LED光谱与植物工厂生产提升关系的探索

李淋倍，胡振华，王功利，王 忆，2

(1.江门联皓照明科技有限公司，广东 江门 529000； 2.五邑大学应用物理与材料学院，广东 江门 529000)

引言

植物工厂是近年来从提出到迅速推广具有高科技特征的一项新型农业种植技术。植物工厂作为一种资源集约型生产模式，不仅可以大幅提高单位土地的利用率、产出率和经济效益，同时它受自然条件影响比较小、植物生产的计划性很强、生产周期缩短、自动化程度和智慧控制水平高，可以在极端的环境条件下保障某些食物供给和食品的安全，有利于一些特色农业摆脱资源与环境的限制，保障种植作物的无污染和有机种植，实现特色农产品的可持续发展。LED照明由于其光谱可调、体积尺寸可控、光照强度可控、节能环保、使用寿命长等优点，已经成为植物工厂补光或光照的首选[1-3]。

1 植物光合作用与光谱

任何植物的生长都不可能离开太阳光的照射，光照在植物生长的过程中起到了关键的作用。因此称为“光肥”。它是促进植物叶绿素的吸收和胡萝卜素等多种植物生长质素吸收的最好肥料。380～780 nm 是国际上公认的可见光谱范围标准。决定植物生长好坏的因素是一个综合性因素，不仅与光有关，而且与水、土、肥料的配置、生长环境条件(温度、湿度等)和综合技术管控都有着密不可分的关系。没有光，植物的生长是肯定不行的。实验中会发现光对于植物实际生长所起到的促进作用大约可以提升25%[4-6]。

植物生长的几个关键要素有叶绿素a、b，类胡萝卜素，光敏色素，藻红蛋白，藻青蛋白等，其植物对于光的有效吸收和作用光谱图如图1所示，不难看出这些植物生长要素分别都有一些重要的吸收光谱特征。

图1 植物光合作用与对于光的吸收效率光谱图[1-3]Fig.1 Spectrum of photosynthesis and absorption efficiency of light in plants

根据上述植物生长对于光的有效吸收光谱图，我们给出一个各种光生物光质有效光谱范围，如表1所示[4-6]。

表1 几种主要植物生长要素及其吸收光谱波长范围

由表1可知，植物生长光谱的分布和结构要素对于提升植物的产量和产品的质量将会起到非常关键的作用。因此，从植物工厂的人工LED光源的光谱结构的设计出发才能够真正发挥LED照明补光在植物工程生长中的作用。

LED光源的光谱结构设计可以从两个方面来考虑。第一，使用近紫外芯片作为激发光源来激发荧光粉发光可以实现从近紫外到近红外的宽光谱结构，根据实际需要可以再使用一定的芯片来加强部分区域的发光及光照强度，如使用365～395 nm范围内的芯片不仅可以实现365～780 nm范围内的LED全光谱，即所谓的仿太阳光谱，同时可以根据不同植物生长要素的需求来调节光谱的结构，在此基础上还可以根据蓝红光的强度需要来适当补充一定的红蓝光芯片[7,8]。第二，使用蓝光芯片作为荧光粉的激发光源，来激发荧光粉而形成LED照明发光光源。由于一般通用的LED蓝光芯片波长为450 nm左右，因此小于450 nm的蓝光会有一定的不足，通常可以采取更低波长的蓝光芯片，比如430～445 nm波长左右的芯片与452 nm的芯片形成双芯片激发模式。也可以直接采用一定波长的芯片进行补光的形式来实现较好的LED植物补光光源。

单纯的采用某些单色光或一两种单色光组合来实现的光源补光是具有一定缺陷的，这个从图1和表1中不难看出，这种光会造成一定营养成分的缺失或降低，同时会影响到植物生长过程和开花结果的品质。补充一定的绿光是非常有必要的，它可以帮助实现更好的生物光质能量的输运和形成较高品质的光敏素和藻青、藻红蛋白和类胡萝卜素。下面将给出我们在使用自己设计的LED光源光谱结构下进行实际试验的一些结果。

2 几个实例

2.1 稻谷育苗生根补光效果

图2中的稻谷种苗显示的分别是无人工补光的情况下稻谷种子播种10天后的生长状况和稻谷种苗图播种3天后，再进行人工补光7天后的生长状况。人工补光的光量子通量密度为70～80 μmol/m2/s，每天18:30后补光4 h。

图2 稻谷育苗LED补光光谱与效果图Fig.2 Supplementing LED spectrum and effect picture of rice seedling

图2是在某省水稻育苗的LED补光实验所得结果，可以看出，使用LED补光的水稻种子的芽苗长度和粗壮度都好于没有进行LED补光的情况。其次，图2中的光谱图是专门针对育苗设计的一种光谱，蓝光的强度稍大，补充了一定的绿光和黄光。这个实验在广东广州、东莞、江门的观赏植物育苗的实验中获得相同的良好效果。

2.2 全人工光月季种植效果

图3中(a)、(b)、(c)和(d)图中的月季花生长状态皆为在全人工光环境生长3个月后的生长状态。

图3是全人工LED光谱对于植物工厂内培育月季花的几种不同LED光谱结构下的使用效果。除了光照环境的光谱不一样外，其他生长条件都一样。光照环境中的光量子通量密度皆为160～180 μmol/m2/s。可以看出，(a)和(b)图中的月季能正常开花；(c)和(d)图中的月季不能正常开花，尽管(c)图中的月季有花蕾，但均在花蕾期花蕾就枯掉，(d)图中的月季一直没花蕾长出。这进一步证明了，单纯使用红蓝光芯片设计的光源对于培育开花植物是不利的。而(a)、(b)两种光谱的效果就比较好，而且花期会大大延长。

图3 全人工LED光谱与月季种植效果Fig.3 Full artificial LED spectrum and planting effect of Chinese rose

2.3 火龙果补光效果

图4中的(a)图显示的是无人工补光的火龙果生长状况；(b)图显示的是有人工补光的火龙果生长状况，补光条件为每天延长光照6 h，PPFD值为2～5 μmol/m2/s，照度为100～200 lx。

图4是针对某火龙果基地设计的LED补光灯照射的效果对比图，其右下角为所采用的光谱结构图。可以明显看出，在有LED补光的右图中，其花蕾的数量远远大于左图中没有补光的情况。不仅如此，火龙果的品质也大大提升。表2是火龙果经过某农科院测试的营养物质对比情况。

图4 火龙果补光效果对比Fig.4 Contrast of pitaya fill-in effect

由表2可知，经过LED补光的火龙果其可溶性固形物是增加的，总糖量也是增加的，总酸也是增加的，口感度增加，维生素C有少许的降低。这在其他基地的蔬菜和草莓的实验中也得到了验证。

表2 火龙果营养物质检验结果

3 结语

对于植物工厂使用LED照明无论是连续光谱照明或者一段时间的补光对于植物生产的效果，包括产量的提升和品质的改善都是有益的。在LED光源的光谱设计中应充分考虑到光源使用的对象和其植物生长的特性，尤其是对其所吸收光谱的范围的把握是非常重要的。单纯的红蓝光组合和现有的LED照明光源是存在一定缺陷的，应该针对不同的植物种类和生长环境设计不同的LED光照的光谱。