近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，新型人工光源不斷涌現(xiàn)，其光譜成分也得以逐步優(yōu)化。LED光源的問世被認為是園藝生產(chǎn)中一場革命性進展。LED光源具有單色光、節(jié)能、可控性好、使用壽命長等特征，單色LED組合后可形成植物需要的光譜。因此，LED光源被認為是植物生產(chǎn)中最為理想的人工光源。深入了解LED光源及其光譜成分調(diào)控作物生長特征，對LED在園藝生產(chǎn)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

 

　　LED光源將為調(diào)控設(shè)施條件下光譜環(huán)境提供快捷精準(zhǔn)的途徑

 

　　光是自然界中影響植物生長最重要的環(huán)境因子。眾所周知，光為植物光合作用提供源動力。除此以外，光也影響植物生長發(fā)育。如光強、光質(zhì)（光譜）、光的方向、光周期的日變化和年變化等均可以影響種子發(fā)芽、幼苗建成、成年植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及從營養(yǎng)生長到生殖生長的轉(zhuǎn)化等。光對植物生長發(fā)育的影響在很大程度上取決于光譜環(huán)境。

 

　　現(xiàn)實生產(chǎn)中，為了調(diào)控園藝作物生長，人們通常采用一些輔助措施來改變設(shè)施條件下的光譜環(huán)境而達到其目的，如通過不同遮陽網(wǎng)或人工補光等措施來改善植物光環(huán)境。LED人工光源的問世將為調(diào)控設(shè)施條件下光譜環(huán)境提供一個快捷精準(zhǔn)的途徑。

 

　　提及到光，人們通常首先想到的就是光對植物光合作用和干物質(zhì)產(chǎn)量的影響。然而，在園藝作物生產(chǎn)中，這一思維定勢具有一定的局限性。首先，很多園藝作物的市場價值不完全由產(chǎn)品的大小、數(shù)量或者重量決定的，園藝作物的外觀和內(nèi)在品質(zhì)通常也起著很重要的作用。尤其對于高附加值的花卉作物來說，其市場價值完全由其外形決定，而光譜環(huán)境對植物的外在形態(tài)特征具有決定性作用，如為了培養(yǎng)高品質(zhì)的盆栽花卉，可以通過提高紅光/遠紅光比例來減少植物徒長，從而獲得緊促型的株型以提高其市場價值。對于切花作物來說，通過光譜環(huán)境調(diào)控來控制花期（如圖1）。因此，LED人工光源的問世為生產(chǎn)高品質(zhì)的花卉作物提供了可能。

 

　　此外，近年來有研究報道稱光譜環(huán)境也會影響果蔬作物的內(nèi)在品質(zhì)，如番茄果實生長在紅藍光環(huán)境下可提高其維生素C的含量（如圖2），但有關(guān)利用光譜變化調(diào)控果蔬內(nèi)在品質(zhì)尚處于初步研究階段。

　　圖1  LED光源應(yīng)用于非洲菊生產(chǎn)

　　圖2  LED光源調(diào)控番茄品質(zhì)

 

　　利用LED光源的冠層補光研究

 

　　光在作物冠層中分布很不均勻冠層頂部接受的光強遠遠高于中下部。因此，占據(jù)冠層總?cè)~面積80%左右的中下部葉片對整株植物的光合作用貢獻很小。另外，由于植物葉片光合作用隨光強升高呈飽和曲線趨勢，因此，頂部葉片接受的高光強其光能利用較低。這些現(xiàn)象導(dǎo)致傳統(tǒng)的頂部補光措施光能利用率很低。LED光源的問世為解決這些問題提供了可能。由于LED是冷光源，可以近距離的接觸植物組織而不被灼傷。

 

　　近年來，科研工作者利用LED光源開展了一系列的冠層補光研究（如圖3），由此來解決光在冠層分布不均勻的問題，從而提高光能利用率。荷蘭學(xué)者初步證實利用LED 冠層補光可以提高番茄產(chǎn)量15%左右。盡管LED冠層補光效果顯著，但在其應(yīng)用中也存在一些問題，如植物葉片容易扭曲褶皺等，從而影響冠層光合作用，這可能是由于光質(zhì)配比未達到植物最佳的需求所導(dǎo)致，因此，進一步研究解決這些問題將會發(fā)揮LED冠層補光的最大潛能。

　　圖3  LED光源冠層補光

 

　　LED光源對干物質(zhì)產(chǎn)量的影響

 

　　在光生物學(xué)研究中，光合作用和植物形態(tài)特征通常被區(qū)別對待。然而，從植物干物質(zhì)生產(chǎn)角度出發(fā)，它們之間又有著密切的互作關(guān)系。光形態(tài)建成對植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)有著重要的影響。植物形態(tài)結(jié)構(gòu)決定著植物冠層的光截獲能力，從而影響植物光合作用和干物質(zhì)產(chǎn)量。相反，光合作用又為植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的形成提供能量物質(zhì)。

 

　　光質(zhì)影響植物干物質(zhì)產(chǎn)量體現(xiàn)在兩個方面：一方面，光質(zhì)可以直接通過影響葉片光合作用來影響干物質(zhì)生產(chǎn)，因為在光強一致、不同光譜條件下植物光合能力是不同的。因此，不同的人工光源即使在光強一致的條件其干物質(zhì)產(chǎn)量也不一樣。另一方面，光質(zhì)也可以通過影響植物形態(tài)結(jié)構(gòu)來影響冠層光截獲能力，從而間接的影響干物質(zhì)產(chǎn)量。

 

　　荷蘭學(xué)者Hogewoning博士以黃瓜幼苗為實驗材料開展了一系列實驗證實了這一論斷。他們發(fā)現(xiàn)，高壓鈉燈和熒光燈下種植的黃瓜幼苗其干物質(zhì)產(chǎn)量遠低于LED模擬自然光譜的人工光源下干物質(zhì)產(chǎn)量，而葉片單位面積的光合能力卻沒有受到影響。實驗開展13天后，LED模擬自然光譜的人工光源下干物質(zhì)產(chǎn)量是熒光燈下干物質(zhì)產(chǎn)量的2.3倍，是高壓鈉燈下干物質(zhì)產(chǎn)量的1.6倍。這一現(xiàn)象主要歸咎于各處理下植物形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化（如葉面積，葉柄長度）。

 

　　在LED模擬自然光譜的人工光源條件下植物形態(tài)結(jié)構(gòu)更有利于冠層的光截獲。這一結(jié)果進一步證實可以通過調(diào)控LED人工光源的光譜成分來影響植物形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而影響植物整體光合作用而不影響葉片單位面積的光合能力。這些研究案例說明了不同人工光源其光譜成分的差異可引起植物光形態(tài)建成的變化，從而影響植物光合作用和干物質(zhì)產(chǎn)量。很明顯，自然光譜條件下植物干物質(zhì)產(chǎn)量遠高于人工光源條件下的干物質(zhì)產(chǎn)量，這也暗示當(dāng)前改進人工光源光能利用效率還有非常大的空間，尤其是要考慮光譜環(huán)境對于植物光形態(tài)建成的影響。

 

　　隨著人工光源在設(shè)施條件下的普及應(yīng)用，植物生長的光環(huán)境也發(fā)生了巨大的變化。這一變化對植物生長的影響是多方面的，如光合作用、光形態(tài)建成、干物質(zhì)產(chǎn)量以及植物產(chǎn)品的外在和內(nèi)在品質(zhì)等。對于大部分園藝作物來說，傳統(tǒng)人工光源和當(dāng)前新型LED光源 (以紅藍光源為主) 所提供的光譜環(huán)境遠未滿足植物生長最佳需求的光環(huán)境。然而，LED光源的出現(xiàn)為進一步優(yōu)化設(shè)施條件下人工補光的光譜環(huán)境提供了可能。為了能夠開發(fā)和充分利用這一新型光源的潛能，有關(guān)LED光源調(diào)控作物生長的機理還需深入研究。——摘自《半導(dǎo)體照明》第九期（文/李濤 楊其長  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）