作者：华南农业大学园艺学院李亚敏、刘厚成等

文章来源：温室园艺

设施园艺设施的种类主要有塑料温室、日光温室、连栋温室、植物工厂等。由于设施建筑在一定程度上遮挡了自然光源，导致室内光照不足，进而降低作物产量和品质。因此，补光对于设施作物的优质高产起着不可或缺的作用，但也成为设施能耗和运营成本增加的主要因素。

长期以来，设施园艺领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等，突出的缺点是发热量大、能耗高、运营成本高。新一代发光二极管（LED）的发展，使得在设施园艺领域使用低能耗人工光源成为可能。LED具有光电转换效率高、直流供电、体积小、寿命长、能耗低、波长固定、热辐射低、环保等优点。与目前普遍使用的高压钠灯和荧光灯相比，LED不仅可以根据植物生长的需要调节光量和光质（各种波段光的比例），而且由于可以近距离照射植物其冷光源，可提高栽培层数和空间利用率，实现传统光源无法替代的节能环保和空间高效利用等功能。

基于这些优势，LED已成功应用于设施园艺照明、可控环境基础研究、植物组织培养、植物工厂育苗和航天生态系统等领域。近年来，LED植物生长照明的性能不断提高，价格不断下降，并逐渐开发出各种特定波长的产品，因此其在农业和生物领域的应用将更加广阔。

本文综述了LED在设施园艺领域的研究现状，着重阐述了LED补光在光生物学基础上的应用、LED植物生长灯对植物光形成、营养品质及延缓衰老的作用、构建与应用光配方的研究，并对LED补光技术目前存在的问题和前景进行了分析和展望。

LED补光对园艺作物生长的影响

光对植物生长发育的调节作用包括种子萌发、茎伸长、叶和根发育、向光性、叶绿素合成和分解以及开花诱导。设施内的照明环境要素包括光照强度、光照周期和光谱分布。元素可以通过人工补光进行调节，不受天气条件的限制。

目前，植物中至少有三种光感受器：光敏色素（吸收红光和远红光）、隐花色素（吸收蓝光和近紫外光）以及UV-A和UV-B。利用特定波长的光源照射作物，可以提高植物的光合效率，加速光的形态发生，促进植物的生长发育。植物光合作用使用红橙光（610～720nm）和蓝紫光（400～510nm）。采用LED技术，可发出符合叶绿素最强吸收带的单色光（如峰值660nm的红光、峰值450nm的蓝光等），谱域宽度仅为±20nm。

目前认为，橙红色光会显着加快植物的发育，促进干物质的积累，形成球茎、块茎、球茎等植物器官，使植物早开花、早结果，起到在植物颜色增强中起主导作用；蓝紫光能控制植物叶片的向光性，促进气孔张开和叶绿体运动，抑制茎伸长，防止植株伸长，延缓植株开花，促进营养器官的生长；红色和蓝色LED的组合可以弥补两者单色发光的不足，形成与作物光合作用和形态基本一致的光谱吸收峰。光能利用率可达80%～90%，节能效果显着。

在设施园艺中配备LED补光灯可以实现非常显着的增产。研究表明，在300μmol/(m²·s)LED灯带和LED灯管补光12h(8:00-20:00)下，樱桃番茄的果​​实数量、总产量和单株重量显着提高。增加。LED灯带的补光分别增加了42.67%、66.89%和16.97%，LED灯管的补光分别增加了48.91%、94.86%和30.86%。LED植物生长照明灯具全生育期补光[红蓝光比例3:2，光强300μmol/(m²·s)]可显着提高单果品质和产量单位面积的茄子。吃苦圈分别增长5.3%和15.6%，茄子分别增长7.6%和7.8%。通过LED光质及其整个生育期的强度和持续时间，可以缩短植物生长周期，提高农产品的商品产量、营养品质和形态价值，高效、节能、可实现设施园艺作物的智能化生产。

LED补光灯在蔬菜育苗中的应用

利用LED光源调控植物形态和生长发育是温室栽培领域的一项重要技术。高等植物可以通过光敏色素、隐花色素、光感受器等光感受器系统感知和接收光信号，并通过细胞内信使进行形态学改变，从而调节植物组织器官。光形态发生是指植物依靠光来控制细胞分化、结构和功能的变化以及组织器官的形成，包括影响某些种子的萌发、促进顶端优势、抑制侧芽生长、茎伸长, 和向性。

蔬菜育苗是设施农业的重要组成部分。连续的阴雨天气会造成设施内光照不足，苗木容易出现拉长现象，影响蔬菜的生长、花芽分化和果实发育，最终影响其产量和品质。在生产中，常用一些植物生长调节剂，如赤霉素、生长素、多效唑、矮壮素等来调节幼苗的生长。然而，植物生长调节剂的不合理使用，极易污染蔬菜和设施环境，对人体健康不利。

LED补光灯具有许多独特的补光优势，使用LED补光灯育苗是一种可行的方法。在弱光[0~35 μmol/(m²·s)]条件下进行的LED补光[25±5 μmol/(m²·s)]实验中，发现绿光促进了细胞的伸长和生长。黄瓜幼苗。红光和蓝光抑制幼苗生长。与自然弱光相比，补红光和蓝光的幼苗强壮指数分别提高了151.26%和237.98%。与单色光质相比，复合光补光处理下含有红蓝成分的壮苗指数提高了304.46%。

黄瓜幼苗增施红光可提高黄瓜幼苗的真叶数、叶面积、株高、茎粗、干鲜品质、壮苗指数、根系活力、SOD活性和可溶性蛋白含量。补充UV-B可提高黄瓜幼苗叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量。与自然光相比，补充红蓝LED光可显着提高番茄幼苗的叶面积、干物质质量和壮苗指数。补充LED红光和绿光显着增加了番茄幼苗的高度和茎粗。LED绿光补光处理可显着提高黄瓜和番茄幼苗的生物量，幼苗鲜重和干重随着绿光补光强度的增加而增加，而番茄的粗茎壮苗指数苗木全部随绿光补光。实力的提升越来越大。LED红蓝光结合，可增加茄子的茎粗、叶面积、整株干重、根冠比、壮苗指数。与白光相比，LED红光可以增加白菜苗的生物量，促进白菜苗的伸长生长和叶片展开。LED蓝光促进白菜苗粗壮生长、干物质积累和壮苗指数，使白菜苗矮化。以上结果表明，采用调光技术培育的蔬菜育苗优势十分明显。

LED补光对果蔬营养品质的影响

果蔬中所含的蛋白质、糖类、有机酸和维生素等是有益于人体健康的营养物质。光质可以通过调节VC合成酶和分解酶的活性来影响植物体内VC的含量，进而调节园艺植物的蛋白质代谢和碳水化合物的积累。红光促进碳水化合物积累，蓝光处理有利于蛋白质形成，而红蓝光组合对植物营养品质的提高明显高于单色光。

添加红色或蓝色LED灯可降低生菜中的硝酸盐含量，添加蓝色或绿色LED灯可促进生菜中可溶性糖的积累，添加红外线LED灯有利于VC在生菜中的积累。结果表明，补充蓝光可以提高番茄VC含量和可溶性蛋白质含量；红光与红蓝合光对番茄果实糖酸含量有促进作用，其中红蓝合光下糖酸比最高；红蓝组合光可提高黄瓜果实VC含量。

果蔬中的酚类、黄酮类、花青素等物质不仅对果蔬的色泽、风味和商品价值有重要影响，而且具有天然的抗氧化活性，能有效抑制或清除人体内的自由基。

采用LED蓝光补光可使茄皮花青素含量显着提高73.6%，而采用LED红光及红蓝光联合补光可提高茄皮中黄酮类物质和总酚类物质的含量。蓝光能促进番茄果实中番茄红素、类黄酮和花青素的积累。红蓝光的结合在一定程度上促进了花青素的产生，但抑制了类黄酮的合成。与白光处理相比，红光处理可显着提高生菜新梢花青素含量，但蓝光处理花青素含量最低。绿叶、紫叶和红叶莴苣的总酚含量在白光、红蓝组合光和蓝光处理下较高，但在红光处理下最低。补充LED紫外光或橙光可以增加生菜叶片中酚类化合物的含量，补充绿光可以增加花青素的含量。因此，利用LED植物生长灯是设施园艺栽培中调控果蔬营养品质的有效途径。

LED补光对植物抗衰老的作用

植物衰老过程中叶绿素降解、蛋白质快速丢失和RNA水解主要表现为叶片衰老。叶绿体对外界光环境的变化非常敏感，尤其是受光质的影响。红光、蓝光和红蓝合光有利于叶绿体的形态发生，蓝光有利于叶绿体中淀粉粒的积累，红光和远红光对叶绿体发育有不利影响。蓝光与红蓝光结合可以促进黄瓜幼苗叶片叶绿素的合成，红蓝光结合还可以延缓后期叶片叶绿素含量的衰减。这种效果随着红光比例的降低和蓝光比例的增加而更加明显。LED红蓝光联合光处理下黄瓜幼苗叶片叶绿素含量显着高于荧光灯控制和单色红蓝光处理。LED蓝光可显着提高五棵菜和青蒜苗的叶绿素a/b值。

衰老过程中有细胞分裂素（CTK）、生长素（IAA）、脱落酸含量变化（ABA）和多种酶活性变化。植物激素的含量易受光照环境的影响。不同的光质对植物激素的调节作用不同，光信号转导途径的起始步骤涉及细胞分裂素。

CTK促进叶片细胞的膨大，增强叶片的光合作用，同时抑制核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶和蛋白酶的活性，延缓核酸、蛋白质和叶绿素的降解，因此能显着延缓叶片衰老。光和 CTK 介导的发育调节之间存在相互作用，光可以刺激内源性细胞分裂素水平的增加。当植物组织处于衰老状态时，其内源性细胞分裂素含量降低。

IAA主要集中在生长旺盛的部位，在衰老的组织或器官中含量很少。紫光可提高吲哚乙酸氧化酶的活性，低IAA水平可抑制植物的伸长和生长。

ABA主要形成于衰老的叶组织、成熟的果实、种子、茎、根等部位。红蓝光组合下黄瓜和卷心菜的ABA含量低于白光和蓝光。

过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、过氧化氢酶（CAT）是植物中较重要的与光相关的保护酶。如果植物老化，这些酶的活性会迅速下降。

不同光质对植物抗氧化酶活性有显着影响。红光处理9天后，油菜幼苗APX活性显着升高，POD活性降低。红光和蓝光15天后番茄的POD活性分别比白光高20.9%和11.7%。绿光处理20天后，番茄的POD活性最低，仅为白光的55.4%。补充4h蓝光可显着提高苗期黄瓜叶片可溶性蛋白含量、POD、SOD、APX、CAT酶活性。另外，随着光照时间的延长，SOD和APX的活性逐渐降低。SOD和APX在蓝光和红光下的活性下降缓慢，但始终高于白光。红光照射显着降低了番茄叶片的过氧化物酶和IAA过氧化物酶活性以及茄子叶片的IAA过氧化物酶活性，但使茄子叶片的过氧化物酶活性显着升高。因此，采用合理的LED补光策略，可以有效延缓设施园艺作物的衰老，提高产量和品质。

LED灯配方的构建与应用

植物的生长发育受光质及其不同组成比例的显着影响。光公式主要包括光质比、光照强度、光照时间等几个要素。由于不同植物对光的要求不同，生长发育阶段也不同，因此对栽培作物要求光质、光照强度和补光时间的最佳组合。

 ◆光谱比

与白光和单一的红蓝光相比，LED红蓝光组合对黄瓜、白菜苗的生长发育具有综合优势。

当红蓝光配比为8：2时，植物茎粗、株高、植株干重、鲜重、壮苗指数等均有明显提高，同时也有利于叶绿体基质的形成和基底层和同化物质的输出。

红豆芽采用红、绿、蓝三色组合有利于其干物质积累，绿光可促进红豆芽干物质积累。当红绿蓝光比例为6:2:1时，增长最为明显。红蓝光8:1光下红豆芽苗菜胚轴伸长效果最好，红蓝光6:3光下红豆芽苗下胚轴伸长受到明显抑制，但可溶性蛋白含量最高。

当丝瓜苗红蓝光配比为8:1时，丝瓜苗的壮苗指数和可溶性糖含量最高。当使用红蓝光配比为6:3的光质时，丝瓜幼苗的叶绿素a含量、叶绿素a/b比值和可溶性蛋白含量最高。

红、蓝光与芹菜按3：1比例使用时，可有效促进芹菜株高、叶柄长度、叶片数、干物质质量、VC含量、可溶性蛋白质含量和可溶性糖含量的增加。在番茄栽培中，增加LED蓝光比例，促进番茄红素、游离氨基酸和黄酮类物质的形成，增加红光比例，促进可滴定酸的形成。生菜叶片红蓝光比例为8:1时，有利于类胡萝卜素的积累，有效降低硝酸盐含量，增加VC含量。

 ◆光照强度

在弱光下生长的植物比在强光下更容易受到光抑制。番茄幼苗净光合速率随光强[50、150、200、300、450、550μmol/(m²·s)]的增加而增加，呈先增后减的趋势，在300μmol/(m²·s) ·s) 达到最大值。150μmol/(m²·s)光强处理下，生菜株高、叶面积、水分含量和VC含量显着增加。200μmol/(m²·s)光强处理下,鲜重、总重和游离氨基酸含量显着增加,300μmol/(m²·s)光强处理下,叶面积、含水量显着增加、叶绿素a、叶绿素a+b和生菜的类胡萝卜素均有下降。与黑暗相比，随着LED生长光强度[3、9、15 μmol/(m²·s)]的增加，黑豆芽叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量显着增加。VC含量最高为3μmol/(m²·s)，可溶性蛋白质、可溶性糖和蔗糖含量最高为9μmol/(m²·s)。相同温度条件下，随着光照强度[(2~2.5)lx×103 lx，(4~4.5)lx×103 lx，(6~6.5)lx×103 lx]的增加，辣椒幼苗的出苗时间时间缩短，可溶性糖含量增加，而叶绿素a和类胡萝卜素含量逐渐降低。

 ◆光照时间

适当延长光照时间，可以在一定程度上缓解因光照强度不足造成的弱光胁迫，有利于园艺作物光合产物的积累，达到增产改善品质的效果。芽苗VC含量随光照时间(0、4、8、12、16、20h/天)的延长呈逐渐增加趋势，而游离氨基酸含量、SOD和CAT活性均呈下降趋势。随着光照时间(12、15、18h)的延长，白菜植株鲜重显着增加。大白菜叶片和茎秆中的VC含量分别在15和12h时最高。大白菜叶片可溶性蛋白含量逐渐降低，但茎部在15h后最高。大白菜叶片可溶性糖含量逐渐升高，茎部在12h时最高。当红蓝光比例为1:2时,与12h光照相比,20h光照降低了绿叶生菜中总酚类和黄酮类化合物的相对含量,但当红蓝光比例为2:1时, 20h光处理显着提高了绿叶生菜中总酚类和黄酮类化合物的相对含量。

由上可知，不同的光配方对不同作物类型的光合作用、光形态发生和碳氮代谢有不同的影响。如何获得最佳的光照配方、光源配置和智能控制策略的制定，需要以植物品种为出发点，根据园艺作物的商品需求、生产目标、生产要素等进行适当调整，实现光环境智能控制和节能条件下园艺作物优质高产的目标。

存在的问题和前景

LED植物生长灯的显着优势是可以根据不同植物的光合特性、形态、品质和产量的需求光谱进行智能组合调整。不同种类的作物和同一作物的不同生育期对光质、光强和光周期都有不同的要求。这就需要进一步发展和完善光配方研究，形成庞大的光配方数据库。结合专业灯具的研发，实现LED补光灯在农业应用中的最大价值，从而更好地节约能源，提高生产效率和经济效益。LED植物生长灯在设施园艺中的应用呈现出旺盛的生命力，但LED照明设备或装置的价格较高，一次性投资较大。各种作物在不同环境条件下对补光的要求不明确，补光光谱、植物光强度和时间不合理，必然会在植物生长照明行业的应用中造成各种问题。

但随着技术的进步和完善，以及LED植物生长灯生产成本的降低，LED补光照明将在设施园艺中得到更广泛的应用。同时，LED补光技术体系的发展进步与新能源的结合，将使设施农业、家庭农业、都市农业、太空农业得到快速发展，满足人们对特殊环境下园艺作物的需求。