面向无土栽培的LED灯板制作和特性研究

赵瑞婷,吴仕强，赵福利

(1.广州市第一中学，广东 广州　510163；2.中山大学物理学院，广东 广州　510275)



面向无土栽培的LED灯板制作和特性研究

赵瑞婷1,吴仕强2，赵福利2

(1.广州市第一中学，广东 广州510163；2.中山大学物理学院，广东 广州510275)

植物生长灯是目前精准农业和人工光合作用的研究热点问题。研制人工光源、改进植物生长环境是植物工厂发展的一个至关重要的环节。本文从LED光源设计出发，设计了适合绿色叶菜植物生长的LED照明灯板，并结合植物光合作用光谱分析手段，改进了LED灯板配光比，经过两轮实验，获得7∶1的红蓝光强比是适合油麦菜培育的配光方式。

LED；植物生长灯；光合作用

引言

1993年开始的精准农业根据作物生长的环境因素，结合现代信息传感处理技术，降低了资源消耗，提高了作物产量，实现了对农业信息的测量和控制，已经形成为一种高新技术与农业生产结合的高科技产业[1]。植物工厂是现代农业的最高阶段，通过各种技术手段改变诸多不利条件，使农业生产不受或很少受自然条件制约[2]。光源是植物工厂最重要的组成部分，光源的好坏直接关系到植物的生长状况，而且光源的选取也要考虑成本问题和是否符合可持续发展原则。当今发光二极管(LED)技术的发展越来越广泛，在农业上的应用也越来越广泛，逐步成为植物工厂的主流光源。本文就是基于以上原因，设计不同光辐照比例的LED灯板，在温度、湿度相同的情况下进行了油麦菜培育实验，进而研究不同光强比对植物生长的影响。

1　研究方法

本文研究的总体思路如下：

1)选取广泛栽培的绿叶蔬菜——油麦菜为实验样本，分析植物的红蓝吸收的光强比，设计接近其红蓝光强吸收比的灯板，采取一定的光强配比分布，设计不同光强比的灯板；

2)在红蓝LED灯板、红蓝白LED灯板和阳台分别栽种相同的作物，每日登记跟踪记录实验样本生长状况和环境参量；

3)研究LED灯板对作物生长的影响，适当调节LED灯板光源参数，从而使作物生长更好；

4)测试培育植物的吸收光谱，与自然条件下的光谱进行比较，通过统计、归纳、分析，总结LED灯板参数对作物生长的影响；

5)提出结论与建议。

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，叶绿素含量的多少反映出植物将无机物转化为有机物的同化作用的能力，也反映了植物进行光合作用的能力强弱，同时反映了植物是处于生长期还是衰弱期。因此，通过测量植物的叶绿素含量和类胡萝卜素含量就可以分析出植物的生长状况。

1.1叶绿素提取实验所用器材和试剂

实验器材：直尺，50ml烧杯，250ml烧杯，15ml量筒，漏斗，滴管，滤纸，研钵，铁架台，15ml塑料试管，离心机，托盘天平，比色皿。

实验样品：油麦菜。

实验试剂：丙酮，无水乙醇。

1.2叶绿素提取实验步骤

1)将100ml丙酮与50ml无水乙醇进行2∶1混合，装在250ml烧杯里。

2)用15ml量筒量取10ml丙酮-乙醇混合溶液作为萃取溶液，将研钵置于冻水上水冷，用托盘天平称取0.1g的植物叶片放入研钵中，在10ml丙酮-乙醇混合溶液中取4ml以及少量石英砂放入研钵里进行研磨，研磨充分后将剩余丙酮-乙醇溶液倒入研钵中放置几分钟。

3)将研钵里的叶绿素混合溶液放到铁架台上进行过滤，用玻璃棒引流，通过漏斗过滤到50ml烧杯里，最后再把烧杯里的叶绿素提取液倒入15ml塑料试管中。

4)将装有叶绿素提取液的15ml塑料试管放入离心机中以2500r/min转速离心5分钟。

5)将离心后溶液的上清液倒入比色皿中，以丙酮-乙醇混合溶液为基底，用分光光度计测定植物叶片叶绿素的吸收光谱[9]。

光环境是影响植物光合作用最重要的因素[3-5]。专利分析也显示，光环境和蔬菜的研究和开发是目前研发重点[6]。光环境可分为光质、光照度和光周期三部分。光质可看成是光的波长，是光的光谱分布(各种光谱对植物的影响见表1)。光照度对所有光辐照的总能量。光周期是一天中有光(明期)和无光(暗期)交替的周期，一般用明/暗期时间表示。

表1　各种光谱成分对植物的影响

Smith[7]认为，长波长的光如红光有利于茎的伸长，而短波长的光如蓝光则对茎的生长产生抑制作用。

叶片是植物进行光合作用的主要器官，光质能影响植物叶片的生长情况。红光和蓝光对植物的开花都有调节控制作用。江明艳等[8]的结果表明，红光会推迟花期，但提高花头的观赏品质；蓝光会使花期提前，但对花头观赏品质无明显影响蓝光LED是Cree XLamp XP-E系列，蓝光LED的主波长为475nm，而白LED是Cree XLamp XP-E-HEW系列的。红色LED的型号为OSRAM LR CP7P，主波长为632nm。红蓝LED灯板的光谱如图1所示，红蓝白LED灯板的光谱如图2所示。

图1　红蓝LED灯板的光谱Fig.1　Spectroscopy of Red-Blue LED panel

图2　红蓝白LED灯板的光谱Fig.2　Spectroscopy of Red-Blue LED panel

2　实验与结果

实验采用2个LED灯光源板，分别为红蓝LED灯板、红蓝白LED灯板，分别用L1、L2表示。红蓝LED灯板由60个红色LED和24个蓝色LED组成。红蓝白LED灯板由60个红色LED、12个蓝色LED和12个白色LED组成。红色、蓝色和白色LED都是1W大功率LED。

为了明确灯板的光辐照均匀性，在使用照度计进行实际测量的基础上，考虑到灯板面积不是足够大，本文采用了Tracepro软件进行相关的模拟，模拟结果如图3和图4所示。

从数值模拟结果可以看出，从图3和图4可知，L2灯板的照度比L1灯板的照度要均匀一些，不至于两边照度下降过快。我们知道，L1和L2灯板的不同之处为：L2的白光LED替换了L1的部分蓝光LED，而白光LED和蓝光LED由于都是Cree XLamp系列并且空间光强分布相近，唯一区别较大的是白光LED的光亮度比蓝光的大。通过分析可知，白光LED提高了L2灯板的照度均匀性是因为白光LED提高了灯板边上的照度。所以，可以通过提高边上LED的亮度来提高LED灯板的照度均匀性。因此，可以说L2灯板的均匀性优于L1灯板。

营养液栽培部分包括营养液、泡沫板、定植杯。营养液的液面高度要浸到植物的根部，但不能泡到植物的茎部，以防止茎部的腐烂。一个定植杯种植一颗植物。为了监测环境的温度和湿度，在每个灯板下都放了一个数字温度计。每天记录环境温湿度值和植物的生长状态。培养箱的四边还围有银色礼品反光纸，主要是用于反射光源，增加照度，避免其他光的影响。为了更好的接近现实环境，在灯板旁放置了一个风扇，从侧面吹风。LED灯板的电源由定时器开关插座控制，设置好开关时间后，可以实现智能控制LED灯板开关。培养箱一周换一次水，以保证水环境洁净。实验中期在箱前增加常开风扇以保证通风。

图3　L1灯板和照度模拟图Fig.3　Lamp Panel L1 and illumination

图4　L2灯板和照度模拟图Fig.4　Lamp Panel L2 and illumination

2.1第一次油麦菜实验

LED灯板设置选择总照度相等，L1总照度为4869lx，L2总照度为4861lx，分别对应于光照量子数为162.2 mol·m-2·s-1和121.0 mol·m-2·s-1。其中，L1灯板的红光照度与蓝光照度之比为7∶1，L2灯板的红光照度与蓝白光照度之比为3.5∶1。

收获时油麦菜的外观参数如表2所示，不管是株高还是叶面积，L1灯板下的油麦菜生长指标最好；阳台上的油麦菜植株较矮，叶子也较短小；L2灯板下的油麦菜植株高度非常高，叶子长度略短。图5为油麦菜收获时的照片，可知L1灯板下的油麦菜生长比较壮实，阳台上的油麦菜长的比较小，而L2灯板下的油麦菜植株过高，节间过长，茎过细，叶子薄且扁长，这些都是徒长的特征。综合表2和图5可知，L1灯下的油麦菜外观最好，阳台的生长比较缓慢，而L2灯板下的油麦菜徒长情况严重。油麦菜叶子叶绿素和类胡萝卜素含量情况(色素含量计算方法可参考笔者已发表论文[10])如表2所示，叶绿素含量和类胡萝卜素含量最高的是阳台组(CK)，L2次之，L1最低。需要说明的是，虽然L1的叶绿素含量和类胡萝卜素含量在三个光源下最低，但是符合正常水平值，不是L1下的油麦菜生长不好，而是CK和L2下的叶绿素含量和类胡萝卜素含量偏高。结合表2和图5，究其原因，是因为阳台(CK)下的油麦菜生长较缓慢，收获时正处于快速生长期，所以叶绿素含量和类胡萝卜素含量偏高；L2下的油麦菜因为徒长原因也导致叶绿素含量和类胡萝卜素含量偏高。

表2　第一次油麦菜外形指标和第一次油麦菜色素含量计算结果

图5　第一次油麦菜：阳台(左图)，L1(中图)，L2(右图)Fig.5　The first lettuce, Balcony(left), L1(middle), L2(right)

综上所述，L1灯下的油麦菜生长状况最好，即L1灯板光源设置参数适合油麦菜生长，而L2灯板参数需要修改。综合考虑，导致油麦菜徒长的原因可能是红光过多，为了验证这个推测，将在下次实验中增加蓝光比重。

2.2第二次油麦菜实验

在本次实验中，调整L2灯板的红蓝白光的比例，最终确定L1灯板的红光照度与蓝光照度之比为7∶1，L2灯板的红光照度与蓝白光照度之比为2.8∶1。从表3可知，L1、L2灯板和阳台下的油麦菜外观相差不大。对比图5和图6可知，灯板L2不再出现徒长，说明增加蓝光抑制了油麦菜徒长的发生，使油麦菜长得壮实，L2中的蓝白光组分光谱与L1灯板中的蓝光不同，因此需要增大蓝白与红光的对比，这也从一个侧面证实了绿色植物的有效吸收确实在红光和蓝光区域，其他光谱组分对植物吸收的正向贡献有限。从表3可看出，L1和L2的叶绿素含量和类胡萝卜素含量值正常，大小基本一致。因此，L1和L2的灯板设置都能使作物正常生长。从这个结果来看，似乎蓝白光在植物生长过程中显得不是很有效，但是，如果为了抑制徒长，可以采用适当增加蓝光辐照可以达到很好的效果。同时，不同植物生长阶段，植物对光的需求有所变化，我们还尝试了植物反季节花期的光照实验，结果发现，除了不同的红蓝比之外，光照时间和明暗周期也对植物生长有影响，这部分结果正在整理中。

表3　第二次油麦菜外形指标和第二次油麦菜色素含量计算结果

图6　第二次油麦菜：阳台(左图)，L1(中图)，L2(右图) Fig.6　The second lettuce. Balcony(left),L1(middle),L2(right)

3　结论及展望

LED灯板中的红蓝比对植物生长影响较大，红光过多会使作物长的过高、茎细叶尖、易倒伏，出现徒长情况，而蓝光能使作物生长壮实，抑制作物徒长。LED灯板红蓝比为7∶1时，作物生长正常。在红蓝LED上加入白光LED，当合理设置红光和蓝白光照度比时，也能使作物正常生长，这个结果启发我们可以在植物徒长的情况下，适当引入蓝光抑制植物的徒长。同时在植物的不同生长阶段，对光的需求也可能有所不同，这方面的工作有待进一步定量研究。

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Study on LED Lamp Panel and Properties for Non Soil Culture

ZHAO Ruiting1，WU Shiqiang2，ZHAO Fuli2

(1.GuangzhouNo.1HighSchool,Guangzhou510163,China;2.SchoolofPhysic,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China)

Plant growing lamp is a hot point in the field of precise agriculture and artificial photosynthesis. Manufacturing proper artificial light source and improveing the plant growth circumstance become the key parts of plant factory. This article started from the design of LED light source and obtained LED lamp panels matching for the green leaf plant. According with the spectroscopy analysis, the ratio of light quality has been optimized and the result of the best experimental ratio of 7∶1 of red to blue light has been achieved for lettuce.

LED; plant growing lamp; photosynthesis

中国科协的英才计划项目资助

O432.1,O432.2

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.026