设施园艺生产中LED灯与高压钠灯的应用差异性分

在未来满足食物增长需求中，温室这种相对封闭的生产系统，将扮演重要角色[1]。近年来，温室光照不足已经越来越受到人们的关注，一方面是由于温室方位、结构、覆盖材料特性所导致的温室透光率下降[2]，另一方面是由于气候变化所导致的温室作物光照不足，比如冬季及早春季节的连续阴雨天气、频发的雾霾天气等。光照不足直接对温室作物产生不利的影响，给生产造成严重损失。植物补光灯可以有效缓解或解决这些问题。白炽灯、荧光灯、金卤灯、高压钠灯以及新兴的LED灯都曾经或正在温室补光中得到应用。在这些光源类型中，高压钠灯拥有较高的光效、较长的使用寿命、较高的综合能效，占据了一定的市场地位，但是高压钠灯照明持续性差、安全性（含汞）较低、不可近距离照射等问题也很突出。部分学者就LED灯在未来或可克服高压钠灯性能不足的问题上持积极态度。然而，LED价格昂贵、补光技术难配套，补光理论欠完善，再者LED植物补光灯产品规格混乱，使得用户对LED在植物补光应用上提出质疑。所以该文系统总结前人研究成果及其生产应用现状，为温室补光中的光源选择和应用提供参照。

1 高压钠灯和LED照明的差异性

发光原理及外部构造的差异性

高压钠灯由内到外由汞、钠、氙电弧管灯芯、玻壳、消气剂灯头等构成[3]。因其核心配件镇流器的不同又分为电感高压钠灯和电子高压钠灯，不同功率的高压钠灯需使用相应规格镇流器。LED又称发光二极管，核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有个过渡层，称作P-N结[4]。电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就会发出从紫色到红色不同颜色的光线，光的强弱与电流有关[5]。按发光强度和工作电流可分为普通亮度（发光强度＜10 mcd）、高亮度（发光强度为10～100 mcd）和超高亮度（发光强度＞100 mcd）等类型[6]]。其结构主要分为四大块：配光系统的结构、散热系统的结构、驱动电路和机械/防护结构[7]。

照射范围及光谱范围的差异性

高压钠灯灯管的发光角度为360°，大部分必须通过反射器反射后才能照射到指定区域，光谱能量分布大致为红橙光、黄绿光、蓝紫光（只占小部分）[8-9]。根据LED不同的配光设计，其有效发光角度可大致分为≤ 180°、180°～300°和≥300°三类[8]。LED光源具有波长可调性，可发出光波较窄的单色光，如红外、红色、橙色、黄色、绿色、蓝色等，可以根据不同需要任意组合。

适用条件和寿命的差异性

高压钠灯是第三代照明光源，常规交变电流下使用范围较广，发光效率高，有很强的穿透能力，最高寿命为 h，最低也能维持在 h。钠灯进行照明的同时，会伴随着热量的产生，所以钠灯是一种热光源。在使用过程中，也存在自熄问题[3,10-11]。LED作为第四代新型的半导体光源，采用直流驱动，寿命可达到 h以上，而且衰减小，作为冷光源，可以贴近植物照射[6,8,12-13]。廖瑞辉[14]对比了LED与高压钠灯，指出LED安全性较高，不含有害元素，更加环保。

2 高压钠灯和LED补光对作物影响的差异性

农业生产中大量的生产实践和科学研究证明，人工植物补光不仅能增加作物产量，缩短种植周期，还能有效提高作物品质，是现代农业高效生产的重要保障手段[15]。在育苗和温室作物管理过程中，利用高压钠灯和LED对其进行补光，可促进作物的生长发育，改变作物的产量、形态、生理指标。

产量、品质差异性

作物的高产量和高品质是种植栽培的最终目的。LED补光可使辣椒、番茄和茄子幼苗的品质得到提高[16]，补光10 h条件下的番茄单果质量、单株产量增加幅度明显[17]。LED补光产生的增产效果也表现在黄瓜种植上[18]。LED可以改善葡萄果实的品质，其中蓝光补光处理果实发育最快，果实单粒质量较高，糖含量最高，紫外补光处理果实成熟期时单粒质量最大[19]。同样，70 W高压钠灯明显对草莓的单株产量产生增产效应，增产幅度为17.9%[16]。高压钠灯和LED补光对植株的形态产生显著影响。通过LED侧面补光处理也提高了黄瓜视觉果实品质。在钠灯的基础上增加LED，对比只有钠灯的处理，黄瓜的颜色更鲜艳[20]。

形态指标差异性

植株形态指标是植物生长过程中的重要指标，特别是育苗生产中，决定着移植栽培后植株能否健康生长。通常情况下，LED生长下的针叶树植株幼苗对比高压钠灯有着更好的长势[21]。光周期 12 h，光密度 50μmol/(m2·s)，LED 红光（630～660 nm）、橙光（590～610 nm）、蓝光（450～460 nm）、绿光（520～540 nm）处理，分别比自然光 [120 μmol/(m2·s)]均显著提高了‘赛田’番茄幼苗的壮苗指数[22]。龚婷等[16]使用自制的LED进行补光后，也发现辣椒、番茄和茄子幼苗的株高、茎粗、叶面积明显增长，而且LED株间补光使番茄上部、中部、下部叶片的单位面积质量均显著增加。温室番茄品种‘Maxifort’前期利用 61±2 μmol/(m2·s)高压钠灯、自然光、3种不同比例红蓝光进行补光，发现95%红光+5%蓝光LED下的番茄叶面积和叶片数量要高于高压钠灯[23]。LED灯补光对西瓜嫁接苗株高、茎粗和叶面积的增加效果都要优于高压钠灯处理[24]。这些结果都表明，LED光谱配比适宜下，植株叶片生长状况高于高压钠灯。然而，LED下玫瑰茎伸长和叶面积较低，几种植物处理之间干重和鲜重没有显著性差异，符合研究LED处理和高压钠灯处理下生长的辣椒、番茄、天竺葵、矮牵牛和金鱼草的幼苗具有相似的干物质量 [25]。200 μmol/(m2·s)高压钠灯补光下的番茄幼苗高度、叶片数量、鲜重和干重均大于相同光密度下的红蓝LED灯组合[26]。而且，LED和高压钠灯交替照射下的番茄植株鲜重低于单独使用高压钠灯，在高压钠灯下叶子的叶片透射率和反射率较高，这也使光线更好地进入树冠[27]。经过一系列比较，发现不同试验结果的出现，与试验方法设计的不同，LED灯光配比、温度、光密度不同有显著的关系。

文章来源：《植物生理学报》 网址: http://www.zwslxbzz.cn/qikandaodu/2020/1117/436.html