在未來滿足食物增長(zhǎng)需求中，溫室這種相對(duì)封閉的生產(chǎn)系統(tǒng)，將扮演重要角色。近年來，溫室光照不足已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注，一方面是由于溫室方位、結(jié)構(gòu)、覆蓋材料特性所導(dǎo)致的溫室透光率下降，另一方面是由于氣候變化所導(dǎo)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(duì)溫室作物產(chǎn)生不利的影響，給生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。植物補(bǔ)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(jīng)或正在溫室補(bǔ)光中得到應(yīng)用。在這些光源類型中，高壓鈉燈擁有較高的光效、較長(zhǎng)的使用壽命、較高的綜合能效，占據(jù)了一定的市場(chǎng)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(xué)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(jià)格昂貴、補(bǔ)光技術(shù)難配套，補(bǔ)光理論欠完善，再者LED植物補(bǔ)光燈產(chǎn)品規(guī)格混亂，使得用戶對(duì)LED在植物補(bǔ)光應(yīng)用上提出質(zhì)疑。所以該文系統(tǒng)總結(jié)前人研究成果及其生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀，為溫室補(bǔ)光中的光源選擇和應(yīng)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(gòu)造的差異性
高壓鈉燈由內(nèi)到外由汞、鈉、氙電弧管燈芯、玻殼、消氣劑燈頭等構(gòu)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(yīng)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(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有個(gè)過渡層，稱作P-N結(jié)。電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就會(huì)發(fā)出從紫色到紅色不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流可分為普通亮度（發(fā)光強(qiáng)度＜ 10 mcd）、高亮度（發(fā)光強(qiáng)度為10~100 mcd）和超高亮度（發(fā)光強(qiáng)度＞ 100 mcd）等類型。其結(jié)構(gòu)主要分為四大塊：配光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)械/ 防護(hù)結(jié)構(gòu)。
♦ 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(lán)紫光（只占小部分）。根據(jù)LED不同的配光設(shè)計(jì)，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(zhǎng)可調(diào)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(lán)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(qiáng)的穿透能力，最高壽命為24000h，最低也能維持在12000h。鈉燈進(jìn)行照明的同時(shí)，會(huì)伴隨著熱量的產(chǎn)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(dǎo)體光源，采用直流驅(qū)動(dòng)，壽命可達(dá)到50000 h以上，而且衰減小，作為冷光源，可以貼近植物照射。對(duì)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(bǔ)光對(duì)作物影響的差異性
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究證明，人工植物補(bǔ)光不僅能增加作物產(chǎn)量，縮短種植周期，還能有效提高作物品質(zhì)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)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(duì)其進(jìn)行補(bǔ)光，可促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，改變作物的產(chǎn)量、形態(tài)、生理指標(biāo)。
♦ 產(chǎn)量、品質(zhì)差異性
作物的高產(chǎn)量和高品質(zhì)是種植栽培的最終目的。LED補(bǔ)光可使辣椒、番茄和茄子幼苗的品質(zhì)得到提高，補(bǔ)光10h條件下的番茄單果質(zhì)量、單株產(chǎn)量增加幅度明顯。LED補(bǔ)光產(chǎn)生的增產(chǎn)效果也表現(xiàn)在黃瓜種植上。LED可以改善葡萄果實(shí)的品質(zhì)，其中藍(lán)光補(bǔ)光處理果實(shí)發(fā)育最快，果實(shí)單粒質(zhì)量較高，糖含量最高，紫外補(bǔ)光處理果實(shí)成熟期時(shí)單粒質(zhì)量最大。同樣，70W高壓鈉燈明顯對(duì)草莓的單株產(chǎn)量產(chǎn)生增產(chǎn)效應(yīng)，增產(chǎn)幅度為17.9%。高壓鈉燈和LED補(bǔ)光對(duì)植株的形態(tài)產(chǎn)生顯著影響。通過LED側(cè)面補(bǔ)光處理也提高了黃瓜視覺果實(shí)品質(zhì)。在鈉燈的基礎(chǔ)上增加LED，對(duì)比只有鈉燈的處理，黃瓜的顏色更鮮艷。
♦ 形態(tài)指標(biāo)差異性
植株形態(tài)指標(biāo)是植物生長(zhǎng)過程中的重要指標(biāo)，特別是育苗生產(chǎn)中，決定著移植栽培后植株能否健康生長(zhǎng)。通常情況下，LED生長(zhǎng)下的針葉樹植株幼苗對(duì)比高壓鈉燈有著更好的長(zhǎng)勢(shì)。光周期12h， 光密度50μmol/(m2·s)，LED 紅光（630~660nm）、橙光（590~610nm）、藍(lán)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(jìn)行補(bǔ)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(zhǎng)，而且LED株間補(bǔ)光使番茄上部、中部、下部葉片的單位面積質(zhì)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(lán)光進(jìn)行補(bǔ)光，發(fā)現(xiàn)95%紅光+5%藍(lán)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(bǔ)光對(duì)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(jié)果都表明，LED光譜配比適宜下，植株葉片生長(zhǎng)狀況高于高壓鈉燈。然而，LED下玫瑰莖伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhì)量。200μmol/(m2·s) 高壓鈉燈補(bǔ)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(lán)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(dú)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(jìn)入樹冠。經(jīng)過一系列比較，發(fā)現(xiàn)不同試驗(yàn)結(jié)果的出現(xiàn)，與試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)的不同，LED燈光配比、溫度、光密度不同有顯著的關(guān)系。
♦ 生理差異性
葉綠素的含量直接影響葉片光合產(chǎn)物的積累。有研究表明，LED生長(zhǎng)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(bǔ)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(bǔ)光有利于白菜光合色素的積累。在Ptushenko所做的8個(gè)生長(zhǎng)試驗(yàn)中，有5個(gè)在LED補(bǔ)光下生長(zhǎng)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(lán)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(jìn)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(hù)葉綠素免受強(qiáng)光破壞。Dlugosz研究表明，用高壓鈉燈補(bǔ)光會(huì)使萵苣中類胡蘿卜素和硝酸鹽濃度增加。LED補(bǔ)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(shí)生長(zhǎng)并且用高壓鈉燈和LED（RB,RW）照明進(jìn)行測(cè)試時(shí)觀察到，用高壓鈉燈補(bǔ)光時(shí)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(shí)間和開花速率。LED和高壓鈉燈補(bǔ)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(duì)某些植物的開花效應(yīng)產(chǎn)生影響。此外，必須指出的是，單憑葉綠素含量指標(biāo)，不能正向指示光照對(duì)植物光合能力的影響效應(yīng)，因?yàn)楫?dāng)植物遭遇低光密度環(huán)境時(shí)，會(huì)自動(dòng)適應(yīng)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(chǎn)成本的差異性
相比于傳統(tǒng)光源，高壓鈉燈和LED的優(yōu)勢(shì)明顯。用高壓鈉燈補(bǔ)光和紅藍(lán)LED燈，對(duì)植物冠層實(shí)施頂部補(bǔ)光，兩者能夠達(dá)到相同的產(chǎn)量，LED只需要消耗75%的能量。有報(bào)道指出，達(dá)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(duì)于花壇植物來說，150W高壓鈉燈和14W LED可以達(dá)到相同的效果，相比之下14W LED更加經(jīng)濟(jì)。在550m2區(qū)域內(nèi)，單獨(dú)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(rùn)成本比率分別是2.31、2.07、1.74。在棚室內(nèi)使用LED，需要架設(shè)的數(shù)量多，一次性投入的成本較大，對(duì)于個(gè)體菜農(nóng)來說，投資難度較大。LED節(jié)電所產(chǎn)生的降費(fèi)效應(yīng)能否在其有效壽命期充分彌補(bǔ)其初始投資及后續(xù)財(cái)務(wù)成本，需要仔細(xì)核算衡量。
結(jié)論與展望
綠色植物吸收的最多的是波長(zhǎng)為600~700nm的紅橙光和波長(zhǎng)為400~500nm的藍(lán)紫光， 對(duì)波長(zhǎng)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(jīng)營和管理的成本、提高經(jīng)濟(jì)作物的品質(zhì)。此外，LED可以廣泛應(yīng)用于高質(zhì)量的藥用作物的生產(chǎn)，還有學(xué)者指出LED技術(shù)在提高植物的生長(zhǎng)中擁有巨大的潛力。
高壓鈉燈價(jià)格適中，可以為廣大農(nóng)戶所接受，短期見效能力優(yōu)于LED，其配套的補(bǔ)光技術(shù)已經(jīng)較為成熟，目前還在大規(guī)模使用當(dāng)中。但是高壓鈉燈需要安裝鎮(zhèn)流器及相關(guān)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(diào)性，安全、可靠性高。LED在植物生理試驗(yàn)應(yīng)用中具有靈活性。但是，在實(shí)際的生產(chǎn)中，成本較高、光衰較大、使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論值，在作物產(chǎn)量上，LED對(duì)比高壓鈉燈沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。具體使用中，應(yīng)該根據(jù)栽培需求、應(yīng)用目標(biāo)、投資能力和成本控制等實(shí)際情況，合理選擇。（作者：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院尤杰）
來源：溫室園藝
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