設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)及其光效提升途徑.pdf

<p>-222- 設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)及其光效提升途徑 林 婧，馬邯生，王麗萍，趙 芳，路蒙蒙 (河北工程大學(xué) 園林與生態(tài)工程學(xué)院，河北 邯鄲 056001) 摘 要： LED照明系統(tǒng)可以給設(shè)施園藝發(fā)展提供光源，利用光效發(fā)展農(nóng)業(yè)是生態(tài)農(nóng)業(yè)的一大特色。LED 照明具有智能控制、成本低廉、光源精良等優(yōu)勢，更能滿足設(shè)施園藝的多樣性需求，有利于園藝植物 的自然生長，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)增收。 關(guān)鍵詞：設(shè)施園藝；LED照明系統(tǒng)；生物光效 光是植物生長發(fā)育的基本環(huán)境要素之一，對植物 生長發(fā)育、形態(tài)建成、物質(zhì)代謝及基因表達(dá)均有調(diào)控 作用。在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的人工光源主要是白 熾燈、熒光燈等。在使用過程中，由于這些光源的能 耗較大、成本高昂、光能效果差等缺陷，使其已經(jīng)不 能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。因此，LED照明系統(tǒng) 技術(shù)的發(fā)展，正好填補了這一漏洞。LED光源是設(shè) 施園藝使用的理想光源，有著無可替代的優(yōu)勢，是當(dāng) 今發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一大創(chuàng)新應(yīng)用。 1 LED光源在設(shè)施園藝栽培中的優(yōu)勢 特征 1.1 節(jié)能高效 設(shè)施園藝的栽培也要遵循生態(tài)農(nóng)業(yè)理念，而LED 照明系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保這一大特色，無論是從LED 的光源光質(zhì)，還是從光的周期性來看，LED都有利 于植物生長發(fā)育，可提高栽培效率。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，特強的耐用性也降低了 運行成本。 1.2 光源智能控制 LED光源安全可靠，體積小，產(chǎn)生的熱量也少， 可以控制光源大小。另外，LED光源能根據(jù)植物的 需要合理配置光譜，這對調(diào)節(jié)園藝作物的生長有建設(shè) 性的作用，利于作物保證質(zhì)量。通過光質(zhì)、光強和光 周期調(diào)控，可以改變植物的養(yǎng)分吸收、初級代謝和次 級代謝過程，調(diào)控植物體內(nèi)糖、維生素、類黃酮、酚 酸等物質(zhì)的合成、代謝和累積，最終影響植物可食部 分的保健功能 1 。 第一作者簡介：林 婧(1991-)，女，碩士，助教；主要 從事園藝科研與教學(xué)工作。 2 LED光質(zhì)對園藝作物生長發(fā)育的作用 光能促進(jìn)植物組織和器官的分化，制約各器官的 生長速度和發(fā)育比例。強光對植物莖的生長有抑制作 用，但能促進(jìn)組織分化，有利于樹木木質(zhì)部的發(fā)育。 如在全光照條件下生長的樹木，一般樹干粗壯、樹冠 龐大、枝下高較低，具有較高的觀賞與生態(tài)價值。在 高強光中生長的樹木較矮，但是干重增加，且根莖比 提高。 2.1 植物所需的光合作用 光合作用是植物生物量與產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，植物 95%的干物質(zhì)源于光合作用產(chǎn)生的碳水化合物。植物 對光照條件存在復(fù)雜的反應(yīng)，包括光響應(yīng)、光抑制、 光反應(yīng)等。太陽的全色光譜中只有部分波段的光被植 物吸收進(jìn)行光合作用，植物的葉片形態(tài)、植物的生理 反應(yīng)等都會影響光合作用。因此，選擇LED照明系統(tǒng)， 能夠保證光源的充足，保障植物進(jìn)行光合作用時產(chǎn)生 的效果最佳。 2.2 LED發(fā)出的光對植物的影響 LED光質(zhì)對植物生長發(fā)育、生理學(xué)、作物解剖 學(xué)和形態(tài)學(xué)，以及營養(yǎng)吸收和病害發(fā)生均有顯著影 響。據(jù)資料顯示，在可見光中，被綠色植物吸收最 多的是紅橙光(波長600700 nm)和藍(lán)紫光(波長 400500 nm)，對綠色光(500600 nm)只有微 量吸收。紅光是最早被用于作物栽培試驗的光質(zhì)，是 作物正常生長的必須光質(zhì)，生物需求數(shù)量居于各種單 色光質(zhì)之首，是人工光源中最重要的光質(zhì)。紅光下生 成的物質(zhì)可使植物長高，而藍(lán)光下生成的物質(zhì)可促進(jìn) 蛋白質(zhì)與非碳水化合物的積累，給植物增重。 不同的植物需要不同的光照效果，LED光源的不 同波長對植物的光合作用也不同。一般來說，植物光 合作用最佳的光波長在400700 nm之間，藍(lán)色光 線與紅色光線的效果最強。藍(lán)光的數(shù)值高了，會對植 物葉片生長起到促進(jìn)作用，紅光對作物的開花和結(jié)果 有影響，比如對花期的提前或延后。單獨的紅光或藍(lán) -223- 中國園藝文摘 &nbsp;2018 年第 1 期 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。 3 設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)裝備的組成 部分 光環(huán)境對設(shè)施園藝作物的生長培育是一個關(guān)鍵因 素，按需調(diào)控光環(huán)境是設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明亟待解決 的問題。LED照明系統(tǒng)裝備的先進(jìn)，能滿足設(shè)施園 藝內(nèi)作物光環(huán)境的需要。設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)裝 備包括LED光源及LED燈、LED燈懸掛裝置及調(diào)控 系統(tǒng)、光環(huán)境智能控制系統(tǒng)3個方面 2 。 LED照明系統(tǒng)提高了光電轉(zhuǎn)化的效率，突破了空 間上光分配不均勻的限制，LED在應(yīng)用中更加關(guān)注 光的散熱、光質(zhì)組合大小方面。因此，在設(shè)計LED 芯片時，要把握幾項原則最大化地提高LED光源的 強度。第一，光能的利用原則。合理的光譜影響光源 的發(fā)光效率，在研發(fā)過程中，要避免對光資源浪費情 況的出現(xiàn)，減少光源的損失。第二，成本低廉原則。 光電技術(shù)的發(fā)展并不意味著要花高昂的代價來促進(jìn)照 明系統(tǒng)的發(fā)展，LED光源的成本低廉，能幫助園藝 人家減少經(jīng)濟(jì)壓力。第三，生態(tài)環(huán)保原則。光源的顏 色劃分對大氣質(zhì)量有一定影響。因此，藍(lán)紅光的比例 要分配合理。 4 設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)光效提升的 途徑 4.1 LED光源及LED燈發(fā)光效率 首先，LED芯片光質(zhì)構(gòu)建可以獲得節(jié)能高效光 譜的，從芯片選型、光譜構(gòu)建方面來改變不同的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)；其次，通過選擇適宜的LED燈珠發(fā)光角度和 LED陣列排布方式，獲得垂直方向適宜的光強分布 和均勻性，通過LED光源燈具發(fā)光面性狀設(shè)計，獲 得最大冠層光能截獲率，提高光照效益；最后，改進(jìn) 燈具的散熱系統(tǒng)裝置，能夠提高其使用期限，獲得良 好的效益。 在溫室大棚中，補光是設(shè)施園藝必備的一項措 施。提高溫室LED補光裝備的光效水平，應(yīng)在光源 燈具、懸掛方式方面進(jìn)行創(chuàng)新。冠層雙面LED補光燈、 冠層雙斜面LED補光燈、落地補光燈和可折疊翼狀 補光燈，這些LED燈能從不同的角度發(fā)光，滿足植 物的整體需求。在補光懸掛方式方面，開發(fā)多種冠層 貼近式補光技術(shù)，包括冠層上方貼近式補光、冠層內(nèi) 補光和冠層側(cè)面立體補光技術(shù)等，極大地提高設(shè)施園 藝LED照明系統(tǒng)的光效，具有重要意義。 4.2 LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)效率 LED燈懸掛裝置和調(diào)控系統(tǒng)涉及LED燈與作物 冠層相對空間關(guān)系，涉及光束照射方向、照射面、冠 層光截獲比例等參數(shù)。光環(huán)境智能控制系統(tǒng)關(guān)系到光 照的時空生物有效性、強度適宜性和產(chǎn)量品質(zhì)效益等 3個方面。LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)包括懸掛方式、 空間位置調(diào)節(jié)裝置、栽培平臺創(chuàng)新與調(diào)控等環(huán)節(jié)的技 術(shù)途徑。 4.3 光環(huán)境智能控制系統(tǒng)效率 為了更好地促進(jìn)植物生長發(fā)育，園藝人家要提供 適宜的光源，從光的數(shù)量和質(zhì)量兩個方面入手，嚴(yán)格 把控光質(zhì)、光強和光周期等3方面控制，從而使該措 施能與植物的光環(huán)境需求效果連接起來，更好地促進(jìn) 植物優(yōu)質(zhì)生長，在植物栽培技術(shù)上有了新的創(chuàng)新。構(gòu) 建農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明大數(shù)據(jù)，就得把光質(zhì)的優(yōu)良效果作 為一個關(guān)鍵因素考量，從光源的動態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)展走向來 判斷植物適合的光條件。 5 LED光源在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用 LED光源既在人工光設(shè)施園藝栽培領(lǐng)域有重要的 發(fā)展，也在其他領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在設(shè)施園藝栽培 項目中，LED照明系統(tǒng)在植物的培養(yǎng)、人工種苗繁 育方面做出重要貢獻(xiàn)。在補光領(lǐng)域，通常在溫室、塑 料大棚等需要光條件的環(huán)境中運用，提供優(yōu)質(zhì)的光 質(zhì)，促進(jìn)植物進(jìn)行光合作用。 另外，LED光源還在航天生態(tài)保護(hù)系統(tǒng)中做補充 光源，解決長期載人航天生命保障問題的分配途徑。 在蔬菜、花卉、苗木等園藝作物活體密閉長途運輸過 程中，通過LED光源提供適宜的低強度光環(huán)境，保 障其生長活性和品質(zhì)。 6 結(jié)語 LED光源有多種光質(zhì)，對園藝作物的發(fā)展有不 同的效用。研究不同作物的響應(yīng)特性，組合不同比 例、不同光色的LED專用燈具，能實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的優(yōu) 質(zhì)、周期性生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。綜上所述，設(shè)施園 藝LED光源照明系統(tǒng)不僅能促進(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 意義，LED光源將在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。 參考文獻(xiàn)： 1 王聲學(xué),吳廣寧,蔣偉等.LED原理及其照明應(yīng)用J.光 學(xué)與照明,2006,30(4):32-35. 2 陳云霞,楊國強.LED光源在設(shè)施園藝中的推廣應(yīng)用J. 農(nóng)業(yè)與技術(shù),2015,35(8):172. &nbsp;</p>