想进入LED植物照明行业?先搞懂这10大基本问题!

植物照明到底有多火?

在近期北京大学高安研究院研究人员的相关调研结果中就指出,这首先具体展现在LED照明在这个方面的应用领域极为广泛:例如包括了植物组培、叶菜生产、温室补光、植物工厂、育苗工厂、药用植物栽培、食用菌工厂、藻类培养、植物保护、太空果蔬、花卉种植、驱杀蚊虫等。

据悉,其中植物种苗培育、植物组培苗生产、食用菌生产、畜禽养殖业将有望成为先导领域,用LED光源取代传统光源。植物工厂和温室补光是发展最快的半导体照明领域,技术含量高,装备智能化系统性强,是农业半导体照明产业发展的重点。

而通过LED植物照明技术种植出来的果蔬、花卉、药材等产品,则可以大大满足军队边防哨所、高寒地区、水电资源匮乏地区、家庭办公园艺、海洋太空人员、特殊病人等地区或人群的需要。

此外,该领域适用的LED植物照明装置种类繁多,例如有目前在市场上已研发和生产出来的LED植物生长灯、植物生长箱、宅用LED植物生长台灯、驱杀蚊虫灯等。其中,LED植物生长灯常见的形态就有灯泡、灯条、面板灯、灯带、筒灯、灯栅等。

根据统计,当下我国从事LED植物照明的企业超过150家,主要是分布在长三角和珠三角地区。中国农科院预判,包括LED植物照明在内的农业半导体照明市场前景将非常广阔,按照我国现有农业产业规模估算,未来的5年里,农用LED照明灯具及其控制装备的需求量将达到几十亿元,10年内将达到百亿规模,年增长率达到20%~50%,农业半导体照明产业总规模更是可以达到上千亿元。

消息指,虽然我国在LED植物照明技术的起步较晚,并且光生物学规律及LED光源装置和照明智能控制系统的产业化还依然有不少障碍,还需进一步研究。然而,LED光源在植物工厂中的推广应用将会呈现逐年广泛。为此,中国农科院推测,未来10-20年后,中国将成为世界农业半导体照明技术装备产业及其应用大国和强国。

由于LED可发射出植物生理有效辐射300~800nm范围内的窄谱单色光,光质丰富、光源光谱可组合调制、光环境智能可控,LED光源具有环保、节能、体积小、冷光源、低电压、直流电等优势,故此一直有着良好的口碑,被业界人士誉为设施农业的理想光源。

LED植物照明属于农业半导体照明范畴,即采用半导体电光源及其智能化管控装备,按照植物生长的光环境需求规律和生产目标要求,利用人工光创造适宜光环境或弥补自然光照的不足,调控植物的生长,以实现“优质、高产、稳产、高校、生态、安全”生产目标的一种农业工程措施。

LED植物照明属于LED在农业领域的创新性应用,据透露,目前国家对《植物生长用LED照明术语和定义》正在紧锣密鼓的编制中。

鉴于LED植物照明领域的未来发展前景,一切都被描述得切实而美好,也就是在这种巨大的诱惑之下,越来越多的企业前赴后继地进入到LED植物照明行业中来。为此,北京大学高安研究院研究人员归纳出了进入该行业的6大基本点,以及详细介绍了植物照明中光质对光合作用及光形态建成的影响,以供各企业单位学习参考之用。

 进入LED植物照明行业应知的6大基本点 

1、最大的难点在哪?

LED植物照明是生物学、设施园艺学、蔬菜学、植物生理学、植物营养学、生物环境工程、LED照明、智能控制技术等多学科交叉和有机结合发展的产物。所以只擅长半导体、植物、智能化系统之一或两者的都是不够的,充分的协作和交叉研究应用至关重要。进入LED植物照明市场最大的难点是为了研发生产高产优质生态的LED植物光源或灯具,就需要同时解决光环境智能调控、植物光生物学、LED半导体技术三者如何融合与一体的发展问题。

2、植物光生物学指的是什么?

研究植物光生物学规律是LED植物照明的重要基础,包括研究光环境的数量属性(光强和光周期)、质量属性(光质和光谱)、电光源发光特性(占空比、频率)等。植物光生物学具有较高的复杂性和系统性。

光质是指对生物有作用的光质类型,包括可见光、UV和远红光。光质生物学方面,我们要搞清楚以下问题:
第一,光质的生物学功能,研究单一光质及复合光质对植物生长和产量品质影响的生理代谢,分子生物学及蛋白组学机理;
第二,植物种类及品种间光质适应性和利用差异性机理;
第三,光质与环境其他因子互动的生物学机制;
第四,照明设施的光质数量属性有效阈值和基准值。

另外,逆境光质生物学的明确弱光、强光及连续光照下光合机构运转效率的响应机理也需要研究。

3、不同企业但同一种植物的光照配方为何不同?

建立各种植物生长发育、优质高产所需要的光照配方是发展LED植物照明产业的基础。

光照配方是以优质高产为目标,按照特点植物种类及品种生长发育各阶段所需的光质种类及其数量属性的参数集合。每种植物及不同生长阶段所适宜的光照配方都是不同的。

不同企业针对同一种植物的光照配方会不一样,甚至相差很大,主要和企业对植物生长目标有一定关系。简单点说,企业根据市场需求和企业自身发展需要,可以降低要求,只需要超过植物生长的最低光照配方需求,对生物生长的其他环境也放宽要求的话,不仅光照配方会不一样,对于环境控制系统也会很不一样。

相反,企业也可以严格要求,尽量给植物创造最好的生长环境和条件,这样所研发的光照配方就好。未来随着我国LED植物照明领域相关标准和要求的陆续出台,光照配方讲逐步统一或保持基本条件的一致性。

4、LED植物生长光源和灯具研发生产需要注意哪些原则?

LED植物生长光源及灯具是LED植物照明产业的核心,企业需要根据光照配方来研发植物生长所需要的光源及灯具。

以下四个原则要注意:
第一,高光能利用率原则,制定合理光谱组分最大程度增加LED光源的发光效率,减少光源与被照射植物距离,减少光损失,提高光能利用效率;
第二,低成本原则,成本是决定LED植物照明产业化发展的最重要因素之一;
第三,生态安全原则,在红蓝光谱中,增加微量或少量绿光成分,增加视觉健康;
第四,优先开发附加值高的植物专用的LED光源及灯具。

5、植物光环境控制是什么,包括哪些方面?

光环境控制是以优质高产为目标,以植物工厂各生产系统所栽培的植物种类及品种生长各阶段光照配方为基础,通过计算机直接控制和切换光环境参数的时空管理。

例如,温室补光需要考虑自然光日变化参数、环境参数、植物光合生理参数、植物生长阶段和灯具属性,实施经济有效地补光方法,满足光强、光质、光周期需求,节能高效。

植物光环境控制主要是指控制LED灯具的光质、光强、光周期、空间位置和移动速率等。光环境控制具有明显的时空特征,因此建立动态实时控制非常重要,实现LED植物照明光环境控制的自动化、智能化是大势所趋。

6、LED植物照明灯具设计主要关注哪些指标和性能?

LED植物照明灯具设计师需要关注如下指标和性能:1.光照的均匀性;2.光质组配的合理性;3.散热的可靠性;4.LED芯片功率的适宜性;5.发光面的高效性;6.视觉的舒适性。

  光质对光合作用及光形态建成的影响 

1、光对于植物的意义是什么?

光是植物生长发育最重要的环境因子之一。太阳光到达地面的43%~52.5%波长为400~700nm,是人眼可以看到的可见光,这正是光合作用能量和环境信号,通过光合作用和光形态建成途径影响植物的生长发育和产量品质。

第一,光合作用是植物生物量与产量形成的基础,植物95%的干物质源于光合作用产生的碳水化合物。植物对光照条件存在复杂的反应,包括光响应、光抑制、光适应、避阴反应等。太阳的全色光谱中只有部分波段的光被植物吸收产生光合作用,植物的叶片形态、植物的生理反应、等都会影响光合作用。

第二,光形态建成是指光作为环境信号作用于植物,调节植物生长、分化和发育的过程。感受光的受体在植物细胞中含量微少,但对外界光环境的额变化很敏感。例如600~700nm的红光领域促进莴苣种子萌发,而720~740nm远红光领域抑制莴苣种子萌发。

2、“光肥”是指什么?

植物利用各种不同波长进行光合作用,也就是说植物对光谱具有选择性,植物的光合作用在可见光光谱(380~760nm)范围内所吸收的光能约在6成,其中以波长610~720nm(波峰为660nm)的红橙光以及400~510nm(波峰为450nm)的蓝紫光为吸收峰值区域,这两个波段倍成为植物的“光肥”。

LED能够发出植物生长所需要的单色光,单色光组合后能形成植物光合作用与形态建成所需要的光谱。LED植物生长光源能提高植物的光能利用率。

3、何谓光合机构,它受什么影响?

光和机构广义说就是能够进行光合作用部分反应或全部反应的机构,小到叶绿体、类囊体,大到叶肉细胞、叶片器官,以致整个植物体。狭义就是叶绿体。

第一,光合机构受光逆境影响。过强过弱的光将导致植物光逆境发生,抑制光合作用,降低光合效率。弱光导致黄化现象发生,强光下植物产生活性氧自由基,产生光抑制。

第二,光合机构受温度影响。温度的周期性变化影响的是植物光合碳固定、还原、蔗糖合成,光合产物的运输与分配和电子传递。

第三,光合机构受养分供应影响。氮素营养是植物的生命基础。叶片光合能力与含氮量之间的相关系数平均为0.9.光饱和的光合速率随着叶片含氮量增加而直线提高。因此保持氮营养及其他与叶绿素合成代谢相关元素供应对保障光合机构活性很重要。

第四,光合机构受二氧化碳的影响。二氧化碳是光合作用的主要原料,空气中二氧化碳浓度在饱和点下的升高能提高植物光合速率,减少蒸腾作用,抑制植物呼吸,显著提高植物水分利用效率。保持适宜二氧化碳浓度对促进二氧化碳至关重要。

第五,光合机构受湿度风速等的影响。过配的气孔导度低或过高空气相对湿度都会降低植物叶片的气孔导度,增加二氧化碳进入叶片阻力,降低蒸腾速率,尤其在低水肥供应条件下,容易导致植物水分营养不足,降低增施二氧化碳的效果。风速大小会影响植物冠层与群落内部二氧化碳的均匀分布,影响增施二氧化碳的效果。水供给充足情况下,高浓度二氧化碳增大了大豆叶片的气孔导度,减少水分蒸发量。

  LED发出主要光对植物的影响有哪些? 

红光

在可见光中,被绿色植物吸收最多的是红橙光(波长600~700nm)和蓝紫光(波长400~500nm),对绿色光(500~600nm)只有微量吸收。

红光是最早被用于作物栽培试验的光质,是作物正常生长的必须光质,生物需求数量居于各种单色光质之首,人工光源中最重要的光质。红光下所生成的物质使植物长高,而蓝光下所生成的物质促进蛋白质与非碳水化合物的积累,给植物增重。

补远红外使花色速苷、类胡萝卜素和叶绿素浓度分别降低40%、11%和14%、而使得植株鲜重、干重、茎长、叶长和叶宽分别增加28%、15%、14%、44%和15%。

红光通过光敏色素调控光形态建成;红光通过光合色素吸收驱动光合作用;红光促进茎伸长,促进碳水化合物合成,有利于果蔬VC和糖的合成;但抑制氮同化作用。但是单独红光想很好地栽培植物还是有点难度。

蓝光

蓝光是红光用于作物栽培必要的补充光质,是作物正常生长的必需光质,光强生物用量仅次于红光。蓝光抑制茎伸长,促进叶绿素合成,有利于氮同化和蛋白质合成,有利于抗氧化物质合成。蓝光影响植物的向光性、光形态发生、气孔开放以及叶片的光合作用。

LED红光补充LED蓝光可提高小麦的干物质量、分薛数和种子产量,增加生菜的干物质量。蓝光显著抑制散叶莴苣茎的生长。白光中增加蓝光可缩短节间、缩小叶面积、降低相对生长速率和提高N/C效率。

高等植物叶绿素合成和叶绿体形成以及具有高叶绿素a/b比与低叶绿体都需要蓝光。过量蓝光不利于植物生长发育。红蓝光组合光谱比红光或蓝光单色光更能促进蔬菜幼苗的生长发育,不同植物所需要的红蓝光组合比例不一样。

绿光

绿光与红蓝光可以和谐调节适应植物的生长发育。一般在红蓝LED复合光下,植物略带紫灰色,使得病害和失调症状不易诊断,可以通过补充少量绿光来解决。绿光效应通常与红蓝光效应相对立,例如绿光可以逆转蓝光促进的气孔开放等。

在强白光下上部位于近光照表面的叶绿体的光合作用量子产额比下部的叶绿体低。因为强白光下绿光比红光、蓝光更能穿透叶片,下部叶绿体吸收额外的绿光比额外吸收红光和蓝光能更大程度增加叶片光合作用。低光强栽培植物可不考虑绿光,低密度低冠层厚度设施植物不考虑绿光,高光强高密度高冠层厚度时绿光必须考虑。

黄光和橙光

黄光、橙光、绿光、紫光都是重要的光合有效辐射,但植物需求量较小。在红蓝光基础上添加黄光可显著提高菠菜苗的生长。黄光对提高叶用莴苣的营养品质效果最好,但蓝光更有利于显著提高莴苣矿质元素的含量。

添加黄光和紫光能够提高樱桃番茄幼苗的光合能力,缓解红蓝弱光胁迫。与白光相比,紫光和蓝光提高了抗氧化酶的活性,延缓了植株的衰老,而红光、绿光和黄光抑制了抗氧化酶的活性,加速了植株的衰老进程。

远红光

730nm的远红光虽然对光合作用意义不大,但其强弱及其与660nm红光间的比例对作物株高、节间长等形态建成,具有重要作用。通过光质调节,R/FR比值来控制植株形态和植株高度。

比值变大时植物茎节间距变小,植株矮化,繁殖植物有伸长的倾向,比值的变化还对腋芽分化、叶绿素含量、气孔指数及叶面积等产生不同程度的影响。植物对红光的选择性吸收和对远红光的选择性透过使得位于遮阴下的植物处于一个远红外富集的光环境中。

紫外光(UV

波长小于380nm的波段称为紫外光。根据紫外线的物理和生物学特性,波长320~380nm为长波紫外线(UV-A)、波长280~320nm的中波紫外线(UV-B)和波长100~280nm的短波紫外线(UV-C)。到达地面上的UV种95%为UV-A。在太阳光光谱中光合有效辐射、UV和远红光对植物生长发育具有调控功能。

紫外辐射减少植物叶面积、抑制下胚轴伸长、降低光合作用和生产力,使植物易受病原体攻击,但是可以诱导类黄酮合成及防御机制。低UV-B辐射的环境下造成植株徒长,还会阻碍植物色素的合成,不易用于覆盖茄果类蔬菜。植物工厂的一个重要特征是缺乏太阳光中的UV-A和UV-B辐射,完全缺失UV辐射会带来生产负效应和影响植物生长发育,因此调控植物工厂内UV的辐射水平是十分必要的,需要注意以生产需求和植物耐受响应规律为依据。




来源:北京大学高安研究院


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