面向無土栽培的LED燈板制作和特性研究

趙瑞婷,吳仕強，趙福利

(1.廣州市第一中學，廣東 廣州　510163；2.中山大學物理學院，廣東 廣州　510275)

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面向無土栽培的LED燈板制作和特性研究

趙瑞婷1,吳仕強2，趙福利2

(1.廣州市第一中學，廣東 廣州510163；2.中山大學物理學院，廣東 廣州510275)

植物生長燈是目前精準農業和人工光合作用的研究熱點問題。研制人工光源、改進植物生長環境是植物工廠發展的一個至關重要的環節。本文從LED光源設計出發，設計了適合綠色葉菜植物生長的LED照明燈板，并結合植物光合作用光譜分析手段，改進了LED燈板配光比，經過兩輪實驗，獲得7∶1的紅藍光強比是適合油麥菜培育的配光方式。

LED；植物生長燈；光合作用

引言

1993年開始的精準農業根據作物生長的環境因素，結合現代信息傳感處理技術，降低了資源消耗，提高了作物產量，實現了對農業信息的測量和控制，已經形成為一種高新技術與農業生產結合的高科技產業[1]。植物工廠是現代農業的最高階段，通過各種技術手段改變諸多不利條件，使農業生產不受或很少受自然條件制約[2]。光源是植物工廠最重要的組成部分，光源的好壞直接關系到植物的生長狀況，而且光源的選取也要考慮成本問題和是否符合可持續發展原則。當今發光二極管(LED)技術的發展越來越廣泛，在農業上的應用也越來越廣泛，逐步成為植物工廠的主流光源。本文就是基于以上原因，設計不同光輻照比例的LED燈板，在溫度、濕度相同的情況下進行了油麥菜培育實驗，進而研究不同光強比對植物生長的影響。

1　研究方法

本文研究的總體思路如下：

1)選取廣泛栽培的綠葉蔬菜——油麥菜為實驗樣本，分析植物的紅藍吸收的光強比，設計接近其紅藍光強吸收比的燈板，采取一定的光強配比分布，設計不同光強比的燈板；

2)在紅藍LED燈板、紅藍白LED燈板和陽臺分別栽種相同的作物，每日登記跟蹤記錄實驗樣本生長狀況和環境參量；

3)研究LED燈板對作物生長的影響，適當調節LED燈板光源參數，從而使作物生長更好；

4)測試培育植物的吸收光譜，與自然條件下的光譜進行比較，通過統計、歸納、分析，總結LED燈板參數對作物生長的影響；

5)提出結論與建議。

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，葉綠素含量的多少反映出植物將無機物轉化為有機物的同化作用的能力，也反映了植物進行光合作用的能力強弱，同時反映了植物是處于生長期還是衰弱期。因此，通過測量植物的葉綠素含量和類胡蘿卜素含量就可以分析出植物的生長狀況。

1.1葉綠素提取實驗所用器材和試劑

實驗器材：直尺，50ml燒杯，250ml燒杯，15ml量筒，漏斗，滴管，濾紙，研缽，鐵架臺，15ml塑料試管，離心機，托盤天平，比色皿。

實驗樣品：油麥菜。

實驗試劑：丙酮，無水乙醇。

1.2葉綠素提取實驗步驟

1)將100ml丙酮與50ml無水乙醇進行2∶1混合，裝在250ml燒杯里。

2)用15ml量筒量取10ml丙酮-乙醇混合溶液作為萃取溶液，將研缽置于凍水上水冷，用托盤天平稱取0.1g的植物葉片放入研缽中，在10ml丙酮-乙醇混合溶液中取4ml以及少量石英砂放入研缽里進行研磨，研磨充分后將剩余丙酮-乙醇溶液倒入研缽中放置幾分鐘。

3)將研缽里的葉綠素混合溶液放到鐵架臺上進行過濾，用玻璃棒引流，通過漏斗過濾到50ml燒杯里，最后再把燒杯里的葉綠素提取液倒入15ml塑料試管中。

4)將裝有葉綠素提取液的15ml塑料試管放入離心機中以2500r/min轉速離心5分鐘。

5)將離心后溶液的上清液倒入比色皿中，以丙酮-乙醇混合溶液為基底，用分光光度計測定植物葉片葉綠素的吸收光譜[9]。

光環境是影響植物光合作用最重要的因素[3-5]。專利分析也顯示，光環境和蔬菜的研究和開發是目前研發重點[6]。光環境可分為光質、光照度和光周期三部分。光質可看成是光的波長，是光的光譜分布(各種光譜對植物的影響見表1)。光照度對所有光輻照的總能量。光周期是一天中有光(明期)和無光(暗期)交替的周期，一般用明/暗期時間表示。

表1　各種光譜成分對植物的影響

Smith[7]認為，長波長的光如紅光有利于莖的伸長，而短波長的光如藍光則對莖的生長產生抑制作用。

葉片是植物進行光合作用的主要器官，光質能影響植物葉片的生長情況。紅光和藍光對植物的開花都有調節控制作用。江明艷等[8]的結果表明，紅光會推遲花期，但提高花頭的觀賞品質；藍光會使花期提前，但對花頭觀賞品質無明顯影響藍光LED是Cree XLamp XP-E系列，藍光LED的主波長為475nm，而白LED是Cree XLamp XP-E-HEW系列的。紅色LED的型號為OSRAM LR CP7P，主波長為632nm。紅藍LED燈板的光譜如圖1所示，紅藍白LED燈板的光譜如圖2所示。

圖1　紅藍LED燈板的光譜Fig.1　Spectroscopy of Red-Blue LED panel

圖2　紅藍白LED燈板的光譜Fig.2　Spectroscopy of Red-Blue LED panel

2　實驗與結果

實驗采用2個LED燈光源板，分別為紅藍LED燈板、紅藍白LED燈板，分別用L1、L2表示。紅藍LED燈板由60個紅色LED和24個藍色LED組成。紅藍白LED燈板由60個紅色LED、12個藍色LED和12個白色LED組成。紅色、藍色和白色LED都是1W大功率LED。

為了明確燈板的光輻照均勻性，在使用照度計進行實際測量的基礎上，考慮到燈板面積不是足夠大，本文采用了Tracepro軟件進行相關的模擬，模擬結果如圖3和圖4所示。

從數值模擬結果可以看出，從圖3和圖4可知，L2燈板的照度比L1燈板的照度要均勻一些，不至于兩邊照度下降過快。我們知道，L1和L2燈板的不同之處為：L2的白光LED替換了L1的部分藍光LED，而白光LED和藍光LED由于都是Cree XLamp系列并且空間光強分布相近，唯一區別較大的是白光LED的光亮度比藍光的大。通過分析可知，白光LED提高了L2燈板的照度均勻性是因為白光LED提高了燈板邊上的照度。所以，可以通過提高邊上LED的亮度來提高LED燈板的照度均勻性。因此，可以說L2燈板的均勻性優于L1燈板。

營養液栽培部分包括營養液、泡沫板、定植杯。營養液的液面高度要浸到植物的根部，但不能泡到植物的莖部，以防止莖部的腐爛。一個定植杯種植一顆植物。為了監測環境的溫度和濕度，在每個燈板下都放了一個數字溫度計。每天記錄環境溫濕度值和植物的生長狀態。培養箱的四邊還圍有銀色禮品反光紙，主要是用于反射光源，增加照度，避免其他光的影響。為了更好的接近現實環境，在燈板旁放置了一個風扇，從側面吹風。LED燈板的電源由定時器開關插座控制，設置好開關時間后，可以實現智能控制LED燈板開關。培養箱一周換一次水，以保證水環境潔凈。實驗中期在箱前增加常開風扇以保證通風。

圖3　L1燈板和照度模擬圖Fig.3　Lamp Panel L1 and illumination

圖4　L2燈板和照度模擬圖Fig.4　Lamp Panel L2 and illumination

2.1第一次油麥菜實驗

LED燈板設置選擇總照度相等，L1總照度為4869lx，L2總照度為4861lx，分別對應于光照量子數為162.2 mol·m-2·s-1和121.0 mol·m-2·s-1。其中，L1燈板的紅光照度與藍光照度之比為7∶1，L2燈板的紅光照度與藍白光照度之比為3.5∶1。

收獲時油麥菜的外觀參數如表2所示，不管是株高還是葉面積，L1燈板下的油麥菜生長指標最好；陽臺上的油麥菜植株較矮，葉子也較短?。籐2燈板下的油麥菜植株高度非常高，葉子長度略短。圖5為油麥菜收獲時的照片，可知L1燈板下的油麥菜生長比較壯實，陽臺上的油麥菜長的比較小，而L2燈板下的油麥菜植株過高，節間過長，莖過細，葉子薄且扁長，這些都是徒長的特征。綜合表2和圖5可知，L1燈下的油麥菜外觀最好，陽臺的生長比較緩慢，而L2燈板下的油麥菜徒長情況嚴重。油麥菜葉子葉綠素和類胡蘿卜素含量情況(色素含量計算方法可參考筆者已發表論文[10])如表2所示，葉綠素含量和類胡蘿卜素含量最高的是陽臺組(CK)，L2次之，L1最低。需要說明的是，雖然L1的葉綠素含量和類胡蘿卜素含量在三個光源下最低，但是符合正常水平值，不是L1下的油麥菜生長不好，而是CK和L2下的葉綠素含量和類胡蘿卜素含量偏高。結合表2和圖5，究其原因，是因為陽臺(CK)下的油麥菜生長較緩慢，收獲時正處于快速生長期，所以葉綠素含量和類胡蘿卜素含量偏高；L2下的油麥菜因為徒長原因也導致葉綠素含量和類胡蘿卜素含量偏高。

表2　第一次油麥菜外形指標和第一次油麥菜色素含量計算結果

圖5　第一次油麥菜：陽臺(左圖)，L1(中圖)，L2(右圖)Fig.5　The first lettuce, Balcony(left), L1(middle), L2(right)

綜上所述，L1燈下的油麥菜生長狀況最好，即L1燈板光源設置參數適合油麥菜生長，而L2燈板參數需要修改。綜合考慮，導致油麥菜徒長的原因可能是紅光過多，為了驗證這個推測，將在下次實驗中增加藍光比重。

2.2第二次油麥菜實驗

在本次實驗中，調整L2燈板的紅藍白光的比例，最終確定L1燈板的紅光照度與藍光照度之比為7∶1，L2燈板的紅光照度與藍白光照度之比為2.8∶1。從表3可知，L1、L2燈板和陽臺下的油麥菜外觀相差不大。對比圖5和圖6可知，燈板L2不再出現徒長，說明增加藍光抑制了油麥菜徒長的發生，使油麥菜長得壯實，L2中的藍白光組分光譜與L1燈板中的藍光不同，因此需要增大藍白與紅光的對比，這也從一個側面證實了綠色植物的有效吸收確實在紅光和藍光區域，其他光譜組分對植物吸收的正向貢獻有限。從表3可看出，L1和L2的葉綠素含量和類胡蘿卜素含量值正常，大小基本一致。因此，L1和L2的燈板設置都能使作物正常生長。從這個結果來看，似乎藍白光在植物生長過程中顯得不是很有效，但是，如果為了抑制徒長，可以采用適當增加藍光輻照可以達到很好的效果。同時，不同植物生長階段，植物對光的需求有所變化，我們還嘗試了植物反季節花期的光照實驗，結果發現，除了不同的紅藍比之外，光照時間和明暗周期也對植物生長有影響，這部分結果正在整理中。

表3　第二次油麥菜外形指標和第二次油麥菜色素含量計算結果

圖6　第二次油麥菜：陽臺(左圖)，L1(中圖)，L2(右圖) Fig.6　The second lettuce. Balcony(left),L1(middle),L2(right)

3　結論及展望

LED燈板中的紅藍比對植物生長影響較大，紅光過多會使作物長的過高、莖細葉尖、易倒伏，出現徒長情況，而藍光能使作物生長壯實，抑制作物徒長。LED燈板紅藍比為7∶1時，作物生長正常。在紅藍LED上加入白光LED，當合理設置紅光和藍白光照度比時，也能使作物正常生長，這個結果啟發我們可以在植物徒長的情況下，適當引入藍光抑制植物的徒長。同時在植物的不同生長階段，對光的需求也可能有所不同，這方面的工作有待進一步定量研究。

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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

中國科協的英才計劃項目資助

O432.1,O432.2

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.026