揭秘LED光源如何實(shí)現(xiàn)荷蘭園藝增量又增產(chǎn)？

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2015-09-15

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　　荷蘭是當(dāng)前世界設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)最發(fā)達(dá)的國家，且由于受地理位置及氣候影響，光成為了限制這個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最主要環(huán)境因素，也因此非常重視人工補(bǔ)光。為了解荷蘭在人工補(bǔ)光，尤其是LED光源方面的應(yīng)用研究成果，本刊特邀曾在荷蘭從事設(shè)施園藝相關(guān)研究多年的李濤博士分享目前的進(jìn)展。希望此文能給國內(nèi)研究和發(fā)展LED光源調(diào)控作物生長的人士帶來啟發(fā)。

　　荷蘭是當(dāng)前世界設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)最發(fā)達(dá)的國家，其擁有10500公頃的智能化玻璃溫室，年產(chǎn)值達(dá)到59億歐元。其中大約40%左右的溫室用于果蔬類作物生產(chǎn)，以番茄、甜椒和黃瓜為主；剩余60%左右的溫室主要用于鮮切花（以玫瑰和菊花為代表）和盆栽花卉生產(chǎn)。盡管荷蘭玻璃溫室總面積多年來趨于穩(wěn)定，但溫室大型化發(fā)展速度很快，節(jié)能與環(huán)保，以便于智能化管理。目前，已有部分企業(yè)擁有溫室面積超過20公頃以上。

　　此外，荷蘭設(shè)施園藝單位面積產(chǎn)量也遙遙領(lǐng)先于其他國家，例如，LED射燈，番茄可以達(dá)到每年70千克 m2（中國為30千克m2）；黃瓜每年90千克m2；在人工補(bǔ)光條件下切花玫瑰可達(dá)到每年250株m2。盡管荷蘭設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)具有很高的生產(chǎn)效率，但高投入和高能耗一直是該產(chǎn)業(yè)面臨的問題。因此，進(jìn)一步提高產(chǎn)量和改進(jìn)生產(chǎn)是設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長久目標(biāo)。

　　增加1%的光=增加0.5-1%的產(chǎn)量

　　荷蘭地處北緯52o，加之受大西洋的影響，陰雨天氣頗多，因此，光是限制荷蘭設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最主要環(huán)境因素。

　　多年來，荷蘭園藝科學(xué)家進(jìn)行了大量的研究總結(jié)出一條定律，節(jié)能與環(huán)保，即在溫室里每增加1%的光意味著增加0.5-1%的產(chǎn)量，基于此，ROSH認(rèn)證，人工補(bǔ)光被廣泛應(yīng)用于園藝生產(chǎn)中。目前，已有超過3000公頃的溫室安裝有人工補(bǔ)光系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)起到了舉足輕重的作用。起初，人工補(bǔ)光系統(tǒng)主要應(yīng)用于鮮切花及盆栽花卉以及作物育苗生產(chǎn)中。近年來，在果蔬類作物生產(chǎn)中的應(yīng)用也逐漸增加。人工補(bǔ)光除了能夠改進(jìn)作物產(chǎn)量之外，還能保證周年生產(chǎn)，從而滿足市場需求與提高溫室應(yīng)用效率。荷蘭冬季自然光太弱而不能滿足作物生長的需求，通常來說，企業(yè)資訊，荷蘭番茄在12月中旬定植，次年3月開始采收，生產(chǎn)持續(xù)至11月中旬。然而，由于冬季的低光強(qiáng)和短日照影響，12月份的累積自然光比6月份低10倍左右，因此人工補(bǔ)光主要應(yīng)用于冬季作物生產(chǎn)，星級(jí)酒店照明燈具，以保障園藝產(chǎn)品的周年供應(yīng)。

　　仍以高壓鈉燈光源為主

　　荷蘭設(shè)施園藝人工補(bǔ)光以高壓鈉燈光源為主。高壓鈉燈具有適宜的光譜成分和較高的能量轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)前，高壓鈉燈可以實(shí)現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換效率為每瓦能量輸入產(chǎn)出1.9μmol m2S1光合有效光。高壓鈉燈已被廣泛應(yīng)用于果蔬類及鮮切花生產(chǎn)中（圖1）。盡管如此，人工補(bǔ)光所面臨的最大挑戰(zhàn)仍舊是較低的能量利用效率和高成本問題。為解決這一問題，相關(guān)學(xué)者開展了一系列研究工作，如優(yōu)化人工補(bǔ)光光周期和光強(qiáng)，針對(duì)不同作物及品種探索不同的補(bǔ)光方案，改進(jìn)人工補(bǔ)光措施等。荷蘭學(xué)者也曾提出移動(dòng)光源補(bǔ)光概念，盡管移動(dòng)光源在很大程度上可節(jié)省投資成本，但其推廣應(yīng)用仍存在很大爭議，因?yàn)樯袩o充分證據(jù)證實(shí)在移動(dòng)光源補(bǔ)光條件下園藝作物產(chǎn)量可以達(dá)到固定光源條件下同等的產(chǎn)量。

　圖1. 高壓鈉燈應(yīng)用于溫室番茄生產(chǎn)

　　LED給人工光源發(fā)展提供諸多可能性

　　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。半導(dǎo)體LED光源的問世被認(rèn)為是園藝生產(chǎn)中一場革命性進(jìn)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(rèn)為是植物生產(chǎn)中最為理想的人工光源。

　　近年來，荷蘭相關(guān)學(xué)者針對(duì)LED在設(shè)施園藝領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量的研究工作，取得了一系列研究成果，如系統(tǒng)地探索了植物光合作用對(duì)光質(zhì)的響應(yīng)機(jī)理，以及光質(zhì)對(duì)光形態(tài)建成的影響等，這些對(duì)推動(dòng)LED在園藝生產(chǎn)中的應(yīng)用具有重要意義。

　　1、對(duì)生產(chǎn)高品質(zhì)的花卉作物提供了可能。園藝作物的外觀和內(nèi)在品質(zhì)對(duì)決定其市場價(jià)值起著舉足輕重的作用，尤其對(duì)于高附加值的花卉作物來說，其市場價(jià)值完全由其外形決定，而光譜環(huán)境對(duì)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(yuǎn)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(jià)值。對(duì)于切花作物來說，通過光譜環(huán)境調(diào)控來控制花期（圖2）。因此，LED射燈，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。

　　2、對(duì)提升果蔬類作物內(nèi)在品質(zhì)提供了可能。荷蘭學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)光譜環(huán)境也會(huì)影響果蔬類作物的內(nèi)在品質(zhì)，如番茄果實(shí)生長在紅藍(lán)光環(huán)境下可提高其維生素C的含量，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2. LED光源應(yīng)用于非洲菊生產(chǎn)

　　3、在作物冠層補(bǔ)光上能發(fā)揮最大潛能。光在作物冠層中分布很不均勻，冠層頂部接受的光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中下部。因此，占據(jù)作物冠層近80%左右的中下部葉片對(duì)整株植物的光合作用貢獻(xiàn)很小。另外，LED筒燈，由于植物葉片光合作用隨光強(qiáng)升高呈飽和曲線趨勢，因此，頂部葉片接受的高光強(qiáng)光能利用較低。這些現(xiàn)象導(dǎo)致傳統(tǒng)的頂部補(bǔ)光措施光能利用率很低。LED光源的問世為解決這一問題提供了可能。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，荷蘭園藝科研工作者利用LED光源開展了一系列的冠層補(bǔ)光研究（圖3），國內(nèi)資訊，恒光，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(shí)利用LED 冠層補(bǔ)光可以提高番茄產(chǎn)量15%左右。盡管LED冠層補(bǔ)光效果顯著，LED天花燈，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(dá)到植物最佳的需求所導(dǎo)致，因此，進(jìn)一步研究解決這些問題將會(huì)發(fā)揮LED冠層補(bǔ)光的最大潛能。

圖3. LED光源冠層補(bǔ)光應(yīng)用于番茄生產(chǎn)

　　結(jié)語：人工補(bǔ)光已廣泛應(yīng)用于荷蘭設(shè)施園藝生產(chǎn)中，為保證園藝作物周年生產(chǎn)，提高產(chǎn)量和改進(jìn)品質(zhì)起到了舉足輕重的作用。隨著人工光源在設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)中的普及應(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(duì)植物生長的影響是多方面的，國際資訊，口碑，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(duì)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(lán)光源為主) 所提供的光譜環(huán)境遠(yuǎn)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(jìn)一步優(yōu)化設(shè)施條件下人工補(bǔ)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)控作物生長還需深入研究。

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