趙啟蒙 周小麗 周明琦 劉木清

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海200433)

1 引言

我國作為世界上的農(nóng)業(yè)大國，以僅有世界7%的耕地養(yǎng)活了占世界22%的人口，農(nóng)業(yè)在我國國民經(jīng)濟中有著重要的地位。但是目前我國大部分農(nóng)業(yè)仍然使用著傳統(tǒng)的粗放式種植方式，高成本，低效率，存在污染。高效節(jié)能無污染的新型農(nóng)業(yè)種植技術(shù)成為了當前國民經(jīng)濟中亟待發(fā)展的一環(huán)［1］。近些年來，隨著大功率LED技術(shù)的不斷發(fā)展，使得紅光、藍光和遠紅外光等大功率單色光LED的技術(shù)越來越成熟。由于大功率單色光LED具有光源體積小、光效高、壽命長、波長范圍窄與冷光源等特點，而且可以實現(xiàn)與光合作用吸收峰值波長完全吻合，較傳統(tǒng)光源有著明顯的優(yōu)勢。因此LED光源在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有良好的發(fā)展前景［2］。本文利用模塊化設(shè)計理念，配合帶調(diào)光功能的驅(qū)動器，自行設(shè)計用于植物生長補光的LED模塊，多個LED模塊組成LED照明系統(tǒng)。并采用擬南芥作為生長植物，使用自行設(shè)計的LED植物生長補光照明系統(tǒng)和傳統(tǒng)熒光燈照明系統(tǒng)進行對比補光，初步分析了LED植物生長補光照明系統(tǒng)對于植物的效用。

2 LED植物生長補光照明系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

自行設(shè)計的LED植物生長補光照明系統(tǒng)主要是由多個LED植物生長補光燈模塊組成。為了方便使用者組裝、更換和維護，在該燈具的設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，每一個模塊都可實現(xiàn)獨立照明以及獨立調(diào)光，單獨模塊主要包括1W單色LED器件、PCB板、散熱器、光學透鏡、驅(qū)動電源、調(diào)光控制器以及定時器等幾個部分，具體實樣見圖1。

圖1 LED植物生長補光照明系統(tǒng)

根據(jù)植物對光的吸收特性(即植物在660nm的紅光與450nm的藍光兩個波段存在兩個光能吸收高峰)以及LED的光源的特點，我們選取了峰值波長在660nm和450nm兩種單色LED器件，并在一組照明系統(tǒng)中加入了735nm的紅外LED器件，通過對比試驗探求紅外光在植物生長中所起的作用(目前紫外LED是有的，但是由于價格過高，光效比較低，因此沒有選擇加入紫外進行實驗)。根據(jù)所購的LED器件繪制了PCB電路板，長條狀，焊接14顆LED器件。選取兩個660nm模塊、一個450nm模塊以及一個735nm模塊點亮如圖2所示。

圖2 2個紅光模塊、1個藍光模塊和1個紅外光模塊點亮圖

調(diào)光控制器主要由帶調(diào)光功能(0～10VDC)的驅(qū)動電源、12VDC穩(wěn)壓信號源以及自行焊接的阻值為1K歐姆旋鈕變阻器和阻值為1K歐姆的電阻搭建。因為所購的驅(qū)動電源輸出電流為600mA，而單色LED的工作電流為350mA，所以利用1K歐姆的電阻來進行分壓，從而實現(xiàn)1K歐姆旋鈕變阻器兩端電壓從0V～6V連續(xù)可調(diào)，接入驅(qū)動電源的調(diào)光電路，由此可算出驅(qū)動電源輸出電流實現(xiàn)0mA～360mA的連續(xù)可調(diào)。利用調(diào)光控制器可以實現(xiàn)紅藍光質(zhì)比(R/B)的連續(xù)可調(diào)，設(shè)置不同的光質(zhì)比，以探求特定植物生長所需的最佳紅藍光質(zhì)比，同時可以探求特定植物生長的最佳光照強度。定時器將實現(xiàn)光照周期的控制，在每天的特定時間段對植物進行照射。為了保證照射的均勻性，在模塊中加入了光學透鏡，根據(jù)植物排布情況進行光斑設(shè)計。光學透鏡的光斑圖如圖3所示。

圖3 光學透鏡的光斑圖，實現(xiàn)對照射面積的均勻照射，提高植物的吸收效率

3 LED植物生長補光照明系統(tǒng)的測試

3.1 光源的輻射光譜能量分布

使用遠方PMS80紫外—可見—近紅外光譜分析系統(tǒng)對實驗所使用的熒光燈和LED模塊進行輻射光譜能量分布測試。LED模塊主要測試了660nm紅光和450nm藍光兩個模塊，熒光燈為30W的T8植物補光專用熒光燈。660nm紅光峰值波長在655nm，平均波長為653nm;450nm藍光峰值波長在450nm，平均波長為451nm，與廠家提供參數(shù)吻合。T8熒光燈光譜在436nm、491nm、546nm、561nm以及627nm存在數(shù)個峰值。測試結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 660nm紅光光譜分析圖

圖5 450nm藍光光譜分析圖

圖6 熒光燈光譜分析圖

根據(jù)植物學上的光合作用理論，植物并非利用太陽光的全部成分來進行光合作用。在波長640～660nm的紅光區(qū)域部分，葉綠素a(chlorophyII a)有一個較強的吸收峰;葉綠素b(chlorophyII b)在430～450nm的藍光部分有一個強吸收峰。紅色光譜是光合作用的能量源，紅光促進植物莖的生長。藍光可以促進氣孔開放，有助于外界的二氧化碳進入細胞內(nèi)，促進葉的生長［3］。光譜范圍對植物生長的影響見表1。葉綠素吸收光譜見圖7［4］。

結(jié)合葉綠素a、b吸收光譜以及光譜范圍對植物生長的影響來對比LED和熒光燈光譜，不難發(fā)現(xiàn)，相比于生長箱自帶的熒光燈，我們所采用的LED0植物生長補光照明系統(tǒng)采用葉綠素a、b兩個吸收光譜峰值660nm和450nm。能夠發(fā)出植物生長所需的單色光光譜，與葉綠素吸收光譜峰值完全吻合，將實現(xiàn)促進植物高效生長，提高植物對光能的利用效率，降低能耗等多方面效益。

表1 光譜范圍對植物生長的影響

圖7 葉綠素a、b吸收光譜

3.2 光源照度值測量

用照度計對兩個植物生長箱中植物擺放位置進行照度測量。采用LED植物生長補光照明系統(tǒng)的測量位置為LED模塊正下方20cm。熒光燈由于是植物生長箱自帶，側(cè)立著對植物進行照射的，從靠近熒光燈到遠離熒光燈有個很明顯的遞減梯度，因此我們在距離熒光燈3組不同距離(10cm、20cm、30cm)上面各選取了5個點，測量其照度值。實驗現(xiàn)場照度分布如圖8、圖9所示。

圖8 LED照度分布圖(單位:lx)

圖9 熒光燈照度分布圖(單位:lx)

對比熒光燈與LED照度分布圖，照度值從靠近熒光燈的那一組向遠離熒光燈方向遞減，造成受照面的照度均勻性很低，3組植物接受的光照相差很大，對于植物的生長很不利。在進行種子培育或植物生長的時候，需要定期手動調(diào)換植物的位置，對于實驗的進行造成不便。從LED植物生長補光系統(tǒng)的照度圖可以看出，均勻性較熒光燈有了很大的改善，通過在模塊中加入的光學透鏡，很好的解決了受照面植物接受光照的均勻性問題，而且做成模塊后，便于安裝和維護，掛在植物正上方，可以實現(xiàn)從每一層對植物進行近距離照射。計算平均照度后發(fā)現(xiàn)，兩者平均照度接近，然而熒光燈組功率為30W*8=240W，而LED組功率為14W*4=56W，一個生長箱中需要2個LED

植物生長補光照明系統(tǒng)，因此LED組總功率為56W*2=112W，可以看出，在節(jié)能方面LED組表現(xiàn)更為優(yōu)異。

4 植物生長實驗的測試

本次實驗在植物培養(yǎng)箱中進行，搭建2組對比樣本。其中1組利用30W的T8植物補光專用熒光燈進行補光，總功率為240W。另外1組采用1個LED植物生長補光照明系統(tǒng)進行補光。LED植物生長補光照明系統(tǒng)采用兩條峰值波長為660nmLED燈條模塊、一條峰值波長為450nmLED燈條模塊以及一條峰值波長為735nm燈條模塊，總功率為56W。LED燈條模塊組光強連續(xù)可調(diào)，實現(xiàn)對紅藍光質(zhì)比、紅紅外光質(zhì)比以及藍紅外光質(zhì)比的連續(xù)可調(diào)。使用培養(yǎng)皿進行擬南芥種子萌發(fā)率測試實驗，實驗場景見圖10。

實驗用的材料:擬南芥:Col 0野生型以及MS培養(yǎng)基:MS粉(Sigma)4．41 g/L，蔗糖(上海強順)30 g/L，植物凝膠(GeneTech)2.6 g/L，milliQ水(millipore)l L。

圖10 LED植物補光照明系統(tǒng)實驗場景圖

實驗方法:取適量新鮮擬南芥種子，依次經(jīng)75%乙醇處理30 s，無菌水清洗2～3次，18%次氯酸鈉處理8 min，無菌水清洗2～3次，無菌吸水紙吸干，置于預先配置好MS培養(yǎng)基的無菌培養(yǎng)皿上，22℃溫度條件下培養(yǎng)，光周期為16 h光照，8 h黑暗。實驗組光源為LED，對照組為白色熒光燈。實驗設(shè)三組重復。播種后6天內(nèi)每24h統(tǒng)計一次種子萌發(fā)率。播種后6天統(tǒng)計最終萌發(fā)率并進行方差分析。實驗結(jié)果見表2以及圖11。

表2熒光燈組與LED組擬南芥種子萌發(fā)率實驗結(jié)果

從表2和圖11中可以得出以下結(jié)論:(1)p＞0.05，LED組與熒光燈組最終萌發(fā)率無差異;(2)萌發(fā)時間上，白光組略快于LED組，可能與LED燈光譜與光質(zhì)有關(guān);(3)萌發(fā)后的幼苗子葉顏色上，相比白光組LED組明顯更為暗黃，提示葉綠素合成受到抑制，可能與LED燈光譜與光質(zhì)有關(guān)。由此看出現(xiàn)有的LED光源與白光相比，對種子最終萌發(fā)率影響不大。但可能由于遠紅光的作用影響了種子萌發(fā)過程中的光誘導調(diào)控，延緩了萌發(fā)時間。LED組萌發(fā)后幼苗子葉存在變黃的現(xiàn)象，可能由于現(xiàn)有光譜或LED光質(zhì)影響了葉綠素合成與降解途徑導致。需要進一步實驗來證明。

5 結(jié)論與討論

根據(jù)光譜范圍對植物生長的影響以及LED的光源特性，本文設(shè)計了一種用于植物生長補光的LED照明系統(tǒng)。采用了模塊化設(shè)計，便于安裝及日常維護。加入了0～100%連續(xù)可調(diào)光的調(diào)光控制器，實現(xiàn)各個模塊的單獨調(diào)光控制，可調(diào)節(jié)紅藍光質(zhì)比以及總的光照強度，便于設(shè)置不同的光質(zhì)比及光照強度進行對比實驗。通過光譜分析及照度測試的實驗，參考光源對于植物補光影響的兩個重要參數(shù)的對比(光譜的輻射能量分布和光照度)，可以看出LED植物生長補光照明系統(tǒng)在這兩項數(shù)據(jù)上都優(yōu)于熒光燈。在擬南芥種子萌發(fā)率的試驗中，采用LED，在功率為熒光燈的一半左右時，就獲得了與熒光燈接近的萌發(fā)率。足以顯示LED在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的廣闊前景。同時可以看出遠紅外能夠起到對植物生長時間進行調(diào)控的作用。該LED照明系統(tǒng)的設(shè)計對于植物補光領(lǐng)域來說具有一定積極的意義。為后續(xù)用于植物生長補光的LED照明系統(tǒng)的改進以及后續(xù)的植物實驗提供了可參考的數(shù)據(jù)［5］。

［1］曲溪，葉方銘，宋潔瓊．LED燈在植物補光領(lǐng)域的效用探究．燈與照明，2008．32(2)．

［2］魏靈玲，楊其長，劉水麗．LED在植物工廠中的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景．農(nóng)業(yè)工程學報，2007．23．

［3］周國泉，徐一清，付順華．溫室植物生長用人工光源研究進展．浙江林學院學報，2008．25(6)．

［4］Winslow R．Briggs，Margaret A．Olney．Photorec-eptors in Plant Photomorphogenesis to Data．Five Ph-ytochromes，Two Cryptochromes，One Phototropin a-nd One Superchrome．Plant Physiology，January 2001，Vol．125，pp．85～88．

［5］崔瑾，徐志剛，邸秀茹等．LED在植物設(shè)施栽培中的應(yīng)用和前景［J］．農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24(8):249～253．