在未來滿足食物增長需求中，溫室這種相對封閉的生產系統(tǒng)，將扮演重要角色。近年來，溫室光照不足已經越來越受到人們的關注，一方面是由于溫室方位、結構、覆蓋材料特性所導致的溫室透光率下降，另一方面是由于氣候變化所導致的溫室作物光照不足，比如冬季及早春季節(jié)的連續(xù)陰雨天氣、頻發(fā)的霧霾天氣等。光照不足直接對溫室作物產生不利的影響，給生產造成嚴重損失。植物補光燈可以有效緩解或解決這些問題。
白熾燈、熒光燈、金鹵燈、高壓鈉燈以及新興的LED燈都曾經或正在溫室補光中得到應用。在這些光源類型中，高壓鈉燈擁有較高的光效、較長的使用壽命、較高的綜合能效，占據(jù)了一定的市場地位，但是高壓鈉燈照明持續(xù)性差、安全性（含汞）較低、不可近距離照射等問題也很突出。部分學者就LED燈在未來或可克服高壓鈉燈性能不足的問題上持積極態(tài)度。然而，LED價格昂貴、補光技術難配套，補光理論欠完善，再者LED植物補光燈產品規(guī)格混亂，使得用戶對LED在植物補光應用上提出質疑。所以該文系統(tǒng)總結前人研究成果及其生產應用現(xiàn)狀，為溫室補光中的光源選擇和應用提供參照。
高壓鈉燈和LED照明的差異性
♦ 發(fā)光原理及外部構造的差異性
高壓鈉燈由內到外由汞、鈉、氙電弧管燈芯、玻殼、消氣劑燈頭等構成。因其核心配件鎮(zhèn)流器的不同又分為電感高壓鈉燈和電子高壓鈉燈，不同功率的高壓鈉燈需使用相應規(guī)格鎮(zhèn)流器。LED又稱發(fā)光二極管，核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有個過渡層，稱作P-N結。電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就會發(fā)出從紫色到紅色不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。按發(fā)光強度和工作電流可分為普通亮度（發(fā)光強度＜ 10 mcd）、高亮度（發(fā)光強度為10~100 mcd）和超高亮度（發(fā)光強度＞ 100 mcd）等類型。其結構主要分為四大塊：配光系統(tǒng)的結構、散熱系統(tǒng)的結構、驅動電路和機械/ 防護結構。
♦ 照射范圍及光譜范圍的差異性
高壓鈉燈燈管的發(fā)光角度為360°，大部分必須通過反射器反射后才能照射到指定區(qū)域，光譜能量分布大致為紅橙光、黃綠光、藍紫光（只占小部分）。根據(jù)LED不同的配光設計，其有效發(fā)光角度可大致分為≤ 180°、180°~300°和≥ 300°三類。LED光源具有波長可調性，可發(fā)出光波較窄的單色光，如紅外、紅色、橙色、黃色、綠色、藍色等，可以根據(jù)不同需要任意組合。
♦ 適用條件和壽命的差異性
高壓鈉燈是第三代照明光源，常規(guī)交變電流下使用范圍較廣，發(fā)光效率高， 有很強的穿透能力，最高壽命為24000h，最低也能維持在12000h。鈉燈進行照明的同時，會伴隨著熱量的產生，所以鈉燈是一種熱光源。在使用過程中，也存在自熄問題。LED作為第四代新型的半導體光源，采用直流驅動，壽命可達到50000 h以上，而且衰減小，作為冷光源，可以貼近植物照射。對比了LED與高壓鈉燈，指出LED安全性較高，不含有害元素，更加環(huán)保。
高壓鈉燈和LED補光對作物影響的差異性
農業(yè)生產中大量的生產實踐和科學研究證明，人工植物補光不僅能增加作物產量，縮短種植周期，還能有效提高作物品質，是現(xiàn)代農業(yè)高效生產的重要保障手段。在育苗和溫室作物管理過程中，利用高壓鈉燈和LED對其進行補光，可促進作物的生長發(fā)育，改變作物的產量、形態(tài)、生理指標。
♦ 產量、品質差異性
作物的高產量和高品質是種植栽培的最終目的。LED補光可使辣椒、番茄和茄子幼苗的品質得到提高，補光10h條件下的番茄單果質量、單株產量增加幅度明顯。LED補光產生的增產效果也表現(xiàn)在黃瓜種植上。LED可以改善葡萄果實的品質，其中藍光補光處理果實發(fā)育最快，果實單粒質量較高，糖含量最高，紫外補光處理果實成熟期時單粒質量最大。同樣，70W高壓鈉燈明顯對草莓的單株產量產生增產效應，增產幅度為17.9%。高壓鈉燈和LED補光對植株的形態(tài)產生顯著影響。通過LED側面補光處理也提高了黃瓜視覺果實品質。在鈉燈的基礎上增加LED，對比只有鈉燈的處理，黃瓜的顏色更鮮艷。
♦ 形態(tài)指標差異性
植株形態(tài)指標是植物生長過程中的重要指標，特別是育苗生產中，決定著移植栽培后植株能否健康生長。通常情況下，LED生長下的針葉樹植株幼苗對比高壓鈉燈有著更好的長勢。光周期12h， 光密度50μmol/(m2·s)，LED 紅光（630~660nm）、橙光（590~610nm）、藍光（450~460nm）、綠光（520~540nm）處理，分別比自然光[120μmol/(m2·s)] 均顯著提高了‘賽田’番茄幼苗的壯苗指數(shù)。使用自制的LED進行補光后，也發(fā)現(xiàn)辣椒、番茄和茄子幼苗的株高、莖粗、葉面積明顯增長，而且LED株間補光使番茄上部、中部、下部葉片的單位面積質量均顯著增加。溫室番茄品種‘Maxifort’前期利用61±2μmol/(m2·s) 高壓鈉燈、自然光、3種不同比例紅藍光進行補光，發(fā)現(xiàn)95%紅光+5%藍光LED下的番茄葉面積和葉片數(shù)量要高于高壓鈉燈。LED燈補光對西瓜嫁接苗株高、莖粗和葉面積的增加效果都要優(yōu)于高壓鈉燈處理。這些結果都表明，LED光譜配比適宜下，植株葉片生長狀況高于高壓鈉燈。然而，LED下玫瑰莖伸長和葉面積較低，幾種植物處理之間干重和鮮重沒有顯著性差異，符合研究LED處理和高壓鈉燈處理下生長的辣椒、番茄、天竺葵、矮牽牛和金魚草的幼苗具有相似的干物質量。200μmol/(m2·s) 高壓鈉燈補光下的番茄幼苗高度、葉片數(shù)量、鮮重和干重均大于相同光密度下的紅藍LED燈組合。而且，LED和高壓鈉燈交替照射下的番茄植株鮮重低于單獨使用高壓鈉燈，在高壓鈉燈下葉子的葉片透射率和反射率較高，這也使光線更好地進入樹冠。經過一系列比較，發(fā)現(xiàn)不同試驗結果的出現(xiàn)，與試驗方法設計的不同，LED燈光配比、溫度、光密度不同有顯著的關系。
♦ 生理差異性
葉綠素的含量直接影響葉片光合產物的積累。有研究表明，LED生長下的針葉樹幼苗氣體交換律和葉綠素含量均高于高壓鈉燈。高壓鈉燈處理，LED補光9~13天處理的砧木子葉葉綠素含量值均顯著高于自然光照。LED燈補光有利于白菜光合色素的積累。在Ptushenko所做的8個生長試驗中，有5個在LED補光下生長的植物中的平均光合色素含量（每單位葉面積）較高于高壓鈉燈。200μmol/(m2·s)的紅藍LED燈組合的番茄幼苗的葉綠素a、葉綠素b含量大于相同光密度下的高壓鈉燈。類胡蘿卜素是葉綠體進行光合作用的輔助色素，其功能是消耗光系統(tǒng)Ⅱ(PS Ⅱ)中過剩的能量，保護葉綠素免受強光破壞。Dlugosz研究表明，用高壓鈉燈補光會使萵苣中類胡蘿卜素和硝酸鹽濃度增加。LED補光下辣椒、番茄和茄子幼苗葉中的可溶性糖、類胡蘿卜素及含氮量均有不同幅度的提高, 蒸騰速率加快。在植物同時生長并且用高壓鈉燈和LED（RB,RW）照明進行測試時觀察到，用高壓鈉燈補光時番茄和洋桔梗的水分利用效率高于LED處理，蒸騰速率低于LED處理，在凈CO2交換速率和最終生物量之間沒有差異，然而，不同處理下最大光合速率都是相同的。除此之外，LED(R:FR=3.09) 500μmol/(m2·s) 能顯著的影響小扁豆的開花時間和開花速率。LED和高壓鈉燈補光均可以提高光合色素的含量，而且LED在光合色素的積累上要高于高壓鈉燈，蒸騰速率也要高于鈉燈，LED中特殊光譜配比也可以對某些植物的開花效應產生影響。此外，必須指出的是，單憑葉綠素含量指標，不能正向指示光照對植物光合能力的影響效應，因為當植物遭遇低光密度環(huán)境時，會自動適應弱光逆境，在葉片里富集更多的葉綠素以獲取更多的光能。
高壓鈉燈和LED生產成本的差異性
相比于傳統(tǒng)光源，高壓鈉燈和LED的優(yōu)勢明顯。用高壓鈉燈補光和紅藍LED燈，對植物冠層實施頂部補光，兩者能夠達到相同的產量，LED只需要消耗75%的能量。有報道指出，達到相同能效的條件下，LED初期的投資成本是高壓鈉燈裝置的5~10倍，初期高成本使得使用5年中LED每摩爾光量子成本是高壓鈉燈2~3倍。對于花壇植物來說，150W高壓鈉燈和14W LED可以達到相同的效果，相比之下14W LED更加經濟。在550m2區(qū)域內，單獨使用高壓鈉燈每千克黃瓜的成本是1.3美元，鈉燈加單排LED燈的成本是1.45美元，鈉燈加2排LED的成本是1.72美元，利潤成本比率分別是2.31、2.07、1.74。在棚室內使用LED，需要架設的數(shù)量多，一次性投入的成本較大，對于個體菜農來說，投資難度較大。LED節(jié)電所產生的降費效應能否在其有效壽命期充分彌補其初始投資及后續(xù)財務成本，需要仔細核算衡量。
結論與展望
綠色植物吸收的最多的是波長為600~700nm的紅橙光和波長為400~500nm的藍紫光， 對波長在500~600nm的綠色光只有微量吸收。高壓鈉燈和LED都可以滿足植株的光照需要, NASA（National Aeronautics and Space Administration）采用LED的最初研究目的就是為了提高能效、減少經營和管理的成本、提高經濟作物的品質。此外，LED可以廣泛應用于高質量的藥用作物的生產，還有學者指出LED技術在提高植物的生長中擁有巨大的潛力。
高壓鈉燈價格適中，可以為廣大農戶所接受，短期見效能力優(yōu)于LED，其配套的補光技術已經較為成熟，目前還在大規(guī)模使用當中。但是高壓鈉燈需要安裝鎮(zhèn)流器及相關電器，增加了其使用成本。相比較高壓鈉燈，LED擁有較窄的光譜可調性，安全、可靠性高。LED在植物生理試驗應用中具有靈活性。但是，在實際的生產中，成本較高、光衰較大、使用壽命遠遠達不到理論值，在作物產量上，LED對比高壓鈉燈沒有明顯的優(yōu)勢。具體使用中，應該根據(jù)栽培需求、應用目標、投資能力和成本控制等實際情況，合理選擇。（作者：南京農業(yè)大學農學院尤杰）
來源：溫室園藝
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