劉楊+吳一新+陳亮+杜罡+陳朝興+孟彥龍

摘 要：LED植物照明作為一種新興事物，具有非常大的市場發(fā)展?jié)摿Α：喴榻B了將LED光源應用于植物照明中所需的關鍵技術，分析了目前國內(nèi)LED在植物照明中的應用情況，并闡述了LED植物照明未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：LED；植物照明技術；光源配光理論；光控系統(tǒng)

中圖分類號：Q945.43 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.052

光是植物賴以生存的必要條件，它不僅能調(diào)控植物的生長，還能作為環(huán)境信號調(diào)節(jié)植物的整個生命周期。由此可知，植物照明技術是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設中必不可少的一部分。但是，傳統(tǒng)植物的照明光源具有發(fā)光波長單一、能耗大等缺點，所以，限制了其發(fā)展。發(fā)光二極管（Light-Emitting Diodes，LED）是一種基于半導體pn結的發(fā)光元器件。通過在陽極和陰極加載電壓分別向p區(qū)和n區(qū)注入空穴和電子，使得二者在器件中輻射復合，從而發(fā)光。這種元器件具有較高的電-光轉換效率，發(fā)光波長可調(diào)。因此，基于此類元器件的光源有望成為植物照明應用光源的重要替代品。

隨著LED植物照明應用技術的發(fā)展，植物照明LED光源設計和制備技術越來越成熟，LED光源的產(chǎn)品也越來越多。本文主要介紹了植物生理學的相關特性和LED技術在植物照明中的應用情況，闡述了該技術的不足，以期推動其進一步發(fā)展。

1 植物對光的需求特性

在植物生長的過程中，光照度、光質和光周期都會對其產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，在弱光下，增加光強能提高光合速率，但是，當光強增加到一定值時，它將不再起作用。此時，影響植物生長的因素就變?yōu)闇囟群投趸嫉臐舛?。紅光和藍光是植物生長中最重要的兩種光，而紅藍光光通量比（R/B 比）會影響植物的培育效果，其他顏色的光也會在一定程度上影響一些植物的生長。另外，光周期也會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響。目前，關于“光周期對植物生長發(fā)育影響的機理”已經(jīng)有不少研究報道，在這些研究中，很多是針對光誘導開花機理進行探索的，以期實現(xiàn)對觀賞性植物花期的有效調(diào)控。

由此可知，將LED光源應用于植物照明中，需要從多個方面考慮光源的設計，以滿足受光植物的照明需求。

2 植物照明光源配光理論

目前，常用的評價植物光照效果的基本測量方法是光合有效輻射能量法和光合光子流量法。

對于光合有效輻射能量法，使用積分球可以直接測出光源的光譜功率密度，并設定積分區(qū)間，從而得到不同波長范圍內(nèi)輻射功率總量的公式，即：

式（3）中：PPPF為光合作用的光子流量，μ mol/s；h為普朗克常數(shù)，即6.626 170×10-34 J/s；c為光速，2.997 9×108 m/s；Ni為波長為λi時光譜輻射所包含的光子數(shù)；n為阿伏伽德羅常數(shù)，6.022×1023 mol。

通常情況下，植物學家采用光合光子流量法來分析、研究光與植物的相互作用。

3 LED植物照明的研究及應用現(xiàn)狀

20世紀80年代，日本開始研究將LED應用于植物生長中，但并未在高亮度藍光芯片的應用方面有所突破，僅應用了660 nm的離散型LED。20世紀90年代中期，NASA就開始篩選和發(fā)展LED光源，并將其應用于植物組培中。1989年，高亮度GaN基LED問世，進一步推動了III-V化合物LED的發(fā)展。近年來，已經(jīng)有大量的研究報道光照、光質和光周期與不同作物生長形態(tài)之間的關系，并提出了相應的光照度、光質和光周期優(yōu)化設計方案。表1為LED在植物照明中的具體應用情況。

在改善LED燈具的功能方面，方溁提出，可通過改變LED顆粒的排布情況提高照明的均勻性。除了光學設計方面的內(nèi)容外，科研人員還從照明設備的驅動電路、控制系統(tǒng)和設備結構方面入手開展了一系列的研究。例如，LED智能光照生物培養(yǎng)箱、LED 植物生長箱和基于太陽能供電的LED光控系統(tǒng)等植物照明系統(tǒng)或裝備等。另外，岑益超等人還提出了基于Zigbee網(wǎng)絡的LED智能照明控制系統(tǒng)。

雖然我國LED植物照明研究起步較晚，但是，其發(fā)展速度非?？?，主要致力于應用基礎研究和應用技術研究。2013年，國家投入經(jīng)費4 611萬元，主要用于研究植物工廠中的關鍵技術。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設施的推廣，2017年，預計全球LED植物照明市場的利潤可達5億美元。

4 展望

LED照明光源具有傳統(tǒng)照明光源無法比擬的優(yōu)勢，所以，它被廣泛應用于通用照明和特種照明領域。隨著LED照明燈具應用研究的深入，其應用市場也在不斷擴大。LED在植物照明領域的應用是一項新興研究，雖然光源在植物照明中的應用研究比較早，但是，LED光源具有波長可調(diào)、光源形態(tài)可控、照明控制系統(tǒng)智能化等優(yōu)勢。相信，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和相關方面研究的不斷深入，LED照明光源的應用研究將進入一個新的發(fā)展階段?；贚ED光源的植物照明市場也將充分體現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設施的特色，為我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展貢獻一份力量。

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〔編輯：白潔〕