LED植物生长灯与高压钠灯温室补光效果更强

2021-01-25 11:18:51 admin 12

温室是一个相对封闭的生产系统,在满足未来对食品不断增长的需求方面将发挥重要作用。近年来,温室照明的短缺越来越引起人们的重视,一方面是由于温室方位,结构,覆盖材料的特性引起的温室透光率下降,另一方面是由于气候变化导致的日光温室作物缺乏,例如冬季和早春季节持续潮湿,雾天频繁等。照明不足会直接影响温室作物,并给生产造成严重损失。LED植物生长灯可以有效缓解或解决这些问题。


LED植物生长灯


白炽灯,荧光灯,金属卤化物灯,高压钠灯和新型LED灯已经或正在用于温室照明。在这些光源类型中,高压钠灯具有更高的光效率,更长的使用寿命,更高的综合能效,在一定的市场地位中占有一席之地,但是高压钠灯的照明持久性差,安全性低(含汞),不能距离很近等问题也很突出。一些学者持积极态度,认为LED灯可以解决未来高压钠灯性能不足的问题。然而,LED价格昂贵,光填充技术难以匹敌,光填充理论不完善,LED植物生长灯产品规格混乱,用户对LED植物生长灯照明中的应用提出质疑。因此,本文系统总结了以往的研究成果以及生产和应用的现状,为温室辅助照明光源的选择和应用提供参考。


LED植物生长灯


照射范围与光谱范围之差

高压钠灯管的发射角为360°,其中大部分必须先通过反射镜反射,然后才能被照到指定区域。光谱能量分布大致为红橙色光,黄绿色光,蓝紫色光(仅一小部分)。根据LED的不同配光设计,其有效发光角度可大致分为三类:≤180°,180°〜300°和≥300°。LED光源具有波长可调的特性,可以发射窄光波的单色光,例如红外,红色,橙色,黄色,绿色,蓝色等,可以根据不同需要进行组合。


适用条件和寿命的差异

高压钠灯是第三代光源,常规的交流电使用范围广,发光效率高,具有很强的穿透能力,最高寿命为24000h,最低也可以保持在12000h。钠灯点亮时会产生热量,因此钠灯是一种热源。在使用过程中,还存在自熄性问题。作为第四代新型半导体光源,LED由直流驱动,其寿命可以达到50000 h以上,且衰减小。作为冷光源,它可以接近植物辐照。指出与高压钠灯相比,LED具有更高的安全性,不含有害元素,更加环保。


高压钠灯和LED对农作物影响的差异,发光原理与外部结构的区别

高压钠灯由水银,钠,氙弧灯芯,玻璃壳,脱气剂灯头等从内向外。由于其核心组件的镇流器不同,它可以分为感应高压钠灯和电子高压钠灯。不同功率的不同高压钠灯需要使用相应的镇流器。LED也被称为发光二极管。核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片。在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-N结。当电流从LED的阳极流到阴极时,半导体晶体会根据电流从紫色到红色发出不同颜色的光。根据发光强度和工作电流,可以将其分为正常亮度(发光强度<10 10-100="">100 mCD)。普通LED灯和植物补光灯它的结构主要分为四个部分:配光系统的结构,散热系统的结构,驱动电路和机械/保护结构。


LED植物生长灯


照射范围与光谱范围之差

高压钠灯管的发射角为360°,其中大部分必须先通过反射镜反射,然后才能被照到指定区域。光谱能量分布大致为红橙色光,黄绿色光,蓝紫色光(仅一小部分)。根据LED的不同配光设计,其有效发光角度可大致分为三类:≤180°,180°〜300°和≥300°。LED植物生长灯光源具有波长可调的特性,可以发射窄光波的单色光,例如红外,红色,橙色,黄色,绿色,蓝色等,可以根据不同需要进行组合。


适用条件和寿命的差异

高压钠灯是第三代光源,常规的交流电使用范围广,发光效率高,具有很强的穿透能力,最高寿命为24000h,最低也可以保持在12000h。钠灯点亮时会产生热量,因此钠灯是一种热源。在使用过程中,还存在自熄性问题。作为第四代新型半导体光源,LED植物生长灯由直流驱动,其寿命可以达到50000 h以上,且衰减小。作为冷光源,它可以接近植物辐照。指出与高压钠灯相比,LED植物生长灯具有更高的安全性,不含有害元素,更加环保。


高压钠灯和LED对农作物影响的差异

农业生产的大量生产实践和科学研究证明,人工植物照明不仅可以提高农作物产量,缩短种植周期,而且可以有效提高农作物质量,这是现代农业高效生产的重要保证手段。在种苗和大棚作物的管理过程中,使用高压钠灯和LED植物生长灯,可以促进作物的生长发育,改变作物的产量,形态,生理指标。


产量,质量差异

高产量和高质量的农作物是种植的最终目标。补充LED光能提高辣椒,番茄和茄子幼苗的质量,在补充10h光照条件下,番茄的果实品质和单株产量显着提高。黄瓜种植中也显示了LED植物生长灯补充剂的产量效应。LED植物生长灯可以改善葡萄果实的质量。蓝光处理具有最快的果实发育,较高的单果重和最高的糖含量,而紫外线处理在成熟阶段具有最高的单果重。同样,70W高压钠灯显着提高了单株草莓的产量,增幅为17.9%。高压钠灯和LED补光灯对植物形态有重要影响。LED侧补也改善了黄瓜的视觉水果品质。在钠灯的基础上增加LED,与仅钠灯的处理相比,黄瓜的颜色更加鲜艳。


LED植物生长灯


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植物生长灯生长下的针叶树植株幼苗对比高压钠灯有着更好的长势。光周期12h, 光密度50μmol/(m2·s),LED 红光(630~660nm)、橙光(590~610nm)、蓝光(450~460nm)、绿光(520~540nm)处理,分别比自然光[120μmol/(m2·s)] 均显著提高了‘赛田’番茄幼苗的壮苗指数。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±2μmol/(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。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。这些结果都表明,LED植物生长灯光谱配比适宜下,植株叶片生长状况高于高压钠灯。然而,LED植物生长灯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。200μmol/(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。而且,LED植物生长灯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。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。


生理差异性

叶绿素的含量直接影响叶片光合产物的积累。有研究表明,LED生长下的针叶树幼苗气体交换律和叶绿素含量均高于高压钠灯。高压钠灯处理,LED补光9~13天处理的砧木子叶叶绿素含量值均显著高于自然光照。LED灯补光有利于白菜光合色素的积累。在Ptushenko所做的8个生长试验中,有5个在LED补光下生长的植物中的平均光合色素含量(每单位叶面积)较高于高压钠灯。200μmol/(m2·s)的红蓝LED灯组合的番茄幼苗的叶绿素a、叶绿素b含量大于相同光密度下的高压钠灯。类胡萝卜素是叶绿体进行光合作用的辅助色素,其功能是消耗光系统Ⅱ(PS Ⅱ)中过剩的能量,保护叶绿素免受强光破坏。Dlugosz研究表明,用高压钠灯补光会使莴苣中类胡萝卜素和硝酸盐浓度增加。LED补光下辣椒、番茄和茄子幼苗叶中的可溶性糖、类胡萝卜素及含氮量均有不同幅度的提高, 蒸腾速率加快。在植物同时生长并且用高压钠灯和LED(RB,RW)照明进行测试时观察到,用高压钠灯补光时番茄和洋桔梗的水分利用效率高于LED处理,蒸腾速率低于LED处理,在净CO2交换速率和最终生物量之间没有差异,然而,不同处理下最大光合速率都是相同的。除此之外,LED(R:FR=3.09) 500μmol/(m2·s) 能显著的影响小扁豆的开花时间和开花速率。LED和高压钠灯补光均可以提高光合色素的含量,而且LED在光合色素的积累上要高于高压钠灯,蒸腾速率也要高于钠灯,LED中特殊光谱配比也可以对某些植物的开花效应产生影响。此外,必须指出的是,单凭叶绿素含量指标,不能正向指示光照对植物光合能力的影响效应,因为当植物遭遇低光密度环境时,会自动适应弱光逆境,在叶片里富集更多的叶绿素以获取更多的光能。


LED植物生长灯

高压钠灯和LED生产成本的差异性  

相比于传统光源,高压钠灯和LED的优势明显。用高压钠灯补光和红蓝LED灯,对植物冠层实施顶部补光,两者能够达到相同的产量,LED只需要消耗75%的能量。有报道指出,达到相同能效的条件下,LED初期的投资成本是高压钠灯装置的5~10倍,初期高成本使得使用5年中LED每摩尔光量子成本是高压钠灯2~3倍。对于花坛植物来说,150W高压钠灯和14W LED可以达到相同的效果,相比之下14W LED植物生长灯更加经济。在550m2区域内,单独使用高压钠灯每千克黄瓜的成本是1.3美元,钠灯加单排LED灯的成本是1.45美元,钠灯加2排LED的成本是1.72美元,利润成本比率分别是2.31、2.07、1.74。在棚室内使用LED植物生长灯,需要架设的数量多,一次性投入的成本较大,对于个体菜农来说,投资难度较大。LED节电所产生的降费效应能否在其有效寿命期充分弥补其初始投资及后续财务成本,需要仔细核算衡量。


结论与展望  

绿色植物吸收的最多的是波长为600~700nm的红橙光和波长为400~500nm的蓝紫光, 对波长在500~600nm的绿色光只有微量吸收。高压钠灯和LED植物生长灯都可以满足植株的光照需要, NASA(National Aeronautics and Space Administration)采用LED植物生长灯的最初研究目的就是为了提高能效、减少经营和管理的成本、提高经济作物的品质。此外,LED植物生长灯可以广泛应用于高质量的药用作物的生产,还有学者指出LED技术在提高植物的生长中拥有巨大的潜力。高压钠灯价格适中,可以为广大农户所接受,短期见效能力优于LED,其配套的补光技术已经较为成熟,目前还在大规模使用当中。但是高压钠灯需要安装镇流器及相关电器,增加了其使用成本。相比较高压钠灯,LED植物生长灯拥有较窄的光谱可调性,安全、可靠性高。

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