李淋倍，胡振華，王功利，王 憶，2

(1.江門聯(lián)皓照明科技有限公司，廣東 江門 529000； 2.五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529000)

引言

植物工廠是近年來(lái)從提出到迅速推廣具有高科技特征的一項(xiàng)新型農(nóng)業(yè)種植技術(shù)。植物工廠作為一種資源集約型生產(chǎn)模式，不僅可以大幅提高單位土地的利用率、產(chǎn)出率和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)它受自然條件影響比較小、植物生產(chǎn)的計(jì)劃性很強(qiáng)、生產(chǎn)周期縮短、自動(dòng)化程度和智慧控制水平高，可以在極端的環(huán)境條件下保障某些食物供給和食品的安全，有利于一些特色農(nóng)業(yè)擺脫資源與環(huán)境的限制，保障種植作物的無(wú)污染和有機(jī)種植，實(shí)現(xiàn)特色農(nóng)產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展。LED照明由于其光譜可調(diào)、體積尺寸可控、光照強(qiáng)度可控、節(jié)能環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為植物工廠補(bǔ)光或光照的首選[1-3]。

1 植物光合作用與光譜

任何植物的生長(zhǎng)都不可能離開(kāi)太陽(yáng)光的照射，光照在植物生長(zhǎng)的過(guò)程中起到了關(guān)鍵的作用。因此稱為“光肥”。它是促進(jìn)植物葉綠素的吸收和胡蘿卜素等多種植物生長(zhǎng)質(zhì)素吸收的最好肥料。380～780 nm 是國(guó)際上公認(rèn)的可見(jiàn)光譜范圍標(biāo)準(zhǔn)。決定植物生長(zhǎng)好壞的因素是一個(gè)綜合性因素，不僅與光有關(guān)，而且與水、土、肥料的配置、生長(zhǎng)環(huán)境條件(溫度、濕度等)和綜合技術(shù)管控都有著密不可分的關(guān)系。沒(méi)有光，植物的生長(zhǎng)是肯定不行的。實(shí)驗(yàn)中會(huì)發(fā)現(xiàn)光對(duì)于植物實(shí)際生長(zhǎng)所起到的促進(jìn)作用大約可以提升25%[4-6]。

植物生長(zhǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵要素有葉綠素a、b，類胡蘿卜素，光敏色素，藻紅蛋白，藻青蛋白等，其植物對(duì)于光的有效吸收和作用光譜圖如圖1所示，不難看出這些植物生長(zhǎng)要素分別都有一些重要的吸收光譜特征。

圖1 植物光合作用與對(duì)于光的吸收效率光譜圖[1-3]Fig.1 Spectrum of photosynthesis and absorption efficiency of light in plants

根據(jù)上述植物生長(zhǎng)對(duì)于光的有效吸收光譜圖，我們給出一個(gè)各種光生物光質(zhì)有效光譜范圍，如表1所示[4-6]。

表1 幾種主要植物生長(zhǎng)要素及其吸收光譜波長(zhǎng)范圍

由表1可知，植物生長(zhǎng)光譜的分布和結(jié)構(gòu)要素對(duì)于提升植物的產(chǎn)量和產(chǎn)品的質(zhì)量將會(huì)起到非常關(guān)鍵的作用。因此，從植物工廠的人工LED光源的光譜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)出發(fā)才能夠真正發(fā)揮LED照明補(bǔ)光在植物工程生長(zhǎng)中的作用。

LED光源的光譜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以從兩個(gè)方面來(lái)考慮。第一，使用近紫外芯片作為激發(fā)光源來(lái)激發(fā)熒光粉發(fā)光可以實(shí)現(xiàn)從近紫外到近紅外的寬光譜結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際需要可以再使用一定的芯片來(lái)加強(qiáng)部分區(qū)域的發(fā)光及光照強(qiáng)度，如使用365～395 nm范圍內(nèi)的芯片不僅可以實(shí)現(xiàn)365～780 nm范圍內(nèi)的LED全光譜，即所謂的仿太陽(yáng)光譜，同時(shí)可以根據(jù)不同植物生長(zhǎng)要素的需求來(lái)調(diào)節(jié)光譜的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上還可以根據(jù)藍(lán)紅光的強(qiáng)度需要來(lái)適當(dāng)補(bǔ)充一定的紅藍(lán)光芯片[7,8]。第二，使用藍(lán)光芯片作為熒光粉的激發(fā)光源，來(lái)激發(fā)熒光粉而形成LED照明發(fā)光光源。由于一般通用的LED藍(lán)光芯片波長(zhǎng)為450 nm左右，因此小于450 nm的藍(lán)光會(huì)有一定的不足，通?？梢圆扇「筒ㄩL(zhǎng)的藍(lán)光芯片，比如430～445 nm波長(zhǎng)左右的芯片與452 nm的芯片形成雙芯片激發(fā)模式。也可以直接采用一定波長(zhǎng)的芯片進(jìn)行補(bǔ)光的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)較好的LED植物補(bǔ)光光源。

單純的采用某些單色光或一兩種單色光組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的光源補(bǔ)光是具有一定缺陷的，這個(gè)從圖1和表1中不難看出，這種光會(huì)造成一定營(yíng)養(yǎng)成分的缺失或降低，同時(shí)會(huì)影響到植物生長(zhǎng)過(guò)程和開(kāi)花結(jié)果的品質(zhì)。補(bǔ)充一定的綠光是非常有必要的，它可以幫助實(shí)現(xiàn)更好的生物光質(zhì)能量的輸運(yùn)和形成較高品質(zhì)的光敏素和藻青、藻紅蛋白和類胡蘿卜素。下面將給出我們?cè)谑褂米约涸O(shè)計(jì)的LED光源光譜結(jié)構(gòu)下進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)的一些結(jié)果。

2 幾個(gè)實(shí)例

2.1 稻谷育苗生根補(bǔ)光效果

圖2中的稻谷種苗顯示的分別是無(wú)人工補(bǔ)光的情況下稻谷種子播種10天后的生長(zhǎng)狀況和稻谷種苗圖播種3天后，再進(jìn)行人工補(bǔ)光7天后的生長(zhǎng)狀況。人工補(bǔ)光的光量子通量密度為70～80 μmol/m2/s，每天18:30后補(bǔ)光4 h。

圖2 稻谷育苗LED補(bǔ)光光譜與效果圖Fig.2 Supplementing LED spectrum and effect picture of rice seedling

圖2是在某省水稻育苗的LED補(bǔ)光實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，可以看出，使用LED補(bǔ)光的水稻種子的芽苗長(zhǎng)度和粗壯度都好于沒(méi)有進(jìn)行LED補(bǔ)光的情況。其次，圖2中的光譜圖是專門針對(duì)育苗設(shè)計(jì)的一種光譜，藍(lán)光的強(qiáng)度稍大，補(bǔ)充了一定的綠光和黃光。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在廣東廣州、東莞、江門的觀賞植物育苗的實(shí)驗(yàn)中獲得相同的良好效果。

2.2 全人工光月季種植效果

圖3中(a)、(b)、(c)和(d)圖中的月季花生長(zhǎng)狀態(tài)皆為在全人工光環(huán)境生長(zhǎng)3個(gè)月后的生長(zhǎng)狀態(tài)。

圖3是全人工LED光譜對(duì)于植物工廠內(nèi)培育月季花的幾種不同LED光譜結(jié)構(gòu)下的使用效果。除了光照環(huán)境的光譜不一樣外，其他生長(zhǎng)條件都一樣。光照環(huán)境中的光量子通量密度皆為160～180 μmol/m2/s?？梢钥闯?，(a)和(b)圖中的月季能正常開(kāi)花；(c)和(d)圖中的月季不能正常開(kāi)花，盡管(c)圖中的月季有花蕾，但均在花蕾期花蕾就枯掉，(d)圖中的月季一直沒(méi)花蕾長(zhǎng)出。這進(jìn)一步證明了，單純使用紅藍(lán)光芯片設(shè)計(jì)的光源對(duì)于培育開(kāi)花植物是不利的。而(a)、(b)兩種光譜的效果就比較好，而且花期會(huì)大大延長(zhǎng)。

圖3 全人工LED光譜與月季種植效果Fig.3 Full artificial LED spectrum and planting effect of Chinese rose

2.3 火龍果補(bǔ)光效果

圖4中的(a)圖顯示的是無(wú)人工補(bǔ)光的火龍果生長(zhǎng)狀況；(b)圖顯示的是有人工補(bǔ)光的火龍果生長(zhǎng)狀況，補(bǔ)光條件為每天延長(zhǎng)光照6 h，PPFD值為2～5 μmol/m2/s，照度為100～200 lx。

圖4是針對(duì)某火龍果基地設(shè)計(jì)的LED補(bǔ)光燈照射的效果對(duì)比圖，其右下角為所采用的光譜結(jié)構(gòu)圖?？梢悦黠@看出，在有LED補(bǔ)光的右圖中，其花蕾的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于左圖中沒(méi)有補(bǔ)光的情況。不僅如此，火龍果的品質(zhì)也大大提升。表2是火龍果經(jīng)過(guò)某農(nóng)科院測(cè)試的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)比情況。

圖4 火龍果補(bǔ)光效果對(duì)比Fig.4 Contrast of pitaya fill-in effect

由表2可知，經(jīng)過(guò)LED補(bǔ)光的火龍果其可溶性固形物是增加的，總糖量也是增加的，總酸也是增加的，口感度增加，維生素C有少許的降低。這在其他基地的蔬菜和草莓的實(shí)驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。

表2 火龍果營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于植物工廠使用LED照明無(wú)論是連續(xù)光譜照明或者一段時(shí)間的補(bǔ)光對(duì)于植物生產(chǎn)的效果，包括產(chǎn)量的提升和品質(zhì)的改善都是有益的。在LED光源的光譜設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮到光源使用的對(duì)象和其植物生長(zhǎng)的特性，尤其是對(duì)其所吸收光譜的范圍的把握是非常重要的。單純的紅藍(lán)光組合和現(xiàn)有的LED照明光源是存在一定缺陷的，應(yīng)該針對(duì)不同的植物種類和生長(zhǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)不同的LED光照的光譜。