简述LED光源及其光谱成分调控园艺作物生产的潜能

    秋冬和早春季节的短日照和低光强环境不利于温室作物的生長，因此人工补光通常被广泛应用于温室园艺生产以维持植物正常的光合作用。高压钠灯通常被认为是温室园艺生产较好的人工补光光源，其不仅可为植物提供光合作用所需的以短波光为主的光合作用有效光（400nm～700 nm），而且还能发射長波光（< 700 nm）。長波光影响植物温度以及温室环境，从而影响植物蒸腾作用和形态特征等。但由于高压钠灯光谱成分主要集中在紅黄光波段，与植物生長的最佳光谱需求仍有较大差距。   　　近年来，随着科学技术的快速发展，新型人工光源不断涌現，其光谱成分也得以逐步优化。LED光源的问世被认为是园艺生产中一场革命性进展。LED光源具有单色光、节能、可控性好、使用寿命長等特征，单色LED組合后可形成植物需要的光谱。因此，LED光源被认为是植物生产中最为理想的人工光源。深入了解LED光源及其光谱成分调控作物生長特征，对LED在园艺生产的推广应用具有重要意义。   　　LED光源將为调控設施条件下光谱环境提供快捷精准的途径   　　光是自然界中影响植物生長最重要的环境因子。众所周知，光为植物光合作用提供源动力。除此以外，光也影响植物生長发育。如光强、光质（光谱）、光的方向、光周期的日变化和年变化等均可以影响种子发芽、幼苗建成、成年植物的形态結构以及从营养生長到生殖生長的转化等。光对植物生長发育的影响在很大程度上取决于光谱环境。   　　現实生产中，为了调控园艺作物生長，人们通常采用一些辅助措施来改变設施条件下的光谱环境而达到其目的，如通过不同遮阳网或人工补光等措施来改善植物光环境。LED人工光源的问世將为调控設施条件下光谱环境提供一个快捷精准的途径。   　　提及到光，人们通常首先想到的就是光对植物光合作用和干物质产量的影响。然而，在园艺作物生产中，這一思维定势具有一定的局限性。首先，很多园艺作物的市场价值不完全由产品的大小、數量或者重量决定的，园艺作物的外观和内在品质通常也起着很重要的作用。尤其对于高附加值的花卉作物来说，其市场价值完全由其外形决定，而光谱环境对植物的外在形态特征具有决定性作用，如为了培养高品质的盆栽花卉，可以通过提高紅光/远紅光比例来减少植物徒長，从而获得紧促型的株型以提高其市场价值。对于切花作物来说，通过光谱环境调控来控制花期（如图1）。因此，LED人工光源的问世为生产高品质的花卉作物提供了可能。   　　此外，近年来有研究报道称光谱环境也会影响果蔬作物的内在品质，如番茄果实生長在紅藍光环境下可提高其维生素C的含量（如图2），但有关利用光谱变化调控果蔬内在品质尚处于初步研究阶段。 　　图1  LED光源应用于非洲菊生产 　　图2  LED光源调控番茄品质   　　利用LED光源的冠层补光研究   　　光在作物冠层中分布很不均匀冠层顶部接受的光强远远高于中下部。因此，占据冠层总叶面积80%左右的中下部叶片对整株植物的光合作用贡献很小。另外，由于植物叶片光合作用随光强升高呈饱和曲线趋势，因此，顶部叶片接受的高光强其光能利用较低。這些現象导致传统的顶部补光措施光能利用率很低。LED光源的问世为解决這些问题提供了可能。由于LED是冷光源，可以近距离的接触植物組织而不被灼伤。   　　近年来，科研工作者利用LED光源开展了一系列的冠层补光研究（如图3），由此来解决光在冠层分布不均匀的问题，从而提高光能利用率。荷兰学者初步证实利用LED 冠层补光可以提高番茄产量15%左右。尽管LED冠层补光效果显著，但在其应用中也存在一些问题，如植物叶片容易扭曲褶皱等，从而影响冠层光合作用，這可能是由于光质配比未达到植物最佳的需求所导致，因此，进一步研究解决這些问题將会发挥LED冠层补光的最大潜能。 　　图3  LED光源冠层补光   　　LED光源对干物质产量的影响   　　在光生物学研究中，光合作用和植物形态特征通常被区别对待。然而，从植物干物质生产角度出发，它们之间又有着密切的互作关系。光形态建成对植物的形态結构有着重要的影响。植物形态結构决定着植物冠层的光截获能力，从而影响植物光合作用和干物质产量。相反，光合作用又为植物形态結构的形成提供能量物质。   　　光质影响植物干物质产量体現在兩个方面：一方面，光质可以直接通过影响叶片光合作用来影响干物质生产，因为在光强一致、不同光谱条件下植物光合能力是不同的。因此，不同的人工光源即使在光强一致的条件其干物质产量也不一样。另一方面，光质也可以通过影响植物形态結构来影响冠层光截获能力，从而间接的影响干物质产量。   　　荷兰学者Hogewoning博士以黄瓜幼苗为实验材料开展了一系列实验证实了這一论断。他们发現，高压钠灯和荧光灯下种植的黄瓜幼苗其干物质产量远低于LED模拟自然光谱的人工光源下干物质产量，而叶片单位面积的光合能力却没有受到影响。实验开展13天后，LED模拟自然光谱的人工光源下干物质产量是荧光灯下干物质产量的2.3倍，是高压钠灯下干物质产量的1.6倍。這一現象主要归咎于各处理下植物形态結构发生了变化（如叶面积，叶柄長度）。   　　在LED模拟自然光谱的人工光源条件下植物形态結构更有利于冠层的光截获。這一結果进一步证实可以通过调控LED人工光源的光谱成分来影响植物形态結构，从而影响植物整体光合作用而不影响叶片单位面积的光合能力。這些研究案例说明了不同人工光源其光谱成分的差异可引起植物光形态建成的变化，从而影响植物光合作用和干物质产量。很明显，自然光谱条件下植物干物质产量远高于人工光源条件下的干物质产量，這也暗示当前改进人工光源光能利用效率还有非常大的空间，尤其是要考虑光谱环境对于植物光形态建成的影响。   　　随着人工光源在設施条件下的普及应用，植物生長的光环境也发生了巨大的变化。這一变化对植物生長的影响是多方面的，如光合作用、光形态建成、干物质产量以及植物产品的外在和内在品质等。对于大部分园艺作物来说，传统人工光源和当前新型LED光源 (以紅藍光源为主) 所提供的光谱环境远未满足植物生長最佳需求的光环境。然而，LED光源的出現为进一步优化設施条件下人工补光的光谱环境提供了可能。为了能够开发和充分利用這一新型光源的潜能，有关LED光源调控作物生長的机理还需深入研究。——摘自《半导体照明》第九期