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光是植物生長發育的基本因素之一。光質對植物的生長、形態建成、光合作用、物質代謝以及基因表達均有調控作用。通過光質調節, 控制植株形態建成和生長發育是設施栽培領域的一項重要技術。

作為第四代新型照明光源, LED具有節能環保、安全可靠、使用壽命長、響應時間短、體積小、重量輕、發熱量少、易于分散或組合控制等許多不同于其他電光源的重要特點。傳統植物設施栽培中使用的光源一般是熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和白熾燈。這些光源是依據人眼對光的適應性所選擇的, 其光譜有很多不必要的波長, 對植物生長的促進作用少。而隨著光電技術革新和生產成本下降, LED因具備以下性能成為植物設施栽培領域的重要光源:光譜性能好, 可按照需要組合獲得純正單色光與復合光譜, 其波譜寬度小于±30 nm, 波長正好與植物光合成和光形態建成的光譜范圍吻合;光能有效利用率可達80%~90%, 并能對不同光質和發光強度實現單獨控制;作為冷光源, 可以近距離地照射植物, 大大提高空間的利用效率, 可用于多層栽培立體組合系統, 實現了低熱負荷和生產空間小型化;此外, LED耐沖擊, 不易破碎, 不含汞, 無污染, 廢棄物可回收利用, 使用壽命是普通光源的數十倍, 特強的耐用性也降低了運行成本。由于這些顯著的特征, LED十分適合應用于可控設施環境中的植物栽培, 如植物組織培養、設施園藝和閉鎖式植物工廠以及航天生態生保系統等。

LED應用于植物組織培養的研究

在植物組織培養中, 光合光量子通量密度 (PPFD:Photosynthetic Photon Flux Density) 、光照周期和光譜分布對植物的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物能效極低、發熱量大, 光照用電約占整個電費成本的65%, 是植物組織培養中高的非人力成本之一。因此在植物組織培養中采用LED提供照明, 調控光質和PPFD, 不僅能夠調控組培植物的生長發育和形態建成、縮短培養周期、提高品質, 而且能夠大大減少能耗, 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, 有不少報道認為, 紅藍LED組合對組培植物的生長發育產生積極影響, 優于單色光處理。如Hahn等研究發現, 經單一紅光LED或藍光LED處理的毛地黃組培苗出現徒長現象, 但是在紅藍LED復合光下生長健壯。還有研究發現, 一種雙蝴蝶屬組培植物在紅光LED下生根更好, 在藍光LED下生根差;而在紅藍LED復合光照下, 植物的根數、鮮重和葉綠素含量綜合指標明顯好于單色LED和熒光燈處理^[。

有研究認為紅、藍光LED組合可以通過增加凈光合速率以提高植物的生長和發育是因為紅光與藍光的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜一致。Kim等研究發現在紅、藍LED復合光照射下的菊花組培苗凈光合速率高, 鮮質量、干質量和葉面積達到大, 氣孔的數目少, 氣孔開度大。Tanaka等報道指出在紅、藍LED復合光照射的蘭花組培苗的鮮重和干重增加^[。Lian等對百合離體培養鱗莖進行實驗得出, 紅、藍LED復合光更適合鱗莖的生長, 鱗莖的尺寸、鮮、干質量和根的數量高。

但是有關紅藍LED組合的配比, 不同組培植物作為試驗材料所開展研究的報道結果并不一致。如Nhut等采用80%紅光LED+20%藍光LED組合對其對香蕉組培苗生長和馴化移栽有明顯促進效果。而一項對于桉樹組培苗的研究發現, 同樣的紅藍LED配比, 并配合透氣膜和巖棉基質能夠實現其無糖培養。Nhut等后又研究發現在70%紅光LED+30%藍光LED照射下, 草莓組培苗的葉片數、根數、根長、鮮重、干質量值大, 移栽到土壤中長勢也更好。隨后對白鶴芋組培苗的研究也得到了相似的結果。由此可見, 不同的植物對光質配比的敏感性不同, 表現出不同的適應性。

在對馬鈴薯組培苗的鮮/干質量積累量指標的研究結果中發現, 協同光照控制優于交替間歇光照控制, 45%紅光LED+55%藍光LED的處理對于馬鈴薯組培苗的生長效應是更好的。此外, 有研究發現在25%紅光+75%藍光LED組合下, 從蘭花原球莖小塊中誘導的愈傷組織中能夠獲得高發生率的原球莖體。

LED應用于航天生態生保系統的研究

目前上普遍認為, 建立受控生態生保系統 (Controlled Ecological Life Support System, CELSS) 是解決長期載人航天生命保障問題的根本途徑。而要建立好該系統, 關鍵技術之一就是必須解決好其中的高等植物栽培技術, 在空間進行高等植物栽培涉及到的關鍵問題之一就是光照技術。

基于空間環境的特殊要求, 空間高等植物栽培中使用的光源必須具有發光效率高、輸出的光波適合于植物光合作用和形態建成、體積小、重量輕、壽命長、高安全可靠性記錄和無環境污染等特點。因此, 近年來發光二極管在空間植物栽培中的應用倍受重視。研究發現氙氣金鹵燈和LED兩種照明系統都能提供CELSS要求的光譜能量分布和均勻的照明, 但是采用LED的照明系統的電能轉換效率超過采用氙氣金鹵燈系統的5倍。

郭雙生等研究發現, 太空植株正常生長可采用紅色和藍色LED的一定組合, 以90%紅色+10%藍色LED管更為適宜。Kim等研究發現, 24%綠光+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, RGB處理組的生菜光合產量顯著提高