LED 植物照明光源的應(yīng)用研究

李玉蔻，高 璇，劉大為，王思云，孫峰強(qiáng)

陜西電子信息集團(tuán)光電科技有限公司，陜西 西安 710000

0 引言

光照在植物生長(zhǎng)過程中起關(guān)鍵作用，光作為環(huán)境信號(hào)和光合作用的能量來源，是植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量、品質(zhì)的必要條件。自然界中生物的生長(zhǎng)與光源光譜的強(qiáng)度息息相關(guān)，但太陽(yáng)的照射強(qiáng)度不是越高越好，對(duì)于動(dòng)植物的生長(zhǎng)具有一定的選擇性[1]。

鑒于此，文章研究開發(fā)LED 植物照明光源，并將其應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)類作物的照明。試驗(yàn)表明，采用LED 植物照明光源，植物的光合速率、生長(zhǎng)速率均提高25%以上。以此類推，將LED 植物照明光源用于植物工廠是有效可行的。

1 LED 植物照明光源的作用

LED 植物照明光源是一種以LED 為發(fā)光體，滿足植物光合作用所需光照條件的人造光源。按類型分，其屬于第三代植物補(bǔ)光光源[2]。原理是通過光質(zhì)調(diào)節(jié)，控制植物光合作用和形態(tài)建成。在缺少日光的環(huán)境下，LED 植物光源可以充當(dāng)日光，使植物正?；蚋旄玫厣L(zhǎng)，具有助長(zhǎng)、壯根、調(diào)節(jié)花色、縮短周期等作用，同時(shí)促進(jìn)果實(shí)上色、成熟，提升品質(zhì)和口感。

2 光譜對(duì)植物光合作用和形態(tài)建成的影響

2.1 光譜對(duì)植物光合作用的影響

光譜對(duì)植物光合作用和形態(tài)建成具有重要影響。光合作用最重要的兩種色素是葉綠素和胡蘿卜素。其中，葉綠素吸收光譜集中在紅藍(lán)波段，紅光區(qū)的波長(zhǎng)為630～680 nm，藍(lán)光區(qū)的波長(zhǎng)為400～500 nm。葉綠素從光中吸收能量，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔铩ｎ惡}卜素吸收光譜范圍在303～505 nm。在植物體細(xì)胞中，產(chǎn)生的類胡蘿卜素除了吸收并轉(zhuǎn)移能量幫助植物光合作用，還具備保護(hù)細(xì)胞的功能，類胡蘿卜素使植物細(xì)胞免于被激態(tài)的單電子鍵氧分子破壞[3]。

2.2 光譜對(duì)植物形態(tài)建成的影響

不同光譜對(duì)植株生長(zhǎng)形態(tài)建成有不同的作用，例如：280～315 nm（UV-B）波段光譜不利于植物生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致植物表型矮小、葉片厚而小，光合速率低；315～400 nm（紫光與紫外光）波段光譜促進(jìn)葉綠體運(yùn)動(dòng)，使植物向光性更敏感；400～500 nm（藍(lán)光）波段光譜促進(jìn)植物向光性，刺激植物氣孔張開，縮短蔬菜的節(jié)間距，促進(jìn)蔬菜的橫向伸展以及葉面積縮?。?00～600 nm（黃綠光）波段光譜色素的吸收率不高，可減少藍(lán)光對(duì)隱花青素合成；600～700 nm（紅光）波段光譜促進(jìn)植物光合作用，使植物橫向分枝和分蘗，延遲花分化，700～780 nm（遠(yuǎn)紅光）波段光譜植物的吸收率低，刺激細(xì)胞延長(zhǎng)，使植株鮮重、干重、莖長(zhǎng)、葉長(zhǎng)和葉寬增加（增加吸光面積）。

3 光照強(qiáng)度對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

植物的光照強(qiáng)度主要指光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)的光強(qiáng)。光照強(qiáng)度影響植物的光合作用速率，進(jìn)而改變植物的生長(zhǎng)形態(tài)。植物對(duì)光強(qiáng)的需求一般采用光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)來表示。當(dāng)光照強(qiáng)度＜光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，植物的呼吸速率大于光合速率；當(dāng)光補(bǔ)償點(diǎn)＜光照強(qiáng)度＜光飽和點(diǎn)時(shí)，植物能夠進(jìn)行正常的光合作用；當(dāng)光照強(qiáng)度＞光飽和點(diǎn)時(shí)，植物體內(nèi)的蒸騰作用加快，植物細(xì)胞為了防止水分流失過多而關(guān)閉氣孔，引發(fā)氧化脅迫，對(duì)光合作用產(chǎn)生較大的危害[4]。

4 LED 植物照明產(chǎn)品開發(fā)方案

4.1 LED 植物照明光源開發(fā)

通過上述光譜對(duì)植物光合作用和形態(tài)建成的影響分析，文章在進(jìn)行植物特征光譜的研究實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)植物體內(nèi)葉綠素a 與葉綠素b 的吸收峰值來確定LED植物光源波長(zhǎng)。

4.1.1 多種單色光組合方案

對(duì)植物光合作用最有效的峰值波長(zhǎng)為450 nm 和660 nm 的光譜，以及誘導(dǎo)植物開花的730 nm 波段。以這三段光譜為主，再配合525 nm 的綠光光譜以及低于380 nm 的紫外波段，依照植物的不同需求組合出最適宜的光譜[5]。

缺點(diǎn)：?jiǎn)紊釲ED 植物生長(zhǎng)燈并非適用于任何植物的生長(zhǎng)，而且單價(jià)高、光效低。

4.1.2 熒光粉轉(zhuǎn)換方案

熒光粉轉(zhuǎn)換方案，可細(xì)分為下述兩種方案。

（1）窄波長(zhǎng)方案：能夠提供365～740 nm 波段的各種波長(zhǎng)產(chǎn)品，有多種光譜供客戶選擇。

（2）全光譜方案：實(shí)現(xiàn)植物需求光譜全覆蓋。全光譜方案適用于所有植物，而且成本較單色光組合方案低很多[6]。市場(chǎng)多以高光效白光為主，加上660 nm的紅色光源進(jìn)行組合，來提高全光譜方案的有效性。

4.1.3 LED 植物照明光源產(chǎn)品參數(shù)

基于上述分析，文章開發(fā)了光效較高、光譜多樣、性價(jià)比高的熒光粉轉(zhuǎn)換型LED 植物照明光源產(chǎn)品，光源參數(shù)如下。

（1）光源1：2835 粉紫光（紅藍(lán)比例6～9 ∶1光譜）。采用GaN 藍(lán)光芯片450～460 nm 激發(fā)波長(zhǎng)為660～670 nm 的氮化物紅粉制作，紅藍(lán)比例為6～9 ∶1 光譜，紅光峰值為（662±5）nm。

（2）光源2：2835 粉紅光（紅綠藍(lán)比例6～9 ∶1.5 ∶1 光譜）。采用GaN 藍(lán)光芯片450～460 nm 激發(fā)波長(zhǎng)為660～670 nm 的氮化物紅粉+波長(zhǎng)為530～540 nm 的鋁酸鹽綠粉制，紅綠藍(lán)比例6～9 ∶1.5 ∶1光譜，紅光峰值為（657±5）nm。

（3）光源：2835 淡粉光（紅綠藍(lán)比例4～7 ∶2.5 ∶1.5 光譜）。采用GaN 藍(lán)光芯片450～460 nm 激發(fā)波長(zhǎng)為650～655 nm 的氮化物紅粉+波長(zhǎng)為527 nm的鋁酸鹽綠粉制，紅綠藍(lán)比例4～7 ∶2.5 ∶1.5 光譜，紅光峰值為（652±5）nm。

（4）光源4：2835 5 000 K 全光譜。①采用藍(lán)光芯片440～460 nm 激發(fā)波長(zhǎng)為650～660 nm 的氮化物紅粉+波長(zhǎng)為510～540 nm 的YAG 鋁酸鹽綠粉/LuAG 鋁酸鹽綠粉+波長(zhǎng)為480～500 nm 的鋁酸鹽綠粉制，紅光峰值為（650±5）nm。②采用紫光芯片380～410 nm激發(fā)波長(zhǎng)為650～660 nm 的氮化物紅粉+波長(zhǎng)為510～540 nm 的YAG 鋁酸鹽綠粉/LuAG 鋁酸鹽綠粉+波長(zhǎng)為480～500 nm 的鋁酸鹽綠粉制作色溫為5 000 K的光源，紅光峰值為（650±5）nm。

（5）3030 5 000 K 高光效。采用藍(lán)光芯片440～460 nm 激發(fā)波長(zhǎng)為630 nm 的氮化物紅粉+波長(zhǎng)為537 nm的YAG 鋁酸鹽綠粉制，光效高，光譜連續(xù)。

4.2 LED 植物照明試驗(yàn)

4.2.1 LED 光源設(shè)置

選用2835 粉紫光LED 光源、粉紅光LED 光源、淡粉光LED 光源、全光譜LED 光源各一組，以粉紫光LED 光源為基礎(chǔ)，分別搭配380 nm、452 nm、730 nm單色光LED 光源形成7 個(gè)試驗(yàn)組。另外選取同行廠商粉紫紅、粉紅光、淡粉光3 組光源進(jìn)行同步對(duì)比。將以上光源分別貼裝于LED 燈管上，燈管采用T8 全塑管+內(nèi)插散熱鋁型材燈具，防護(hù)等級(jí)為IP66，殼體尺寸為Φ20 mm×1 000 mm。每根燈管有72 顆燈珠，采用3 并24 串的排列方式，制作出單根燈管為12 W 的LED 植物照明燈具。

準(zhǔn)備2 個(gè)貨架，貨架規(guī)格為2 m×0.6 m×2 m（長(zhǎng)×寬×高），每個(gè)貨架搭建3 層，左右使用遮光物均勻分隔。每個(gè)貨架可進(jìn)行6 組實(shí)驗(yàn)，合計(jì)12 組。

根據(jù)光源種類，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置10 組不同光源試驗(yàn)組及1 組空白試驗(yàn)作為參考組，總計(jì)11 組。每組試驗(yàn)采用相同參數(shù)燈管2 根，固定于隔板頂部。燈管工作電壓220 V，功率24 W，燈管開啟時(shí)間為每天8：00～19：00，各組光期11 h，各組光照空間分布相同。

4.2.2 植物設(shè)置

等距放置10 個(gè)（5 個(gè)×2 排）花盆，包含生菜6 顆，辣椒2 株，圣女果2 株。每組實(shí)驗(yàn)中不同植物擺放位置相同，燈具與花盆底部距離為45 cm。實(shí)驗(yàn)中用到的生菜、圣女果為同批次、同條件下自育的種苗，挑選相同規(guī)格的生菜、圣女果苗，辣椒苗為市場(chǎng)上統(tǒng)一規(guī)格的健康辣椒苗。

在定植后每7 d 用最小刻度為0.1 cm 的刻度尺測(cè)量生菜、圣女果、辣椒苗的株高和最大葉寬，每次測(cè)量時(shí)間為當(dāng)日10：00。

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：陜西電子信息集團(tuán)光電科技有限公司辦公室一角（溫室，無(wú)太陽(yáng)光照，通風(fēng)條件差）。

4.3 LED 植物照明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 不同光質(zhì)對(duì)生菜形態(tài)建成的影響

每組光質(zhì)下生菜各6 株，2021 年8 月2 日正式接受LED 植物光源光照，9 月14 日采收，生長(zhǎng)期44 d。生菜在淡粉光、粉紫光+395 nm 和全光譜光質(zhì)的照射下，整體長(zhǎng)勢(shì)好，呈現(xiàn)出葉徑相對(duì)矮小、葉面寬、葉片分支多層，形態(tài)飽滿的特點(diǎn)。在粉紫光光質(zhì)環(huán)境下，葉徑橫向伸長(zhǎng)，葉面窄，生長(zhǎng)周期短，形態(tài)異于常規(guī)蔬菜。在粉紅光光質(zhì)環(huán)境下，葉面橫向、縱向生長(zhǎng)均勻，形態(tài)與常規(guī)蔬菜相似，營(yíng)養(yǎng)吸收不完全，口感差。在粉紫光+730 nm 光質(zhì)環(huán)境下，葉徑橫向伸長(zhǎng)最長(zhǎng)，葉面最窄，葉片分支少，遠(yuǎn)紅光照射下的生菜植株葉片數(shù)量較少。在粉紫光+452 nm 光質(zhì)環(huán)境下，葉徑伸長(zhǎng)較短。

由此可見，光質(zhì)配比顯著影響生菜葉片數(shù)量、葉徑、葉寬以及生長(zhǎng)周期。在不同強(qiáng)度光配比LED 光照射下，粉紫光+730 nm 光質(zhì)促進(jìn)植株的徑高，但葉片較窄，植株鮮重低；粉紫光添加少量的395 nm 光譜，生菜形態(tài)飽滿且生長(zhǎng)周期縮短；生菜在光譜連續(xù)且豐富的光質(zhì)環(huán)境下形態(tài)飽滿，如全光譜白光、4 000 K 的淡粉光。

4.3.2 不同光質(zhì)對(duì)圣女果生長(zhǎng)的影響

每組光質(zhì)下圣女果苗2 株，2021 年8 月2 日接受LED 光照。圣女果在粉紫光+730 nm 光質(zhì)環(huán)境下株高最高，尤其在8 月30 至9 月13 日每周增長(zhǎng)20 cm；空白組在40 d 內(nèi)僅長(zhǎng)高2 cm；其他光質(zhì)環(huán)境下長(zhǎng)勢(shì)基本相當(dāng)。

根據(jù)開花情況及掛果現(xiàn)狀，圣女果在淡粉光光質(zhì)下花期最早；在粉紫光+395 nm 光質(zhì)照射下掛果量多，果實(shí)口感佳；在粉紅光光質(zhì)下，果實(shí)形狀異于常規(guī)圣女果形態(tài)。

4.3.3 不同光質(zhì)對(duì)辣椒生長(zhǎng)的影響

每組光質(zhì)下辣椒苗2 株，2021 年8 月16 日接受LED 光照。辣椒在粉紫光+395 nm、粉紫光+452 nm、全光譜、空白組這4 種光質(zhì)環(huán)境下生長(zhǎng)緩慢，植株形態(tài)異常；在粉紫光+730 nm 光質(zhì)環(huán)境下株高最高，但植株未開花結(jié)果；在粉紫光、粉紅光、淡粉光（2 000 K）光質(zhì)環(huán)境下均有不同程度的開花和結(jié)果。其中，粉紫光、粉紅光光質(zhì)環(huán)境下，辣椒掛果量較多，粉紫光處理下辣椒更大更粗；粉紅光處理下辣椒優(yōu)先結(jié)果，但果實(shí)細(xì)又短，整體偏小；淡粉光（4 000 K）處理下辣椒未結(jié)果，該淡粉光色溫高，顏色接近白光；淡粉光（2 000 K）處理下辣椒結(jié)果量較多，果實(shí)形態(tài)飽滿。由此可見，辣椒更偏愛紅藍(lán)質(zhì)比較高的粉紫光，在粉紫光質(zhì)環(huán)境下辣椒產(chǎn)量高、果實(shí)飽滿。

5 結(jié)論

文章試驗(yàn)結(jié)論如下：

（1）葉菜類植物。在光譜連續(xù)的光質(zhì)環(huán)境下形態(tài)飽滿，口感最佳，如全周期光譜、淡粉光光譜（紅綠藍(lán)比例4～7 ∶2.5 ∶1.5 光譜，色溫4 000 K）。

（2）漿果類植物。①生長(zhǎng)期。粉紅光光質(zhì)（紅綠藍(lán)比例6～9 ∶1.5 ∶1 光譜）更早迎來花期。②坐果期。粉紫光+395 nm 光質(zhì)（紅藍(lán)紫比例6～9∶1∶1.5光譜）有效增加漿果類植物的光合作用，產(chǎn)果量高。

（3）茄果類植物。①生長(zhǎng)期。粉紅光光質(zhì)（紅綠藍(lán)比例6～9 ∶1.5 ∶1 光譜）更早迎來花期。②坐果期。粉紫光（紅藍(lán)比例6～9 ∶1 光譜）有效增加茄果類植物的光合作用，產(chǎn)果量高，果實(shí)飽滿。茄果類植物更喜好紅藍(lán)配比且紅光占比較高的光譜。