led植物补光灯的原理、特点、应用

(一）led应用于植物生产的意义http://jujialed.1688.com​

1、 光照是植物生长首要因素http://www.tianjinled.cn
       植物是地球上唯一能够把光能量转化为物质量的生物。植物依靠光作为驱动力进行光合作用，是地球上一切生命的基础。农业的基础功能就是农业生产。植物生产是地球上规模Zui大的把光能转变可贮藏的化学能过程，也是Zui大的将无机物合成有机物和释放氧气过程。http://www.tianjinled.cn​

       目前人类面临食物、能源、资源、环境和人口五大问题，这些问题解决都与植物生产有密切关系，而光照是影响植物生长发育的首要因素。因此，深入研究植物生长发育对光的需求特性、规律和光控基准，研发适宜于植物的新型高效led补光系统，为植物生长提供高效的光环境，是一项有意义的创新性工作。http://jujialed.1688.com​

       土地资源的紧缺和人口的增长性决定了植物栽培土地的稀缺性。同时，随着生活品质的不断提高，城镇居民对绿色、安全、健康食用植物的需求越来越迫切。用于农业植物工厂化生产精细化、设施化的栽培设备的装置技术，包括led人工光照技术需求与日俱增。此外，采用led光源促进植物生长可在较低能耗下满足偏远哨所、极地、地下防空洞、小岛驻防人员的蔬菜需求，可实现新鲜蔬菜的周年供应，节省大量的因远途运输造成的经济负担。这在现代农业领域中开辟了一条新的途径。http://www.tianjinled.cn​

2、led光照是现代农业模式的标志http://www.tianjinled.cn​

       农业生产方式经历了从露地栽培向设施栽培模式和无土栽培的重大变革。，正向工厂化栽培模式发展。植物工厂化栽培模式是基于无土栽培Zui新发展，是现代农业发展的阶段。基于led照明的植物工厂化栽培模式能彻底摆脱自然条件的束缚，实现按计划的周期稳定生产，是现代农业模式的标志。

       尽管目前农业生产还是以土壤栽培为主，但是led照明的植物工厂技术革命改变农业生产的传统观念，提高抵御自然灾害的能力。目前在美国、日本、德国等农业发达国家，开发出各种各样的植物工厂，为未来农业生产开辟了新的道路。http://jujialed.1688.com​

       光、温、水、气、肥是植物生长所需环境因子，光照条件的好坏直接影响作物的产量和品质。植物工厂的特征之一就是全人工光源并智能调控。近年来，随着大气污染日益加重，大气透明系数不断下降，致使达到地表的太阳辐射日趋减少，植物可接收的太阳光能越来越少，难以满足正常生长发育的需求。http://www.tianjinled.cn​

       此外，全球天气变暖导致异常天气，植物遭遇连阴雨天雾气霾天的频度增加，农田作物稳定收成已变得不可靠。

       由于温室大棚作物是反季节种植，且冬季光照时间短，塑料薄膜及保温措施致使大棚内光照严重不足。如遇阴、雨、雪、雾天气，温室、大棚内缺光现象更加严重，光照强度和光照时间明显不足，很容易造成幼苗徒长。有研究报道番茄徒长苗表现出早期落花严重及早衰的现象，与健壮苗相比，总产量下降1/3左右。而且喜强光照的果菜类作物长期生长在弱光逆境中，导致植株营养体生长不健壮、落花落果严重、果实发育缓慢、含糖量降低、产量下降、品质变劣，表现为弱光胁迫，作物不能进行正常的光合作用，病虫害增加，从而导致减产，甚至绝收。如何提高作物的光合作用效率，促进作物生长，减少作物种植过程中农药激素的大量使用，发展高效无污染的绿色农业、也为温室大棚种植提出了新的课题。应用于蔬菜设施栽培中的光环境调控技术是一项节能环保、经济有效且简便易行的物理新方法，具有突出优势。因此，采用led光照植物化工厂高产栽培是农业发展的一个方向。http://jujialed.1688.com​

3、led光照促进农业向绿色环保转变http://www.tianjinled.cn​

       自二次世界大战结束以后，全球的食品生产基本满足人口激增的需求，这归功于现代生物技术和化学工业的迅速发展。高产量的农业严重依赖农药、化肥等化工产品的投入。这既引起了严重的环境保护问题，又带来食品危害健康问题，化学农业的负面影响日益引起人类的不安。http://jujialed.1688.com​

       随着人类对化学农业危害性的反思，物理农业的理念日益深入人心，实际应用越来越受到人们的欢迎。物理农业就是以物理方法和技术提高农产品的产量及品质，降低成本，提高效益。而led光照对植物生长Zui直接有效。

       设施农业种植大都在冬季进行，主要目的是实施反季节生产，供应市场。在北方地区，春节前后这个时间白天光照尤为时间短，一般在7～10小时。有时还有雾霭连阴天。自然界中，太阳的光照度随地理纬度、季节和天气状况的不同而变化。温室内的光照度除与上述因素有关外，还与温室结构、管理措施及材料的透光性能等密切相关。由于温室覆盖材料、灰尘以及结构遮光等因素的影响，温室内的光照状况要比露地差得多，一般仅为露地的30%～70%，尤其是在冬季和早春季节，太阳高度角低，日照时间短，温室内光照度往往不能满足作物生长的需求。光照不足严重抑制温室的果蔬发育，植株生长迟缓，病害严重，不但大幅减产，而且品质下降。结果取不到预期收益。这种情况下，农民主要依赖激素和农药来抵御由光照不足所引起的种种问题，导致化学品的过量使用和残留，危害人体健康。采用led植物补光，可以增加光照时数，改善室内光谱分布，促进植物植物生长，促进现代农业向绿色环保转变。

(二）人工农业补光的历史简单追溯http://www.tianjinled.cn​

       早在18世纪英国科学家普利斯特里就发现了光合作用，后来荷兰科学家营恩胡兹证明了光合作用必须有光的条件下才能发生。

19世纪末。前苏联科学院季米利亚捷夫植物生理研究所进行了多种人工光源照射对黄瓜、番茄、菠菜、两葫芦、花椰菜、洋葱、冬油菜等的栽培实验，结果植物的发育在橙红光下完成Zui快，其次是蓝光，再其次是绿光。1996年三菱化学研制出用红色led作光源的西洋生菜栽培装置，这种装置可促进糖份增加。2002年日本ccs公司森冈美帆制作了包括led光源、生长控制软件、信号调节器和数据收集软件的植物生长系统。

       20世纪80年代我国学者用荧光灯进行光照栽培，结果：红光下叶面积扩展和光合速率快，叶绿素含量、可溶性糖及总糖的含量均Zui高，叶绿素a/b值及总氮含量低;蓝光促进幼苗茎增粗，调节气孔开放，促进细胞膜透性及细胞质环流;红蓝光混合下幼苗的生长优于红光。http://jujialed.1688.com​

       进入21世纪，led的明显优势引起荷兰、日本、美国和中国等国学者的全力关注，研发投入热情高涨。尤其是近年大功率led的研发成功，为led在温室补光奠定了基础。http://jujialed.1688.com​

       日本学者用波长为660nm的红色led培养的小松菜， 糖份是原来的1.3倍， 用730nm的近红外led照射， 作物中维生素的含量增加了54%～72%。在应用led为400ms频率和50%占空比下，生菜的生长速率、光合速率都提高20%以上，该研究表明将led应用于植物工厂是可行的。http://jujialed.1688.com​

       由中科院半导体研究所提供部分led植物生长灯，中国农科院、南京农业大学及杭州汉徽光电有限公司近年来在植物生长中用led、荧光灯与自然光条件下作对比试验，表明led 光环境下植株生长速率高于其它处理，表现在叶面积大，叶片数多，叶片生长速度快，扎根较深，生长整齐一致，生长优越。取得了一系列可喜的成果。

(三） 北方温室不利条件http://www.tianjinled.cn​

1、北方温室冬季情况http://jujialed.1688.com​

       冬季利用温室进行蔬菜生产，不仅可以缓解北方地区淡季蔬菜供用，而且还能获得较高的经济效益。冬季温室蔬菜的生产已成为农民发家致富的有效途径。但是，北方由于冬季阴雪天气多，出现低温寡照天气时，极易造成大棚蔬菜植株黄化，生长停滞，即使能越冬，也会出现植株小、叶片小、节间短、花打顶等现象，导致严重减产，这是对冬暖大棚蔬菜生产Zui大威胁。http://jujialed.1688.com​

2、缺少光照危害植物http://jujialed.1688.com​

       缺少光照，受害黄瓜主要表现为生长停滞、无新根、植株枯萎，有的发生烂根、烂瓜等感染现象，轻者减产，重者绝产;受害茄子表现为黑心，果柄顶出现病斑;受害西红柿表现为大量毛根颜色加深，植株的营养生长和生殖生长受到影响，成熟期延迟10～25天。温室种植豆角如日照时间少，光合作用不够，豆角中的红细胞凝集素、皂素等天然毒素对人体有害。http://jujialed.1688.com​

(四）led植物生长灯优势http://www.tianjinled.cn​

1、传统温室植物生长光源的缺陷

       目前，常用的温室人工补光光源主要有荧光灯、高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯等。这些光源的突出缺点是能耗大、运行费用高，能耗费用占全部运行成本的50%～60%。因此，提高发光效率、减少能耗一直是农业领域人工光应用的重要课题。

       普通荧光灯提供较多的绿光，约为50%，其余部分大多为红、蓝光，又分别约占总光谱的25%，远红色光谱比例很低。荧光灯发光效率较高，寿命长(约12000h），但是功率较小(目前常用有28w和36w两种），满足一定光照度所需灯具多。由于含有很多的绿光，容易造成作物徒长。目前常用于植物组培。http://jujialed.1688.com​

       钠灯是汞和钠蒸气发光的气体发光光源，其发光光谱集中在589nm的黄色光，通常只能与其他光源配合使用。发光效率高达200lm/w。高压钠灯标准工作钠蒸气压约为10kpa，发光光谱中有较多的红橙光和较少的蓝绿光。目前在温室补光中使用较多。但由于高压钠灯是热光源，表面温度高，发热量较大，不能近距离照射作物。

       金属卤化物灯是汞和稀有金属的卤化物混合蒸气产生电弧从而放电发光的一种气体发光光源。可通过改变金属卤化物组成呈现不同的光谱。其发光效率较高，功率大，寿命长(5000h～20000h）。但是灯内的填充物中有汞，当使用的灯破损或失效抛弃时，都会对环境造成污染。光谱中含有较多的远红光，发热量大，不能近距离照射作物。

       试验光源大多采用滤光片或有色聚氯乙烯薄膜获得光质，无法定量调制光谱能量分布，调控光环境，因而影响到结论的可靠性和可比性。http://www.tianjinled.cn​

       长期以来设施中应用的传统人工光源波长不可控、能耗大、运行费用高，成为农业领域应用发展的阻碍。

2、led用作植物生长光源的优势http://jujialed.1688.com​

       光对植物的光合效用、生长发育、形态建成和物质代谢等都有调控效用，而目前在温室、大棚种植中，弥补阳光缺少所用的光源一般是荧光灯、高压钠灯和白炽灯等，这些光源的光谱能量漫衍是依据人眼对光的需求设计的，而植物生长所需要的光谱与人眼的需求是不一样的。根据专家研究，led无论氮化镓输出光蓝绿光、砷化镓和磷化铟输出黄红光都是单色光，单独使用或混合使用均可，生物效能高，使用led可以集中特定波长的光均匀照射植物，可以调节作物开花和果实，而且能控制株高和植物的营养成分。led属于冷光源，热负荷低，近距离置于植物不会灼伤，光的利用率高，节能省电。led体积小，可以制备多种形状的器件灯具，占用空间小，可多层栽培立体组合，安装方便，使植物工厂小型化。特强的耐用性，节电型降低了运行成本。led波长类型丰富，可调控的余地较大，非常适合用于植物的照明灯。

(五）led植物生长灯特点http://jujialed.1688.com​

1、植物需要的光质http://www.tianjinled.cn​

       光是植物生长发育的重要因子之一，地球上植物所需要的光源主要来自于太阳，太阳光是由无线电波、红外线、可见光以及紫外光和x射线以及极短的宇宙射线等组成，是一个连续的光谱。植物利用太阳光主要是用于光合作用，而光合作用吸收光谱在可见光光谱 380～760 nm范围内，其中主要以波长610～720nm的红、橙光以及波长400～510nm的蓝、紫光为吸收峰值区域。由于外界环境经常受到干旱、洪涝等天气的影响，严重地影响植物生长发育以致绝收。这样设施农业以其不受外界天气影响而成为农业发展的方向，但设施中光照不足，不能满足植物需求，人工光源的利用解决了这个问题。http://jujialed.1688.com​

2、补光强度和周期

       温室人工补光主要有三个方面要素，光质、光强、光周期。光强即光照度的要求，以主要作物光补偿点为依据，番茄、黄瓜、辣椒的光补偿点分别为3000lx、2000lx和1500lx，光饱和点为70000lx、55000lx和30000lx，因此，温室补光光照度一般要求在作物冠层达到1000lx～3000lx.二是对光质的要求。作物的光合作用主要利用400nm～510nm的蓝紫光、600nm～700nm的红橙光，温室补光一般根据作物不同，对r/b(红/蓝）有特定要求。其次是对光周期的要求。自然界昼夜交替、周而复始的现象形成了光周期，作物在漫长的进化过程中适应了这种明暗变化。但是，在冬至前后或连阴天时，光照时间往往不能满足作物生长发育需求，需要人工补光来增加光照时间。近年来，温室人工补光已经成为设施农业生产的重要手段，各种人工光源也得到了快速发展。

3、led光源系统http://jujialed.1688.com​

       系统包括led光源、生长控制软件、信号调节器和数据收集软件的植物生长系统。系统可以通过生长控制软件控制led照明，将传感器测出来的生长环境信息通过数据收集软件汇集到数据库，同时能实现不同光质的自动控制。

(六）led植物生长灯的应用http://jujialed.1688.com​

1、led在植物组培和育苗的应用http://www.tianjinled.cn​
       植物组织培养即植物无菌培养技术，是根据植物细胞具有全能性的理论，利用植物体离体的器官(如根、茎、叶、茎尖、花、果实等）、组织(如形成层、表皮、皮层、髓部细胞、胚乳等）或细胞(如大孢子、小孢子、体细胞等）以及原生质体，在无菌和适宜的人工培养基及光照、温度等人工条件下，通过诱导出愈伤组织、不定芽、不定根，Zui后形成完整植株的技术。组培室所用的人工光源一般为多层架安装荧光灯，由于荧光灯的发热较高，离植物不能太近，以免灼伤。这样不仅增加了电能损耗还增加了室内的热负荷，这就促使研究人员以led的冷光源代替荧光灯。

       育苗是果蔬生产的重要环节，由于幼苗的形态建成是一个不可逆转的过程，培育成的幼苗健壮程度将直接影响植株的生长发育，并与作物的产量和品质密切相关。利用光调控技术来培育壮苗是一项节能环保、经济有效且简便易行的新方法，具有突出优势，对培育壮苗有重要意义。有研究报道光环境调控对黄瓜、番茄、甜椒、油菜等幼苗的生长发育产生显着影响。此外，瓜类的性别表现易受环境因素和化学调控等因子的影响，由于瓜类的性别分化发生在苗期，所以育苗期间可以通过对光周期的控制来人为调控瓜类的性别表现。led在应用于蔬菜育苗期的光环境调控中具有无可比拟的优越性，必将在蔬菜工厂化育苗中发挥重要作用。http://jujialed.1688.com​

2、 led应用于大面积植物工厂http://jujialed.1688.com​

       我国蔬菜设施栽培总面积达292.19万hm2，已成为世界设施栽培面积Zui大的国家，并成为许多省市农业中的支柱产业和农民致富的主要途径。http://www.tianjinled.cn​

我国的温室生产历史悠久，2000多年前就有原始的温室生产的文字记载。温室是农业设施中性能Zui为完善的类型，可以进行冬季生产，因此都很重视温室的建造和发展。然而温室栽培时，由于受覆盖物透光率的影响(如普通玻璃的透光率一般为90%～92%，塑料薄膜的透光率只有85% ～90%，温室内的自然光照条件要比露地差。在冬季和早春，日照时间短，温室光照度较弱。光照不足会影响作物光合作用，使生长受抑，从而导致产量下降。为保证植物工厂作物茁壮成长，需要给植物进行人工补光。http://jujialed.1688.com​

       植物工厂是通过人工控制，采用科学化、标准化技术措施，运用机械化、自动化手段，使植物在环境下生长的植物工厂。它摆脱了自然条件的束缚和地域性的限制，是传统农业走向现代农业的一个标志。与太阳光和人工光并用型植物工厂相比，闭锁式植物工厂在光环境控制方面具有明显的优势。

       植物工厂作为设施农业的发展阶段在设施内通过环境控制实现农作物周期连续生产，是由计算机对植物生长发育过程的温度、湿度、光照、co2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，不受或很少受自然条件的制约，被认为是21世纪农业重要技术手段之一。目前，植物工厂有两种主要模式：一种是以温室为主体，以太阳光和人工光并用的太阳光—人工光并用型植物工厂;另一种是完全封闭的，以人工光源为主体的植物工厂。led较高的光电转换效率、节能、结构紧凑、寿命长等优势以及能调控发光强度和光质，被认为是植物工厂应用较理想的光源。

3、结论http://jujialed.1688.com​

       光是作物生长Zui重要的环境因子之一，荷兰学者指出“1%的光照就是1%的产量”，可见光在作物生产中的重要程度。温室本身的光照比露地要低得多，尤其在冬春季节和连阴雨雪条件下，光照不足的状况会更加明显，已经成为限制蔬菜产量的重要因素，温室人工补光将是必然的选择。http://www.tianjinled.cn​

       大量研究成功证明led可以作为组培、温室、封闭植物工厂的人工光源，并且可以利用各种led辐射的多种光质，可用于研究不同作物的光质响应特性，也可以组合不同比例、不同光色的led制作专用灯具，研究对不同农作物生长发育的调控，实现农产品的优质、周期性生产。由于led波长容易选择，结构紧凑，今后在设施农业领域内将会有越来越广泛的应用。然而进一步提高光效率、降低成本等都是当前亟待解决的问题。随着led技术的不断成熟，制造成本的逐渐下降以及国家对节能工程的重视，led将是21世纪农业领域Zui有前途的人工光源，具有良好的发展前景。

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天津日耀照明科技有限公司，成立于2007年，是一家致力于发展成为集研发、制造及销售于一体的、具有国际先进水平的高新技术品牌企业。公司主要产品有食用菌专用led生长灯、led植物灯、led植物照明灯、大棚植物灯、led育苗灯、科研组培灯、虫草灯生长灯及灯带灯条系列等，广泛应用于食用菌工厂、生物照明、农业生产，工业节能照明等领域。天津日耀照明是全球食用菌工厂化led灯光系统工程供应商，同时也是国内多家大型知名食用菌工厂食用菌led补光灯、光照灯、生长灯系统的供应商。公司自创立之日起，就一贯坚持以市场和客户需求为导向，勇于创新，凭借卓越的品质及优良的服务，倍受海内外客户的青睐。公司竭诚与各界朋友携手共进，共创光明未来！
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