【導讀】植物照明作為現代農業建設環節中重要的一部分，具有廣闊的市場前景。本期從植物對于光照的需求出發，論述了光特性對植物生長發育的影響，分析了植物生長所需照明光源的設計要素，闡述了植物照明的應用現狀，探討了國內外植物照明發展趨勢。
植物照明技術作為現代農業建設環節中重要的一部分，傳統人工補光主要是通過白熾燈、鹵素燈以及高壓鈉燈等途徑進行的。而這些傳統光源具有發光波長單一、能耗大等缺點。LED 作為新型光源，與傳統光源相比其優點包括：
1）LED作為單色光光源，可以根據植物生長需求對光環境進行調控，形成適宜植物生長的最優環境；
2）LED光源體積小，可以通過自由設計照明系統的結構增加空間栽培密度，適用于多層栽培立體組合系統；
3）LED屬于冷光源，發熱量小，從而可以實現對植物進行近距離的照射而不被灼傷。
LED在現代農業領域的應用已引起國內外廣泛關注，被應用于人工補光領域達到增產、高效、優質的目的。
1、LED光特性對植物生長發育的影響
（1）光照強度對植物生長發育的影響
光照強度主要影響植物的光合作速率，進而改變植物的形態。植物對光強的需求通常采用光補償點和光飽和點表示，當光照強度<光補償點時，呼吸速率大于光合速率； 當光補償點<光照強度<光飽和點時，植物進行正常的光合作用；當光照強度>光飽和點時，蒸騰作用加快，植物為了防止水分過多流失而關閉氣孔，引發氧化脅迫，對光合作用產生較大的危害，這種現象稱為“光合午休”，如圖1所示。
由圖1可以看出，植物凈光合速率日變化進行是一條雙峰曲線，上下各有一個高峰，下午峰值通常低于上午的峰值，在兩個峰之間形成中午的一個低谷，該低谷即為午休現象，它發生的時間因不同物種或同一物種處于不同環境而異，一般集中在11~15 時之間。光合午休是植物適應不良外界環境而產生的一種自我保護的生理現象，但是在正午光強最大時光合作用利用率低。有研究表明，在光合午休現象嚴重的時候，它可以使植物的日光合生產力降低30%~50%，甚至更多。因此，在采用人工光源培養植物時，所提供的植物光照應該接近或者等于植物的光飽和點。
光強除了影響植物光合作用速率，還影響果實的品質。弱光條件會對植物造成不利的影響，如對辣椒進行遮光處理，會提高辣椒的開花節位，降低成花率，花粉無法正常發育，對辣椒的果實形成和產量造成不良影響。但是，在連續高溫環境下，遮蔭能有效改善水環境，減小對植物造成的傷害。
（2）光質對植物生長發育的影響
光質，具體指的是植物接受光照中對應的光譜分布情況，它對植物光合作用和形態建成同樣具有重要影響，不同光質下植物的生物學效應如表 1 所示。
從表 1 可以看出，太陽光光譜組成絕大部分在 300~2 600 nm 范圍內，可見光光譜范圍是 380~720 nm，而波長在400~700 nm 的光能夠被植物利用進行光合作用，成為植物光合有效輻射。對于波長小于 400 nm 的紫外光以及波長為 700~800 nm的紅外光，盡管無法直接對光合作用產生驅動，但是能夠作為一種環境信號對植物生長發育進程及代謝產生影響。
研究發現，紅光對子葉生長和頂端彎勾的伸長有著極大的促進作用，并且能增大葉片的生長速率，但是單純紅光照射又會限制了葉子的擴大。通過補充紅光可以顯著地提高番茄和黃光幼苗的株高。
藍光主要影響植物根系和莖稈的生長發育，藍光照射下作物幼苗發根數目，而且藍光能夠提高幼苗根系活力和吸收面積。藍光對莖伸長有著抑制作用，與白光相比，藍光明顯使株高減少，但能夠使莖粗增加。
（3）光周期對植物生長發育的影響
光周期作為調節植物生長發育重要的信號源，如植物的開花時間與時令密切相關，迎春花在早春開花，而菊花要到秋天才開花，這與植物通過感受周期性的光照時間變化來調節自身生長周期有關。它對植物種子萌發、植物開花時間和植物休眠等有深遠影響。如秋海棠種子必須處于 8~12 h 的光周期才能最大程度地萌發；花旗杉需要16h才能加速種子萌發。光周期影響植物莖的伸長和內部生長激素的水平，誘導與促進營養生長相關基因的表達。通過對光周期進行恰當延長，可以增加植物光合作用的時間，碳水化合物的比例也會增加，從而有利于植物萌發。
植物可以分為3大類：長日照植物、短日照植物和日中性植物。許多植物開花有明確的極限日照時間，稱為臨界日常，長日植物開花時間需要長于臨界日長，菠菜的臨界日長為13h，日照長于13h才開花，短于13h推遲開花或不開花；而短日植物則要求短于臨界日長，日照越短，開花越早，如煙草為14h，采用人工遮擋能夠誘導提早開花；采用夜間補光或延長光照等模式能推遲花期。
光周期也是誘導植物休眠發生的重要因素。如草莓因短日照延長生長，楊樹、桑樹在內的木本植物會因為光期減少發生休眠現象。
2、LED人工光源設計要素分析
（1）光譜分布
不同光源的光譜能量分布的峰值不同，對植物的影響大小相應不同。植物生長發育所需的波長范圍為 400~700 nm，其中紅光（600~700 nm）和藍光（400~500 nm）是光合作用的主要波段。由于紅光的量子效率高于藍光，因此人工光源應用中，紅光比例要高于藍光。自然光下，藍光能量一般占20%，但是人工光源中藍光不需要如此高的比例，對于正常發育的植物而言，藍光不低于7%為宜。因藍光有利于植物葉片生長，所以對于花卉類觀賞性植物，藍光成分可以多點。若藍光不足，紅光比例過多，將造成莖部過度成長，容易造成葉片黃化；藍光過多會導致植物間距緊湊，從而影響光能利用效率。
波長小于 400nm 紫外光以及波長為 730 nm 遠紅光，雖然無法直接驅動光合作用，但是能夠作為一種環境信號影響植物生長發育及代謝過程。
（2）有效補光位置
1）頂部補光
由于傳統光源發熱大，容易使熱量集中從而損傷植物，且光能利用率低，通常避免采用頂部補光的模式，即將人工光源安裝在被照植物正上方某一特定距離，最近距離在10 cm 左右而 LED由于屬于冷光源，不對植物造成傷害。
2）株間側面補光
當采用頂部補光模式時，植物頂部葉片容易遮光，導致下冠層光照不足的問題。株間側面補光能夠促進垂直方向上的光照分布，誘導下面葉片快速同化，提高光照利用效率。經研究發現，分別采用 LED側面補光和高壓鈉燈頂部補光時，兩種方式下番茄產量和品質無明顯區別，但是 LED 側面補光能夠節能36.3%。由此可知，LED光源非常適合于側面補光。
（3）光周期調控
光周期調控是指對植物間接補光或遮光的模式調控其光照時間，從而影響植物花芽分化。需通過明確植物類型（長日、短日、日中性植物）為依據來確定其光周期。對于長日照植物，可以通過人工補光的方式延長光照時間，促使其在短日照時節開花；對于短日照植物，若采取遮光處理可以促進花芽分化，若延長光長可推遲開花。對于大多數作物來說，每天必須保證至少4h的暗期，否則容易出現光合產物在葉片積累，從而降低光能利用效率。
3、人工光照調控植物生長發育研究現狀
人工環境下進行植物幼苗生長時，通過人工補光或全人工光照射植物，可以促進植物生長，提高產量，改善產品形態、色澤等，而且還可以減少害蟲的發生。隨著人工光源技術的發展，利用光質調控對植物生長發育成為一項新型的調控技術。研究發現，在相同光強下，分別采用綠膜和紅膜進行遮蓋，草莓的葉面積與葉柄長度有著明顯增加，但是在藍膜覆蓋下，葉面積與葉柄長度明顯降低。藍光和紫外光減少葡萄單葉面積，紅光處理明顯增加總的干物質積累并促進新梢加粗生長。在紅藍光的基礎上補充綠光能夠減緩萵苣葉片中葉綠素的降解，提高番茄幼苗中葉綠素的含量從而促進幼苗生長。
光調控技術的發展一方面依賴于人工光源技術的進步，另一方面推動了人工光照系統的發展。傳統人工光源包括高壓鈉燈、金屬鹵化物等。
（1）高壓鈉燈的主要發生光譜集中在 560~640 nm 之間，與植物的光合有效輻射的光譜不能夠較好的吻合（400~700 nm），通常采用高壓鈉燈延長植物光照時間從而提高植物產品。但是早期的高壓鈉燈缺少對植物生長起決定性作用的藍光。經改良后，對植物會產生一些負面的影響，如降低葉綠素含量和干物質合成量等。
（2）金屬鹵化物燈中的鏑燈密集型光譜（380~780 nm）相當接近太陽光譜，具有較高的發光效率（> 75 lm/W）和顯色性（Ra>80），但是發射的有效光子束密度相對LED較低，不利于植物的光合作用。
（3）LED 燈不僅可以發出光波較窄的單色光，而且能根據植物需要進行任意組合光源，在植物照明領域應用優勢明顯。
4、小結
無論是促進現代化農業發展的角度，還是實現節能環保的角度，LED 植物照明都具有非常重要的意義，而農業的地位和發展需求也為LED 植物照明發展提供了新的機遇。2013 年以來，全球LED 植物照明市場進入快速發展時期，主要集中在美國、日本、荷蘭等地區。2010 年，日本三菱化學用大型集裝箱改造植物工廠，并以LED 光源進行光合作用。2012 年首套LED 照明的植物工廠系統用來栽培萵苣和嫩葉菜，從而拉開LED 植物照明的帷幕。據LED inside 統計，2014 年全球LED 植物照明市場規模為1億美元，2016 年市場規模為5.75 億美元，預估至2020 年將增長至14 億美元。
國內的植物照明還處于行業發展的初期階段，廠家規模小、數量少、缺乏核心技術和統一的標準規范是國內植物照明技術發展的瓶頸。
為促進LED 人工植物照明行業健康持續發展，需要從以下方面著手。
（1）植物照明是一項專業性、綜合性強的跨學科技術，因此需對LED 光源及植物學等展開全面系統深入的研究。
（2）標準化工作是促進科研成果產業化，支撐產業規范發展的重要手段，因此需加快標準制定工作，完善標準檢測認證體系。
（3）加強政策引導和研發投入。
數據來源：本文來自“張莉, 喻曉鵬, 黃依婷, et al. LED人工補光在植物照明中的應用及發展趨勢[J]. 佛山科學技術學院學報(自然科學版), 2019, 37(01):55-60.”，材料深一度編輯整理，有刪減。
