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光是植物生長發(fā)育的基本因素之一。光質(zhì)對植物的生長、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝以及基因表達均有調(diào)控作用。通過光質(zhì)調(diào)節(jié), 控制植株形態(tài)建成和生長發(fā)育是設(shè)施栽培領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。

作為第四代新型照明光源, LED具有節(jié)能環(huán)保、安全可靠、使用壽命長、響應(yīng)時間短、體積小、重量輕、發(fā)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(tǒng)植物設(shè)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(jù)人眼對光的適應(yīng)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(shù)革新和生產(chǎn)成本下降, LED因具備以下性能成為植物設(shè)施栽培領(lǐng)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(fù)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(tài)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(zhì)和發(fā)光強度實現(xiàn)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(tǒng), 實現(xiàn)了低熱負荷和生產(chǎn)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(shù)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(yīng)用于可控設(shè)施環(huán)境中的植物栽培, 如植物組織培養(yǎng)、設(shè)施園藝和閉鎖式植物工廠以及航天生態(tài)生保系統(tǒng)等。

LED應(yīng)用于植物組織培養(yǎng)的研究

在植物組織培養(yǎng)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(tài)建成起重要作用。植物組培主要依靠電光源, 傳統(tǒng)電光源對植物的生物能效極低、發(fā)熱量大, 光照用電約占整個電費成本的65%, 是植物組織培養(yǎng)中高的非人力成本之一。因此在植物組織培養(yǎng)中采用LED提供照明, 調(diào)控光質(zhì)和PPFD, 不僅能夠調(diào)控組培植物的生長發(fā)育和形態(tài)建成、縮短培養(yǎng)周期、提高品質(zhì), 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(fā)育產(chǎn)生積極影響, 優(yōu)于單色光處理。如Hahn等研究發(fā)現(xiàn), 經(jīng)單一紅光LED或藍光LED處理的毛地黃組培苗出現(xiàn)徒長現(xiàn)象, 但是在紅藍LED復(fù)合光下生長健壯。還有研究發(fā)現(xiàn), 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(fù)合光照下, 植物的根數(shù)、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(fā)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(fā)現(xiàn)在紅、藍LED復(fù)合光照射下的菊花組培苗凈光合速率高, 鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和葉面積達到大, 氣孔的數(shù)目少, 氣孔開度大。Tanaka等報道指出在紅、藍LED復(fù)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(yǎng)鱗莖進行實驗得出, 紅、藍LED復(fù)合光更適合鱗莖的生長, 鱗莖的尺寸、鮮、干質(zhì)量和根的數(shù)量高。

但是有關(guān)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(jié)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(fā)現(xiàn), 同樣的紅藍LED配比, 并配合透氣膜和巖棉基質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)其無糖培養(yǎng)。Nhut等后又研究發(fā)現(xiàn)在70%紅光LED+30%藍光LED照射下, 草莓組培苗的葉片數(shù)、根數(shù)、根長、鮮重、干質(zhì)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(jié)果。由此可見, 不同的植物對光質(zhì)配比的敏感性不同, 表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。

在對馬鈴薯組培苗的鮮/干質(zhì)量積累量指標的研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn), 協(xié)同光照控制優(yōu)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(yīng)是更好的。此外, 有研究發(fā)現(xiàn)在25%紅光+75%藍光LED組合下, 從蘭花原球莖小塊中誘導(dǎo)的愈傷組織中能夠獲得高發(fā)生率的原球莖體。

LED應(yīng)用于航天生態(tài)生保系統(tǒng)的研究

目前上普遍認為, 建立受控生態(tài)生保系統(tǒng) (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(tǒng), 關(guān)鍵技術(shù)之一就是必須解決好其中的高等植物栽培技術(shù), 在空間進行高等植物栽培涉及到的關(guān)鍵問題之一就是光照技術(shù)。

基于空間環(huán)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(fā)光效率高、輸出的光波適合于植物光合作用和形態(tài)建成、體積小、重量輕、壽命長、高安全可靠性記錄和無環(huán)境污染等特點。因此, 近年來發(fā)光二極管在空間植物栽培中的應(yīng)用倍受重視。研究發(fā)現(xiàn)氙氣金鹵燈和LED兩種照明系統(tǒng)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(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率超過采用氙氣金鹵燈系統(tǒng)的5倍。

郭雙生等研究發(fā)現(xiàn), 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(fā)現(xiàn), 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(chǎn)量顯著提高