LED植物补光照明系统对拟南芥萌发率的效用探究

赵启蒙 周小丽 周明琦 刘木清

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海200433)

1 引言

我国作为世界上的农业大国，以仅有世界7%的耕地养活了占世界22%的人口，农业在我国国民经济中有着重要的地位。但是目前我国大部分农业仍然使用着传统的粗放式种植方式，高成本，低效率，存在污染。高效节能无污染的新型农业种植技术成为了当前国民经济中亟待发展的一环［1］。近些年来，随着大功率LED技术的不断发展，使得红光、蓝光和远红外光等大功率单色光LED的技术越来越成熟。由于大功率单色光LED具有光源体积小、光效高、寿命长、波长范围窄与冷光源等特点，而且可以实现与光合作用吸收峰值波长完全吻合，较传统光源有着明显的优势。因此LED光源在农业领域的应用具有良好的发展前景［2］。本文利用模块化设计理念，配合带调光功能的驱动器，自行设计用于植物生长补光的LED模块，多个LED模块组成LED照明系统。并采用拟南芥作为生长植物，使用自行设计的LED植物生长补光照明系统和传统荧光灯照明系统进行对比补光，初步分析了LED植物生长补光照明系统对于植物的效用。

2 LED植物生长补光照明系统的模块化设计

自行设计的LED植物生长补光照明系统主要是由多个LED植物生长补光灯模块组成。为了方便使用者组装、更换和维护，在该灯具的设计中采用模块化设计，每一个模块都可实现独立照明以及独立调光，单独模块主要包括1W单色LED器件、PCB板、散热器、光学透镜、驱动电源、调光控制器以及定时器等几个部分，具体实样见图1。

图1 LED植物生长补光照明系统

根据植物对光的吸收特性(即植物在660nm的红光与450nm的蓝光两个波段存在两个光能吸收高峰)以及LED的光源的特点，我们选取了峰值波长在660nm和450nm两种单色LED器件，并在一组照明系统中加入了735nm的红外LED器件，通过对比试验探求红外光在植物生长中所起的作用(目前紫外LED是有的，但是由于价格过高，光效比较低，因此没有选择加入紫外进行实验)。根据所购的LED器件绘制了PCB电路板，长条状，焊接14颗LED器件。选取两个660nm模块、一个450nm模块以及一个735nm模块点亮如图2所示。

图2 2个红光模块、1个蓝光模块和1个红外光模块点亮图

调光控制器主要由带调光功能(0～10VDC)的驱动电源、12VDC稳压信号源以及自行焊接的阻值为1K欧姆旋钮变阻器和阻值为1K欧姆的电阻搭建。因为所购的驱动电源输出电流为600mA，而单色LED的工作电流为350mA，所以利用1K欧姆的电阻来进行分压，从而实现1K欧姆旋钮变阻器两端电压从0V～6V连续可调，接入驱动电源的调光电路，由此可算出驱动电源输出电流实现0mA～360mA的连续可调。利用调光控制器可以实现红蓝光质比(R/B)的连续可调，设置不同的光质比，以探求特定植物生长所需的最佳红蓝光质比，同时可以探求特定植物生长的最佳光照强度。定时器将实现光照周期的控制，在每天的特定时间段对植物进行照射。为了保证照射的均匀性，在模块中加入了光学透镜，根据植物排布情况进行光斑设计。光学透镜的光斑图如图3所示。

图3 光学透镜的光斑图，实现对照射面积的均匀照射，提高植物的吸收效率

3 LED植物生长补光照明系统的测试

3.1 光源的辐射光谱能量分布

使用远方PMS80紫外—可见—近红外光谱分析系统对实验所使用的荧光灯和LED模块进行辐射光谱能量分布测试。LED模块主要测试了660nm红光和450nm蓝光两个模块，荧光灯为30W的T8植物补光专用荧光灯。660nm红光峰值波长在655nm，平均波长为653nm;450nm蓝光峰值波长在450nm，平均波长为451nm，与厂家提供参数吻合。T8荧光灯光谱在436nm、491nm、546nm、561nm以及627nm存在数个峰值。测试结果如图4、图5和图6所示。

图4 660nm红光光谱分析图

图5 450nm蓝光光谱分析图

图6 荧光灯光谱分析图

根据植物学上的光合作用理论，植物并非利用太阳光的全部成分来进行光合作用。在波长640～660nm的红光区域部分，叶绿素a(chlorophyII a)有一个较强的吸收峰;叶绿素b(chlorophyII b)在430～450nm的蓝光部分有一个强吸收峰。红色光谱是光合作用的能量源，红光促进植物茎的生长。蓝光可以促进气孔开放，有助于外界的二氧化碳进入细胞内，促进叶的生长［3］。光谱范围对植物生长的影响见表1。叶绿素吸收光谱见图7［4］。

结合叶绿素a、b吸收光谱以及光谱范围对植物生长的影响来对比LED和荧光灯光谱，不难发现，相比于生长箱自带的荧光灯，我们所采用的LED0植物生长补光照明系统采用叶绿素a、b两个吸收光谱峰值660nm和450nm。能够发出植物生长所需的单色光光谱，与叶绿素吸收光谱峰值完全吻合，将实现促进植物高效生长，提高植物对光能的利用效率，降低能耗等多方面效益。

表1 光谱范围对植物生长的影响

图7 叶绿素a、b吸收光谱

3.2 光源照度值测量

用照度计对两个植物生长箱中植物摆放位置进行照度测量。采用LED植物生长补光照明系统的测量位置为LED模块正下方20cm。荧光灯由于是植物生长箱自带，侧立着对植物进行照射的，从靠近荧光灯到远离荧光灯有个很明显的递减梯度，因此我们在距离荧光灯3组不同距离(10cm、20cm、30cm)上面各选取了5个点，测量其照度值。实验现场照度分布如图8、图9所示。

图8 LED照度分布图(单位:lx)

图9 荧光灯照度分布图(单位:lx)

对比荧光灯与LED照度分布图，照度值从靠近荧光灯的那一组向远离荧光灯方向递减，造成受照面的照度均匀性很低，3组植物接受的光照相差很大，对于植物的生长很不利。在进行种子培育或植物生长的时候，需要定期手动调换植物的位置，对于实验的进行造成不便。从LED植物生长补光系统的照度图可以看出，均匀性较荧光灯有了很大的改善，通过在模块中加入的光学透镜，很好的解决了受照面植物接受光照的均匀性问题，而且做成模块后，便于安装和维护，挂在植物正上方，可以实现从每一层对植物进行近距离照射。计算平均照度后发现，两者平均照度接近，然而荧光灯组功率为30W*8=240W，而LED组功率为14W*4=56W，一个生长箱中需要2个LED

植物生长补光照明系统，因此LED组总功率为56W*2=112W，可以看出，在节能方面LED组表现更为优异。

4 植物生长实验的测试

本次实验在植物培养箱中进行，搭建2组对比样本。其中1组利用30W的T8植物补光专用荧光灯进行补光，总功率为240W。另外1组采用1个LED植物生长补光照明系统进行补光。LED植物生长补光照明系统采用两条峰值波长为660nmLED灯条模块、一条峰值波长为450nmLED灯条模块以及一条峰值波长为735nm灯条模块，总功率为56W。LED灯条模块组光强连续可调，实现对红蓝光质比、红红外光质比以及蓝红外光质比的连续可调。使用培养皿进行拟南芥种子萌发率测试实验，实验场景见图10。

实验用的材料:拟南芥:Col 0野生型以及MS培养基:MS粉(Sigma)4．41 g/L，蔗糖(上海强顺)30 g/L，植物凝胶(GeneTech)2.6 g/L，milliQ水(millipore)l L。

图10 LED植物补光照明系统实验场景图

实验方法:取适量新鲜拟南芥种子，依次经75%乙醇处理30 s，无菌水清洗2～3次，18%次氯酸钠处理8 min，无菌水清洗2～3次，无菌吸水纸吸干，置于预先配置好MS培养基的无菌培养皿上，22℃温度条件下培养，光周期为16 h光照，8 h黑暗。实验组光源为LED，对照组为白色荧光灯。实验设三组重复。播种后6天内每24h统计一次种子萌发率。播种后6天统计最终萌发率并进行方差分析。实验结果见表2以及图11。

表2荧光灯组与LED组拟南芥种子萌发率实验结果

从表2和图11中可以得出以下结论:(1)p＞0.05，LED组与荧光灯组最终萌发率无差异;(2)萌发时间上，白光组略快于LED组，可能与LED灯光谱与光质有关;(3)萌发后的幼苗子叶颜色上，相比白光组LED组明显更为暗黄，提示叶绿素合成受到抑制，可能与LED灯光谱与光质有关。由此看出现有的LED光源与白光相比，对种子最终萌发率影响不大。但可能由于远红光的作用影响了种子萌发过程中的光诱导调控，延缓了萌发时间。LED组萌发后幼苗子叶存在变黄的现象，可能由于现有光谱或LED光质影响了叶绿素合成与降解途径导致。需要进一步实验来证明。

5 结论与讨论

根据光谱范围对植物生长的影响以及LED的光源特性，本文设计了一种用于植物生长补光的LED照明系统。采用了模块化设计，便于安装及日常维护。加入了0～100%连续可调光的调光控制器，实现各个模块的单独调光控制，可调节红蓝光质比以及总的光照强度，便于设置不同的光质比及光照强度进行对比实验。通过光谱分析及照度测试的实验，参考光源对于植物补光影响的两个重要参数的对比(光谱的辐射能量分布和光照度)，可以看出LED植物生长补光照明系统在这两项数据上都优于荧光灯。在拟南芥种子萌发率的试验中，采用LED，在功率为荧光灯的一半左右时，就获得了与荧光灯接近的萌发率。足以显示LED在农业领域应用的广阔前景。同时可以看出远红外能够起到对植物生长时间进行调控的作用。该LED照明系统的设计对于植物补光领域来说具有一定积极的意义。为后续用于植物生长补光的LED照明系统的改进以及后续的植物实验提供了可参考的数据［5］。

［1］曲溪，叶方铭，宋洁琼．LED灯在植物补光领域的效用探究．灯与照明，2008．32(2)．

［2］魏灵玲，杨其长，刘水丽．LED在植物工厂中的研究现状与应用前景．农业工程学报，2007．23．

［3］周国泉，徐一清，付顺华．温室植物生长用人工光源研究进展．浙江林学院学报，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，徐志刚，邸秀茹等．LED在植物设施栽培中的应用和前景［J］．农业工程学报，2008，24(8):249～253．