• 隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入,LED制造工藝的不斷進步和新材料的開發應用,LED的發展取得了突破性進展,價格也大幅度下降,其應用于植物設施栽培的研究逐漸被各國學者關注。尤其是在超高亮度LED開發成功后,被廣泛應用于植物生理或栽培領域的研究,如光形態發生、光合作用及葉綠素合成研究等。
1、應用于植物設施栽培的LED特征
光是植物生長發育的基本因素之一。光質對植物的生長、形態建成、光合作用、

    隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入,LED制造工藝的不斷進步和新材料的開發應用,LED的發展取得了突破性進展,價格也大幅度下降,其應用于植物設施栽培的研究逐漸被各國學者關注。尤其是在超高亮度LED開發成功后,被廣泛應用于植物生理或栽培領域的研究,如光形態發生、光合作用及葉綠素合成研究等。

    1、應用于植物設施栽培的LED特征

    光是植物生長發育的基本因素之一。光質對植物的生長、形態建成、光合作用、物質代謝以及基因表達均有調控作用。通過光質調節,控制植株形態建成和生長發育是設施栽培領域的一項重要技術。

    傳統植物設施栽培中使用的光源一般是熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和白熾燈。這些光源是依據人眼對光的適應性所選擇的,其光譜有很多不必要的波長,對植物生長的促進作用少。而LED作為第四代新型照明光源,具有節能環保、安全可靠、使用壽命長、響應時間短、體積小、重量輕、發熱量少、易于分散或組合控制等許多不同于其他電光源的重要特點。

    隨著光電技術革新和生產成本下降,LED因具備以下卓越性能成為植物設施栽培領域的首選光源:(1)光譜性能好,可按照需要組合獲得純正單色光與復合光譜,其波譜寬度小于±30nm,波長正好與植物光合成和光形態建成的光譜范圍吻合;(2)光能有效利用率可達80%~90%,并能對不同光質和發光強度實現單獨控制;(3)作為冷光源,可以近距離地照射植物,大大提高空間的利用效率,可用于多層栽培立體組合系統,實現了低熱負荷和生產空間小型化;(4)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十倍,特強的耐用性也降低了運行成本。

    由于這些顯著的特征,LED十分適合應用于可控設施環境中的植物栽培,如植物組織培養、設施園藝和閉鎖式植物工廠以及航天生態生保系統等。不過,由于目前LED的價格較高,在植物設施栽培領域的推廣應用還需要有一個過程。但隨著LED向高亮度、低價格的方向飛速發展,LED一定會在不久的將來廣泛應用于植物設施栽培領域。

    2、LED應用于植物組織培養

    在植物組織培養中,光合光量子通量密度(PPFD:PhotosyntheticPhotonFluxDensity)、光照周期和光譜分布對植物的光合作用和形態建成起重要作用。植物組培主要依靠電光源,傳統電光源對植物的生物能效極低、發熱量大,光照用電約占整個電費成本的65%,是植物組織培養中最高的非人力成本之一。因此在植物組織培養中采用LED植物燈照明,調控光質和PPFD,不僅能夠調控組培植物的生長發育和形態建成、縮短培養周期、提高品質,而且能夠大大減少能耗,降低成本。

    (1)紅光(620~660nm)和遠紅光(710~740nm)LED對組培植物生長的影響

    光譜中紅光與遠紅光光通量的比值(R/FR)對植物形態建成、調節植株高度具有重要影響。R/FR比值已成為控制植株形態的一個重要評價參數。

    Fujiwara等研究發現,LED光源中,紅光LED和遠紅光LED光源比熒光燈更易影響組培苗的光形態建成和生長發育。Tanaka等研究發現紅光LED促進蘭花組培苗葉片生長但降低了葉綠素含量、莖和根的干重。Lian等研究表明:在單獨紅光LED照射下,百合離體培養鱗莖的生長指標和干物質積累較低,這與單獨紅光導致的低CO2同化作用有關。這一結果印證了Goins等將紅光LED應用于小麥光合產量的研究結果。

    然而,有關紅光或遠紅光LED對組培植物生長影響的報道并不一致。Miyashita等研究發現隨著紅光LED的PPFD增加,馬鈴薯組培苗莖伸長,葉綠素含量也增加,但葉面積和干重沒有顯著差異。Nhut等的研究表明,在紅光LED照射下,草莓組培苗葉片伸展、葉柄伸長、莖明顯伸長,但葉綠素含量降低。Kim等研究認為,單獨紅光LED或紅光LED+遠紅光LED處理下,菊花組培苗莖過分伸長導致莖桿脆弱,其它重要生長指標也降低了,總體上不利于植物的正常生長發育。Hahn等發現了紅光LED對毛地黃組培苗莖生長的抑制作用。這些現象被認為是單色紅光導致光系統Ⅰ和Ⅱ可利用的光能量分布不平衡,因此抑制莖的生長。

    此外,在研究PPFD均為45μmol/(m2·s)的不同光質LED對蘭花原球莖小塊照射處理的實驗結果中,發現紅光LED處理對從原球莖片段中誘導愈傷組織是最有效的。

    (2)藍光(450~470nm)LED對組培植物生長的影響

    有報道認為藍光直接或間接影響植物胚軸的伸長、酶的調節和合成、氣孔的張開、葉綠體的成熟和光形態建成。但是有關單一藍光LED顯著影響組培苗生長發育的報道并不多見。

    Appelgen等曾報道藍光強烈抑制天竺葵組培苗莖的延長。Nhut等的研究表明,經單一藍光LED處理的草莓組培苗葉片數目最少,根長最短,抑制草莓組培苗生長,但沒有藍光LED照射會導致草莓組培苗生長和發育不平衡。

    在對馬蹄蓮組培苗光合兼養條件下生長效果的研究中發現,在LED處理之前,干質量和生長速率沒有顯著的差異,但是添加藍光LED處理對葉綠素含量和株高指標有顯著的正效應。Tanaka等研究發現紅光LED促進了蘭花葉片的生長但降低了葉綠素的含量,然而藍光LED卻逆轉這個效應。

    (3)紅光與藍光LED組合對組培植物生長的影響

    迄今為止,有不少報道認為,紅藍LED組合對組培植物的生長發育產生積極影響,優于單色光處理。如Hahn等研究發現,經單一紅光LED或藍光LED處理的毛地黃組培苗出現徒長現象,但是在紅藍LED復合光下生長健壯。還有研究發現,一種雙蝴蝶屬組培植物在紅光LED下生根最好,在藍光LED下生根最差;而在紅藍LED復合光照下,植物的根數、鮮重和葉綠素含量綜合指標明顯好于單色LED和熒光燈處理。

    有研究認為紅、藍光LED組合可以通過增加凈光合速率以提高植物的生長和發育是因為紅光與藍光的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜一致。Kim等研究發現在紅、藍LED復合光照射下的菊花組培苗凈光合速率最高,鮮質量、干質量和葉面積達到最大,氣孔的數目最少,氣孔開度最大。Tanaka等報道指出在紅、藍LED復合光照射的蘭花組培苗的鮮重和干重增加。Lian等對百合離體培養鱗莖進行實驗得出,紅、藍LED復合光更適合鱗莖的生長,鱗莖的尺寸、鮮、干質量和根的數量最高。

    但是有關紅藍LED組合的配比,不同組培植物作為試驗材料所開展研究的報道結果并不一致。如Nhut等采用80%紅光LED+20%藍光LED組合對其對香蕉組培苗生長和馴化移栽有明顯促進效果。而一項對于桉樹組培苗的研究發現,同樣的紅藍LED配比,并配合透氣膜和巖棉基質能夠實現其無糖培養。Nhut等后又研究發現在70%紅光LED+30%藍光LED照射下,草莓組培苗的葉片數、根數、根長、鮮重、干質量值最大,移栽到土壤中長勢也最好。隨后對白鶴芋組培苗的研究也得到了相似的結果。由此可見,不同的植物對光質配比的敏感性不同,表現出不同的適應性。

    在對馬鈴薯組培苗的鮮/干質量積累量指標的研究結果中發現,協同光照控制優于交替間歇光照控制,45%紅光LED+55%藍光LED的處理對于馬鈴薯組培苗的生長效應是最佳的。此外,有研究發現在25%紅光+75%藍光LED組合下,從蘭花原球莖小塊中誘導的愈傷組織中能夠獲得最高發生率的原球莖體。

    3、LED應用于設施園藝

    近十幾二十年來,中國設施園藝面積發展迅速,植物生長的光環境控制照明技術已經引起重視。設施園藝照明技術主要應用于兩個方面:一是在日照量少或日照時間短的時候作為植物光合作用的補充照明;二是作為植物光周期、光形態建成的誘導照明。

    (1)LED作為植物光合作用補充照明

    Nichols等研究發現溫室內的傳統人工光源產生太多熱量,如采用LED補充照明和水培系統,空氣能夠被循環使用,過多的熱量和水分可以被移除,電能能夠被高效地轉變為有效光合輻射,最終轉化為植物物質。在應用LED為400ms頻率和50%占空比下,生菜的生長速率、光合速率都提高20%以上,該研究表明將LED用于植物工廠是可行的。

    Yanagi等研究發現,與熒光燈相比,紅光LED對菠菜生長效應不明顯,加入藍光LED后菠菜生長形態指標顯著提高。Yorio等研究發現,應用90%紅光LED+10%藍光LED作為補充照明,能夠顯著促進菠菜、蘿卜和生菜的生長發育。Shin等的研究發現,紅藍LED復合光照下生長的甜菜生物積累量最大,毛根中甜菜素積累最顯著,并在毛根中產生最高的糖分和淀粉積累。

    有報道指出同對照金屬鹵化燈相比,生長在紅藍LED復合光照下的胡椒莖、葉的解剖學形態發生顯著的變化。Choi等的研究也有類似結論,在紅藍LED復合光照下生長的紫蘇的莖、葉的解剖結構特征變化與在金屬鹵化燈下生長的紫蘇有顯著差異,并且隨著PPFD提高,紫蘇光合速率提高。Heo對萬壽菊和鼠尾草進行顯微結構觀察發現,同單色的藍光或紅光LED相比,紅藍LED復合光照下兩種植物的氣孔數目增多。

    (2)LED作為植物光周期、光形態建成的誘導照明

    Goins等研究發現紅光LED可延遲擬南芥的開花時間。Heo等研究發現紅光+藍光LED對仙客來開花起誘導作用,10h光周期處理下,花芽數和開花數最高;單獨的紅光或藍光LED照射降低了成花反應,調控了花梗長度和花期,有利于切花生產和上市。由此可見通過光質和光周期可以調控植物的開花和隨后的生長。

    Heo等研究結果表明:在熒光燈+藍光LED、熒光燈+紅LED、熒光燈+遠紅LED光照處理下,藿香薊的干質量無顯著差異;熒光燈和熒光燈+紅LED光照處理下,藿香薊和萬壽菊的株高無顯著差異,但是熒光燈+遠紅光處理下的兩種植物株高最高;與單一熒光燈處理相比,熒光燈+紅LED和熒光燈+遠紅LED復合光照處理顯著提高萬壽菊氣孔的數量。

    4、LED應用于航天生態生保系統

    目前國際上普遍認為,建立受控生態生保系統(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)是解決長期載人航天生命保障問題的根本途徑。而要建立好該系統,關鍵技術之一就是必須解決好其中的高等植物栽培技術,在空間進行高等植物栽培涉及到的關鍵問題之一就是光照技術。

    基于空間環境的特殊要求,空間高等植物栽培中使用的光源必須具有發光效率高、輸出的光波適合于植物光合作用和形態建成、體積小、重量輕、壽命長、高安全可靠性記錄和無環境污染等特點。因此,近年來發光二極管在空間植物栽培中的應用倍受重視。研究發現氙氣金鹵燈和LED兩種照明系統都能提供CELSS要求的光譜能量分布和均勻的照明,但是采用LED的照明系統的電能轉換效率超過采用氙氣金鹵燈系統的5倍。

    承越科技等研究發現,太空植株正常生長可采用紅色和藍色LED的一定組合,以90%紅色+10%藍色LED管更為適宜。Kim等研究發現,24%綠光+藍光+紅光(RGB)處理促進了生菜的生長,與冷白熒光燈處理組相比,RGB處理組的生菜光合產量顯著提高。

    21世紀將是生態農業的世紀,而物理農業是實現生態農業的主要途徑之一,在眾多的物理學科知識中,光學在其中起著至關重要的作用,因此,有學者認為“光的世紀”即將來臨。如何在太陽光照不足情況下調控特定人造光源對綠色植物實施不同“光肥”,不僅促進作物生長發育,還可以達到增產、高效、優質、抗病、無公害的目的,這對于促進中國現代農業的發展具有非常重要的現實意義。

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