LED在温室番茄生产中的应用及前景

金宇章 张善端

(先进照明技术教育部工程研究中心，复旦大学电光源研究所，上海 200433)

1 引言

番茄别名西红柿，是全世界种植最为普遍的茄果类蔬菜之一，在我国特别是北方地区已经成为很多设施栽培的主栽作物［1］。作为一种重要的食用蔬果，番茄拥有清凉甘甜的口感。其果实含有丰富的番茄红素、维生素C、钾等营养成分，具有抗癌、防贫血、治高血压等重要功效，可谓营养与美味俱全。番茄因这些优点而成为世界上最受欢迎的蔬菜之一，每年巨大的产量带来丰厚的经济价值。

由于番茄在低温季节喜温的特点，我国普遍采用温室栽培，以提供番茄生长期所需的温度，并消除灾害天气的影响以保证产量。然而，温室的一些防寒保暖措施降低了冬季本就珍贵的光照强度，且缩短了照光时数，使得番茄幼苗难以茁壮生长［2］。一些研究表明，光质、光强和光周期对于番茄的幼苗发育、光合特性、植株形态、果实品质及产量等均有较大影响。为补充植物成长过程中必需的光照资源，大棚内使用的补光照明技术应运而生。而LED光源具有很多优点，得到了研究和应用单位的高度重视，正逐步发展成为植物补光照明的主流技术［3］。

在植物补光领域，LED相比白炽灯、荧光灯和HID的优势在于:(1)光谱纯且可调制，光谱宽度在20nm左右，并且可以为植物光合作用和形态建成所需的光谱进行量身定制，光能有效利用率可达80%～90%;(2)光效高寿命长，红光和蓝光LED的辐射效率＞40%，白光LED灯具目前光效可达100lmW–1以上，使用寿命可达30kh，大大优于普通光源，用于规模化设施栽培时节能效果明显;(3)LED为冷光源，适于近距离照射植物，可全空间立体安装，不仅大大提高空间利用率，还有助于植物对光能更好的吸收;(4)LED的发光部件全固态，耐冲击，不含汞，绿色环保，不会对植物安全产生任何威胁［4］。

2 番茄补光照明的早期研究

植物在地球上得以生存，其基本条件就是光合作用永不停歇地进行着。光合作用是植物利用叶绿素等光合色素吸收光能，将无机物CO2和H2O转化为化学能并贮存于葡萄糖等有机分子中的过程。由于气候和天气等客观因素的影响，自然光照经常无法满足植物的生长所需，补光照明应运而生。而番茄作为人类重要的日常食用作物之一，其补光照明的研究尤为重要。科学家们很早就开始研究补光照明对于番茄生长的影响。1931年，Smith等发现，当番茄不受光照的时候，果实内的类胡萝卜素含量会降低［5］。1948年，Denisen等发现番茄也能在黑暗无光的条件下成熟［6］。1954年和 1955年，McCollum和Nettles相继用实验证明，光照下的番茄相比不受光照的番茄颜色更红，且类胡萝卜素含量更高［7–8］。1968年，Boe等研究了光波长对于番茄种植的影响，发现单一红光处理下番茄果实的颜色效果几乎与全光谱照射下的番茄果实几乎一致［9］。1974年，Jen等人利用白光荧光灯和白炽灯通过滤色片产生蓝光500nm、绿光570nm和红光650nm照射番茄，发现红光在加速叶绿素生物降解作用中效果最为显著，蓝光在加强类胡萝卜素的生物合成中效果最为明显［10］。

由此，人们逐渐发现，不同光质在植物生长过程中的影响不同。人们进而研究通过方式获取不同的光质［11］。1991年，Masson等使用滤色片过滤高压钠灯光谱获得特定光谱，发现补光有助于蔬菜产量提高［12］。1995年，Brown等开始使用单色 LED调制出红光、蓝光和远红光，从而探索植物的光形态建成［13］。1999年，Kozai等使用带有光谱选择滤波的温室系统进行封闭式种植，探讨了温室种植在解决环保、资源、食物等全球性问题上的积极作用［14］。此后，越来越多的实验研究揭示了光照影响番茄生产的方式和程度。2004年，Glowacka等的实验发现，蓝光应用于番茄生产中可以加快花蕾的形成，并且可以有效促进植株的生长，增长干重［15］。2002年，马光恕等研究发现不同覆盖材料对温室番茄发育会产生影响，光生态膜的透光性更好，更大的光量对于番茄的生长有促进作用，对产量也形成很大影响，属于国内对光之于番茄影响的较早研究［16］。

3 LED应用于番茄补光的研究现状

温室番茄补光照明弥补了弱光环境下的光照不足，增强了有效光谱，保证了番茄的质量和产量。而近几年正不断发展成熟的植物工厂，有些更是将LED作为植物生长的主要光源。讨论光照对于植物的影响，一般从光周期、光强和光质三要素角度进行研究。

3.1 光强

光强在补光照明中一般用光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)定量表征，单位为 μmo1·m–2·s–1。据报道，对于番茄的栽培一般需要30mo1·m–2·d–1或更高的光照量，而对于番茄种苗培植则最好使用4.8～6.0mo1·m–2·d–1的光照量 (这对应于光照周期为12h下111～139μmo1·m–2·s–1的光强)。过低的光强很有可能减少果实产量和质量，达不到补光照明的预期效果［17］。

3.2 光周期

光周期即为光照期与暗期长短的交替变换。一般番茄种植的光周期为12～16h。光周期的延长能在一定程度上促进植株的生长［18］。但是，光周期也不宜太长，当连续数日具有超过17h的光周期时，叶子就容易出现缺绿病［17］。同时，一定不能打断种植过程中的黑暗周期，否则会减缓生产而降低产量［19］。目前对于番茄各个生长阶段的补光研究中，大多设定光周期为 12 ～14h［20］。

3.3 光质

光质由光源的光谱能量分布决定。叶绿素对于光谱中的不同波段吸收率不同，反应方式也不同。因此不同光质对番茄的幼苗发育、植株形态、果实产量及品质等会产生不同的影响。早在1883年，德国生物学家Engelmann就利用水绵获得了叶绿素的作用光谱。他发现，叶绿素在红光和蓝光下的光合效率特别高，在黄绿光的波段却较不敏感。因此，学者们对于温室番茄补光的研究大多聚焦于红光和蓝光的影响。红光LED的峰值波长一般为660nm，蓝光为460nm，黄光为590nm，绿光为530nm，UV－B为300nm。应用于补光照明的LED波长半宽可达5nm［21］。以下分别讨论红光、蓝光、其他可见光、UV－B等对于番茄幼苗生长、植株形态和果实品质的影响。

图1 叶绿素的作用光谱曲线Fig.1 Action spectrum of chlorophyll

3.3.1 红光、蓝光以及红蓝光组合的作用

国内外众多的研究一致表明，红光和蓝光是番茄生长过程中最不可或缺的光能，这与叶绿素作用光谱显示的高吸收率波段相符。

南京农业大学的徐志刚教授课题组利用6种不同光谱能量分布的LED光源，在AGRI－LED植物培养系统内培育番茄 (品种为樱桃番茄“千禧”)，光强为 320μmo1·m–2·s–1左右，光周期为 12h。对于番茄幼苗，他们认为，红、蓝光的复合光质使得幼苗矮壮，比叶面积小，根冠比及壮苗指数高，有利于生长发育。单一的红光照射会引起幼苗徒长，浪费大量养分。而添加蓝光可以有效抑制徒长，还可以显著提高幼苗总可溶性糖、总游离氨基酸含量以及干样质量［21］。然而，单一蓝光LED显著影响幼苗生长发育的研究报道并不多见［22］。对于果实质量，他们研究了不同配比的红光、蓝光组合在二叶一心时开始处理对于“千禧”果实品质的影响。实验表明:相同光强下 (300μmo1·m–2·s–1)，蓝光比例增大有利于促进番茄红素、可溶性固形物、游离氨基酸和类黄酮的形成，并提高糖酸比值，可以更多地积累营养物质。蓝光光强占25%时不利于果实品质的提高，蓝光占60%时的红蓝组合光质是对于番茄果实品质相对较好的光源［23］。

李军等采用3种不同光质 (蓝、红、白)LED光源对秋番茄植株生长及果实产量和品质的影响进行实验对照，认为红光处理对叶绿素总量、叶绿素b、叶绿素a/b值无明显影响，而蓝光能显著降低总叶绿素和叶绿素b含量，显著提高了叶绿素a/b值。在蓝光、红光组合处理下，植株的相对株高、节间距、叶面积显著降低，茎粗增显著增加，而番茄果实可溶性糖含量亦显著增加。可见，此种光质处理有效控制了徒长，使得养分更顺利地传递到番茄果实［24］。

陈强等利用LED光源调制了红光、蓝光和红、蓝组合光质 (红光/蓝光=3:1)，在番茄果实转色期进行照射，距离光源50cm处的光照度为100～105μmo1·m–2·s–1，光周期为 13h。结果显示:红光下番茄红素积累最多，且红、蓝光组合处理可以显著提高番茄果实中糖和酸的含量，且糖/酸值较高，可作为番茄果实转色期补光照明的主要光质［1］。

Javanmardi等对温室番茄进行光照处理，分为白光、红光、蓝光、红蓝光组合等若干组。光强均为30μmo1·m–2·s–1，光周期均为 16h。他们发现，在红光或者红、蓝光组合照射下，植株茎粗更大。而单一蓝光下，植株高度会降低，并且脯氨酸含量最高，而脯氨酸与植物耐受胁迫的能力相关，能够提高植物的在不利环境下的生存力。同时，光质对于植物生长的影响具有品种特异性，对不同的植物其作用程度不同［25］。

目前已有的研究大多显示，红光和蓝光对于番茄各个阶段的生长会产生积极作用。而红、蓝光的光强配比，在补光照明中尤为重要，需要更深入、更精确的实验来进行优化，以进一步提高番茄的品质。

3.3.2 其他可见光 (黄、绿)的作用

自然光以及传统植物补光光源发射的都是连续光谱，除了红光、蓝光，也包含其他颜色的光谱成分。LED光源的光谱具有高度可调制性，帮助人们方便地获得单色光，单独分析各种光谱成分对于目标植物的影响程度。

蒲高斌等就不同光质对番茄幼苗生长和果实转色期品质的影响进行了实验探究。结果表明:黄光、绿光处理下的幼苗总氮含量较高，但光合速率非常低。黄光、绿光处理下较低的C/N(碳氮比，碳素与氮素的比例)使幼苗严重徒长，造成养分浪费［2］。此外，番茄果实转色期间的黄光处理不会对果实的番茄红素、维生素C等营养成分含量造成显著差异，而绿光处理反而会造成番茄果实的品质下降［26］。

常涛涛等认为，黄光处理的番茄幼苗总的蔗糖含量虽然较高，但其它各项生物量指标都较差，在幼苗发育阶段不宜使用［21］。

Javanmardi等对比了番茄等作物对于不同LED光谱的响应，发现绿光和黄光有抑制幼苗侧枝生长的作用，减少了侧枝的数量，不利于幼苗生长［25］。

国内外学者对于黄光、绿光之于温室番茄作用大小的研究成果大体相似，不推荐在番茄生长的各个阶段，特别是幼苗期使用这两种颜色的光照。

3.3.3 增加UV－B对番茄品质的影响

国内外研究表明，除了可见光，UV－B也会对番茄的生长发育起到一定程度的影响。以前人们大多使用紫外荧光灯产生UV－B，其谱线宽度相比LED光源稍宽。但随着技术的改良和进步，越来越多的紫外光LED正投入生产和应用，植物补光照明也将全面进入LED时代。

王英利等对番茄品种毛粉802进行UV－B和红光复合处理。研究结果显示:高剂量 UV－B(0.95kJ·m–2·d–1，每日3小时)会降低果实的番茄红素和维生素C的含量，而低剂量UV－B(0.54kJ·m–2·d–1，每日3小时)可提高番茄红素和维生素C含量。他们还发现，在番茄的不同发育阶段进行UV－B处理，果实的品质不同。根据分组实验的结果得出结论:9～10叶期开始施加0.54kJ·m–2·d–1的UV－B配合一定剂量红光进行复合处理，并在开花座果期停止照射，可以显著提高番茄果实品质［27］。

杨晖等以兰州地区常见的两个番茄品种(“同辉”早熟型和“霞光”晚熟型)为实验比较对象，探讨了高剂量 UV－B辐射 (4.25kJ·m–2·d–1)和低剂量 UV－B辐射 (2.54kJ·m–2·d–1)对这两种番茄果实的品质和产量的影响程度。实验证明，“同辉”的产量随着辐射增加而明显增加，而“霞光”的产量却只在低辐射下增加。要增加番茄的产量，就要根据品种的不同而控制UV－B的剂量［28］。他们还认为，UV－B对于不同种类的番茄，会对其花粉萌芽、种子质量、开花数等繁殖特性分别产生不同程度影响［29］。

Castagna等在番茄“Moneymaker”和“hp－1异种”两个品种发芽之后直到红熟期施加6.08kJ·m–2·d–1的UV－B光照，时长为1小时 (即果实水平面辐照度为1.69W·m–2)。结果表明，UV－B处理的好处是会使不同番茄品种的果实都拥有更高的维生素C浓度和类胡萝卜素浓度，危害是却会使番茄品种的果肉质地变软。但是这些结果也有可能根据UV－B剂量的变化而变化，需要更多的实验比较才能确认这些特性［30］。

研究者们在不同气候地区，对于不同品质的番茄施加不同光量的UV－B获得的结果差异显著。因此，要对于UV－B处理之于番茄生产的影响获得一个清晰的结论还有待更全面的研究和更深入的讨论。

3.4 其他番茄补光相关研究

Erhioui等对比有无补光照明及不同的大棚材料对于温室番茄的影响后发现，透光率较高的大棚材料和充足的补光照明能为加拿大春季番茄生长和生产提供了良好的环境。更好的光照可以增加叶片的数量、重量、光合作用率和产量［31］。

王洪安等的实验证明，番茄育苗过程中进行补光照明不仅可以显著促进幼苗的光合作用，还可以提高幼苗的抗病性。这是因为补充的光照大大提高了幼苗防御系统酶的活性，而防御系统酶活性的高低与植物抗逆境特别是抗病害的能力关系密切。因此，使用补光照明的温室番茄比普通番茄更加安全健康［32］。

Furusawa等根据可见光谱的特征信息发明了一种对于番茄图像的颜色校准方法，从而评估不同光照条件下的番茄果实颜色。他们考虑和分析了照明灯光的光谱对于番茄表面色彩效果的影响，并与自然光下拍摄的番茄标准图像的RGB值进行比对，从而获得准确的颜色评估结果。这种方法可用于长时间地监视在补光照明下培养的番茄果实的表面颜色的变化，从而分析其成熟的过程与质量的好坏［33］。

3.5 番茄补光照明研究的不足和可能的研究方向

尽管国内外对于LED在温室番茄生产中的应用已经做了大量研究，但已有的研究中依然有三个问题有待解决:(1)对于究竟何种光强、光周期和光质配比是最优的这个问题尚无定论，人们只是设定有限的若干组研究对象进行对照，实验结果只能是大致趋势，尚未给出准确的最优值;(2)没有研究同时考虑不同波长LED的辐射效率、植物叶绿素对不同波长的有效作用曲线和植物特征参数的改变量，来给出单位功率的电能对改善果实品质的作用，即光源的能效;(3)对于不同品种的番茄，补光照明的处理不尽相同，缺乏一套成本低廉而行之有效的LED补光实验方法来针对每一种番茄量身定制其补光照明方案，以获得最大产量及最优品质。LED技术的不断成熟使得光强和光质的调制、光周期的控制以及灯具的设计和布置越来越简易化和自定义化。相信上述问题得以解决后，LED的应用一定会对我国现代农业的发展起到更大的助推作用。

4 新型LED光源应用于温室番茄生产的前景分析

近几年，LED在植物设施栽培领域的研究和发展已经引起全世界的重视。采用LED为主要光源的植物工厂可以使得大规模番茄栽培的空间利用率和环境可控性大幅提高［34］，电能损耗量大幅减小［35］，灾害影响度大幅降低，已经成为未来农业的必然发展方向。美国、日本、荷兰、英国等发达国家的蔬菜生产已然在植物工厂的道路上大步迈进。在荷兰皇家普莱德公司 (Royal Pride Holland)的植物工厂中，先进的温室技术和照明技术已经可以保证全年365天供应美味、安全、健康的多个品种的番茄，并且销往英国、德国、西班牙等国。

在中国，温室栽培技术已经较为成熟，是经济型农业的重要部分。但大棚内的光照仍然以太阳光为主，光能利用率较低，并且受季节和天气影响较大。因此，建设封闭式的植物工厂，开发LED光环境调控系统的具有重要意义。迄今为止，我国在植物工厂设施开发和LED植物应用的机理研究尚处于起步阶段。中国农业科学院等机构正大力研究和推广植物工厂概念及应用，获得了诸多LED植物照明企业和温室种植企业的响应和支持。我国首家植物工厂于2009年落户北京通州，标志着我国的植物工厂已初具雏形。

LED照明技术的不断进步正引领温室补光照明进入一个更节能，更可控的时代［36］，也势必会在未来植物工厂化的大规模番茄生产中扮演一个不可或缺的角色。

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