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LED灯VS高压钠灯,温室补光哪种强?

来源:温室园艺 时间:2018-05-14 10:37 [编辑:JamesWen] 【字体: 】 我来说两句

在未来满足食物增长需求中,温室这种相对封闭的生产系统,将扮演重要角色。近年来,温室光照不足已经越来越受到人们的关注,一方面是由于温室方位、结构、覆盖材料特性所导致的温室透光率下降,另一方面是由于气候变化所导致的温室作物光照不足,比如冬季及早春季节的连续阴雨天气、频发的雾霾天气等。光照不足直接对温室作物产生不利的影响,给生产造成严重损失。植物补光灯可以有效缓解或解决这些问题。

白炽灯、荧光灯、金卤灯、高压钠灯以及新兴的LED灯都曾经或正在温室补光中得到应用。在这些光源类型中,高压钠灯拥有较高的光效、较长的使用寿命、较高的综合能效,占据了一定的市场地位,但是高压钠灯照明持续性差、安全性(含汞)较低、不可近距离照射等问题也很突出。部分学者就LED灯在未来或可克服高压钠灯性能不足的问题上持积极态度。然而,LED价格昂贵、补光技术难配套,补光理论欠完善,再者LED植物补光灯产品规格混乱,使得用户对LED在植物补光应用上提出质疑。所以该文系统总结前人研究成果及其生产应用现状,为温室补光中的光源选择和应用提供参照。

高压钠灯和LED照明的差异性

  发光原理及外部构造的差异性

高压钠灯由内到外由汞、钠、氙电弧管灯芯、玻壳、消气剂灯头等构成。因其核心配件镇流器的不同又分为电感高压钠灯和电子高压钠灯,不同功率的高压钠灯需使用相应规格镇流器。LED又称发光二极管,核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,在P型半导体和N型半导体之间有个过渡层,称作P-N结。电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就会发出从紫色到红色不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。按发光强度和工作电流可分为普通亮度(发光强度< 10 mcd)、高亮度(发光强度为10~100 mcd)和超高亮度(发光强度> 100 mcd)等类型。其结构主要分为四大块:配光系统的结构、散热系统的结构、驱动电路和机械/ 防护结构。

♦  照射范围及光谱范围的差异性

高压钠灯灯管的发光角度为360°,大部分必须通过反射器反射后才能照射到指定区域,光谱能量分布大致为红橙光、黄绿光、蓝紫光(只占小部分)。根据LED不同的配光设计,其有效发光角度可大致分为≤ 180°、180°~300°和≥ 300°三类。LED光源具有波长可调性,可发出光波较窄的单色光,如红外、红色、橙色、黄色、绿色、蓝色等,可以根据不同需要任意组合。

♦   适用条件和寿命的差异性

高压钠灯是第三代照明光源,常规交变电流下使用范围较广,发光效率高, 有很强的穿透能力,最高寿命为24000h,最低也能维持在12000h。钠灯进行照明的同时,会伴随着热量的产生,所以钠灯是一种热光源。在使用过程中,也存在自熄问题。LED作为第四代新型的半导体光源,采用直流驱动,寿命可达到50000 h以上,而且衰减小,作为冷光源,可以贴近植物照射。对比了LED与高压钠灯,指出LED安全性较高,不含有害元素,更加环保。

高压钠灯和LED补光对作物影响的差异性

农业生产中大量的生产实践和科学研究证明,人工植物补光不仅能增加作物产量,缩短种植周期,还能有效提高作物品质,是现代农业高效生产的重要保障手段。在育苗和温室作物管理过程中,利用高压钠灯和LED对其进行补光,可促进作物的生长发育,改变作物的产量、形态、生理指标。

  产量、品质差异性

作物的高产量和高品质是种植栽培的最终目的。LED补光可使辣椒、番茄和茄子幼苗的品质得到提高,补光10h条件下的番茄单果质量、单株产量增加幅度明显。LED补光产生的增产效果也表现在黄瓜种植上。LED可以改善葡萄果实的品质,其中蓝光补光处理果实发育最快,果实单粒质量较高,糖含量最高,紫外补光处理果实成熟期时单粒质量最大。同样,70W高压钠灯明显对草莓的单株产量产生增产效应,增产幅度为17.9%。高压钠灯和LED补光对植株的形态产生显著影响。通过LED侧面补光处理也提高了黄瓜视觉果实品质。在钠灯的基础上增加LED,对比只有钠灯的处理,黄瓜的颜色更鲜艳。

  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光谱配比适宜下,植株叶片生长状况高于高压钠灯。然而,LED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。

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,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都可以满足植株的光照需要, NASA(National Aeronautics and Space Administration)采用LED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拥有较窄的光谱可调性,安全、可靠性高。LED在植物生理试验应用中具有灵活性。但是,在实际的生产中,成本较高、光衰较大、使用寿命远远达不到理论值,在作物产量上,LED对比高压钠灯没有明显的优势。具体使用中,应该根据栽培需求、应用目标、投资能力和成本控制等实际情况,合理选择。(作者:南京农业大学农学院尤杰)

来源:温室园艺


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