以设施蔬菜为主体的中国设施农业在扭转蔬菜长期供应不足，实现自给自足，并成为世界蔬菜出口大国中发挥了关键作用。设施农业是一种现代化的可控农业，又称环境调控农业，是高投入、高产出、高能耗的行业，可以减轻或防止露地生产条件下灾害性气候和不利环境条件对农业生产的危害。设施内的环境调控技术呈自动化、智能化、管理现代化等特点，是现代农业的主要生产形式之一。
光是影响植物生长发育和功能性化学物质积累的最重要环境因素之一，光不仅能够作为一种能量源参与植物的光合作用过程，也能作为一种信号源调节植物自身的生长、分化和代谢。当农业生产从天然不可控的自然环境移到人工可控的室内设施环境后，可控因素大大增加，从而延伸了对传统设施农业中光环境维度的一般定义，即由原来所认识的3个维度（光强、光质、光周期），扩展到光的7个维度特性（光强、光质、光照模式、均匀性、方向性、偏振性和相干性）。这些维度特性不仅丰富了人工控制植物生长发育的途径，而且对于深入探究不同维度或多种途径的综合效益具有重要的指导意义。
设施农业光调控的必要性
从世界范围来看，早在20世纪20年代，发达国家就开始发展绿色农产品。在随后近100年的时间里，现代农业获得了突破性的进展。在石油农业时代，化肥、农药的大量施用，导致农产品过剩，也带来了农业生态环境的破坏和农产品的污染问题。以生菜为例，在长期的消费过程中，人们对生菜品质和口味等要求逐渐提高，但传统栽培与生产方式很难满足广大消费者的需求，生产商转而使用如植物生长调节剂和微量元素等化学方式，以求能够在短期内促进生菜的生长发育及功能性化学物质的快速积累。然而大量施用化肥和农药，使土壤中原本的营养素浓度及营养元素的比例因化肥的施用和生菜的选择性吸收而逐渐偏离正常值，并随着栽培时间的增加而逐步加剧，导致土壤肥力严重下降，生菜栽培效益逐年递减。更为严重的是，在多茬种植后土壤中积累了大量的生菜根系分泌物，这些分泌物经过一系列化学反应转化成对土壤和生菜有害的自毒物质，从而造成了生菜的连作障碍。
用光照的方式促进植物生长和有效物质积累与传统的转基因、杂交和施用化肥等方法有着本质的区别。它通过对外部条件的控制，利用各种不同光谱成分的组合和光强调控技术来促进植物的生长，从而达到增产增收、增质增效的作用。同时，在不同的生长阶段使用不同光波谱段的组合，还可以对植物的生长和功能性化学物质的积累进行对症配光，并将这些配光方案组合起来对植物进行照射，从而生产出产量佳、口味好、营养高的作物。因此，光调控技术对于减少化肥、农药和生长调节剂等的使用，生产出品质好、产量高的作物具有独特的效果。
LED及其相关应用
光源是发展设施农业光调控技术不可或缺的主要部分。长期以来，在农业照明领域内常用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤化物光源等，这些光源均存在光效低、能耗高、寿命短等弊端[7]。发光二极管（light-emittingdiode，LED）是一种能够直接将电能转化为光能的固态（Solid-state）半导体发光器件。由于兼具光、电、热等多种优良特性（高光效、低功耗、低发热等）及结构方面的优势（如体积小、重量轻、安全性高等），使之在各种应用中逐步取代传统光源的地位，具有广泛的应用前景。近年来，随着LED技术的不断成熟及制造成本的日益降低，LED逐渐被广泛应用于各领域，如背光、通信、装饰、城市夜景布控等。更为重要的是，在非视觉照明的领域（如医疗、植物照明等）LED的运用范围也不断扩大，其优越性得到更为充分的体现。目前，LED在设施农业领域的应用研究已经引起全世界的广泛关注，具有广阔的应用前景。
LED照明的应用现状及复杂性
LED在温室补光中的研究
自然界中，太阳的光照度随地理位置、海拔高度、四季变化和时间的不同而变化。温室内的光照度除与上述因素有关外，还与温室结构、管理措施及材料的透光性能等密切相关。由于受温室方位、覆盖材料的特性及其洁净程度等多种因素的影响，温室内的光环境较露地有很大差异，尤其在寒冷的冬季、早春季节或阴雪天，太阳高度角低，日照时间短，温室内光照度往往不能满足作物生长的光需求。人工补光成为众多可控环境温室管理的必然选择。
温室内光环境调节主要包括光辐射量、光照时长和光质的调节。近年来，随着技术的不断进步和工艺水平的不断提高，新型节能LED光源也引起了广泛关注。常用的LED温室补光光源主要有2种形式，一种是垂直照射的点式光源，另一种是穿插于植株之间进行侧面照射的带式光源。将LED作为温室补光光源，不仅可以根据气候条件、作物类型以及作物生长不同阶段，调整LED补光的光强、光质和光照时间。同时因其结构简单、便于安装、高度可调等优点使其在温室补光中的优势日益凸显，且逐步发展成为温室植物补光照明的主流技术。
LED在种苗繁育中的研究
在植物组织培养中，光环境的调控策略对植物的光合作用及其形态建成具有重要作用。因此在组培苗培养过程采用LED作为供给光源，并对其光照强度和光质配比进行调控，不仅能够促进组培植株的生长发育和形态建成，还能缩短培养周期、提高组培苗质量。多年来，国内外学者围绕LED光源在植物组培苗的生长发育、形态和器官分化等应用领域进行了不懈的探索，取得了重要的进展。总结起来，主要包括以下3个方面：①不同LED单色光对组培苗的影响及作用机理；②LED红蓝混合光对组培植株生长发育的影响；③不同LED光质组合优化参数对组培苗的生物效应。具体而言，Duong等在单质红光LED的研究中发现，草莓组培苗茎明显伸长，但叶绿素含量却有所降低。而在LED光质对马蹄莲组培苗兼养条件下生长效果的影响研究中发现，未经LED照射处理的干质量和生长速率差异不显著，但添加蓝光LED后对组培苗的株高和叶绿素含量有显著的正效应。不同植物对光质配比的敏感性不同，表现出不同的适应性。闻永慧等研究了LED不同光质对白芨生长及其可溶性糖含量的影响，发现红蓝光比例调整为1:1有利于白芨组培苗可溶性糖的积累；而经移栽后的白掌组培苗在80%红光LED+20%蓝光LED处理下生长状况最好。Jao和Fang同样指出，45%红光LED+55%蓝光LED的处理对于马铃薯组培苗的生长效应是最适宜的。
LED在苗菜栽培中的研究
LED光源的研发为人工光型植物工厂的发展提供了契机。国内外有关单一或组合的LED光质对不同蔬菜品种进行调控的主要作物包括生菜、芽苗菜和甜菜等，并取得了喜人成就。研究表明，光质能够影响生菜的生长及其体内功能性化学物质的积累。如Johkan等利用蓝光、红光、红蓝光混合等不同光质的LED灯及荧光灯来照射红叶生菜植株。经不同光质与光强的配比处理17天后发现，荧光灯培养下的生菜体内的多酚含量和总抗氧化能力显著低于在蓝色LED光照处理下的植株。该试验表明在蓝光下培育幼苗对于促进种植后的生菜植株多酚含量的积累是有帮助的。Goto研究了红叶生菜在相同光合有效量子辐射下，通过使用红光LED和蓝光LED来研究二者对红叶生菜花青素积累的作用，试验结果表明，花青素的浓度随着蓝光比重的增加而增加，说明蓝光照射能够有效促进红叶生菜功能性化学物质的合成。黄枝等就不同LED复合光质对瓠瓜幼苗生长及生理生化指标的影响做了深入研究，他们用4个不同LED复合光质（7R0G3B，6R2G2B，3R0G7B，2R2G6B）与对照白光对瓠瓜幼苗进行照射处理。结果表明，可以采用红绿蓝比例为6:2:2的LED复合光作为瓠瓜生长的最适光源。
LED在食用菌生产中的研究
光对食用菌的影响涉及菌丝体和子实体两个阶段，适宜的光照条件才能促进食用菌的优质高产，实现工厂化的高效生产。然而，不同品种的食用菌对不同的光谱成分和光强的反应不同，且不同的生长阶段对光强和光质的要求也有差异。据报道，LED蓝光有利于灵芝、黑木耳菌丝体的生长，蟹味菇子实体的生长，并且在LED蓝光照射下的产量最高；LED红光有利于绣球菌和平菇菌丝的生长，且为杏鲍菇子实体原基形成和发育阶段的最适光质；黄光对绣球菌原基形成有较强的诱导作用，且出菇同步性好。此外，在有关不同光质LED光源对工厂化金针菇菌株生长的影响研究中发现，在金针菇催蕾育菇阶段，黄光比蓝光、白光对菇柄具有更好的促进伸长作用。其他研究同样表明，不同波段的光谱对食用菌生长的影响不同。有关不同光强对食用菌的影响最早涉及食用菌菌丝生长、出菇、产量等形态特征及色泽方面的研究。田雪梅等研究了不同光质光量对樟芝菌丝体生长的影响，认为是在菌丝体生长过程给予适当的光照能够促进其生长。李玉等同样指出不同食用菌对光照需求差异不同。相关研究表明，强光下（4000lx）培养的平菇菌丝受到强烈的抑制，而金针菇白色品系在抑制阶段的不同时期采用光照对菌盖的形成效果不同。
展望
运用人工光进行栽培的技术实质上是通过类似光催化反应而进行的，是通过对外部条件的控制，同时利用不同光质的组合和光照模式的匹配来促进植物的光合作用、生长发育和有效物质的合成，最终达到增产增质的目的。设施农业生产中的LED光调控技术的实质是通过对外部条件的控制，并根据植物生长过程的光需求，提供相应的光谱成分的组合和光强调控并配以合适的光周期，以促进植物的生长和功能性物质的积累，从而达到增产、增收、增质和增效的目的[36]。设施农业中LED光调控植物生长发育的方式不仅环保、副作用小，而且能够达到优质高产的目的。
本文所提到LED的显著优势，必将会在设施农业等众多领域内发挥积极的作用。近年来随着科技的不断发展和进步，LED的制造和使用成本也将越来越低，其优越性也将得到更为充分的体现。因此LED必将在植物组织培养、工厂化育苗、高附加值植物和名贵中药材等设施园艺植物栽培等领域得到越来越广泛的应用。在植物组培领域将有可能出现替代传统荧光灯的LED专用组培灯具，其光强、光质和光照时间均可根据作物的生长需求进行自动调节，从而大幅度提高组培效率，并降低系统的能耗；在完全控制型植物工厂中也会出现由多种单色LED光（如红蓝光）组合的人工光源，使作物栽培层的间距和空间利用率都得到有效的提高，进而促进植物工厂的普及与应用及成本的降低。在戈壁滩、沙漠、边远岛屿、南北极地，以及太空航天器、远洋航船和其他星球等特定场所，将会出现以LED为人工光源的植物生产系统，以满足特殊环境下人们对食物的需求。
目前，以LED为设施作物照明主要供给光源的研究方兴未艾，发展势头如火如荼，但基于LED对设施农作物生长发育调节的复杂性，探索设施农业LED对植物生长发育的影响的光配方及专用灯具的研发尚有很长的路要走。相信在不久的将来，通过行业科研人员的不断努力，LED在设施农业中的应用将会取得长足的进步，也将极大地推进设施农业LED光调控技术的深层次普及和发展以及光植物学科的研究进展和突破。
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