照明与创新应用ＬｉｇｈｔｉｎｇａｎｄＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＬＥＤ在现代农业中的应用徐志刚南京农业大学农学院江苏南京卫岗１号，南京农业大学农学院，南京，２１００９５摘要；农业的科研ｓ生产活动与光密切相关，离不开光源。传统电光源不适宣应甬农业．半导体光源（Ｌ至∞）应甬于现代农业具有无可比拟的优点和跟理上的适甬性。在农业生产和科研活动中采禹址∞光源。能够集中有效波长实施均钨近距离照射。达翻离效能、低热负荷和紧凑空间的集约忧植物生产，减少激素、农药等化学品的使甬。实现绿色安全生产。本文综述７近年翮ＥＤ光源在农业领域磺究与应用．内容包括：应用于植物设施栽培蝴ＥＤ特征．怔Ｄ在植物Ｉ厂、Ｉ厂化植物育苗、设施园艺栽培中的应码。关键词｝ＬＥＤ：植物：现代农业Ａｂｒｕｓｔ：Ｌｉｇｈｔｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｍｏｄｅｍａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｓｉｓｎｏｔｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｏｖｅｒｄｉｏｄｅ（ＬＥＤ）ｗｈｅｎａｐｐｌｉｅｄｉｎｍｏｄｅｍａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｈｏｕｌｄｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｓ．Ｔｈｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈａｔｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｐｅｃｔｒｕｍｆｏｒａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｂｅｓｅ｜ｅｃｔｅｄａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｆｏｒｔｈｅｕｓｅｏｆｂｉｏｌｏｇｙ，ｓｈｏｒｔｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎＬＥＤａｎｄｂｉｏｌｏｇｙｓｈｏｕｌｄｂｅａｄｏｐｔｅｄ，ｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｗｈｅａｔｒａｄｉａｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅ０ｆＬＥＤｉｎｒｅｃｅｉｖｅｄ．功ｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｍｏｄｅｍａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｃｈａｍｃ挎ｒｉｓＵｃｓＯｆＬＥＤａｐｐｌｉｅｄｉｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓ０ｆＬＥＤｉｎｐｌａｎｔｔｉｓｓｕｅｃｕｌｔｕｒｅ．ｐｒｏｔｅｃｔｅｄｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＥＤ；ＰＩａｎｔ：ＭｏｄｅｍＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ引言近年来，各种波长的发光二极管（１ｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇ农业生产方式经历了从露地栽培向设施栽培模式和无土栽培模式的重大变革，正在向工厂化栽培模式发展进步。设施栽培克服了露地栽培易受自然气候制约的缺陷，但仍依赖于传统土壤。无土栽培是基于设施栽培模式的新发展，克服了设施栽培受制于土壤的缺陷，其创新性的工作主要体现在对定植与栽培设施的创新、营养液配方优化及其自动化设施设备的创新等方面。工厂化栽培模式，又称植物工厂，则是基于无土栽培的最新发展，是现代设施农业发展的高级阶段。植物工厂能够彻底摆脱自然条件的束缚，实现按计划的周年稳定生产，是现代农业的标志性特征。ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）在生物和农业领域的研究和应用在国内外受到广泛关注，已经成为半导体照明应用的一个新热点。实际上，生物和农业的科研与生产活动与光密切相关，更是离不开光源。仔细审视与生物、农业相关的活动，就会发现光源，尤其是传统电光源的应用无处不在。从生物原理上讲，传统电光源应用于生物和农业是不适宜的，而相比之下，半导体光源ＬＥＤ具有无可比拟的优点和原理上的适用性。因此研究ＬＥＤ在生物和农业中的应用，不仅能够解决不适电光源对生物和农业科研及生产活动的制约，为生物和农业领域提供适用、高效、绿色环保的ＬＥＤ光源，利于民生；而且能够为ＬＥＤ产业开拓广阔的、持久的消费市场，促进ＬＥＤ产业的可尽管目前农业生产还是以土壤栽培为主，但是“植物工厂”这场农业技术改变了农业生产的传统观念，提高了农业抵抗自然灾害的能力，增强了人类改造自然的信心。目前，在美国、日本、德国、瑞典、加拿大等一些农业发达国家，都开发出了各种各样的植物工厂，为未来的农业生产开辟了新的道路。。九五”期间，国家科技部将工厂化高效农业持续发展。本文综述了ＬＥＤ在生物和农业领域的研究和应用进展，并评估其在该领域的应用前景。１现代农业生产需要照明光源示范工程列为国家重大科技产业工程，这是唯一的ｗｗｗ．ｃｈｉｎａ—ｌｅｄ．ｎｅｔ４２３ｗｗｗ．ｓｓｌｃｈｉｎａ．ｏｒｇ第七届中国国际半导体照明论坛７ｔｈＣｈｉｎａＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＦｏｒｕｍｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＬｉｇｈｔｉｎｇ一项农业产业示范工程项目，与电动汽车、小康住宅，高清晰度电视等高科技工业产业化项目并驾齐驱，这在我国还是第一次，说明了植物工厂化生产的重要性。东南沿海地区是我国经济最为发达、人口最为集中的区域，人地矛盾极为紧张，农产品供应任务极为繁重。这个区域中的大中型城市，如北京、上海、南京、广州等，每天需要消耗大量的新鲜农产品，由于城市周边农田被不断扩张的城市消耗殆尽，只能依赖外地长途运输解决供应问题，这种供应模式已导致如下问题：进城市；（１）供应风险大，遇上产方式”。基于本研究团队的认识，我们认为上述关于植物工厂的定义不够完善，因为它未包括人工光照系统。“植物工厂的主要特征之一就是全人工光源并实现光环境的智能”已经成为业界的普遍共识。。光、温、水、肥、气”是植物生长发育所需的主要环境因子，“光“居这些因子的首位。近年来，随着大气环境污染的日益加剧，大气透明系数不断下降，致使到达地表的太阳辐射日趋减少（图１）。植物能够接收利用到的太阳光能越来越少，难以满雪灾、雨灾等自然灾害，运输中断，外地鲜食运不（２）产地风险大，产地遇上自然灾害导（３）供应链过（４）长途运输，能耗致减产或绝收，没有农产品可供；长，食品安全风险不可控；足正常生长发育的需求。此外，全球气候变暖导致较多的极端异常天气，植物遭遇连续阴雨寡照天气的频度增加，对植物而言，太阳光能正变得愈来愈不可靠。在东南沿海地区，地面接收到的太阳光能减少的趋势（图２）比全国整体的下降趋势更为剧烈。众所周知，作为重要的物理环境因子，光对植成本大，运输中损耗大，引起中断供应价格过高。基于上述分析，只有采用植物工厂的产业形态模式，直接在城市附近以工厂化的生产方式组织农产品、尤其是新鲜植物产品的生产，才能满足城市对新鲜农产品的大量需求。迄今为止，相关文献显示，植物工厂最完整的表述是指“通过加热系统、降温系统、通风系统、遮阳系统、滴灌系统和中心控制系统等工程化手段植物生长环境，在可控环境条件下，采用工业化生产方式，实现集约高效及可持续发展的现代化生ｂ８００物的光合作用、生长发育、形态建成和物质代谢等均起到关键的作用。因此，基于植物生长发育合理需求的电光源产品及其智能光控技术的研发和应用，是今后植物工厂及其栽培方法革新的核心内容。５６００｝◆◆◆◆◆纛５０００星蕾４８００一１—豁譬岩ｏ～：二广ｙ２—６．９９２４ｘ＋１９１０４◆一◆◆◆◆◆◆、◆◆◆◆◆４４００—４２００—４０００‘。。。。‘。。。一‘“。。。‘。’。。。。。。。。１。。’’。‘。＿＿。。。。‘。‘。‘一１９６０１９６５１９７０１９７５１９８０１９８５Ｙｅａｒ１９９０１９９５２０００２００５２０１０图１５０年的统计资料表明我国太阳辐射量正在递减的趋势Ｔｈｅｄｅｃｌｉｎｅｔｒｅｎｄｏｆｓｏｌａｒｍｄｉａｔｉｏｎｆｒｏｍ１９６０ｔｏ２００９ｉｎＣｈｉｎａ４２４ｗｗｗ．ｓｓｌｃｈｉｎａ．ｏｒｇｗｗｗ．ｃｈｉｎａ－ｌｅｄ．ｎｅｔ照明与刨薪应用ＬｉｇｈｔｉｎｇａｎｄＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ６．０００５，８００５，６００５，４００５，２００５，０００４，８００４。６００４，４００４，２００１９６０１９６５１９７０１９７５１９８０１９８５Ｙｅａｒ１９９０１９９５２０００图２５０年的统计资料表明江苏省太阳辐射量正在递减的趋势Ｔｈｅｄｅｃｌｉｎｅｔｒｅｎｄｏｆｓｏｌａｒｒａｄｉａｔｉｏｎ仃Ｏｍ１９６０ｔｏ２００５ｉｎＪｉａｎｇｓｕｐｒｏｖｉｎｃｅｉｎＣｈｉｎａ更多地采用电光源为植物生长发育提供光能是植物工厂中唯一发展方向。电光源将是植物工厂高产栽培和实现按计划周年稳定生产的一项重要技术措施。目前，在工厂化栽培设施中大量使用传统照明电光源，如金属卤化物灯、高压钠灯、荧光灯和镝灯。但传统照明电光源是以人眼为应用对象，以人眼的视觉效应最高为设计原则，而不是以植物的生理效应最高为设计准则，导致植物对普通照明电光源的光利用极少，生物效能低，并且照明效果不甚理想，成本也不为当前经济发展水平所接受。近年来，作为一种新型半导体光源的ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）在照明领域得到日益广泛应用。ＬＥＤ是有望替代太阳和传统电光源的照明以及低发热、小体积、长寿命等的突出优势，便于集中生物所需波长实施均衡近距离照射。对于植物生产来说，可实现高效能、低热负荷和紧凑空间的集约化植物生产，减少植物激素或其它化学品的使用；对于农业害虫的物理防治来说，可以采用特定波长的ＬＥＤ光源，引诱并灭杀害虫，减少农药施用量，做到安全绿色生产；对于动物养殖来说，可以根据不同的养殖目的（如产肉、产蛋、产奶等），采用特定波长的ＬＥＤ实施光照促进动物生产率，减少饲料添加剂及激素的使用，实现高效绿色生产：对于微生物来说，可以采用促进有益微生物繁殖增殖的特定波长的ＬＥＤ实施光照，实现高效率、密集产量的微生物生物反应过程。因此，ＬＥＤ将在植物工厂、害虫诱杀、养殖业和生物环保、制药、食品等微生物制品领域得到广泛应用。３光源，有利于提高植物照明的效能，减少电能消耗，显著降低工厂化设施栽培生产成本，促进植物工厂走向普遍性实用阶段。２ＬＥＤ应用于植物工厂与设施栽培光不仅提供高等植物光合作用所需能量，同时ＬＥＤ应用于农业领域的特质光是动植物生长发育最重要的环境因子之一。也是调节植物光形态建成、光周期反应以及调节内在生物钟节律等植物重要生命活动的信号。用于植物栽培光源的ＬＥＤ表现以下优势：ＬＥＤ光输出半宽生物和农业科研生产活动中使用的光源一般是荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯。然而这些光源的光谱能量分布是依据人眼对光的高效需窄，接近单色光，单独使用或组合使用均可，生物能效高（表１），使用ＬＥＤ可以集中特定波长的光均衡地照射作物，不仅可以调节作物开花与结实，而且还能控制株高和植物的营养成分；植物栽培上应用的ＬＥＤ属于冷光源，光照系统发热少，实现了求原则设计生产的，仅仅是用于满足人眼高效照明的目标需求，因此对生物生长发育促进作用很少，光效很低。与上述光源相比，ＬＥＤ具有波长窄、光质纯、光效高、波长类型丰富、光谱能量调制便捷、低热负荷，可以置于离植物很近的地方而不会把作ｗｗｗ．ｓｓｌｃｈｉｎａ．ｏｒｇｗｗｗ．ｃｈｉｎａ—ｌｅｄ．ｎｅｔ４２５第七届中国国际半导体照明论坛７ｔｈＣｈｉｎａＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＦｏｒｕｍｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＬｉｇｈｔｉｎｇ物烤伤，光的利用率很高，可用于多层栽培立体组合系统；ＬＥＤ＃Ｉ－形体积小，可以制备成多种形状的器件，占用空间很小，安装方便，使植物生产设施小型化；此外，其特强的耐用性也降低了运行成本。荧光灯与ＬＥＤ比较见表２。ＬＥＤ现已应用在光生物学研究很多领域，如叶绿素的合成、光合作用、藻类光一生物反应器和形态建成等。ＬＥＤ已成功应用于多种植物的栽培系统，如莴苣、胡椒、黄瓜、小麦、菠菜、马铃薯等。表１不同光源的功率转换效率输入功率转换为：可见光辐射能红外辐射能紫外辐射能植物有效生理辐射能评价ＬＥＤ白炽灯５％９０％Ｏ荧光灯２３％３６％金卤灯２７％１７％１９％１０％．１２％００１０％．１２％Ｓ０．１％≤１％－－－０．５％最适最不适不适最不适表２植物生长系统中荧光灯与ＬＥＤ比较性能Ｐｒｏｐｅｒｔｙ光谱特性技术特性发光效率（视觉生理）发光效能（植物生理）质量发热特性功率寿命价格污染荧光灯Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ波谱宽３８０－－７５０ｎｍ发光二极管ＬＥＤ半宽窄无红外辐射新型照射光源低（蓝光仅５—１０％）随着温度升高而降高（２０－－３０％）随着温度升高而增加低低（数据需研究确定）重发热大，空调降温耗电量大功耗大约５０，００低破碎水银溢出，污染环境，废管回收难ｈｒｓ低技术、但在植物中广泛应用高（数据需研究确定）轻发热低，空调耗电量少功耗低约５００。００直页ｈｒｓ无污染安全节能３．１ＬＥＤ应用于无性繁殖育苗工厂植物无性繁殖育苗，是一项能获得大量同源母树、桉树等），都采用工厂化无性繁殖技术获得种苗。转基因植物，如抗虫棉、彩色棉等主要采用无性育苗技术获得转基因再生苗，并施以扩繁。国外正在加大ＬＥＤ在工厂化植物无性育苗上的研究和应用推广力度，这是因为工厂化植物无性育苗产业完全依赖于电光源，这为电光源提供了巨大的消费市场，ＬＥＤ将首先在该产业领域获得突破性应用。本基因幼苗的生物技术，已经形成了市场应用规模庞大的产业，广泛应用于农业和园艺生产、生态与经济林培育，是现代高效农业的支柱之一。例如：名贵观赏植物（兰花、红掌、水仙等）、大宗观赏植物（菊花、非洲菊等）；大宗经济作物（土豆、山药、地黄等）；生态和经济林建设所需苗木（杨４２６ｗｗｗ．ｓｓｌｃｈｉｎａ．ｏｒｇｗｗｗ．ｃｈｉｎａ—ｌｅｄ．ｎｅｔ照明与创新应用ＬｉｇｈｔｉｎｇａｎｄＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ（１）工厂化植物无性育苗产业迫切需要高生物能效的新型ＬＥＤ光源。是全球工厂化植物无性育苗的生产基地和出口基地，也是全球最大的无性苗消费市场。自上世纪９０年代中期以来，中国承接了全球工厂化育苗的产业转移，现在这一产业转移过程已经完成。据农业部统计，截止２００７年底，年产量大于１０００万株无性苗的企业，全国有３００多家，总面积在２０００万平方米以上，总产量大于３０亿株，产值２００亿元左右。组培每天的光照时间为１６ｈ，ｄ，如果一年按３００天的生产日、全国２０００万ｍｚ的组培总面积计算，则由荧光灯引起的年耗电总量在１０７５亿ＫＷ－ｈ以上；采用ＬＥＤ后，其年耗电总量在５１８亿ＫＷ・ｈ电光源是植物无性育苗之必需，目前普遍使用传统电光源。但传统电光源的植物能效仅为０．５％，电能浪费极大，电费成本约占组培苗总成本的３０％＂－－４０％。因此。高生物能效的新型ＬＥＤ光源的应用，必将引起植物无性育苗产业的深刻变革，推动组培育苗产业规模的扩大，并以此促进ＬＥＤ的应用规模不断扩展。（２）ＬＥＤ光源在植物无性育苗产业中具有显著的节能效果和持久性消费市场。电光源是植物无性育苗的必需品和易耗品，所左右，年节电总量在５６０亿ＫＷ・ｈ以上，节能效果显著（见表３）。以，ＬＥＤ专用光源具有广阔持久的消费市场。我国表３单位面积所需的光源功率（ＫＷ／ｍ２）０．５０．２７ＬＥＤ与荧光灯在植物无性育苗中所引起的能耗比较由光源引起的单单位面积上的总能耗（ＫＷ／ｍ２）１．０５０．５４光源类型荧光灯ＬＥＤ光源的生物能效（％）１１０单位面积的年耗能总量（ＫＷ／ｍ２）５３７６２５９２全国年耗能总量（ＫＷ－ｈ）１０７５．２亿５１８．４亿位面积空调能耗（ＫＷ／ｍ２）０．５５０．２７注：表中数据按每天１６ｈ光照、年３００天生产日、９０％空调能效和２０００万ｍ２全国育苗总面积计算植物无性育苗产业一次性市场规模总量１５６０亿元以上（如表４）。如果以标准２０ｍＡ小功率ＬＥＤ为基础作为未来植物无性育苗的主要光源，２０００万平方米工厂化表４０５ｍｍ小功率ＬＥＤ在植物无性育苗中的市场规模单位面积所需ＬＥＤ数量（粒）７８００ＬＥＤ单位面积所需ＬＥＤ功率（ＫＷ／ｍ２）按２０００万ｍ２计算的市场总需求量（粒）１５６０亿（含灯具）产值０．２７在“十一五”期间，南京农业大学承担了国家“８６３”高技术研究计划“半导体照明工程”重大项目课题，通过实施“半导体照明光源在植物育苗中的应用研究”（２００６ＡＡ０３Ａ１６５）、国家自然科学基金项做的工作就是要将成果应用到植物育苗工厂及其整个产业，用ＬＥＤ专用光源装备１—２个育苗企业，形成具有显示度的应用示范，为完全市场化奠定发展的基础。目“环境对植物无性苗生长发育和光合特性的影响机理”（３０８００７６４）和江苏省自然科学基金课题“无性苗规模化繁育的微环境优化模型研究”（ＢＫ２００４１０７）等课题研究，已经掌握了ＬＥＤ在植物育苗中的应用原理和关键技术，奠定了应用技术基础，３种专用光源样品已经研制出来，为进一步的推广应用做好了原理和技术储备。目前急需要３．２ＬＥＤ应用于实生籽苗育苗工厂伴随着产业化和规模化进程，实生籽苗的工厂化育苗在我国已呈现出蓬勃发展的态势。。农户下订单购苗，工厂化集中育苗”这一生产模式已广受欢迎并得到大力推广。我国设施栽培面积现已跃居世界之首，对高品质实生种苗的生产和供应形成了巨量ｗｗｗ．ｓｓｌｃｈｉｎａ．ｏｒｇｗｗｗ．ｃｈｉｎａ—ｌｅｄ，ｎｅｔ４２７第。堕！！！！！呈！！！啮——７ｔｈＣｈｉｎａＩｍｅｍａｔＩｏｒ”ｌＦｏ…ｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＬｉｇｈｔｉｎｇ需求。仅以江苏省为例，据“江苏农业信息蚂“２０１０年３月８Ｅｌ报道：“江苏省现有设施园艺育苗基地１０９个，主要生产７大类２０余小类蔬菜种苗。而据测算，日前全省每年种苗需求量约１４８亿株，推进工厂化育苗尤显迫切。今年我省将重点扶持新（扩）建２０个年供苗能力１５００万株以上的工厂化育苗中心，提升种苗企业的供苗能力和服务范围。“每年冬春季是实生籽苗育苗生产的旺季，但是我国冬春季多阴雨寡照，且持续时间长，导致幼苗光照严重不足．甚至低于植物光补偿点，幼苗生长迟滞甚至死亡，病害发生严重，甩广不能按时拿苗，对育苗企业造成严重打击（如图３）。由此可见，冬春季工厂化育苗遇到的首要问题是光照不足。为提升育苗企业的供苗能力、扩展其服务范围，必须解执光能的高效供给和可控性问题。采用ＬＥＤ光源与智能光控技术，能够对育苗温室内的光照参数实旌有效，以营造满足幼苗生长发育的合理光环境。图３西瓜嫁接苗因光照不足导致出现严重黄化和病害Ｆｉｇ３Ｔｈｅｇｒａｆｔｉｎｇｗａｔｅ唧ｅｌｏｎｐｌａｎｔｌｅｔｓｗｉｔｈｌｅａｆｓｕｆｆｅｒｉｎｇｅｔｉｏ［ａｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｅａｓｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｎａｄｅｑｕａｔｅｌｉｇｈｔ图注：自２０１０年２月１５日至３月９日，我国东南部区域遭遇连续２０多天的朋南凡气．自然光照长期不足，江苏苏北一省重点育苗企业的６００万株订单西瓜实小嫁接苗的接穗叶片黄化、病害严重（炭疽病、猝倒病等），１６０万株实生白根苗徒长。本课题组接到求助信后，立即派出专家指导企业采取应急ＬＥＤ补光措施。采用ＬＥＤ补此后，接穗新叶抽出，病害得到控制，避免，重大损失。由丁实生苗、嫁接苗对光的需求远大ｒ组培４２８ｗｗＡ＇．ｓｓｌｃｈｉｎａｏｒｇｗｗｗ．ｃｈｉｎａ－ｌｅｄｎｅｔ苗，更需要高效节能的育苗专用ＬＥＤ光源，以降低能耗和育苗成本。因此将制对工厂化育苗对光的合理需求，致力于研发育苗专用的高效节能ＬＥＤ光源及其智能控制端备，为育苗企业降低能耗成本、提升种苗品质和自身效益提供支撑。我国实生籽苗的育苗企业的数量和规模正在加速发展，大量需要高教新型节能ＬＥＤ光源及其控制装备，用咀保障其种苗生产能力和供应水平。由丁在实际生产中，实生耔苗的用量远远大于无性苗的用量，相应的，其育苗工厂的数量、面积及规模也远远大１无性育苗工厂，这预示对高效新型节能ＬＥＤ光源及其智能光控系统的强烈需求，ＬＥＤ必将面临一个更为广阔、持久的消费市场，远远大于无性育苗所能够提供的消费市场。本课题组通过主持实施国家自然科学基金项日嘴施蔬菜幼苗对不同光谱能量分布的响应机制与光控基准研究”（３０９７２０３５）的课题研究，系统开展了ＬＥＤ在典型植物实生籽苗（番茄、黄瓜、辣椒，棉花、水稻、大豆和油菜等）Ｊ＿Ｊ化培育中的应用研究，系统探明了幼苗对不同光谱能量分布的响应机理：建立了育苗过程的光环境控制基准；初步掌握丁ＬＥＤ在实生籽苗中的应用原理、方法和技术；掌握了匹配于育苗设摘和工艺的ＬＥＤ光谭的设计原理和设计准则：研发丁ＬＥＤ植物光源样灯原型：获得了２项针对工厂化育苗的国家发明专利授救（ＺＬ２００７１０１３３２８４１，２００８年授权；ＺＬ２００６１００９７９９２Ｘ，２００８年授权）：在工厂化育苗方面，获得了省部级科技进步二等奖１项。上述研究基础和成果为实捕进一步的科研和推广工作奠定了良好的基础。３．３ＬＥＤ应用于设施园艺栽培近十年来，我国设施园艺面积发展迅速，植物生长的光环境控制照明技术已经引起重视。垃施园艺照明技术丰要应用于３个方面：其一是光质补光，目光经过温室采光材料后，某些波长的能量被反射、吸收，导致温室内某些光谱能量的缺走，影响植物的生长发育：其二是光密度补光，在１３照光密度少的时候，如长期阴天等，ＬＥＤ作为植物光合作用的补充照明；二、作为植物光周期、光形态建成的诱导照明。设施种植主要在冬季进行，其主要目的就是实施反季节生产．供应市场，尤其是春节前后的消赞市场。如果设施种植的产品能够在春节前后上市ｔ将取得极高的经济效益．促进农民增收和丰富节日市场．解决民生问题．具有很高的经济、政治和社会效益。在冬季、尤其是春节市场上，主要热铺品种主要包括：番茄、黄瓜、西葫芦和茄子为主的茄果类蔬菜；以油桃、草莓、樱桃和西瓜为主的瓜果类；以蝴蝶兰、玫瑰为主的高档观赏类花卉。从民生所必须的角度分析，茄果类和瓜果类果蔬是冬季和春节市场必不可少的当家品种，无论何种经济水平的家庭、无论贵贱，一般在春节都会消费这些果蔬，所以市场需求很大，种植规模也很大。以长江流域为例，该地区各大城市对冬季果蔬的需求量极大，在该地区已经发展起庞大的冬季设旌种植产业，主栽品种为茄果类和瓜果类品种。下面分别以长江流域地区、北方地区为主分析ＬＥＤ在设施种植中的应用。（１）ＬＥＤ在长江流域设施种植中的应用在长江流域地区，从每年的１１月份到春节前的这段时间是设施果蔬生长发育的关键时期，但是这个时段也正是该地区连续阴雨寡照频发的时段，一般每年都会发生２４次的连续阴雨寡照天气（在南方一般称为阴冷或湿冷的天气），每次持续的时间一般在１０－１５天，甚至达到２０天以上。这种天气对设施果蔬生产是致命的打击，农民只能眼睁睁地看重果蔬生长迟滞，甚至死亡，结果造成大量减产，品质下降，不能取得预期收益，甚至亏本。冬季设施果蔬生产遇到的首要问题是光照不足，所以，主要的解决方案就是实施人工补光。而ＬＥＤ作为设施生产的补光光源是非常合适的。在长江流域地区，补光基本上应急性的，只是在遇到阴雨寡照天气的时候才需要补光，其它正常天气不需要补光，所以采用ＬＥＤ灯最为合适，收放十分方便：需要的时候临时布设，用以补光，不需要的时候收起，不影响植物的采光。（２）ＬＥＤ在北方设施种植中的应用光照不足也是北方地区冬季设施果蔬生产的主要制约因素。北方地区冬季寒冷，晚间保温是北方设旋的首要问题，加盖保温材料（如草帘、纸被、棉被等）是主要的手段。为了晚间保温的需要，实际生产中，一般在下午３＿４时就必须加盖草帘，至次日上午１０时以后才揭开草帘，这直接导致光照时数的缩短，每天光照仅有６ｈ左右，不能满足植物光合生长对光照时数的需求。采用ＬＥＤ补光可以在不牺牲保温的前提下增加光照时数，以促进作物生长，提高产量和品质。照明与创新应用ＬｉｇｈｔｉｎｇａｎｄＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ例如，补光能够在下午加盖保温材料后再延长光照２小时，能够在上午揭开草帘之前提前补光２小时，这样可以增加４小时的光照，这对于植物生长发育是极为有利的。（３）ＬＥＤ在设施植物补光应用的研究现状随着设施农业的迅速发展，设施补光日益受到重视。但国际著名的电光源产业公司由于受传统电光源产业和研发思路的，一直寻求以传统电光源为基础研发植物电光源。这些电光源实际上就是复合荧光灯，原有荧光灯在植物中应用的缺点依然存在，不能满足植物照明需要。所以，它们在当今设施生产中的应用极少见。南京农业大学在“８６３”项目的经费资助下，开展了ＬＥＤ在设施种植中的应用研究，取得了突破性的研究成果，掌握了ＬＥＤ在设施种植中应用的原理和关键技术，开发出多种型号的ＬＥＤ植物生长灯，已经大量出口欧美市场。４ＬＥＤ应用于害虫诱杀农药防治害虫一直是我国农业生产的主要手段，由于害虫发生逐年严重，农药的使用量也逐年激增；害虫对农药不断适应而进化，耐药能力也逐年递增，‘，因此必须使用更毒、更大剂量的农药。这种恶性循环不仅导致农药在食品中的残留，产生食品安全问题，而且还引起严重的环境污染和生态灾难。利用害虫的趋光性，采用光诱杀害虫是解决上述问题的有效手段。灯光诱杀害虫早有应用，但在农业生产的应用中出现了系统性的致命问题：即害虫和益虫（包括害虫的天敌、中性的昆虫）都具有趋光性，一起被灯光引诱过来被灭杀，长久之后，将会造成。生态灾难”。引起这一问题的原因有２个：其一是至今没有掌握昆虫趋光性的基本知识，目前只粗略地知道昆虫对３６０ｎｍ一一７８０ｎｍ波段范围的光具有趋光性，而关于昆虫对某一窄波长光的趋光特异性和敏感度知识则很少掌握，我们只有掌握了某一波长的光对某一害虫有强烈的引诱效果，而对其天敌或其它昆虫则没有引诱效果或效果很小，才能实现目标明光源的光谱分布范围较宽，导致所诱杀的昆虫种类多，误杀的几率大。由于ＬＥＤ具有波长窄、波长种类齐全的特点，ｗｗｗ．ｓｓｌｃｈｉｎａ．ｏｒｇｗｗｗ．ｃｈｉｎａ—ｌｅｄ．ｎｅｔ４２９确的具有针对性的诱杀。其二，目前诱杀害虫所用第七届中国国际半导体照明论坛７ｔｈＣｈｉｎａＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＦｏｒｕｍｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＬｉｇｈｔｉｎｇ所以特别适合害虫诱杀的研究和生产性应用。目前，急需要做的工作就是，采用ＬＥＤ研究农业生产中几种主要昆虫（害虫、天敌、中性的昆虫）对不同波长趋光性的反应程度和敏感性数据，建立数学模型，在此基础上，开发出ＬＥＤ害虫诱杀灯，用于农业生产的虫害防治。南京农业大学已经开展了相关研究，目前，研究仍在实施之中。５ＬＥＤ应用于养殖业养殖业具有高度集约化、工厂化的生产特点，因此，动物通常被圈限在室内养殖，密集度高，日光几乎不能照射到动物体，这对动物的生长发育和产品的品质带来不利影响。所以，必须采用电光源对动物实施光照。动物在自然环境和光照条件下长期进化，自身进化出与自然光照相适应的生理机制。研究发现，即使对于家养禽畜，如鸡、猪这样的长期被人类驯化的动物，其生理活动、行为、生长和生殖仍然受到光的影响。但是，综合国内外的研究发现，关于光对动物效应的研究一直没有得到系统的开展，这方面的知识是零碎地，缺乏系统性和机理性。养殖中的补光主要在如下２个方面。其一是光周期补光，用以动物的生殖。动物的生殖受到光周期，如猪、牛、羊等畜类动物的性活动和生殖；鸡、鸭等禽类动物的生殖（即４３０ｗｗｗ．ｓｓｌｃｈｉｎａ．ｏｒｇｗｗｗ．ｃｈｉｎａ－ｌｅｄ．ｎｅｔ产蛋）均受到日照时间昼夜交替变化的影响，长光照促进产蛋，短日照导致产蛋停止，自然条件下，母鸡冬季不产蛋，就是基于这一道理。其二是光质补光，就是通过特殊波长的光源照射动物，提高其对疾病的免疫能力和生理机能，促其健康生长，以提高产品品质。比如，采用特殊波长的光照，可以提高动物维生素Ｄ的合成，促进其对钙的吸收，有利于克服母畜的软骨病所导致的瘫痪；有利于提高蛋壳的厚度，提高蛋的品质；有利于提高动物肉品的品质等等。ＬＥＤ的特性很好的满足了上述补光需求，所以，ＬＥＤ在养殖业中的应用具有很大的潜力。６结语２１世纪将是生态农业的世纪，而物理农业是实现生态农业的主要途径之一，在众多的物理技术手段中，光学在其中起着至关重要的作用，因此，有学者认为“光的世纪”即将来临。采用适宜的光照策略，不仅促进动植物生长发育，还可以达到增产、高效、优质、抗病、无公害的目的，这对于改善民生、促进生产、促进我国现代生物产业和农业的发展具有非常重要的现实意义，同时，也为ＬＥＤ产业提供了更为广阔、更为持久的消费市场，对于促进我国ＬＥＤ产业的发展也具有非常重要的意义。LED在现代农业中的应用
作者：作者单位：
徐志刚
南京农业大学农学院 江苏南京卫岗1号，南京农业大学农学院，南京，210095
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