“光肥”，不僅促進(jìn)作物生長發(fā)育，還可以達(dá)到增產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、抗病、無公害的目的，這對于促進(jìn)中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。