LED对植物生长促进作用的研究进展

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1、2011 年第 3 期中 国 照 明 电 器CHINA LIGHT LIGHTING1LED对植物生长促进作用的研究进展施丰华1王海波2张瑞西2林海凤1范供齐1徐文飞1( 1. 南京工业大学材料科学与工程学院 ， 江苏 南京 210009;2. 南京工业大学电光源材料研究所 ， 江苏 南京 210015)摘 要概述了光在植物生长发育中所起的作用 ， 以及不同波长光对植物生长的影响 ， 并对 LED 在植物栽培中的应用前景进行了分析 。关键词 LED 植物生长 光质Research Progress on Accelerating Plant-growth with LEDShi Fenghua

2、1Wang Haibo2Zhang Ruixi2Lin Haifeng1Fan Gongqi1Xu Wenfei1( 1. College of Material Science and Engineering， Nanjing University of Technology， Jiangsu Nanjing 210009;2. The Research Institute of Electric Light Source Materials， Nanjing University of Technology，Jiangsu Nanjing 210015)Abstract: In this

3、paper， the role of light in the growing of plants is introduced. Different kinds of wave length whichcan influence the development of plants are presented. Trends of LED application in the plant growth are alsooutlined.Key words: light-emitting diode; plant growth; light quality基金项目 : 江苏省企业院士工作站 ( B

4、M2010449); 江苏省国际合作( SBZ200900225)引言植物的生长发育受到许多环境因子的影响 ， 包括光 、温度和营养物质等 。在这些影响因子中 ， 光具有特殊重要的地位 。因为它不仅影响着植物几乎所有的发育阶段 ， 还为光合作用提供能量 。近年来人们一直在努力模拟植物的吸收光谱 1 2， 以求研制出某种LED 光源 ， 使其发射光谱最大限度地接近植物的吸收光谱以产生共振吸收 ， 促使光合作用高效地进行 。这样 ， 不论冬天或阴雨天 、温室或大棚内植物的光合作用都能正常进行 。本文简要从光在植物生长发育中所起的作用 ; 植物生长发育对光波段的选择性吸收 ; LED 在植物栽培中的

5、前景分析等几个方面进行介绍 。1 光在植物生长发育中作用在诸多影响植物生长发育的环境因子中 ， 光照起到了至关重要的作用 。首先光是植物生长所需能量的来源 ， 植物的生长发育 、开花结果是通过光合作用 、光形态建成 、光周期调节来完成的 ， 这些过程都需要光的参与和作用 3 4。通过光反应和暗反应两个阶段 ， 在植物生命过程中产生碳骨架 。除此之外 ， 光还作为一种触发信号影响着植物生长发育的许多方面 ，如种子发芽 、脱黄化作用 、营养形态学 ( 茎的生长和叶的伸展 ) 、24h 节律的形成 、基因表达 、向地性和向2 中 国 照 明 电 器 2011 年第 3 期光性 。不同的光强和光质可以

6、导致截然不同的生长形态 ， 不同的植物种类对光的反应也不尽相同 。植物体内至少有 3 类光受体 : 光敏素 、蓝光 /近紫外光受体( 隐花色素 ) 、紫外光受体 。已证明由这些光受体所介导的生理反应与特定的光调基因的协同调节有关 。这就是植物的光形态建成 。光质对光合碳代谢有重要的调节作用 ， 蓝光下生长的多种植物的叶片或种子总蛋白质含量比红光下生长的高 ， 红光下生长的植物体内有较多的碳水化合物积累 。这一现象普遍存在于高等植物和藻类中 。小球藻作用光谱显示促进蛋白质含量增加的最有效波长在 460 nm 和 370 nm 附近 。魏胜林等 5发现 ， 蓝光处理的菊花叶片氨基酸总量和糖含量比对

7、照组分别高 32% 和 8. 9%。较高的氨基酸含量和能源物质为蓝光光质下菊花的花芽分化和花朵发育提供了细胞结构成分和能量 。2 LED 在植物设施栽培中的研究与应用2. 1 研究背景LED 光源由于具有诸多优点 ， 如节能性 、光谱可调性 、良好的点光源性 、冷光性以及良好的防潮性 ， 而使其适合作为农业用灯 。LED 能发出不同颜色 ( 光质 ) 的光是因为其材料中电子和空穴所占的能级有所不同 。能级的高低会影响电子和空穴复合后光子的能量 ， 从而产生不同波长的光 ， 即不同颜色的光 。LED 在植物生理与植物栽培领域的应用研究已经引起全世界的广泛关注 。以日本和美国为代表的发达国家不仅深

8、入研究 LED 对植物生长发育的调控机理 ， 更注重积极研究将 LED 广泛应用于植物栽培领域的技术和产品 。美国 NASA 研究中心把 LED 补光设施作为宇宙基地等闭锁式生命维持系统的相关技术之一开展研究 ; 日本的闭锁式 LED 植物工厂的研究已经进入实用化阶段 ; CCS 公司制作的植物生长系统通过生长控制软件控制 LED 照明 ， 能实现不同光质的 自 动 控 制 ; 新 型 LED 光 源 组 培 容 器 “Uni-PACK”也研制成功 ， 具有提高组培空间利用率 、有效波长利 用 率 和 照 明 效 率 ， 降低组培苗生产成本等优势 6。LED 能够发出植物生长所需要的单色光光谱

9、 ，光能有效利用率可达 80% 90% ， 并能对不同光质和发光强度实现单独控制 。植物组培主要依靠电光源 ， 传统电光源对植物的生物能效极低 、发热量大 ， 光照用电约占整个电费成本的 65% 7， 是植物组织培养中最高的非人力成本之一 8。因此在植物组织培养中采用 LED 提供照明 ， 调控光质和光合光量子通量密度 ( PPFD)， 不仅能够调控组培植物的生长发育和形态建成 、缩短培养周期 、提高品质 ， 而且能够大大减少能耗 ， 降低成本 9。2. 2 不同波段光对组培植物生长的影响植物对光能的要求必须满足 3 个条件 ， 即一定的光谱组 成 、光 照 度 和 光 周 期 。LED 的

10、光 谱 域 宽 在20nm左右 ， 各个光谱段对植物的作用各不相同 。植物光合作用在可见光光谱 ( 380 760nm) 范围内进行 ， 不是全波段而是有选择性的 。所吸收的光能约占生理辐射光能的 60% 65% ， 其中主要是波长为 610720nm 的红 、橙光和波长为 400 510nm 的蓝 、紫光 。值得注意的是 ， 不同植物在不同生长时期所需的光谱组合 、PPFD 及光照周期存在一定差异 。用 LED 这种结构简便 、可靠性高的节能光源代替已有的人工光源来进行植物的高效生产 ， 具有广阔的前景和较高的实用价值 。2. 2. 1 红光 ( 620 660nm) 和远红光 ( 710

11、740nm)对组培植物生长的影响光谱中红光与远红光光通量的比值 ( R /FR) 对植物形态建成 、调节植株高度具有重要影响 。R/FR比值已成为控制植株形态的一个重要评价参数 10。Lian 等 11研究表明 : 在单独红光 LED 照射下 ，百合离体培养鳞茎的生长指标和干物质积累较低 ， 这与单独红光导致的低 CO2同化作用有关 。Tanaka等 12研究发现 : 红光 LED 促进兰花组培苗叶片生长但降低了叶绿素含量 、茎和根的干重 。Fujiwara 等 13研究发现 ， LED 光源中 ， 红光 LED 和远红光 LED 光源比荧光灯更易影响组培苗的光形态建成和生长发育 。这一结果印

12、证了 Goins 等 14将红光 LED 应用于小麦光合产量研究的结果 。此外 ， 在研究 PPFD 均为 45mol/( m2s) 的不同光质 LED 对兰花原球茎小块照射处理的实验结果中 ， 发现红光 LED 处理对从原球茎片段中诱导愈伤组织是最有效的 15。2. 2. 2 蓝光 ( 450 470 nm) 对组培植物生长的影响有报道 16， 17认为蓝光直接或间接影响植物胚轴的伸长 、酶的调节和合成 、气孔的张开 、叶绿体的成熟施丰华 等 : LED 对植物生长促进作用的研究进展 3和光形态建成 。但是有关单一蓝光 LED 显著影响组培苗生长发育的报道并不多见 。Appelgen 等 1

13、8曾报道蓝光强烈抑制天竺葵组培苗茎的延长 。Nhut 等 19的研究表明 ， 经单一蓝光LED 处理的草莓组培苗叶片数目最少 、根长最短 ， 可见其抑制草莓组培苗生长 ， 但没有蓝光 LED 照射会导致草莓组培苗生长和发育不平衡 。在对马蹄莲组培苗光合兼养条件下生长效果的研究中发现 ， 在 LED 处理之前 ， 干质量和生长速率没有显著的差异 ， 但是添加蓝光 LED 处理对叶绿素含量和株高指标有显著的正效应 20。Tanaka 等 12研究发现红光 LED 促进了兰花叶片的生长但降低了叶绿素的含量 ， 然而蓝光 LED 却逆转了这个效应 。2. 3 红光与蓝光 LED 组合对组培植物生长的影

14、响在农业生产中使用不同波长的光已作为一项新的技术措施 ， 取得了可喜的成果 。有研究认为红 、蓝光 LED 组合可以通过增加净光合速率以提高植物的生长和发育 ， 这是因为红光与蓝光的光谱能量分布与叶绿素吸收光谱一致 。Hahn 等 21研究发现 ， 经单一红光 LED 或蓝光 LED 处理的毛地黄组培苗出现徒长现象 ， 但是在红蓝 LED 复合光下生长健壮 。还有研究发现 22， 一种双蝴蝶属组培植物在红光 LED 下生根最好 ， 在蓝光 LED 下生根最差 ; 而在红蓝 LED复合光照下 ， 植物的根数 、鲜重和叶绿素含量综合指标明显好于使用单色 LED 和荧光灯时的相应指标 。另据报道 ，

15、 作物栽培中增加红光照射量 ， 抑制侧根的发生 ， 能提高作物的含糖量 ; 加蓝色光会抑制叶柄的伸长 ， 作物的蛋白质含量增加 。国外利用彩色塑料薄膜对蔬菜作物进行试验发现 ， 紫色薄膜对茄子有明显的增产作用 。除此之外 ， 光波段对高等植物的碳水化合物和蛋白质代谢有调节作用 1。蛋白质含量较高 ， 在红光下生长的植物通常碳水化合物含量较高 ， 这说明光色影响着植物的氮代谢过程 。通过研究光波对作物产生的生物效应发现 ， 同波段的准单色管进行组合或复合光冷光管对作物进行补光照射 ， 效果良好 。这是因为短波长的光与长波长的光配合照射 ，光合作用的效应比单独照射时大得多 4。但关于红 、蓝光 L

16、ED 组合的配比 ， 不同组培植物作为试验材料所开展研究的报道结果并不一致 。不同的植物对光质配比的敏感性不同 ， 表现出不同的适应性 。3 LED 在植物栽培中的前景分析21 世纪将是生态农业的世纪 ， 而物理农业是实现生态农业的主要途径之一 。在众多的物理学科知识中 ， 光学在其中起着至关重要的作用 ， 如何在太阳光照不足情况下调控特定人造光源对绿色植物实施不同 “光肥 ”， 达到不仅促进农作物生长发育 ， 还可以增产 、高效 、优质 、抗病 、无公害的目的 ， 对于促进中国现代农业的发展具有非常重要的现实意义 。LED 以其固有的优越性正吸引着世界的目光 ，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下 ， 被业界认为是在未来十年替代其他人工光源最有潜力的产品 。LED 应用于植物工厂具有很多优势 : 可提供不同波长的单色光 ， 根据不同作物的需求提供相应的光谱组合 ; 具有光量可调的特性 ， 可以模拟太阳光强度的变化 ; 发光频率与占