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LED在农业照明领域应用的可行性

来源:中国半导体网 日期:2011年9月3日 10:55

        人工光源在农业领域的应用主要有完全人工光照明和光合补光两个方面,目前已经在植物生产、微藻繁殖以及畜禽养殖等众多领域广泛使用。

  1.LED作为植物照明光源的可行性

  长期的研究表明,植物光合作用在可见光光谱(380~760nm)范围内,所吸收的光能约占其生理辐射光能的60%~65%,其中主要以波长610~720nm(波峰为660nm)的红、橙光(约占生理辐射的55%左右)以及波长400~510nm(波峰为450nm)的蓝、紫光(约占生理辐射的8%左右)为吸收峰值区域。因此,开发出以这两个波段(特别是波峰)的人工光源将会大大提高光能利用效率。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LED的诞生,为实现这一目标提供了可能。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,能形成与植物光合作用和形态建成所需基本吻合的光谱,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,为其在温室人工补光、植物组培、遗传育种、植物工厂等植物生产领域的应用提供了有效的发展空间。

  世界各国的学者围绕LED植物照明光源的应用进行了多年的探索,取得了很多重要的成果。比如,1991年Bula等利用660nm红光LED与蓝色荧光灯组合,进行了莴苣栽培试验,并获得成功等。到目前为止,LED已成功用于多种植物的栽培试验,包括莴苣、胡椒、胡瓜、小麦、菠菜、虎头兰、草莓、马铃薯、白鹤芋以及藻类等。LED光源的特性和已有研究基础均表明,LED作为植物照明光源具有促进植物生长、调节植物形态建成和节能环保等多方面优势,可以广泛用于植物栽培、温室补光、植物组培、植物工厂以及航天航空等众多领域,是未来植物照明光源的重要发展方向。

  2.LED作为养殖业照明光源的可行性

  近年来,随着LED等单色光源的出现,国内外相关机构围绕畜禽对光色、光强与光周期等需求机理进行了深入研究,探明了畜禽对光环境需求的相关参数。比如,通过研究发现,AA肉鸡生长前期采用绿光或蓝光照射,生长后期采用蓝光照射,能显著促进肉鸡的生长发育和提高其生产性能;肉鸡生长早期(0-7d)选用绿光照明,可不同程度地改善肉鸡小肠黏膜结构,提高小肠对营养物质的吸收能力,从而促进肉鸡生长发育;蓝、绿光可使视网膜面积、视网膜节细胞(RGCs)总数增加;从视网膜的中央区到周边部,绿光组的RGCs密度梯度下降幅度和蓝光组的RGCs大小梯度增大幅度最明显。我国学者通过对种鸡的光色、光强与光周期的优化指标研究,确定了调控光色、光强和光周期来改善鸡的生理节律、摄食行为、生长发育、繁殖性能的技术体系,消减了诸如禽产品“污染”(如药物残留、激素残留等)的负面影响,大大提高了鸡的生产潜力等。所有这些研究表明,LED在畜牧业中的实际应用是可行的,通过适当的LED光照调节,能够显著促进畜禽生长,提高其免疫力,大大提高畜禽养殖的生产潜力。

  3. LED作为微藻培养照明光源的可行性

  LED具有冷却负荷低、电光转换效率高、可设特定波长的光质等特点,对藻类细胞培养是一种非常适合的人工光源。此外,LED光源波长具有可以精确到1纳米、可以实现不同光质的任意配比的独特优点,使其在微藻的培养上具有其他光源无法比拟的优势。如韩国科学家的研究表明,用LED光源可以提高微藻的光合效率,进而提高微藻培养的细胞密度。我国暨南大学徐明芳等人研究了LED集成光对螺旋藻生长的影响,发现与冷白荧光日光灯相比,采用LED集成光板辐射单色红光,螺旋藻的培养效率明显提高等。这些研究不仅表明LED在微藻培养中的实际可行,而且效果极为显著。

  人工光源作为现代农业的重要组成部分,在集约化种植、养殖以及其他领域中发挥着越来越重要的作用,传统光源如高压钠灯、白炽灯、荧光灯等,存在光质不能满足动植物需求、能量消耗大、不易调控等诸多问题,LED光源的出现,为农业高效生产和节约能耗提供了可能,LED不仅可发出光波较窄的单色光,如红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、红外等,并能根据动植物不同需要任意组合,而且还是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。不仅能够为农业生物的生长提供合理的光环境条件,减少农药、激素等化学品的使用,确保食品安全,而且还是低能耗的绿色光源,具有广阔的应用前景。

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