作者：李亚敏、刘厚城等，华南农业大学园艺学院

文章来源：温室园艺

设施型园艺设施主要包括塑料大棚、日光大棚、多跨大棚和植物工厂。由于设施建筑在一定程度上阻挡了自然光源，导致室内光照不足，进而降低作物产量和品质。因此，补光对于实现设施内作物的高品质和高产至关重要，但同时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包括高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等，其突出缺点是发热量高、能耗高、运行成本高等。新一代发光二极管（LED）的出现，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。与目前常用的高压钠灯和荧光灯相比，LED不仅可以根据植物生长需要调节光照强度和光质（各波段光的比例），而且由于其冷光特性，可以近距离照射植物，从而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、植物工厂育苗和航空航天生态系统等领域。近年来，LED植物生长灯的性能不断提升，价格持续下降，各种特定波长的产品也在逐步研发，因此其在农业和生物学领域的应用前景将更加广阔。

本文总结了LED在设施园艺领域的研究现状，重点阐述了LED补光在光生物学基础中的应用、LED植物生长灯对植物光形成、营养品质及延缓衰老的影响、光配方的构建与应用，并分析了LED补光技术当前存在的问题及发展前景。

LED补充光照对园艺作物生长的影响

光照对植物生长发育的调控作用包括种子萌发、茎伸长、叶根发育、向光性、叶绿素合成与分解以及花芽分化。该设施的照明环境要素包括光照强度、光照周期和光谱分布。这些要素可通过人工补光进行调节，不受天气条件的限制。

目前，植物中至少存在三种类型的光受体：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受体。利用特定波长的光源照射作物可以提高植物的光合效率，加速光形态发生，促进植物的生长发育。植物光合作用中会利用红橙光（610~720 nm）和蓝紫光（400~510 nm）。利用LED技术，可以发出与叶绿素最强吸收带相匹配的单色光（例如峰值波长为660 nm的红光、峰值波长为450 nm的蓝光等），其光谱范围仅为±20 nm。

目前普遍认为，红橙色光能显著加速植物生长发育，促进干物质积累、鳞茎、块茎、叶球等植物器官的形成，使植物提早开花结果，并在植物增色方面发挥主导作用；蓝紫色光能调控植物叶片的向光性，促进气孔开放和叶绿体运动，抑制茎伸长，防止植株徒长，延缓植物开花，并促进营养器官的生长；红蓝LED灯的组合可以弥补两种单一颜色光的不足，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%至90%，节能效果显著。

在设施园艺中配备LED补光灯可以显著提高产量。研究表明，在300 μmol/(m²·s) LED灯条和LED灯管的12小时（8:00-20:00）补光下，樱桃番茄的果​​实数量、总产量和单果重量均显著增加。LED灯条的补光量分别提高了42.67%、66.89%和16.97%，LED灯管的补光量分别提高了48.91%、94.86%和30.86%。在整个生长周期内，采用LED植物生长灯进行补光（红蓝光比例为3:2，光照强度为300 μmol/(m²·s)），可以显著提高茄子和鸡花的单果品质和单位面积产量。竹笋产量分别增长了5.3%和15.6%，茄子产量分别增长了7.6%和7.8%。通过控制LED灯光的质量、强度和持续时间，可以缩短植物的生长周期，提高农产品的商业产量、营养品质和形态价值，实现设施园艺作物的高效、节能、智能化生产。

LED补光在蔬菜育苗中的应用

利用LED光源调控植物形态、生长发育是温室栽培领域的一项重要技术。高等植物能够通过光敏色素、隐花色素和光受体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变化，从而调控植物组织和器官。光形态建成是指植物依靠光照来控制细胞分化、结构和功能变化以及组织和器官的形成，包括影响某些种子的萌发、促进顶端优势、抑制侧芽生长、茎伸长和向性运动等。

蔬菜育苗是设施农业的重要组成部分。持续的雨季会导致设施内光照不足，幼苗容易徒长，进而影响蔬菜的生长、花芽分化和果实发育，最终影响产量和品质。生产中，一些植物生长调节剂，如赤霉素、生长素、多效唑和氯甲胆碱等，常被用于调控幼苗生长。然而，不合理使用植物生长调节剂容易污染蔬菜和设施环境，对人体健康不利。

LED补光具有许多独特的补光优势，是一种可行的育苗方法。在低光照[0~35 μmol/(m²·s)]条件下进行的LED补光[25±5 μmol/(m²·s)]实验发现，绿光促进黄瓜幼苗的伸长和生长，而红光和蓝光则抑制幼苗生长。与自然弱光相比，补充红光和蓝光的幼苗健壮指数分别提高了151.26%和237.98%。与单色光相比，在含有红蓝成分的复合光补光处理下，幼苗健壮指数提高了304.46%。

对黄瓜幼苗进行红光照射可以增加真叶数、叶面积、株高、茎粗、干鲜品质、健壮指数、根系活力、超氧化物歧化酶（SOD）活性和可溶性蛋白含量。补充UV-B光可以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光可以显著提高番茄幼苗的叶面积、干物质品质和健壮指数。补充LED红光和绿光可以显著增加番茄幼苗的株高和茎粗。LED绿光补充处理可以显著增加黄瓜和番茄幼苗的生物量，幼苗的鲜重和干重均随绿光补充强度的增加而增加，而番茄幼苗的茎粗和健壮指数也均随绿光补充强度的增加而增加。 LED红蓝光组合能够增加茄子的茎秆粗度、叶面积、整株干重、根冠比和健壮指数。与白光相比，LED红光能够增加甘蓝幼苗的生物量，促进甘蓝幼苗的伸长和叶片扩展。LED蓝光则促进甘蓝幼苗的粗壮生长、干物质积累和健壮指数，并使甘蓝幼苗矮化。以上结果表明，采用光调控技术培育蔬菜幼苗的优势非常显著。

LED补充光照对果蔬营养品质的影响

水果和蔬菜中所含的蛋白质、糖类、有机酸和维生素是人体健康所必需的营养物质。光质可通过调节维生素C合成和分解酶的活性来影响植物中的维生素C含量，并能调节园艺植物的蛋白质代谢和碳水化合物积累。红光促进碳水化合物积累，蓝光处理有利于蛋白质形成，而红蓝光组合处理对植物营养品质的改善效果显著优于单色光。

添加红光或蓝光LED灯可以降低生菜中的硝酸盐含量，添加蓝光或绿光LED灯可以促进生菜中可溶性糖的积累，添加红外光LED灯则有利于生菜中维生素C的积累。结果表明，补充蓝光可以提高番茄的维生素C含量和可溶性蛋白含量；红光和红蓝复合光可以促进番茄果实中糖和酸的含量，且在红蓝复合光照射下糖酸比最高；红蓝复合光可以提高黄瓜果实中的维生素C含量。

水果和蔬菜中的酚类、黄酮类、花青素等物质不仅对水果和蔬菜的颜色、味道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。

利用LED蓝光进行补充光照可显著提高茄子皮的花青素含量达73.6%，而利用LED红光以及红蓝光组合则可提高类黄酮和总酚的含量。蓝光能够促进番茄果实中番茄红素、类黄酮和花青素的积累。红蓝光组合在一定程度上促进了花青素的生成，但抑制了类黄酮的合成。与白光处理相比，红光处理可显著提高生菜嫩芽的花青素含量，而蓝光处理的花青素含量最低。在白光、红蓝光组合和蓝光处理下，绿叶生菜、紫叶生菜和红叶生菜的总酚含量较高，但在红光处理下最低。补充LED紫外光或橙光可提高生菜叶片中酚类化合物的含量，而补充绿光可提高花青素的含量。因此，在设施园艺栽培中，使用LED植物生长灯是调节水果和蔬菜营养品质的有效方法。

LED补充光照对植物抗衰老的影响

植物衰老过程中叶绿素降解、蛋白质快速流失和RNA水解主要表现为叶片衰老。叶绿体对外部光环境的变化非常敏感，尤其受光质的影响。红光、蓝光和红蓝复合光有利于叶绿体形态发生，蓝光有利于叶绿体中淀粉粒的积累，而红光和远红光则对叶绿体发育有抑制作用。蓝光和红蓝复合光能够促进黄瓜幼苗叶片中叶绿素的合成，红蓝复合光还能延缓后期叶片叶绿素含量的下降。随着红光比例的降低和蓝光比例的增加，这种效果更加明显。LED红蓝复合光处理下黄瓜幼苗叶片的叶绿素含量显著高于荧光灯对照组和单色红蓝光处理组。 LED蓝光可以显著提高五大菜和青蒜苗的叶绿素a/b值。

衰老过程中，细胞分裂素（CTK）、生长素（IAA）、脱落酸（ABA）的含量以及多种酶的活性都会发生变化。植物激素的含量极易受光照环境的影响。不同的光质对植物激素的调控作用不同，而光信号转导途径的初始步骤就涉及细胞分裂素。

CTK促进叶片细胞扩张，增强叶片光合作用，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，从而显著延缓叶片衰老。光照与CTK介导的发育调控存在相互作用，光照可以刺激内源细胞分裂素水平的升高。当植物组织处于衰老状态时，其内源细胞分裂素含量会降低。

IAA主要集中在生长旺盛的部位，在衰老组织或器官中含量极低。紫光可以提高吲哚乙酸氧化酶的活性，而低水平的IAA会抑制植物的伸长和生长。

脱落酸（ABA）主要在衰老的叶片组织、成熟的果实、种子、茎、根等部位形成。在红蓝光复合照射下，黄瓜和卷心菜的ABA含量低于在白光和蓝光单独照射下的含量。

过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和过氧化氢酶（CAT）是植物中重要的光相关保护酶。随着植物衰老，这些酶的活性会迅速下降。

不同的光质对植物抗氧化酶活性有显著影响。油菜幼苗经红光处理9天后，APX活性显著升高，而POD活性降低。番茄经红光和蓝光处理15天后，POD活性分别比白光处理高20.9%和11.7%。绿光处理20天后，番茄POD活性最低，仅为白光处理时的55.4%。补充4小时蓝光可显著提高幼苗期黄瓜叶片中可溶性蛋白含量以及POD、SOD、APX和CAT酶的活性。此外，SOD和APX活性随光照时间延长而逐渐降低。蓝光和红光下SOD和APX活性下降缓慢，但始终高于白光处理。红光照射显著降低了番茄叶片中过氧化物酶和IAA过氧化物酶的活性，以及​​茄子叶片中IAA过氧化物酶的活性，但显著提高了茄子叶片中过氧化物酶的活性。因此，采用合理的LED补光策略可以有效延缓设施栽培园艺作物的衰老，提高产量和品质。

LED灯公式的构造与应用

植物的生长发育受光质及其不同组成比例的显著影响。光照公式主要包括光质比、光照强度和光照时间等要素。由于不同植物对光照的需求不同，且生长发育阶段各异，因此需要为栽培作物找到最佳的光质、光照强度和补光时间组合。

 ◆光谱比率

与白光和单一的红光或蓝光相比，LED红蓝光的组合对黄瓜和卷心菜幼苗的生长发育具有综合优势。

当红光与蓝光的比例为 8:2 时，植物茎粗、株高、干重、鲜重、幼苗强壮指数等均显著增加，并且有利于叶绿体基质和基片的形成以及同化物质的输出。

红、绿、蓝三色光组合照射有利于红豆芽的干物质积累，其中绿光能促进红豆芽干物质的积累。当红、绿、蓝光比例为6:2:1时，红豆芽生长最为显著。红蓝光比例为8:1时，红豆芽幼苗下胚轴伸长效果最佳；而红蓝光比例为6:3时，红豆芽下胚轴伸长受到明显抑制，但可溶性蛋白含量最高。

当丝瓜苗红蓝光比例为8:1时，其幼苗生长指数和可溶性糖含量最高。当红蓝光比例为6:3时，丝瓜苗的叶绿素a含量、叶绿素a/b比值和可溶性蛋白含量最高。

当采用3:1的红蓝光比例照射芹菜时，可有效促进芹菜株高、叶柄长度、叶片数量、干物质品质、维生素C含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量的增加。在番茄栽培中，增加LED蓝光比例可促进番茄红素、游离氨基酸和类黄酮的生成，增加红光比例可促进可滴定酸的生成。当生菜叶片采用8:1的红蓝光比例照射时，有利于类胡萝卜素的积累，并有效降低硝酸盐含量，提高维生素C含量。

 ◆光照强度

弱光下生长的植物比强光下生长的植物更容易受到光抑制的影响。番茄幼苗的净光合速率随光照强度[50、150、200、300、450、550 μmol/(m²·s)]的增加而增加，呈现先升高后降低的趋势，在300 μmol/(m²·s)时达到最大值。在150 μmol/(m²·s)光照强度处理下，生菜的株高、叶面积、含水量和维生素C含量显著增加。在200 μmol/(m²·s)光照强度处理下，生菜的鲜重、总重和游离氨基酸含量显著增加；而在300 μmol/(m²·s)光照强度处理下，生菜的叶面积、含水量、叶绿素a、叶绿素a+b和类胡萝卜素含量均降低。与黑暗环境相比，随着LED植物生长灯强度[3、9、15 μmol/(m²·s)]的增加，黑豆芽中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量显著增加。维生素C含量在3 μmol/(m²·s)时最高，可溶性蛋白、可溶性糖和蔗糖含量在9 μmol/(m²·s)时最高。在相同温度条件下，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缩短，可溶性糖含量增加，但叶绿素a和类胡萝卜素的含量逐渐降低。

 ◆光之时代

适当延长光照时间可在一定程度上缓解光照强度不足造成的低光胁迫，有助于园艺作物光合产物的积累，从而达到提高产量和品质的效果。随着光照时间（0、4、8、12、16、20 h/天）的延长，芽苗中的维生素C含量呈逐渐上升趋势，而游离氨基酸含量、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性均呈下降趋势。随着光照时间（12、15、18 h）的延长，大白菜植株的鲜重显著增加。大白菜叶片和茎秆中的维生素C含量分别在光照15 h和12 h时达到最高。大白菜叶片中的可溶性蛋白含量逐渐下降，而茎秆中的可溶性蛋白含量在光照15 h后达到最高。大白菜叶片中的可溶性糖含量逐渐上升，而茎秆中的可溶性糖含量在光照12 h时达到最高。当红光与蓝光的比例为 1:2 时，与 12 小时光照时间相比，20 小时光照处理降低了绿叶莴苣中总酚和类黄酮的相对含量；但当红光与蓝光的比例为 2:1 时，20 小时光照处理显著提高了绿叶莴苣中总酚和类黄酮的相对含量。

综上所述，不同的光照配方对不同作物的光合作用、光形态建成以及碳氮代谢的影响各不相同。如何获得最佳的光照配方、光源配置以及智能控制策略的制定，需要以植物种类为出发点，并根据园艺作物的商品需求、生产目标、生产因素等进行适当调整，以期在节能条件下实现光照环境的智能控制，从而获得高品质、高产的园艺作物。

现有问题与前景

LED植物生长灯的显著优势在于，它可以根据不同植物的光合特性、形态、品质和产量等需求光谱进行智能组合调节。不同种类的作物以及同一种作物在不同生长阶段对光质、光强度和光周期都有不同的要求。这就需要进一步开发和完善光配方研究，以形成庞大的光配方数据库。结合专业灯具的研发，可以最大限度地发挥LED补光在农业应用中的价值，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已展现出蓬勃的生命力，但LED照明设备或装置的价格相对较高，一次性投资较大。不同环境条件下各种作物的补光需求尚不明确，补光光谱、强度和时间的不合理使用，都必然会在植物生长灯行业的应用中引发各种问题。

然而，随着技术的进步和LED植物生长灯生产成本的降低，LED补光将在设施园艺中得到更广泛的应用。同时，LED补光技术系统的发展和进步，以及新能源的结合，将推动设施农业、家庭农业、都市农业和太空农业的快速发展，以满足人们对特殊环境下园艺作物的需求。