LED在设施园艺产业的应用现状与发展趋势
杨其长
(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)
摘 要：设施园艺是一个能耗相对较高的产业，其中人工光能耗占有相当的比重，减少人工光能耗是实现设施园艺节能的重要课题。LED不仅具有体积小、寿命长、耗能低、波长固定与低发热等优点，而且还能根据植物需要进行发光光谱的精确配置，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。该文通过对LED在设施园艺领域研究现状的详细阐述，重点介绍了LED的光源特性及其在设施栽培、组织培养、植物工厂和太空农业等方面的应用进展，并对LED在人工补光、植物工厂、生命保障系统以及与新能源结合等方面的应用前景进行了分析和展望。
关键词：人工光源；发光二极管(LED)；设施园艺
Application and Foreground of Light-Emitting Diode（LED）in Protected Horticulture
Yang Qichang
( Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences,
Beijing 100081, China)
Abstract: The application of light-emitting diode (LED) in agriculture and bio-industry has been concerned by all over the world with the development of LED technology. LED not only has many advantages, such as small size, longer life, low energy consumption, particular wavelength and low production of heat, but also can emit the exact spectrum based on the need of plant. LED can actualize a lot of functions, such as energy-saving, environment-friendly and efficient space utilization, which can’t be achieved by conventional light source. The application of LED in agriculture and bio-industry has been reviewed in this paper, which includes the characteristics of LED and the progress of LED applied in plant cultivation, tissue culture, plant factory and controlled ecological life support system(CELSS). Trends of LED applied in artificial lighting, plant factory, CELSS and combination with new energy are also outlined.
Key words: Artificial lighting, Light-Emitting Diode（LED), Protected Horticulture 0 引言
设施园艺是一个高投入、高产出的产业，同时也是高能耗的行业。据联合国粮食计划署统计，全世界一年农业生产的能耗量有35％用于设施园艺产业，能耗费用约占温室作物生产总费用的15％～40％。人工光源作为设施园艺的重要组成部分，同时也是耗能和增加运行成本的主要因素。有关资料显示，大型连栋温室人工补光（以高压钠灯或金属卤素灯为人工光源）的能耗功率约为200kw/ha；植物苗工厂（以荧光灯为人工光源）各种设备的能耗比例为：照明约占82％，空调制冷约占15％，其他占3％（Kozai，2002）；人工光植物工
厂（以荧光灯为光源），照明能耗(三层结构）为800W/m2，约占总能耗的45-55％（Yang，2006）)；植物组培人工光（以荧光灯为人工光源）的能耗（培养架四层结构）为500-600W/m2，约占运行费用的30%-40％。长期以来在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，这些光源的突出缺点是能耗大、运行费用高。因此，提高发光效率、减少能耗一直是设施园艺领域人工光应用的重要课题。
近年来，随着光电技术的发展，带动了高亮度红光、蓝光与远红光发光二极管（Light-Emitting Diode, LED）的诞生，使低能耗人工光源在设施园艺领域的应用成为可能。LED具有高光电转换效率、使用直流电、体积小、寿命长、耗能低、波长固定与低发热等 优点，与目前普遍使用的高压钠灯和荧光灯相比，不仅光量、光质（红/蓝光比例或红/远红光比例等）可调，而且还是低发热量的冷光源，可近距离照射，从而使植物的栽培层数和空间利用率大大提高。因此，LED被认为是未来设施园艺领域最有前途的人工光源，具有良好的发展前景[1,2]。 1 LED的基本原理与优势
LED（Light- Emitting Diode），又称发光二极管，由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料制成，其核心是PN结（图1所示）。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。按发光强度和工作电流可分为普通亮度的LED（发光强度<10mcd）、高亮度LED（发光强度在10～100mcd之间）和超高亮度的LED（发光强度>100mcd）等类型，其中超高亮度LED寿命可达5万小时以上，且光衰仅为30%[3]。
LED的相关产品早在20世纪60年代初就已面世，1962年世界上首个GaAsP 红色LED（λ
图1 LED结构原理图
Fig1 Schematic diagram of LED structure
p=650nm）研制成功， 随后黄色LED开始出现，但这一阶段LED光源仅局限于标识、观赏等领域的应用。20世纪80年代中期，高亮度LED开始推出，1993年又相继研制出蓝色和绿色LED产品，1996年白色LED相继研制成功。但由于受亮度、价格等因素的影响，LED很长一段时期一直未能作为通用光源推广应用。最近10年来，随着国际上对半导体发光材
料研究的不断深入，LED性能的不断提高，价格的大幅度下降，以及大功率LED产品的相继推出，使LED的普及逐渐成为可能[4]。
图2 红蓝光光谱分布
目前，LED已被广泛应用于汽车、通讯、资讯、交通信号、家电、照明以及生物医药等众多领域。与高压钠灯、白炽灯、荧光灯等其他人工光源相比，LED的优势在于：1.使用电源电压较低，供电电压仅为6~24V，比使用高压电源更安全；2.节能高效，耗电量仅为白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一；3.可发出光波较窄的单色光（图2），如红外、红色、橙色、黄色、绿色、蓝色等，而且还可以根据不同需要任意组合；4. 低发热特性的冷光源，可以近距离照射植物，提高空间利用率；5.可以在极短时间内发出脉冲光，响应时间快；6.体积小、结构紧凑、稳定性强；7.无污染，作为全固体发光体，不含金属汞、耐冲击、不易破碎，废弃物可回收，是一种绿色照明产品；8.寿命长，可达50,000小时以上，是普通照明灯具的几十倍。近年来，随着光电技术的不断革新，LED正向高亮度、低成本的目标快速推进[2,3]，为这一新型光源的普及与应用提供了广阔的空间[5]。 2 LED在设施园艺领域的应用现状
园艺作物的光合作用，主要是利用波长为610mm~720nm（波峰为660nm）的红橙光，吸收的光能约占生理辐射的55％左右；其次是波长为400~510nm （波峰为450nm）的蓝紫光，约占8％左右。 LED能够发出植物生长所需要的单色光（如波峰为450nm的蓝光、波峰为660nm的红光等），光谱域宽仅为±20nm，红蓝光LED组合后，能形成与作物光合作用和形态建成基本吻合的光谱吸收峰值，光能利用率可达80％~90％，节能效果显著。LED光源这种独特的性能，为其在设施园艺领域的应用提供了有效的发展空间[6]。 2.1 LED在设施栽培领域的应用
世界上最早将LED用于植物栽培的是日本三菱公司，早在1982年就有关于采用波长650nm红色LED进行温室番茄补光的试验报道[6]。1987年美国Wisconsin大学Tibbitts等人