LED补充照明系统用于促进铁皮石斛生长的初步研究

朱雪菘，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)



LED补充照明系统用于促进铁皮石斛生长的初步研究

朱雪菘，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)

近年来，随着红光、蓝光以及远红外大功率单色LED技术的快速发展，LED在农业照明领域的应用引起了广泛的关注。本文结合LED的特性及铁皮石斛的生长特点对LED补充照明系统用于促进铁皮石斛生长进行了理论分析和初步实验探索，提出了LED可主要作用于铁皮石斛的生长前期来显著缩短生长周期的建议，总结了筛选LED的三大要素即合适的光谱、红蓝比和光照强度，并总结了衡量铁皮石斛生长情况的测试指标，同时本文的初步实验证明了LED植物补光照明系统确实明显优于无补光及荧光灯补光的效果，为未来铁皮石斛农业照明的应用提供了一定的参考和科学依据。

LED；补充照明系统；铁皮石斛

引言

铁皮石斛是一种名贵的中草药，具有很高的药用价值和经济价值。其生长环境特殊，在自然环境下生长缓慢。近年来，野生资源濒临灭绝且需求量逐年增加，现有人工栽培产量和质量远远无法满足市场需求。因此，改进现有人工栽培模式，促进铁皮石斛的规模化、产业化发展，迅速提高其栽培产量和质量，将有助于实现经济效益和社会效益的统一。

长期以来，在农业照明领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等，这些光源的突出缺点是无法合适地匹配植物需要的光谱范围，并且能耗大、运行成本较高。LED作为新型的半导体光源，其绿色环保、节能高效、窄光谱、体积小、响应速度快等特点使其在植物补光照明领域有着显著的优势。随着LED技术的迅速发展，LED的光效不断提高，成本不断降低，并且其在智能控制方面相对于传统光源具有明显的优势，这使得其在植物补光照明领域中的应用具有光明的前景。

近年来，虽然学术界关于LED用于促进药用植物铁皮石斛生长的研究刚刚起步，尚不充分，但是LED用于其他植物生长的研究已经有了一定的基础和积累。

2003年，Duong Tan Nhut, T. Takamura等人将LED补光系统用于草莓的无土栽培，比较了红光LED、蓝光LED和不同强度配比的红蓝光LED对草莓生长的影响，测量了株高、根长、鲜重及叶绿素等指标。实验结果表明，红蓝光搭配的LED最有利于草莓的生长，并且，红蓝配比为7∶3时草莓的生长状况最好[1]。

2009年，闻婧，鲍顺淑等人探究了LED光源R/B对叶用莴苣生理性状及品质的影响，实验结果表明适宜的红蓝光比例能有效增加植物VC含量，并降低硝酸盐含量，同时，R/B为8时相对更适宜莴苣的生长发育[2]。

2012年，赵启蒙，周小丽等人利用LED植物补光照明系统对拟南芥萌发率的效用进行了探究，实验结果表明，虽然LED组和荧光灯组在最终萌发率上几乎无差异，但LED组消耗的功率仅为荧光灯组的一半，并提出有可能是LED组中的红外模块延缓了萌发时间[3]。

2006年，鲍顺淑，贺冬仙研究了铁皮石斛组培苗在人工光型密闭式植物工厂的适宜光照强度，提出铁皮石斛组培苗在该人工光型密闭式植物工厂的可控环境下的适宜的光照强度在60～70μmol/m2·s[4]。

2013年，尚文倩，王政等人研究了不同红蓝质比LED光源对铁皮石斛试管苗生长的影响。实验结果显示，红蓝光比例为1∶1时有利于铁皮石斛试管苗的生长、叶绿素合成及干物质和糖的积累[5]。

2015年，杨维杰等人研究发现在红蓝比为1∶1时可有效缩短铁皮石斛播种阶段的生长时间，降低产业化生产成本，而在红蓝比为4∶1时铁皮石斛组培苗、移栽苗多糖含量最高，可有效提高铁皮石斛品质[6]。

LED作为新一代的光源，其在植物照明上的应用已经显现出诸多优势和广阔前景，而有关LED应用于高附加值药用植物上的研究仍较少，虽然已经有学者进行了红蓝质比或光照强度对铁皮石斛生长影响的研究，但是没有涉及到不同的光谱组合对其的影响。本文结合LED的特性及铁皮石斛的生长特点对LED补充照明系统用于促进铁皮石斛生长进行了理论分析，并针对如何开展相关的实验研究提出了建议，为未来铁皮石斛农业照明的应用提供了一定的参考和科学依据。

1　铁皮石斛的生长特点决定了适合LED补光照明的生长阶段

2013年，曾淑华等人进行了铁皮石斛生长进程及多糖积累的研究。研究发现，从整体上看铁皮石斛的生长进程呈现S形曲线变化。图1至图4为曾淑华等人做出的铁皮石斛生长进程的相关曲线[7]。

图1　铁皮石斛株高的生长进程Fig.1　Height growth process of Dendrobium officinale Kimura et Migo

图2　铁皮石斛茎围的生长进程Fig.2　Stem growth process of Dendrobium officinale Kimura et Migo

图3　铁皮石斛单枝叶片数的生长进程Fig.3　Leaf number growth process of Dendrobium officinale Kimura et Migo

图4　铁皮石斛生长期多糖积累进程Fig.4　Polysaccharide’s accumulation process of Dendrobium officinale kimura et Migo

由图1至图4可知，在2008年10月至2009年3月底，各铁皮石斛材料的各项生长指标变化很小，基本处于停滞状态；在2009年4月至9月底，生长较快，有的呈直线上升；而在2009年10月至12月，各项生长指标趋于平缓。从铁皮石斛株高的动态变化可以看出，在一个生育期内，铁皮石斛的生长进程呈现S形曲线变化。

铁皮石斛是一种生长周期较长的药用植物，一般为1.5～2年左右。由以上研究可知，其在生长周期的前6个月的时间里生长非常缓慢，如果能够加快这一阶段的生长速度，将意味着可以大大缩短生长周期，显著提升经济效益。在这段几乎“停滞”的生长前期，LED补光照明系统就可以发挥其显著的优势，利用LED的光谱窄、红蓝比及光强可调的特点可以筛选出最优的光照条件来促进铁皮石斛的前期生长，达到大大缩短生长周期，提升有效生物指标积累的目标，以实现经济效益的显著增长。

因此，对于研究LED对铁皮石斛生长影响的相关实验，由于铁皮石斛完整的生长周期很长，建议选取生长前期这一阶段进行实验，可以利用LED补光照明系统的优势，有望显著缩短生长周期。

2　LED三大要素对铁皮石斛生长的影响

在农业领域，人工补光的三大要素为光质、光强和光周期。对应地，在照明领域，光质对应着LED光源的光谱组合和红蓝比，光强对应着光照强度，光周期即补光照明的周期。因此，针对LED的特性，区别于传统光源，对于不同的植物应筛选的LED三大要素应为适当的红蓝光谱组合、红蓝比和光照强度。

光质对植物的生长发育至关重要，它除了作为一种能源控制光合作用，还作为一种触发信号影响植物的生长。许多研究表明，光合器官的发育长期受光调控，红光对光合器官的正常发育至关重要，它可通过抑制光合产物从叶中输出来增加叶片的淀粉积累[8]；蓝光则调控着叶绿素形成、气孔开启和光合节律等生理过程。光质能够调节光合作用不同类型叶绿素蛋白质的形成及光系统之间的电子传递[9]。

叶绿素是表征植物光合作用的重要指标。由图5的叶绿素吸收光谱特性可知植物的叶绿素a、b在红光和蓝光波段有两个吸收峰。在溶液中测量叶绿素的吸收谱时，叶绿素吸收峰值的位置和吸收系数会因为溶液的不同而有所变化，一般吸收峰值的位置会有10 nm的差异，而吸收系数会有1～2的差异。图5中的叶绿素吸收谱是在极性有机溶液中测得的叶绿素吸收系数归一化后的曲线，叶绿素a的两个吸收峰在430 nm～662 nm左右。叶绿素b的两个吸收峰为453 nm～642 nm左右。

图5　叶绿素a、b的吸收光谱特性Fig.5　Absorption spectrum of Chlorophyll a and b

可以根据叶绿素a、b的吸收谱来设计LED光源的波长，图6显示了红光LED、蓝光LED及色温为6212K的荧光灯的光谱对照情况。

图6　蓝光和红光LED灯与荧光灯光谱功率分布对照Fig.6　Spectrum of LED and fluorescent used in this research

对比图5和图6，可以发现荧光灯的光谱有很大部分处于叶绿素a、b的低吸收区域，而红蓝光LED可以选择性地匹配叶绿素的吸收峰。因此，从促进光合作用的角度上来说，选择匹配铁皮石斛生长的红光和蓝光LED的光谱非常重要，即合适的红蓝波长及红蓝比，这就构成了LED补充照明系统应用于促进铁皮石斛生长最为重要的光质因素。

目前，虽然已经有学者进行了红蓝质比或光照强度对铁皮石斛生长影响的研究，但是没有涉及到不同的光谱组合对其的影响，因此未来探究不同的光谱组合对铁皮石斛生长影响的研究将是一个非常重要的课题。

在LED光强对铁皮石斛生长的影响方面，由于铁皮石斛为半阴生植物，因此需要LED的光强较弱。而与LED应用于以人眼为对象的普通照明不同，在植物照明领域，我们更关心光源有多少光子产生出来，即光量子辐射通量。在植物照明中，并不是所有波段的光都参与到植物的光合作用中去，一般会将光谱限制在 400 nm～700nm之间。因此，我们将400 nm～700nm之间单位时间内落到单位面积上的光子数称为光量子通量密度，即PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density)，单位为μmol·m-2·s-1。在早期的光照研究中，也用光合有效辐射(PAR: Photosynthetically Active Radiation)表示，其单位为W·m-2。但PPFD更具能够体现光合作用的本质特性。

根据前文提到的2006年鲍顺淑等人对铁皮石斛组培苗在人工光型密闭式植物工厂的适宜光照强度的研究[4]，对于LED应用于铁皮石斛生长的研究可以考虑分别试验较低的适宜光照强度，范围可在60～100μmol/m2·s内进行分组对照试验。

综上所述，LED对铁皮石斛生长的三大可控因素为适当的红蓝光谱组合、红蓝比及光照强度。研究不同光谱组合、红蓝比例以及光量子通量密度对铁皮石斛生长的影响并提出最佳参数组合将是LED补充照明系统用于促进铁皮石斛生长的重要研究方向。

3　铁皮石斛的测试指标

衡量铁皮石斛生长情况的测量指标应至少包括5个物理指标和4个生物指标，物理指标为株高、茎节数、茎粗、节间长度和株数，生物指标为多糖含量、蛋白质含量、总生物碱含量和叶绿素含量。

其中，多糖是铁皮石斛的主要成分之一，与药理作用有着密切的联系，多糖质量分数的高低是目前判断铁皮石斛质量的主要依据[10]。尚喜雨发现铁皮石斛的多糖含量很高，尤以茎段为最；不同部位的含量存在一定差异，茎部的差异要大于根、叶的；人工栽培的两年生植株的多糖含量要比一年生的多，野生型的比栽培型的多。杀青后烘干处理可以有效地减少多糖在处理过程中的损失[11]。

生物碱是石斛药材中主要活性成分之一，具有抗肿瘤、抑制心血管、胃肠道疾病及止痛退热等作用。不同种质、年龄的铁皮石斛总生物碱含量差异很大，并且总生物碱含量随着生长年限的增加而增加。[12]

而蛋白质含量及叶绿素含量等也是衡量植物生长情况的重要指标。

因此，相关的实验研究应采取上述的物理指标和生物指标作为衡量铁皮石斛生长情况的检测指标，来研究LED对铁皮石斛生长的影响。

4　LED补光照明系统用于促进铁皮石斛生长的初步实验结果

本文的初步实验选取了红光和蓝光LED组合作为实验组，将色温为6212K的荧光灯和无灯区作为实验的对照组。其中LED组的蓝光峰值波长为450～465nm，红光峰值波长为610～620nm。红蓝比为1∶1，光强分布为70～80μmol/m2·s。

红蓝比和光量子通量密度的调节是通过ZigBee智能照明控制系统进行控制实现的。光量子通量密度的测量是通过KIPP&ZONEN PAR光量子密度探头和METEON记录仪实现的。

本实验在云南省普洱市的铁皮石斛种植基地进行，补光周期为每天18点至23点，实验现场光环境如图7所示。

图7　实验光环境图Fig.7　Lighting environment in this research

测量指标包括5个物理指标和4个生物学指标，物理指标为株高、茎节数、茎粗、节间长度和株数，生物指标为多糖含量、蛋白质含量、总生物碱含量和叶绿素含量。

本实验仍在进行中，以下是目前实验的初步物理指标结果。

表1和表2分别为LED组、荧光灯组和无光组的株高和茎节数的增长情况。

表1　LED组、荧光灯组和无光组的四个样本的株高增长情况

表2　LED组、荧光灯组和无光组的四个样本的茎节数增长情况

由以上可知，无灯组的平均株高增长率为3.55%，平均茎节数增长率为7.74%，荧光灯组的平均株高增长率为4.33%，平均茎节数增长率为8.57%。而LED组合下的铁皮石斛样本的平均株高增长率为19.17%，平均茎节数增长率为30.48%。

因此，经过t检验，实验初步结果表明，与无灯组和荧光灯组相比，LED补光照明系统对铁皮石斛的株高和茎节数的增长有较为明显的优势。

5　结论

本文结合LED的特性及铁皮石斛的生长特点对LED补充照明系统用于促进铁皮石斛生长进行了理论分析和初步实验探索，提出了LED可主要作用于铁皮石斛的生长前期来显著缩短生长周期的建议，总结了LED的三大要素即光谱、红蓝比和光照强度作为LED促进铁皮石斛生长的重要可控因素，并总结建议了铁皮石斛的主要测试指标，为未来铁皮石斛农业照明的应用提供了一定的参考和科学建议，对于整体促进铁皮石斛种植产业的发展具有重要的意义。

同时，本文的初步实验采用了可连续调光的LED植物补光照明系统，研究了LED相比于荧光灯和无补光对铁皮石斛生长的影响。初步实验结果表明，LED植物补光照明系统明显优于无补光及荧光灯补光的情况。因此，LED植物补光照明系统对于促进铁皮石斛的生长具有明显的优势和光明的前景，未来实验将继续探索LED植物补光照明系统对铁皮石斛物理和生物指标的影响，细分筛选出最适合铁皮石斛生长的光谱、红蓝比和光照强度组合参数。本文的初步实验选取的是峰值波长为450～465nm和610～620nm的红蓝光LED，其他不同的光谱波长组合的红蓝LED正在试验中，未来将进一步汇报本项目的后续研究进展。

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A Preliminary Research of LED Supplemental Lighting System for the Growth of Dendrobium officinale Kimura et Migo

ZHU Xuesong, LIU Muqing

(InstituteforElectricLightSources,EngineeringResearchCenterofAdvancedLightingTechnology,MinistryofEducation,FudanUniversity,Shanghai200433，China)

These years, with the rapid development of the red light, the blue light and the far infrared high-power monochromatic LED technology, the application of LED in agriculture is causing extensive concern of the various research institutions and enterprises.This paperpreliminarily explores scientific basis for the LED supplementary lighting applications for Dendrobium officinale Kimura et Migo by giving supplementary lighting period suggestions and 3 key factors of LED supplementary lighting system. What’s more, preliminary experiments in this paperdemonstrates that the performance of LED lighting system is much better than fluorescent group and non-lighting group for the growth of Dendrobium officinale Kimura et Migo.

LED； supplementary lighting system； Dendrobium officinale Kimura et Migo

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.025