河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 裴艷輝 趙蔚 索雪松 張洪銳 劉嬌 金朝霞 王璐

引言

植物的生產(chǎn)離不開(kāi)光合作用，而提供有效的光源是增產(chǎn)、增效的必要手段。植物生長(zhǎng)燈通過(guò)不同光質(zhì)組合和光照模式，可有效地為在不同階段生長(zhǎng)的植物提供其需要的光照，以此滿足植物對(duì)光的需求，最終達(dá)到增產(chǎn)增效的效果。

隨著科技的發(fā)展，高級(jí)的植物生長(zhǎng)促進(jìn)設(shè)備已經(jīng)可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制、物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取種植環(huán)境的空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照信息及視頻圖像等信息。結(jié)合了信息化的產(chǎn)品更加契合人們的生產(chǎn)，不再需要人工親臨的傳統(tǒng)檢測(cè)方式，通過(guò)手機(jī)、PDA、計(jì)算機(jī)等信息終端就可以獲知實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息。而通過(guò)系統(tǒng)的模型分析，生長(zhǎng)燈便可自動(dòng)進(jìn)行光調(diào)控，相對(duì)傳統(tǒng)補(bǔ)光產(chǎn)品增加了效率與容錯(cuò)性。

全球植物生長(zhǎng)燈市場(chǎng)分為四大類，主要是熒光類、LED 類、高壓鈉類、白熾燈及鹵燈類。在2020 年全球植物生長(zhǎng)燈的價(jià)值將超過(guò)30 億美元，自2016 年以來(lái)增長(zhǎng)迅速。

1 植物生長(zhǎng)與光照的關(guān)系

植物生長(zhǎng)照明的最終目的是加快作物的生長(zhǎng)，縮短周期。由于植物的生理特性及生長(zhǎng)特性的差異導(dǎo)致其對(duì)光照的需求各不相同。大量的研究表明，光照對(duì)植物的作用主要表現(xiàn)在光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期3 個(gè)方面。但是植物并不是對(duì)所有的光都兼收并蓄的，而是具有明顯的選擇性。不同的光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期均對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不同的作用。

1.1 不同光質(zhì)對(duì)植物的作用

不同光質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)的作用示意。從光合作用曲線（綠色線）來(lái)看，整個(gè)曲線主要有2 個(gè)峰值1 個(gè)是在波長(zhǎng)為430～450 nm藍(lán)光主要是對(duì)植物的萌芽等有促進(jìn)作用，對(duì)莖的生長(zhǎng)有強(qiáng)烈的抑制作用。另1 個(gè)是在600 到700nm 紅光主要是對(duì)植物的光合作用、萌芽、開(kāi)花增色和結(jié)果等均有促進(jìn)作用。

2 產(chǎn)品介紹

本文研發(fā)的63 光譜調(diào)控系統(tǒng)由波長(zhǎng)為400nm 到730nm 的多個(gè)LED 點(diǎn)光源組裝而成。依據(jù)作物不同的生長(zhǎng)周期對(duì)應(yīng)著不同的光譜曲線，我們對(duì)LED 光源的光密度和光質(zhì)配比進(jìn)行組合，根據(jù)經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)的需求進(jìn)行更為精確的調(diào)節(jié)和配置，以此來(lái)制作不同波長(zhǎng)的光譜。根據(jù)作物所需光照強(qiáng)度及照射面積決定了光源的間距。由于LED 照明系統(tǒng)產(chǎn)生的光線熱量非常低，使得光譜調(diào)控系統(tǒng)能夠被放置在離作物更近的地方，增加了作物接收到的光。

用光調(diào)控的方式促進(jìn)經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)和有效物質(zhì)積累與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因、雜交和施用化肥等方法有著本質(zhì)的區(qū)別。它通過(guò)對(duì)外部條件的控制，利用各種不同光譜成分的組合和光強(qiáng)調(diào)控技術(shù)來(lái)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)作物的生長(zhǎng)，從而達(dá)到增產(chǎn)增收、增質(zhì)增效的作用。同時(shí)，在不同的生長(zhǎng)階段使用不同光波譜段的組合，還可以對(duì)經(jīng)濟(jì)作物的生長(zhǎng)和功能性化學(xué)物質(zhì)的積累進(jìn)行對(duì)癥配光，并將這些配光方案組合起來(lái)對(duì)經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行照射，從而生產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效益高、營(yíng)養(yǎng)高的經(jīng)濟(jì)作物。圖1 為條形植物生長(zhǎng)燈。

圖1 條形植物生長(zhǎng)燈

3 具體設(shè)計(jì)

3.1 分析所需的紅藍(lán)光比例

3.1.1 利用光敏傳感

光敏傳感器對(duì)環(huán)境光源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將采集到的光環(huán)境信息發(fā)送至單片機(jī)。由于光敏傳感器無(wú)法直接檢測(cè)到環(huán)境中的紅、藍(lán)光，所以在光敏傳感器前加上相應(yīng)波長(zhǎng)的帶通濾鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠或溫室內(nèi)紅、藍(lán)光的檢測(cè)。

3.2 產(chǎn)品的具體參數(shù)

額定功率：100W、150W；輸入電壓：AC100-277V，50-60Hz；使用壽命：50000 小時(shí)。

3.2.1 燈珠規(guī)格

12 波段全光譜，可以自由調(diào)節(jié)紅藍(lán)光。提供植物各個(gè)生長(zhǎng)階段所需要的最適宜的波長(zhǎng)。

3.2.2 散熱

采用AL 材質(zhì)，具有輕便，散熱快的特點(diǎn)?？梢蚤L(zhǎng)時(shí)間使用，并且不用特意安裝風(fēng)扇，加強(qiáng)散熱。

4 以藥用大麻為例，展示本產(chǎn)品的功效

麻類作物生長(zhǎng)所需光照時(shí)間為每天16 個(gè)小時(shí)，少于16 個(gè)小時(shí)則光照時(shí)間不夠，多于18 個(gè)小時(shí)則對(duì)于光合作用也沒(méi)有了用處，因此，基本的16 個(gè)小時(shí)的光照時(shí)間是必要的。對(duì)于不同的生長(zhǎng)周期，光調(diào)節(jié)的照射時(shí)間也有所不同，一般苗期照射16 小時(shí)，休息8 小時(shí)；植物期照射18 小時(shí)，休息6 小時(shí)；花期照射12小時(shí)，休息12 小時(shí)。工業(yè)大麻生長(zhǎng)的第一階段稱為植物期。在使用光源照射時(shí)，將其放在作物上方20 英寸或更高的地方，使得光源發(fā)出的光能夠被作物很好的吸收利用，這個(gè)階段作物更多的需要波長(zhǎng)450nm 左右的光譜光源。開(kāi)花階段是主要產(chǎn)生大麻二酚（Cannabidiol，CBD）的關(guān)鍵時(shí)期，只有雌性作物才會(huì)產(chǎn)生這些物質(zhì)，而且過(guò)程比較明顯；因?yàn)樾枰ㄙM(fèi)更多能量去產(chǎn)生花苞，所以它的生長(zhǎng)過(guò)程會(huì)變得更加緩慢。但在使用專用光譜光源照射后，會(huì)提升藥用經(jīng)濟(jì)作物中的大麻二酚（Cannabidiol，CBD）成分。在周期方面，使用高壓納燈約82 天，但使用特定光譜調(diào)控系統(tǒng)可以縮減到68 天左右，以全年來(lái)看，后者要比前者多一次生長(zhǎng)周期，作物產(chǎn)量與獲益得到極大提高。

5 產(chǎn)品的具體安裝以及應(yīng)用

主要建在室內(nèi)，也可在室外空地或樓頂，但是要搭建相應(yīng)的雨棚。適用范圍：氣候室采用節(jié)能型LED 頂光模組燈，配合苗床，光源可上下左右調(diào)整，可對(duì)高、低植株的整個(gè)生長(zhǎng)周期進(jìn)行培養(yǎng)，使用方便高效，且可對(duì)農(nóng)藝鈉燈或高照度LED 光源進(jìn)行合理搭配，實(shí)現(xiàn)不同植物對(duì)光波長(zhǎng)和光譜的不同需求，高光效LED 頁(yè)光膜組植物生長(zhǎng)燈具有全光譜特性，可提供植物生長(zhǎng)所需的全部光譜，能夠極大的縮短植物生長(zhǎng)所需要的時(shí)間調(diào)控光周期，提高科研人員的效率。圖2 為植物生長(zhǎng)燈在溫室中的使用。

圖2 植物生長(zhǎng)燈在溫室中的使用