基于LED光源進行育苗的光質(zhì)研究

齊健　善新民

【摘 要】結(jié)合當前國際國內(nèi)人工光源育苗的研究形勢，以衢州當?shù)鼗贚ED光源建立的育苗綠色工廠為例，研究基于LED光源進行育苗的光質(zhì)特性。主要表現(xiàn)在：1）光源單一可調(diào)，不受外界自然條件限制；2）紅藍光質(zhì)合理配比，大大提高光利用率，滿足育苗的光質(zhì)理論要求。這對當?shù)毓S化設(shè)施育苗有借鑒價值。

【關(guān)鍵詞】LED光源；育苗；光質(zhì)

光合作用是通過植物葉綠素等光合器官將CO2和水合成碳水化合物并釋放氧氣的過程。是植物生長發(fā)育的主要生理活動，光照為植物光合作用等生理活動提供能量，是植物形態(tài)建成的動力，光質(zhì)對植物的生長發(fā)育、物質(zhì)代謝及基因表達等均有調(diào)控作用[1]。光照條件的好壞直接影響植物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

衢州當?shù)厮募径嚓幱隁夂?，陰雨季?jié)光照不足影響大田育苗的自然光補給，從而影響種苗數(shù)量和質(zhì)量。種苗質(zhì)量的優(yōu)劣是決定作物產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵，育苗工廠化已成為高品質(zhì)種苗生產(chǎn)的重要手段。育苗工廠化設(shè)施以人工光源的配比和光質(zhì)要求為主導因素。作者聯(lián)合衢州市中恒農(nóng)業(yè)科技有限公司開展基于LED燈照育苗試驗，對比分析LED燈光譜和自然光光譜，結(jié)合植物生長需要的光質(zhì)理論要求，從光強和光譜分布角度說明LED燈光質(zhì)對育苗的影響，以期相關(guān)結(jié)果對當?shù)卦O(shè)施育苗推廣有借鑒價值。

1 LED光源的特性

植物對人工光源的要求主要體現(xiàn)在三個方面，即光譜性能、發(fā)光效率以及使用壽命等。LED光源是屬于半導體發(fā)光物質(zhì)。由Ⅲ一Ⅳ族化合物，如砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷砷化鎵（GaAsP）等半導體材料制成，其核心是PN結(jié)[2]。它是用環(huán)氧樹脂封裝的固態(tài)光源，其結(jié)構(gòu)中沒有玻璃泡、燈絲等易碎部件。發(fā)出單色光，可以自由搭配各種顏色的發(fā)光光譜，按照植物生長需要組合利用，提高光的利用率。LED光源屬于冷光源，沒有紅外和遠紅外光譜成分，接近植物表面照射不會出現(xiàn)葉面灼燒等問題。

與普通熒光燈等其他人工光源相比，LED主要具有以下顯著的優(yōu)勢：1）節(jié)能，LED不依靠燈絲發(fā)熱來發(fā)光，能量轉(zhuǎn)化率達到80%，節(jié)能效果達到熒光燈的4倍，是節(jié)能光源的代表。2）環(huán)保，普通熒光燈等人工光源含汞，易對環(huán)境造成污染，而LED光源沒有任何污染，是一種“清潔”能源。3）壽命長，達5萬小時以上，是熒光燈的5倍以上。4）體積小，可以自由設(shè)計成光源板形狀，提高空間利用率。

2 LED光源與自然光的光譜對比

地球上的植物是經(jīng)過億萬年的自然選擇來不斷適應太陽輻射的。太陽輻射的波長范圍大致為300-2000nm。太陽輻射光譜是連續(xù)光譜。主要由無線電波，遠、中、近紅外線，可見光，紫外線（A、B、C），X射線以及極短的宇宙射線等組成，是地球上植物光合作用和生長發(fā)育的重要能量源。但是，由于植物對光具有選擇吸收的特征，導致不同光譜成分對植物的影響效果不盡相同。而光合作用和能量轉(zhuǎn)化僅僅可以利用自然光中很少部分的有效光。波長400-700nm的光質(zhì)和光譜分布是植物光合作用主要的能量吸收波段，稱為光合作用有效輻射[3]。

衢州低溫寡照季節(jié)自然光的光譜如圖1所示，由圖可知，綠光波長處存在強峰，藍紫光和紅橙光峰值不強。而且，藍紫光和紅橙光較綠光波段的強度小，這與植物光合過程中，吸收最多的是紅橙光，其次是藍紫光和紫外線，綠光最少的理論不一致。因此，植物在自然光的條件下補照紅藍光或者單純進行紅藍光質(zhì)育苗增產(chǎn)在理論上具有可行性。

實驗所用LED燈為合理配比紅光和藍光以后的圓形頂置燈，圖2為實驗所用的紅藍光質(zhì)組合LED燈光譜圖。由圖可以看出，與自然光雜亂光譜相比，光譜特性明顯，主要表現(xiàn)在：光譜具有兩個主要光強，主要分布在紅藍光波段。其中波長為442nm的是藍光，波長652nm的是紅光，其相對光譜功率分布位于（800-900）μmol·m2·s-1之間，該LED燈主要輻照紅藍光。這與在植物光合過程中，植物吸收最多的是紅、橙光，其次是藍紫光和紫外線，綠光吸收的很少的理論相一致，說明該設(shè)計下的LED燈滿足相關(guān)育苗光質(zhì)理論的要求。另外，LED燈光源單一性好，雜光少，可自由配比組合，利用率高。

3 小結(jié)

不同的光譜成分對植物的影響效果也不盡相同，強光條件下，藍色光可促進葉綠素的合成，而紅色光則阻礙其合成。雖然紅色光是植物光合作用的主要能量源，但如果沒有藍色光配合則會造成植物形態(tài)的異常，大量光譜實驗證明，適當?shù)募t色光與藍色光比才能保證培育出形態(tài)合理的植物。

利用LED光源進行育苗的光譜特征結(jié)果分析顯示，自然光光譜與植物光合過程中，吸收最多的是紅橙光，其次是藍紫光和紫外線，綠光最少的理論不一致，這為植物在自然光的條件下補照紅藍光或者單純進行紅藍光質(zhì)育苗增產(chǎn)在理論提供依據(jù)。紅藍組合LED燈光譜特性最明顯，波長覆蓋帶寬顯示，光譜呈現(xiàn)兩個主要光強，主要分布在紅藍光波段。滿足育苗光質(zhì)理論的要求。另外，LED燈光源發(fā)光單LED燈光源單一性好，雜光少，可自由配比組合，利用率高。

LED光源是密閉式育苗工廠的理想光源，它的應用可以降低能源消耗和運行成本，提高光源利用率和光環(huán)境控制精度，同時對解決環(huán)境污染、減少溫室效應有重要意義。

【參考文獻】

[1]Fukuda N，Kobayashi M，Ubukawa M，et al.Effects of Light Quality， Intensity and Duration from Different Artificial Light Sources on the Growth of Petunia（Petunia×hybrida Vilm.）[J].Journal of the Japanese Society for Horticultural Science，2008，71（4）：509-516.

[2]劉江，范廣涵，劉承宣.改進實用型LED生物光源系列[J].應用激光，2003，6（3）：147-151.

[3]周晚來， 劉文科， 聞婧，等.短期連續(xù)光照下水培生菜品質(zhì)指標變化及其關(guān)聯(lián)性分析[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2011，19（6）：1319-1323.

[責任編輯：田吉捷]