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光是植物生長發(fa)育的(de)基(ji)本因(yin)素之(zhi)一。光質對植(zhi)物的生長、形態(tai)建成(cheng)、光合作用、物(wu)質代謝以(yi)及基因表達均有(you)調控作用。通過光(guang)質調節, 控制(zhi)植(zhi)株形(xing)態(tai)建成和生長(chang)發育是設(she)施栽培領域的一項重要(yao)技術。

作為(wei)第四代(dai)新型(xing)照明光源, LED具有節能環保(bao)、安全可(ke)靠(kao)、使用壽命(ming)長、響應時(shi)間短、體(ti)積小、重量輕、發熱量少、易于(yu)分(fen)散或組合控制等許多(duo)不同(tong)于(yu)其他電(dian)光源(yuan)的(de)重要(yao)特點。傳統植(zhi)物設(she)施(shi)栽培(pei)中使用(yong)的光源一般(ban)是熒光燈、金屬鹵化物(wu)燈、高(gao)壓鈉燈(deng)和(he)白熾(chi)燈(deng)。這些光(guang)源是依據人(ren)眼對光(guang)的適應性所選擇的, 其光譜有很多不(bu)必(bi)要(yao)的(de)波長, 對(dui)植(zhi)物生(sheng)長的促進作用(yong)少。而隨(sui)著光電技(ji)術革(ge)新和生產(chan)成本下降, LED因具備以下性能成(cheng)為植物設施(shi)栽培領(ling)域的重要光源:光譜性(xing)能好, 可按照(zhao)需要組合(he)獲得純正單色光與復(fu)合(he)光譜, 其波(bo)譜寬度小于±30 nm, 波長正好與植物光合成和(he)光形態(tai)建成的光譜(pu)范圍吻合;光能有效利用率可(ke)達80%~90%, 并能(neng)對不同光質(zhi)和發光強度實現單獨(du)控制;作為冷光源, 可以近(jin)距離地照射植物, 大大提高空間的利用效率, 可用于多層栽(zai)培立體組合系(xi)統, 實現了低熱(re)負荷(he)和(he)生(sheng)產空間小型化(hua);此外(wai), LED耐沖擊(ji), 不易破碎, 不(bu)含汞, 無污染, 廢棄物可回(hui)收利用, 使用壽命是(shi)普(pu)通(tong)光(guang)源的(de)數十(shi)倍, 特強的耐用性也降低了運行成本。由于這些顯著的特征, LED十分適合應用(yong)于可控設施環境中的植物栽培, 如植物組織培養、設(she)施(shi)園(yuan)藝和閉鎖式植物工廠以及航天生態生保系(xi)統等(deng)。

LED應用于植物組織培養的研究

在植(zhi)物組織培養(yang)中, 光(guang)合光(guang)量子(zi)通量密(mi)度 (PPFD:Photosynthetic Photon Flux Density) 、光照(zhao)周期(qi)和光譜分布對(dui)植物的(de)光合作用和形態建成起重要作用。植物組培主要依靠電光源, 傳統電光源對植物的生(sheng)物能效極低、發熱(re)量大, 光照用電約占整個電費(fei)成(cheng)本的(de)65%, 是植物組織培(pei)養中高的(de)非(fei)人力(li)成(cheng)本之一。因此在植物組(zu)織培養中采(cai)用(yong)LED提供(gong)照明, 調控(kong)光質和PPFD, 不僅能夠調控組(zu)培植物的生長發育和形態建成、縮短培養(yang)周期、提高品(pin)質(zhi), 而且能夠(gou)大(da)大(da)減(jian)少能耗(hao), 降低成本

紅光與藍光LED組合對組培植物生長的影響

迄今為止, 有(you)不少報道(dao)認(ren)為, 紅藍LED組合(he)對組培植物的生長發育產(chan)生積極影響, 優(you)于單色光處理。如Hahn等研究發現, 經(jing)單一紅(hong)光LED或藍光LED處理(li)的毛地黃組培苗出(chu)現徒長現象, 但是在紅藍LED復合(he)光(guang)下生長(chang)健壯。還有研究(jiu)發現, 一種(zhong)雙蝴蝶屬(shu)組培植物在紅(hong)光LED下(xia)生根更好, 在藍光LED下生(sheng)根差(cha);而在紅藍LED復合光照下(xia), 植物(wu)的根數、鮮重和葉綠素含(han)量(liang)綜合指(zhi)標(biao)明顯(xian)好于單色LED和(he)熒光燈處理^[。

有研究認為紅、藍(lan)光LED組合(he)可以通過增加凈(jing)光(guang)合(he)速率以提高植物(wu)的生長和發育是因為紅光(guang)與藍光(guang)的光(guang)譜(pu)能量分布(bu)與葉綠(lv)素吸收光(guang)譜(pu)一致(zhi)。Kim等研究發現在紅(hong)、藍LED復合光(guang)照射下的菊花組(zu)培(pei)苗凈光(guang)合速率高, 鮮質量、干(gan)質量和葉面(mian)積達到(dao)大, 氣孔的數(shu)目少(shao), 氣孔(kong)開度(du)大。Tanaka等報(bao)道(dao)指出在紅、藍LED復合光照(zhao)射(she)的蘭花(hua)組(zu)培苗的鮮重(zhong)和干重(zhong)增加^[。Lian等對百(bai)合離體培(pei)養鱗莖進行實(shi)驗得出(chu), 紅、藍LED復合(he)光更適(shi)合(he)鱗莖(jing)的生長, 鱗莖的尺(chi)寸(cun)、鮮、干質量和根(gen)的數量高。

但是(shi)有關(guan)紅(hong)藍LED組(zu)合的配(pei)比, 不同(tong)組培植物作為試驗材料(liao)所開(kai)展研究的(de)報道結果(guo)并不一致。如Nhut等采用80%紅(hong)光LED+20%藍光LED組(zu)合對(dui)其(qi)對(dui)香蕉組(zu)培苗生長和馴化移栽有明顯促進效(xiao)果。而一(yi)項(xiang)對于桉樹組培苗的研究發(fa)現, 同樣的紅(hong)藍LED配比, 并配合(he)透氣(qi)膜和巖棉(mian)基(ji)質能夠實現其(qi)無糖(tang)培(pei)養。Nhut等后又研究(jiu)發(fa)現在70%紅光LED+30%藍光LED照射下, 草莓(mei)組(zu)培苗的葉(xie)片(pian)數(shu)、根數、根長、鮮重、干質量值大(da), 移栽到土壤中長勢也更(geng)好。隨后對白鶴芋組(zu)培苗的研究也(ye)得到了(le)相(xiang)似的結(jie)果。由此可(ke)見(jian), 不(bu)同的植物對光質配比(bi)的敏感性不(bu)同, 表現出不同的適應性。

在對馬鈴薯組培苗的鮮/干(gan)質(zhi)量(liang)積累量(liang)指(zhi)標(biao)的研究結果中發(fa)現, 協同(tong)光照(zhao)控制優于交(jiao)替間歇光照(zhao)控制, 45%紅(hong)光(guang)LED+55%藍光LED的處理(li)對于(yu)馬鈴薯組(zu)培苗的生長效應是更好的。此外, 有研究發現(xian)在(zai)25%紅光+75%藍光LED組合(he)下, 從(cong)蘭花原(yuan)球(qiu)莖(jing)(jing)小塊中誘(you)導的愈傷組織中能夠獲得高發生率的原(yuan)球(qiu)莖(jing)(jing)體。

LED應用于航天生態生保系統的研究

目(mu)前上普遍認為, 建立受控生(sheng)態(tai)生(sheng)保(bao)系統 (Controlled Ecological Life Support System, CELSS) 是(shi)解決長期載人航天生命保障(zhang)問題的根本途徑。而要建立好該(gai)系統, 關(guan)鍵技術之一就是必須解決好其中的高等植物栽培技術, 在空(kong)間進行高等植物(wu)栽培涉及到的關鍵問題之一就是(shi)光照技術。

基于空間環(huan)境(jing)的特殊(shu)要(yao)求, 空間高(gao)等植(zhi)物栽培(pei)中使(shi)用的光源必(bi)須具有(you)發光效率高(gao)、輸出的光波適合(he)于植物光合(he)作(zuo)用(yong)和(he)形態建成、體積小(xiao)、重(zhong)量(liang)輕、壽命(ming)長、高安全可靠性記(ji)錄和無環境污(wu)染等特(te)點。因此(ci), 近年(nian)來發光二極管在空間植物栽培(pei)中(zhong)的應用倍受重視。研究發現氙氣金鹵燈(deng)和LED兩種照明系統都能(neng)提供CELSS要求的(de)光譜能(neng)量分布和均勻的(de)照明(ming), 但是采用LED的(de)(de)照明系統的(de)(de)電能轉(zhuan)換效率(lv)超過采用氙氣金鹵燈系統的(de)(de)5倍。

郭雙生等研究(jiu)發現, 太空植株正常生長可采用紅(hong)色和(he)藍色LED的一定(ding)組合, 以90%紅色+10%藍色(se)LED管更為(wei)適宜(yi)。Kim等(deng)研(yan)究發現, 24%綠(lv)光+藍光+紅光 (RGB) 處理促進了生菜的生長, 與冷白熒光燈處理組相比(bi), RGB處理組的生菜光合產量顯著提高