[整理]LED植物光照系统及应用.

植物光照灯之LED组培灯的应用
撰写者、；何立班级：12控制3-2班
光是植物生长中的重要环境因子之一。

LED因体积小、质量轻、寿命长、光强可调等优点，使其成为植物光环境调控的重要光源之一，并在节能和促进植物生长方面都具有明显的优势。

目前，LED在植物组织培养研究中已得到一定的应用，并取得了一些较大的进展。

本文介绍了LED的主要特点及其在植物组织培养中的应用情况。

LED独有的优点，使其成为植物组织培养研究的重要光源之一。

20世纪80年代以来，世界上一些国家陆续开始了LED在植物组织培养中应用的研究。

中国的一些高等院校和科研机构也开始了该方面的研究，并取得了一些可喜的进展。

本文简要从以下几个方面对LED在植物设施栽培方面已做过的工作做一个总结，并对它在该领域的应用前景做一个评估。

1光照与植物
光是植物生长中最重要的环境因子之一，它不仅为植物光合作用提供辐射能，还为植物提供信号转导，调节其发育过程。

植物在它的整个生命周期中始终处于一个不断变化的光环境中，在长期的进化中，植物不仅适应了光环境的变化，而且还能相互影响而改变周围的光环境。

到达地面的太阳光波长大约从300~2 600 nm，其中对光合作用的有效波长在4 00~700 nm之间，其中425~490 nm的蓝光以及610~700 nm的红光对光合作用贡献率最大，而520~610 nm(绿色)的光线被植物吸收的比率很低[2]。

可见，并不是所有的光都有助于植物的光合作用。

色素可以吸收光能来产生一系列的生化反应，不同的色素吸收的波长不同。

植物体内有很多色素，分别起着不同的作用，但有两种色素，即光敏色素和隐花色素在调节植物对光的反应中起着关键性的作用。

光敏色素有两个互变异构体—红光光敏色素(Pr)和远红光光敏色素(Pfr)。

Pr吸收波长为660 nm左右的红光，Pfr吸收波长为730 nm左右的远红光。

光敏色素调节多种不同植物对光的反应，包括光周期，种子萌发、展叶、下胚轴伸长和脱黄化。

隐花色素吸收蓝光和紫外光范围的光波，其它色素与植物的发育有关
由此可见，460 nm左右的蓝光和660 nm左右的红光是植物最需要的光波，并对植物的生长发育起着关键性的作用。

2 LED简介及优点
LED(light-emitting diodes)，即发光二极管，是一种可以有效地把电能转变成电磁辐射的装置[3]。

1962年，GE、Monsanto、IBM 的联合实验室开发出发红光的半导体化合物GaAsP。

1965年，全球第一款商用化的用锗材料做成的可发出红外光的LED诞生。

随着技术的
不断进步，近年来白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已经达到30 lm/W，实验室研究成果可以达到60 lm/W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。

LED具有体积小、重量轻、固态、寿命长、波长特殊、驱动电压较低、光效率高、能耗小、安全、可靠耐用、不容易色衰的优点，且红光LED光子具有较大的光通量。

另外，LED具有较窄的波谱，波谱半宽范围从几纳米到几十纳米，在±20 nm左右，波长正好与植物光合成和光形态形成的光谱范围相吻合。

3 LED光源在植物组织培养中的应用
LED在植物组织培养中的应用是基于LED技术的发展和植物组织培养环境调控而发展起来的[9-10]。

世界上最早将LED用于植物栽培的是日本的三菱公司，早在1982年就有关于波长为650 nm的红光LED光源用于温室番茄补光的试验报告[6]。

后来LED也被应用于植
物组织培养中的环境调控，并对LED在节能方面的作用加以探讨[11]。

目前，LED在植物组织培养中的应用主要集中在光质和光强对组培苗生长影响方面，而对光周期等研究较少。

就世界范围来说，LED在植物组织培养中的应用研究主要集中在日本和美国。

日本的研究处于国际领先地位，不但开发了专门应用于植物组织培养的LED发光系统，而且与其它环境调控因子相结合，取得了一些重要的基础数据。

中国一些科研机构也开始了这方面的研究，并自主开发了一些LED光源系统，用于植物组织培养研究工作。

LED诞生之初，人们用660 nm左右的红光LED作为主光源，荧光灯作为辅助光源进行研究，随着LED技术的不断发展，各种波段的LED纷纷被用于植物组织培养，主要有660 nm左右红光，460 nm左右蓝光，730 nm左右远红光和白光。

日本的Tanaka等[18]较早地利用LED作为兰花组培苗光源，发现红光可促进大花蕙兰试管苗叶片的生长，但会降低叶绿素含量，不过这种现象可被蓝光所抵消，试管苗生长的最佳红蓝光比例为8∶2。

Le Van等人研究表明，在红蓝光比例为3:1时愈伤组织的生长效果最佳，但100%的红光对愈伤组织的诱导率最高。

Anzelika等在对葡萄的组织培养中发现，光谱中的蓝光成分阻止试管苗的伸长，但能促进叶的形成和各种光合色素的合成。

远红光成分PPF的增减对干鲜重的积累和光合色素的合成也都有明显的影响。

红光LED有助于增加株高、节间长和生根率，而蓝光与叶绿素的合成和气孔的发育有关。

尽管在红光LED条件下叶绿素含量较低，但是这个作用可以通过照射蓝光LED或荧光灯来削弱。

另外红光有利于可溶性糖和淀粉的积累，降低色素含量。

而蓝光能够逆转此效应，可促进色素和可溶性蛋白的合成。

红光和蓝光组合处理的叶中可溶性糖和淀粉含量以及根系活力均高于白光处理，尤以高R/B配比光处理的组培苗生长健壮，移栽成活率最高。

张婕等[14]研究表明，红蓝光比例7∶3的条件下，菊花组培苗的生长状况最好。

蒋要卫[12]研究表明，含有较大红光比例LED光源对大花蕙兰和蝴蝶兰试管苗的影响优
于含有较大蓝光比例的LED光源。

岳岚[19]研究表明，在红蓝光比例为3∶1时牡丹品种“乌龙捧盛”和“洛阳红”试管苗的各生长指标均较好，而胡红试管苗在红蓝光比例为1∶1时生长良好。

但在全红光和全蓝光时试管苗植株较矮，长势较差。

总体来说红光有利于植物茎和根的伸长，促进形态建成，远红光和蓝光处理的植株矮小，根短细。

对植物来说，光强即光合量子通量(PPF，其单位为
μmol/(m2·s))，是影响植物光合作用的重要参数之一。

Nhut等人研究发现，当PPF为60μmol/(m2·s)时，草莓组培苗的生长状况最好;白鹤芋组培苗在60~70μmol/(m2·s)时，其地上部分和地下部分鲜重较高。

Anzelika等人[18]用四种不同波长的LED灯进行葡萄组培苗培养，发现适合葡萄组培苗生长的总的PPF值的范围为
40~55μmol/(m2·s)。

张婕等人对菊花的研究证明，光强为
60μmol/(m2·s)时组培苗的株高、叶数、根数、最长根长、干重等主要生长指标都显著高于对照。

4 LED光源在植物组织培养中的应用前景
LED本身的一些缺点，如：亮度低、PN结散热困难、光斑亮度和色度均匀性差，以及价格高等都限制了LED在植物组织培养中的推广和应用，不利于LED在植物组培产业化生产中的规模化应用。

而北京大学东莞生物光环境科技有限公司解决这个难题，北京大学东莞生物光环境科技有限公司积极响应国家的政策法规，勇于科技创新，从源
头上突破了LED本身的技术难题，不仅解决了Led植物组培灯的亮度、散热和色度问题，而且使LED的价格有所降低，这都将有助于LED在组织培养中的广泛应用。

LED植物灯原理
led植物生长灯是种植物灯的一种，依照植物生长规律必须需要太阳光，而植物生长灯就是利用太阳光的原理，灯光代替太阳光给植物生长发育环境的一种灯具。

led植物生长灯
原理：
光环境是植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一，通过光质调节，控制植株形态建成是设施栽培领域的一项重要技术。

特征：
波长类型丰富、正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合；频谱波宽度半宽窄，可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱，；可以集中特定波长的光均衡地照射作物；不仅可以调节作物开花与结实，而且还能控制株高和植物的营养成分；系统发热少，占用空间小，可用于多层栽培立体组合系统，实现了低热负荷和生产空间小型化；
LED在植物栽培中的应用
光环境是植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一，通过光质调节，控制植株形态建成是设施栽培领域的一项重要技术。

作为第四代新型照明光源，LED具有许多不同于其他电光源的特点（表1），这也使其成为节能环保光源的首选。

应用于植物培养领域的LED还表现以下特征：波长类型丰富、正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合；频谱波宽度半宽窄，可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱，；可以集中特定波长的光均衡地照射作物；不仅可以调节作物开花与结实，而且还能控制株高和植物的营养成分；系统发热少，占用空间小，可用于多层栽培立体组合系统，实现了低热负荷和生产空间小型化；此外，其特强的耐用性也降低了运行成本。

由于这些显著的特征，LED十分适合应用于可控设施环境中的植物栽培，如植物组织培养、设施园艺与工厂化育苗和航天生态生保系统等。

LED应用于植物设施栽培的研究
近十年来，我国设施园艺面积发展迅速，植物生长的光环境控制照明技术已经引起重视。

设施园艺照明技术主要应用于两个方面：
一、在日照量少或日照时间短的时候作为植物光合作用的补充照明；
二、作为植物光周期、光形态建成的诱导照明。

1、LED作为植物光合作用补充照明的研究传统人工光源产生太多热量，如采用LED补充照明和水培系统，空气能够被循环使用，
过多的热量和水份可以被移除，电能能够被高效地转变为有效光合辐射，最终转化为植物物质。

研究表明：采用LED照明，生菜的生长速率、光合速率都提高20%以上，将LED用于植物工厂是可行的。

研究发现，与荧光灯相比，混合波长的LED光源能够显著促进菠菜、萝卜和生菜的生长发育，提高形态指标；能够使甜菜生物积累量最大，毛根中甜菜素积累最显著，并在毛根中产生最高的糖分和淀粉积累。

与金属卤化灯相比，生长在符合波长LED下的胡椒、紫苏植株，其茎、叶的解剖学形态发生显著的变化，并且随着光密度提高，植株的光合速率提高。

复合波长的LED可引起万寿菊和鼠尾草两种植物的气孔数目增多。

2、LED作为植物光周期、光形态建成的诱导照明
特定波长的LED可影响植物的开花时间、品质和花期持续时间。

某些波长的LED能够提高植物的花芽数和开花数；某些波长的LED能够降低成花反应，调控了花梗长度和花期，有利于切花生产和上市。

由此可见通过LED调控可以调控植物的开花和随后的生长。

3、 LED应用于航天生态生保系统的研究
建立受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)是解决长期载人航天生命保障问题的根本途径，高等植物的栽培是CELSS的重要元件，其关键之一光照。

基于空间环境的特殊要求，空间高等植物栽培中使用的光源必须具有发光效率高、输出的光波适合于植物光合作用和形态建成、体积小、重量轻、寿命长、高安全可靠性记录和无环境污染等特点。

与冷白荧光灯、高压钠灯和金属卤素灯等其它光源相比较，LED更能有效地将光能转化成光合有效辐射；此外,它具有寿命长、体积小、重量轻和呈固态等特点，因此，近年来在地面和空间植物栽培中倍受重视。

研究表明LED照明系统能提供光谱能量分布均匀的照明，其电能转换为植物所需光的效率超过金卤灯的520倍。

前景分析
LED以其固有的优越性正吸引着世界的目光。

特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，由于LED光源具有发光效率高、使用寿命长、安全可靠，环保节能等特性，使LED在照明市场的前景更备受全球瞩目。

在传统农业生产中一般使用普通电光源补充光照和应用不同覆盖材料等农业技术措施，如采用单色荧光灯或彩色塑料薄膜，改变光环境以调控设施栽培环境中植物的生长发育。

但这些措施存在着不同程度的问题，如缺乏对具体光谱成分的分析导致光质处理不纯，光强
不一致、接近甚至或低于植物的光补偿点，照射光源能效低等。

LED 在植物设施栽培环境中的大量应用研究结果表明，LED能够解决这些难题，特别适合应用于人工光控制型植物设施栽培环境。

LED植物灯原理
植物都需要阳光的照射才能生长的更加茂盛。

光对植物生长的作用是促进植物叶绿素吸收二氧化碳和水等养份，合成碳水化合物。

但现代科学可以让植物在没有太阳的地方更好地生长，人们掌握了植物对太阳需要的内在原理，就是叶片的光合作用，在叶片光合作用时需要外界光子的激发才可完成整个光合过程，太阳光线就是光子激发的一过供能过程。

人为的创造光源也同样可以让植物完成光合过程，现代园艺或者植物工厂内都结合了补光技术或者完全的人工光技术。

科学家发现蓝光区和红光区十分接近植物光合作用的效率曲线，是植物生长的最佳光源。

LED植物灯知识：
1、不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的，植物光合作用需要的光线，波长在400-700nm左右。

400-500nm（蓝色）的光线以及610-720nm（红色）对于光合作用贡献最大。

2、蓝色（470nm）和红色（630nm）的LED,刚好可以提供植物所需的光线，因此，LED植物灯，比较理想的选择就是使用这两种颜色组合。

在视觉效果上，红蓝组合的植物灯呈现粉红色。

3、蓝色光能促进绿叶生长；红色光有助于开花结果和延长花期。

4、LED植物灯的红蓝LED比例一般在4:1--9:1之间为宜，通常可选4-7:1.
5、用植物灯给植物补光时，一般距离叶片的高度为0.5米左右，每天持续照射12-16小时可完全替代阳光。

采用LED半导体灯泡配置出最适合植物生长的光源
按比例设置的彩色灯光能让草莓、西红柿变得更甜，营养更丰富。

用灯光照射冬青幼苗，就是模仿植物在室外的光合作用。

光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧的过程。

太阳光是由不同颜色的光线组成的，不同颜色的光对植物生长能产生不同的作用。

LED光源又称半导体光源，这种光源波长比较窄，能控制光的颜色。

用它对植物进行单独照射，就能改良植物品种。

经试验在紫色光线下的冬青幼苗，长得最高，但叶片很小，根也浅，一副营养不良的样子。

偏黄色灯光下的幼苗不仅矮小，叶片看起来也毫无生机。

而在红色、蓝色混合光下生长的冬青长势最好，不仅强壮，根系也非常发达。

这种LED光源的红色灯泡和蓝色灯泡是按照9:1的比例配置的。

结果证明，9:1的红蓝光对植物生长最有利，经过这种光源照射，草莓和西红柿果实饱满，糖分和维生素C的含量明显增加，而
且不会出现空心的现象。

每天持续照射12-16小时，生长在这样光源下的草莓、西红柿，会比普通的大棚水果更好吃。

LED植物生长灯还能用于冬季阴雨天气给植物补充光源
灯头：国际通用标准E27/E26结构
电压：交流AC120V~240V
尺寸：外径：62mm 高度：95mm
LED个数：54颗红色配6颗蓝色或6颗大功率1W红色配1颗大功率1W蓝色
颜色：红色蓝色粉色
发光角度：60-120度
适用范围：蔬菜大棚，农林园艺，
耗能：3-7W（相对普通灯泡，可省掉95%以上电费）
寿命：30000-50000小时
LED植物生长灯采用进口芯片，亮度高光衰低，耗能小效率高，促进植物生长效果很明显，具有极低耗能超长寿命等特点，是其他普通补光灯不可相比的，广泛用于植物栽培场所等照明使用，可以代替太阳光给室内花卉、大棚蔬
菜、园林苗圃等进行补光以助长、
调节花期、维持生存等。

补光效
果绝对优于高压钠灯、低压钠灯、
金卤灯、飞利浦植物补光灯、稀
土植物补光灯等传统植物补光灯。

白光LED的基本参数
白光是复合光，可以用红、绿、蓝(R、G、B)三基色LED混合成白光。

1995年前后生产的一种集成LED白光灯(或称全色LED灯)由2个高亮度蓝光LED、15个绿光LED及5个红光LED组成。

一般来说，冷白光的色温为4500-10000K，主波长为5500Knm，典型光通量为150lm。

暖白光的色温为2850-3800K，主波长为3300Knm，典型光通量为135lm 。

蓝光的色温为20000K，主波长为470K，典型光通量为4.97lm。

光线光谱与植物光合作用的关系
光谱范围对植物生理的影响：
280 - 315nm 对形态与生理过程的影响极小
315 -400nnm 叶绿素吸收少，影响光周期效应，阻止茎伸长
400 -520nm（蓝）叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大
520 -610nm 色素的吸收率不高
610 -720nm（红）叶绿素吸收率低，对光合作用与光周期效应有显著影响
720 -1000nm 吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽
＞1000nm 转换成为热量
Harry Stijger（《Flower Tech》2004年7（2））认为：事实上在光合作用过程中，光颜色的影响性并无不同，因此使用全光谱最有利于植物的发育。

植物对光谱的敏感性与人眼不同。

人眼最敏感的光谱为555nm，介于黄-绿光。

对蓝光区与红光区敏感性较差。

植物则不然，对于红
光光谱最为敏感，对绿光较不敏感，但是敏感性的差异不似人眼如此悬殊。

植物对光谱最大的敏感地区为400-700nm。

此区段光谱通常称为光合作用有效能量区域。

阳光的能量约有45％位于此段光谱。

因
此如果以人工光源以补充光量，光源的光谱分布也应该接近于此范围。

光源射出的光子能量因波长而不同。

例如波长400nm（蓝光）的能量为700nm（红光）能量的
1.75倍。

但是对于光合作用而
言，两者波长的作用结果则是
相同。

蓝色光谱中多余不能作
为光合作用的能量则转变为热
量。

换言之，植物光合作用速
率是由400-700nm中植物所能
吸收的光子数目决定，而与各光谱所送出的光子数目并不相关。

但是一般人的通识都认为光颜色影响了光合作用速率。

植物对所有光谱而言，其敏感性有所不同。

此原因来自叶片内色素（pigments）的特殊吸收性。

其中以叶绿素最为人所知晓。

但是叶绿素并非对光合作用唯一有用的色素。

其它色素也参与光合作用，因此光合作用效率无法仅有考虑叶绿素的吸收光谱。

光合作用路径的相异也与颜色不相关。

光能量由叶片中的叶绿素与胡萝卜素所吸收。

能量由两种光合系统以固定水分与二氧化碳转变成为葡萄糖与氧气。

此过程利用所有可见光的光谱，因此各种颜色的光源对于光合作用的影响几乎没有不同。

有些研究人员认为在橘红光部分有最大的光合作用能力。

但是此并不表示植物应该栽培于此种单色光源。

对植物的形态发展与叶片颜色而言，植物应该接收各种平衡的光源。

蓝色光源（400-500nm）对植物的分化与气孔的调节十分重要。

如果蓝光不足，远红光的比例太多，茎部将过度成长，而容易造成叶片黄化。

红光光谱（655~665nm）能量与远红光光谱（725~735nm）能量的比例在1.0与1.2之间，植物的发育将是正长。

但是每种植物对于这些光谱比例的敏感性也不同。

在温室内部常常以高压钠灯做为人工光源。

以Philips Master SON-TPIA灯源为例，在橘红色光谱区有最高能量。

然而在远红外光的能量并不高，因此红光/远红光能量比例大于2.0。

但是由于温室仍有自然阳光，因此并未造成植物变短。

(如果在生长箱使用此光源，就可能产生影响。

)
在自然阳光下，蓝光能量占有20％。

对人工光源而言，并不需要如此高的比例。

对正常发育的植物而言，多数植物只需要400-700nm 范围内6％的蓝光能源。

在自然阳光下，已有此足够蓝光能量。

因此人工光源不需要额外补充更多的蓝光光谱。

但是在自然光源不足时（如冬天），人工光源需要增加蓝光能量，否则蓝色光源将成为植物生长的限制影响因子。

但是如果不用光源改善方法，仍是有其它方法可补救此光源不足问题。

例如以温度调节或是施用生长荷尔蒙。

由BSE研究室对光源与植
物组培养苗发育关系的研究结
果，有两点结论与此篇文章相
近：
一、光源的颜色并不影响光合作用速率，因此也不影响鲜重或干物重。

影响光合作用速率的主要因子仍是光量与温度。

二、光质影响了组培苗的形态，例如组培苗节距长度（苗的高度），叶片叶绿素含量，地下物与地下物的比例等。

(中兴大学生物系统工程研究室陈加忠)
光合作用的过程
光反应阶段光合作用第一个阶段中的化学反应，必须有光能才能进行，这个阶段叫做光反应阶段。

光反应阶段的化学反应是在叶绿体内的类囊体上进行的。

暗反应阶段光合作用第二个阶段中的化学反应，没有光能也可以进行，这个阶段叫做暗反应阶段。

暗反应阶段中的化学反应是在叶绿体内的基质中进行的。

光反应阶段和暗反应阶段是一个整体，在光合作用的过程中，二者是紧密联系、缺一不可的。

光合作用的重要意义:光合作用为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供了物质来源和能量来源。

因此，光合作用对于人类和整个生物界都具有非常重要的意义。

光合作用的意义可以概括为以下几个方面:
一、制造有机物。

绿色植物通过光合作用制造有机物的数量是非常巨大的。

据估计，地球上的绿色植物每年大约制造四五千亿吨有机物，这远远超过了地球上每年工业产品的总产量。

所以，人们把地球上的绿色植物比作庞大的“绿色工厂”。

绿色植物的生存离不开自身通过光合作用制造的有机物。

人类和动物的食物也都直接或间接地来自光合作用制造的有机物。

二、转化并储存太阳能。

绿色植物通过光合作用将太阳能转化成化学能，并储存在光合作用制造的有机物中。

地球上几乎所有的生物，都是直接或间接利用这些能量作为生命活动的能源的。

煤炭、石油、天然气等燃料中所含有的能量，归根到底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的。

三、使大气中的氧和二氧化碳的含量相对稳定。

据估计，全世界所有生物通过呼吸作用消耗的氧和燃烧各种燃料所消耗的氧，平均为10000 T／s(吨每秒)。

以这样的消耗氧的速度计算，大气中的氧大约只需二千年就会用完。

然而，这种情况并没有发生。

这是因为绿色植物广泛地分布在地球上，不断地通过光合作用吸收二氧化碳和释放氧，从而使大气中的氧和二氧化碳的含量保持着相对的稳定。