飞利浦园艺LED在温室生产中的应用实践

【摘要】在现代设施园艺生产中,光照环境的控制对温室生产有着至关重要的作用。文章根据大量的商业应用实例,介绍了飞利浦园艺LED 在温室生产中的应用,分为温室果菜生产补光、温室叶菜及育苗补光、温室花卉补光3 个方面,从温室作物的生长、发育、产量、品质以及环境调控的能耗几个方面进行阐述,详细介绍了补光应用的背景以及应用后的效果,以期为中国设施园艺生产的补光应用提供参考。

 

光照是影响作物生长发育的重要环境因子之一,根据荷兰温室种植者的经验,1% 的光照意味着1% 的产量,由此可见光照在作物生产中的重要程度。各种原因带来温室内的光照不足都会影响温室作物的生长、发育及其产量和品质,光照已成为温室作物生产的重要限制性因素,人工补光将是必然的选择。

 

根据温室作物生产的特点和要求,理想的温室补光人工光源应具备低散热、低耗能、高光电转换效率、具有最适光谱、坚固耐用、使用寿命长、适合温室环境、具有一定的调控性等特点。LED(Light Emitting Diode)作为一种新型的绿色节能光源,应用于温室生产,具有白炽灯、荧光灯和高压钠灯等传统人工光源不可比拟的优点。

 

作为一家具有120 多年历史的照明领军企业,飞利浦率先将LED 应用于温室园艺补光。基于大量的研究和应用,飞利浦开发了专为设施园艺领域应用而设计的LED 产品和技术。除了选择适合植物生长的光谱,秉承LED 节能、低散热和使用寿命长等特点外,还充分考虑到设施园艺生产中的特殊环境,提高了LED 产品自身的防水防尘等级。经过前期的试验和研发,飞利浦在2008 年向市场推出了第一代园艺GreenPower LED 解决方案。经过 10 年的持续应用实践,飞利浦园艺 LED已经扩展为一系列的包含多种照明模组的解决方案,不仅质量稳定可靠,还具有寿命长、光衰低、防水防尘等级高等特性。除了过硬的产品本身,在应用层面,飞利浦还首次提出了 LED“光配方”的概念,即在某种生长环境下、某种作物的某个生长阶段所需的理想光照条件,包含了 3 个方面的含义:①光强、光质、光均匀度、光照位置和时间;②在此“光配方”下最适宜的其它环境因子;③可以期待的使用效果(含节能效果)。光配方的理念现已被广为接受,基于光配方的指导,飞利浦园艺LED 在遍布世界的温室种植中有了大量的应用。并且,飞利浦园艺 LED 照明团队专门设置了植物专员角色,更好地进行光配方开发以及与用户开展深度交流,这也是飞利浦园艺 LED 照明团队的优势和特色,是确保用户成功的重要因素之一。该文着重以各种应用为例,介绍飞利浦园艺 LED 在温室领域的应用实践及其效果,以期为中国设施园艺生产的补光应用提供有价值的参考。

温室果菜补光

冬季的温室果菜(番茄、黄瓜)生产光照不足,需要提供人工补光。同时,玻璃温室生产中采用高架栽培,植株高度可达 4~5 m,由于植株叶片相互遮阳,导致中下部叶片缺少足够的光照,影响其光合性能的发挥,进而影响了最终产量和经济效益。在这种情况下,采用 LED 顶光模组和LED 植株间照明模组相结合进行温室果菜栽培是优化的照明解决方案,称之为全 LED 补光方案( 图 1)。植株的顶部是 LED 顶光模组,替代传统的高压钠灯(HPS)。每行植株之间平行吊有 2 行LED 植株间照明模组,2 组模组在高度上保持一定的间距,消除上部叶片因遮阳对中下部叶片的影响,使得植物的中下部叶片获得更多光照,将LED 模组放置在作物之间,进行植株间照明,这正是充分利用了 LED 低散热的特点。
采用飞利浦全LED 照明方案进行温室番茄生产
图1 采用飞利浦全LED 照明方案进行温室番茄生产
采用飞利浦全LED 补光方案进行温室番茄生产,提供番茄生长所需要的光照,在节能的同时,植物能更有效地利用光照,提高番茄的产量。在温度比较高并且需要补光的季节,也能够开启植株间照明模组,补充中下部叶片光合作用所需光照。反应在作物管理中,中下部叶片可以保留在植株上更久,提供更多的光合贡献。综合应用效果可以看出,采用全LED 补光方案使植物生长更健壮、叶片更浓绿,成花率和坐果率得以提高。比利时Greet Biesbrouck 番茄种植公司的应用结果表明,稳定的光照带来了比之前更稳定的产量,与不补光或仅仅采用高压钠灯补光相比,产量提高了20%~25%。在荷兰Delphy 公司进行周年生产的试验中,更是获得了100.6 kg/m2 的高产记录。在品质方面,冬季生长的番茄,果实大小、形状、色泽更均一,品质提高、风味更佳(图2)。荷兰瓦赫宁根大学的研究测试表明,番茄果实的VC、VE 含量均有增加。在温室环境调控方面,也带来显著的积极效果。LED 的低散热,可以更好地控制热量和光照,避免给温室内带来过剩的热量,温室不需要通过开窗而降温,进而维持了较高的CO2 浓度,促进光合生产,提高产量。与顶部使用高压钠灯配合植株间补光的温室平行对比,仅使用2/3 的能耗。有案例表明,在暖冬地区或暖冬年份,高压钠灯种植区的温度控制成为种植者最为头痛的问题,而LED 种植区则不存在这个问题。
采用飞利浦全LED 照明方案生产的番茄
图2 采用飞利浦全LED 照明方案生产的番茄

温室叶菜种植及育苗补光

目前,在温室内种植叶类蔬菜(以生菜为例)越来越多。同样,冬季光照不足,尤其是在冬春季节的低温寡照甚至空气严重污染的地区,补光显得尤其重要。不少生菜种植者之前选用高压钠灯作为温室生产种植的补光方案, 随着植物对光照需求的提高以及种植者对节约能耗的需求增加,越来越多的温室种植者趋向于尝试LED 补光方案。基于飞利浦园艺LED 在温室蔬菜种植补光的专业性,许多生菜种植者选择了飞利浦园艺LED 作为温室生菜补光的优选方案。
采用飞利浦LED 照明技术进行红叶生菜生产
图3 采用飞利浦LED 照明技术进行红叶生菜生产
前期的试验以及大量的应用实例表明,飞利浦LED 顶光模组提供的补光方案具有以下几方面优势。首先,表现在补光时段上,在早春或者晚秋,甚至一些暖冬地区,在需要补光的时节需要开启高压钠灯补光。由于高压钠灯的高散热量,种植者在温室环境控制上有2 种选择:一是在不开窗通风的情况下补光,让植物处于较高的温度中;二是开窗通风降温,但CO2 浓度会急剧降低,继续加大CO2 的使用量,会导致CO2 的浪费。然而,这2种选择都是得不偿失的生产管理措施。于是,种植者不得不放弃补光,生产受到影响,而LED 补光没有这方面的问题。其次,表现在植物生长方面,在飞利浦LED 补光下种植的生菜,生长更好、生育期更短、单株生菜更重。生长过程中,使用高压钠灯时会带来的烧尖(tip burn)现象也不再发生(比利时Desmet 公司)。在品质表现方面,飞利浦特有的光配方使植物的叶片更厚实,口感更佳。株型更紧凑饱满,更好的株型意味着更长的货架期,适合于产品的长途运输。并且,红叶生菜的红色着色效果更好、更快(图3)。另外,飞利浦LED顶光模组开发了特有的vision 产品,使用在芬兰Nurmitarhat Oy 温室种植的采收区,不仅可以补光,而且可以很好的用于采收时观察植株的长势、颜色和品质等外观是否达到采收标准。据拜耳蔬菜种子公司的种植结果,在使用飞利浦LED 补光方案后,种植一茬生菜的时间缩短为未使用飞利浦LED 补光时所需种植时间的一半,并且其所育成的红叶生菜品种,着色品质表现得更突出,这也使得他们的品种在市场上具有更大的竞争力。
采用飞利浦LED 照明技术进行红叶生菜生产
图3 采用飞利浦LED 照明技术进行红叶生菜生产
采用飞利浦LED 照明技术进行红叶生菜生产
图3 采用飞利浦LED 照明技术进行红叶生菜生产

在冬季的温室育苗中,如果连阴雨天气突袭,温室内的光照水平会更低,严重影响作物的生长发育,此关键时期的光照如果不足,蔬菜幼苗会生长欠佳, 易产生徒长苗。飞利浦LED 生产模组在温室内提供理想的光照环境进行温室蔬菜的育苗(图4),育成的苗子会更健壮,品质更好。在冬季的温室育苗中,如果连阴雨天气突袭,温室内的光照水平会更低,严重影响作物的生长发育,此关键时期的光照如果不足,蔬菜幼苗会生长欠佳, 易产生徒长苗。飞利浦LED 生产模组在温室内提供理想的光照环境进行温室蔬菜的育苗(图4),育成的苗子会更健壮,品质更好。

 

在植物的生长、发育、产量、品质取得用户满意效果的同时,种植者还发现,飞利浦LED 补光方案更节能、更高效,能够节省约一半的电费,意味着生产单株生菜(单位重量)的成本更低,获益更高。

利用飞利浦LED 生产模组在温室内进行蔬菜育苗
图4 利用飞利浦LED 生产模组在温室内进行蔬菜育苗

温室花卉补光

光照对于是温室切花、盆花的生产至关重要。根据温室花卉补光的目的,将温室花卉补光分为2 个方面: 一是光周期补光, 即通过改变光照时间、调节光周期从而达到花卉的花期调控, 这种方法提供的光照强度较弱, 植物只需感受到光信号即可; 二是生长补光, 即通过对植物生长阶段提供生长所需的光照, 从而促进植物更好的生长, 进而形成产量和品质, 这里提供的光照一般较强。
飞利浦花期灯在种植菊花上的应用
图5 飞利浦花期灯在种植菊花上的应用
对日长比较敏感的植物,在特定时期会根据需要进行人工补光,提供长日照条件或者在夜间进行人工补光打破其暗夜,来达到调节开花期的目的。菊花是一种短日照植物,在其开花前,必须达到一定的营养生长;或者在育种过程中为了保持母本的营养生长,必须抑制花芽分化。为了达到维持营养生长的目的,使用飞利浦LED 花期灯来补光, 提供长日照条件, 从而达到花期调控的目的。比利时Gediflora 公司应用结果表明,飞利浦LED 花期灯在达到抑制菊花花芽分化效果的同时,与原有的白炽灯相比,LED 的应用节能达到60%(图5)。花期灯也可以应用在草莓生产中进行人工补光,明显促进草莓茎的抽生,提早收获期,提高果品质量,并且大大减少畸形果的数量。同时,比白炽灯节能88%(荷兰Brookberries 公司, 图6)。在石竹、珍珠菜属等花卉的花期调节上也有很好的应用。
飞利浦花期灯在种植草莓上的应用
图6 飞利浦花期灯在种植草莓上的应用

花卉补光的另一方面是生长补光。众所周知,营养生长是生殖生长的物质基础,充足的光照带来充分的营养生长,能够保证开花的进行,使花朵的花型、花色有所改观。比利时ScheersRose Nursery 公司专业生产大花型切花玫瑰。出于高品质玫瑰的生产需求,近期他们温室中更新了补光方案, 采用70% 飞利浦LED 和30%高压钠灯的组合方案。与原有高压钠灯方案相比,新方案补光强度提升至原光强的1.5 倍,且产热降低了50%。如此就不需要对整个温室的供电设施进行改造。消耗相同的电量, 可以提供同样的光照强度,并且可以每年多提供500~750 h的光照。温室内的CO2 浓度和温度控制都更加稳定,生产出了高品质的切花玫瑰(图7)。飞利浦全LED 补光方案在温室非洲菊、蝴蝶兰等花卉生产中的应用,在植物生产和经济上也取得了令人满意的效果(图8)。

 

现代玻璃温室的天沟高度越来越高, 温室内垂直空间越来越大,使在温室内进行多层种植成为可能, 而多层种植的关键条件就是光照。飞利浦LED 提供了很好的解决方案。De Hoog Orchids 是一家专门从事石斛兰温室生产的专业种植公司。先前采用高压钠灯种植,每年植株能够开花1 次。开花前需要一段低温诱导,使用空调进行降温,产生了高额电费。为了扩大石斛兰的生产规模并实行周年种植,该公司采用了多层种植,每层均采用飞利浦LED 提供生长所需的光照(图9)。“光照稳定,易于控制,使得我们很容易做到控制植物的某些性状,比如花芽分化的进程、花芽诱导数目以及一簇花的数目,这对于我们来说至关重要。稳定理想的光照也让我们能够提前进行生产的计划来更好地满足客户的要求,同时也节省了电费。最终提高了空间利用率,提高了整个温室生产的效率”。由飞利浦LED 提供的光照解决方案同样应用于郁金香、长寿花。

 

国内在高档花卉的温室种植中也对飞利浦 LED 补光方案做了试验, 在小玫瑰和姜荷花的试验中均取得了很好的效果,补光后的植物长势更好、叶片更绿、分枝增加、发花更多、花苞更大( 图10)。

采用飞利浦LED 顶光模组种植出高品质的切花玫瑰
图7 采用飞利浦LED 顶光模组种植出高品质的切花玫瑰
飞利浦全LED 补光方案在温室非洲菊上的应用
图8 飞利浦全LED 补光方案在温室非洲菊上的应用
采用飞利浦LED 照明可提高空间利用率
图9 采用飞利浦LED 照明可提高空间利用率
飞利浦LED 补光( 左) 与不补光(右)的姜荷花
图10 飞利浦LED 补光( 左) 与不补光(右)的姜荷花

结语

 

飞利浦园艺LED 照明专业提供温室补光方案, 可以根据温室设施的结构特点、作物的种类、生产目标以及所处地域的气候特点为温室种植者设计合适的温室补光方案。随着中国现代农业的发展、国家对设施农业这一高集约型生产方式的支持, 以及国家节能减排政策的推行、对低碳绿色农业的鼓励、LED 技术的飞速发展,LED 补光必将成为未来温室补光的主导, 在温室蔬菜、育苗、花卉生产中的发挥着广泛的作用。

 

作者简介:戴剑锋,博士,飞利浦园艺LED 部门亚太区植物专员,主要从事植物光照方案优化设计、植物LED 光配方开发、设施农业环境调控等方面的工作。

 

[引用信息] 戴剑锋. 飞利浦园艺LED 在温室生产中的应用实践[J]. 农业工程技术,2017,37(13):28-32.

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