大功率LED对水生动植物生长的影响

杨景发 杜明月 温翠娇 白 璐 国唯唯 郭建立 刘记祥

(1.河北大学物理科学与技术学院，河北保定071002;2.河北格林光电技术有限公司，河北保定071051)

近年来，我国休闲、观赏渔业发展势头强劲，已成为渔业发展中的一个新亮点，观赏鱼正“游”入寻常百姓家庭［1，2］。生态水族的主角是鱼、水草，视觉欣赏是其主要功能。水族箱的照明系统起着决定性作用，LED被认为是未来主要的、理想的人工水生动植物补光光源，具有高亮度、波带窄、节能、环保、寿命长等优点。因此，开展了单色LED对水生动植物影响的实验研究，得到了LED在水族照明中的应用原理及关键技术参数。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

水生植物(金钱草、水葫芦、香菇草、青丝红叶、虎耳及红蝴蝶)，水生动物(虎皮鱼、红箭鱼、黑玛利)，藻群;样本取自河北大学和鱼虫市场。实验光照条件由本课题研制的大功率LED光源提供。

LED(5W红、蓝、白、绿、黄、紫、红蓝);烧杯、培养皿、温度计;自制水草缸、鱼缸;微电脑时间控制器等;主要仪器有PMS-50光谱分析系统、LED626分布光度计、TES-1332A照度计、电子天平、NJ2-1正置式金相显微镜等。

1.2 实验方法

1.2.1 单色LED光照对水生植物生长的影响［3，5］

试验设置红、白、绿、黄、蓝、红蓝和紫光7种光照条件，各光源的光谱特性见表1。

表1 LED照明光源的主要光色电参数

将长势相近，形态相似的水生植物的幼苗分为7组，每组4种(金钱草、水葫芦、青丝红叶、香菇草)，每种10株，分装在21个烧杯中(烧杯中放入等量的相同品质的蒸馏水);将7个试验组分别用本研究设计的R、B、Y、G、W、R+B、UV 7种光照条件进行光照处理，无自然光照，各光源之间互不影响，光源悬挂高度为10cm，用微电脑定时装置设置光照时段，时间为:每天6∶00～8∶00;10∶00～12∶00;14∶00～16∶00;18∶00～20∶00。

观测指标:测定香菇草的叶片面积、株高、新增叶片数和侧根数;测定金钱草新增侧根数和植株的高度，统计分析株高绝对增长量与相对增长量;测定青丝红叶株高、节数和侧根数;测定水葫芦茎粗、叶片面积和新增叶片数。

1.2.2 LED组合光源与荧光灯下水生植物生长的比较

将水生植物虎耳和红蝴蝶分为2个试验组，每组各10枝扦插于两个水草缸内;分别用“R+B”光源和植物荧光灯进行光照处理，处理方式同(1);每周记录每枝株高、叶片数、侧芽数和侧根数。

1.2.3 单色LED光照对鱼生长的影响［4，6］

试验设置6个试验组，每个鱼缸为一组，每组放入虎皮、红箭、黑玛利各10条，清道夫鱼1条。每组水质相同，增氧泵全天增氧，定期换水、药物消毒。每天喂食1次，每次0.05克。6个试验组的光照处理方法同(1)(无R+B模式)。

试验开始后1min、5 min、10 min、20 min、1h、2h、4h观察鱼的光适应状况;于试验的开始、20天、40天用自制方式测量每组鱼的鱼长度和鱼的重量，分类统计，记录鱼长度的增长的平均值和鱼体重增长的绝对和相对增加值;随时观察记录水质变化、鱼的体色变化、生长状况、生存能力，在每次观察时，将死鱼按其相同的种类和相当的重量及时地给予补充。

1.2.4 单色LED光照对绿色杜氏藻生长速率的影响［5］

试验用绿色杜氏藻由河北大学生命科学院提供。锥形瓶经煮沸消毒。用250mL锥形瓶取藻液若干，再加入BBM培养液，藻液与培养液的体积比为1∶3，然后在设定的试验条件下进行培养，每天摇瓶数次。

试验设置5个试验组，分别置于本研究设计的R、B、Y、G、W光源下进行培养，每组设置3个重复，光照周期为12L∶12D，培养3d后取出，测定其生长速率。

1.2.5 紫外线对藻类栖息的影响

取一定量的藻类群，放置在培养皿中，加入BBM培养液，1d后，用显微镜察藻类群的种类;摇匀上培养液，分别吸取3ml藻细胞悬液置于7个小培养皿内，再将培养皿置于距功率为15W的紫外灯源下20 cm处，分别照射0s、3 min、5 min、7 min、10 min、13 min、15 min、17 min、20 min，目视和显微镜观察藻群变化。

2 结果与分析

2.1 单色LED光照对水生植物生长的影响

单色大功率LED光照对水生植物金钱草、香菇草，青丝红叶和水葫芦株高、叶面积、叶数、节数以及侧根生长的影响结果见表2。

实验可知:不同光照下生长的四种水生植物幼苗生长有明显差异，但对光照反应的趋势基本一致。经红、白光照射，金钱草和青丝红叶的株高相对增长量大，而经紫、黄光照射，金钱草的株高相对增长量小，水葫芦的茎粗和香菇草的叶面积也表现同样的结果;蓝光处理香菇草长出新叶最多，而紫光最少;蓝、红光处理金钱草、青丝红叶和香菇草侧根长出较多，而紫光较少。

表2 不同光照条件对水生植物生长的影响

一般来说，叶片是植物进行光合作用最主要的器官，叶面积的大小决定了植物光合作用速率的大小。红光可加速光合作用的速率，并增强叶绿素等细胞内含物合成代谢，加快细胞分裂，这一光合作用调节机制与红光作用下水草的生长速度有一定关系。另外，叶绿素对蓝光和红光的吸收作用比其他光波强，叶绿素a对640～660nm波长的红光的吸收是430～450nm蓝光的1.5倍，叶绿素b对蓝光的吸收为红光的3倍，两种叶绿素的比值构成了对光能的不同利用，两种叶绿素对红光和蓝光的吸收起着互补的作用。绿色系水草以红、蓝光为宜，而红色系水草以“近紫外线”的蓝、绿光谱为主。

2.2 LED组合光源与荧光灯下水生植物生长的比较

实验结果显示，在株高、叶片数方面，两种光源都有助于两种水草的生长，但效果没有显着差异。然而在侧芽数(图1(1)，图2(1))和发根数(图1(2)，图2(2))上，LED比萤光灯效果显着，尤其在红色的红蝴蝶上特别明显(图2)，推测应是目前使用的波长组合对于分生组织的刺激有较显着的效果，值得后续进一步探讨。

图1 使用不同光源栽培红蝴蝶((1)侧芽数(2)发根数)

图2 使用不同光源栽培虎耳草((1)侧芽数(2)发根数)

2.3 单色LED光照对鱼生长的影响

1) 鱼对光的适应性

实验中发现，鱼的趋光行为在初次受光时最为明显，然后逐渐减弱。首次照射时，鱼在缸中的分布发生了明显的变化，紫光和蓝光下鱼都集中在靠近光源的水域，红光和黄光下，鱼都远离光源的水域。绿光和白光下分布状态没有发生明显的变化，仍分布得比较均匀。4h后再次进行观察发现，各种光下鱼的趋光性不十分明显，分布接近自然光下形成的均匀分布的状态。

实验中还发现，黄光下鱼很不活跃，经常贴壁或水草边上不动，红光下鱼格外活跃，游来游去，相互追逐。蓝、紫光下鱼不是很活跃。绿光和白光下鱼的动态基本没有发生什么变化。

2) 对鱼生长的影响

不同光下，鱼的生长速度不同，见表3。

表3 不同光照下鱼体重、体长测量数据

根据实验测得的结果，按不同光照下鱼的体重、体长生长速率的快慢排列，体重依次为红光、白光、蓝光、绿光、黄光和紫光。体长依次为红光、蓝光、白光、绿光、黄光和紫光。

不同光下，鱼的死亡结果见图3。

图3 单色LED处理下鱼的死亡数

实验可知:在紫光下鱼的死亡率最高，黄绿光其次，而红光、蓝光和白光稍低。实验还发现，死鱼多发生在实验的初期和每次换水后。红箭鱼共死亡16条，虎皮鱼死9条，黒玛利死11条，这与不同鱼种对生长环境的适应能力和其本身的生命力有关。

从总体看，对于光谱波长较短的光照环境，观赏鱼不是很适应，随着光谱波长的增加，鱼的生长速度也逐渐提高。白光接近自然光，红光在自然光的成分中占的比重较大，而生物体是长期在自然环境下生活、进化，使生物体最适合在全光谱的条件下生活。

2.4 单色LED光照对绿色杜氏藻生长速率的影响

R、B、Y、G、W光源下绿藻生长速率结果见图4。

图4 单色LED处理下绿藻的生长速率

实验可知:白光和红光下绿藻的生长速率较大，在黄光、绿光和蓝光下的生长速率较缓慢，有的出现负生长。这与不同种类的藻对光的吸收不同有关。

2.5 紫外线对藻类栖息的影响

目视，开始前藻类均匀的分布在溶液中;20min后，外观上细胞沉底，结块，颜色由墨绿色变成灰绿色。显微镜下观察，在0～13min，细胞蠕动较快，15～20min细胞蠕动变慢，乃至死亡。

3 结束语

通过实验所得结论为水族照明灯具的设计提供了强有力的依据，可根据所得数据确定LED水族照明灯具的主光谱区，使其发射光谱与水生动植物的选择性吸收相匹配，针对性强、光效高、显色性好，能模拟自然光照条件，从而优化照明系统，使得视觉效果更佳，水生物的生长加速，弥补目前水族箱的不足［7，8］。可以相信，通过深层次地不同光谱组合、不同光量子密度水平、不同频率对观赏鱼和观赏性水草生长的影响的实验研究，将为今后水生动植物补光灯的研制提供参考数据和技术支持。

［1］张饮江，谢文博等．上海观赏水族市场的现状与展望［N］．水产科技情报，2008年35期:209～216．

［2］张金锋．世界观赏水草产业现状与展望［J］．世界农业，2008(12):43～45．

［3］曾爱平，刘洪见，等．不同光照条件对水生植物生长的影响［J］．浙江农业科学，2009．

［4］周显青，牛翠娟，李庆芬．光照对水生动物摄食、生长和存活的影响［N］．水生生物学报，2000，24．

［5］严美姣，银东，胡贤江．光照对小球藻、斜生栅藻生长速率及叶绿素含量的影响［N］．安徽农学通报，2007，13(23)．

［6］杨世光，李学勇．LED有色光源在水生物生长中的作用和影响［N］．照明工程学报，2003，14(3)．

［7］韩淑清．观赏水草的种类调查及栽培技术的研究［O］．浙江大学硕士学位论文．

［8］廖祥儒，张蕾，徐景智等．光在植物生长发育中的作用［J］．河北大学学报(自然科学版)，2001，21(3):341～345．