基于LED光源水培生菜最佳光配方的篩選

崔世鋼 陳苗 張永立 何林 吳興利

摘要：隨著LED光源在植物工廠的廣泛應用，研究培養植物的光環境參數顯得尤為重要。以芭拉里娜生菜為試驗材料，采用光照度梯度試驗和均勻性仿真的方法，研究在植物工廠中培養芭拉里娜生菜的最佳光配方。研究結果表明，芭拉里娜生菜的最佳光配方是矩陣式排列的LED光源距離生菜26 cm，幼苗期以紅藍光比例為7 ∶ 1的復合光進行照射，生長期以紅藍光比例為6 ∶ 1的復合光進行培養，光照度為400 μmol/（m2·s），光照時間均為12 h/d。

關鍵詞：光配方;LED光源;矩陣式排列;均勻性;水培生菜

中圖分類號：S636.204

文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2020）16-0152-04

近年來，植物工廠作為一種能夠完全實現人工控制、不受自然光照等條件限制的新型農業生產方式，成為廣大研究人員的新寵兒。光照是農作物能量的來源，是植物光合作用、生長發育、形態建成以及物質消耗等多方面的必要條件之一。眾多學者針對植物的影響因素如光質、光照時間等開展了相關研究，但是基于植物工廠發光二極管（light emitting diode，簡稱LED）光源對水培生菜的光配方尚未見報道。

生菜在我國不少地區均有栽培，葉片脆嫩，營養價值高，并有保健功能，是發展前景較好的蔬菜[1]。光配方是由飛利浦公司提出的一個概念，即在某種生長環境下，某種作物的某個生長階段所需的光照條件[2]。光配方包含3個方面：（1）光照度、光照均勻性、光質、光照時間和LED光源放置位置;（2）基于光配方條件下的其他環境參數，如溫度、濕度等;（3）其他效果，如節能效果。

LED是一種具有PN結的發光二極管，它憑借耗能低、控制簡單、使用時間長、小巧輕便等諸多優點，已經在植物工廠中得到了廣泛的應用。

光照度（E）是指物體光照接收面在單位面積（S）內所接收到的光通量大小（φ），計算方法如公式（1）所示。在LED人工光源下，光照度隨電源電壓的調節而變化，該值可由光分度計進行測試。

光照均勻度（U0）指的是在一定的照射面積內，光照接收面光照度最小值（Emin）與所有光照度平均值（Eav）的比值，計算方法如公式（2）所示。光照均勻度的值為（0，1），數值越接近于1，生菜接收的光線越均勻，整體生長情況越好。

生菜培育分為3個階段，分別是播種期、幼苗期和生長期，培養周期約90 d。播種期不需要光照處理，幼苗期調配紅藍光比例為7 ∶ 1的復合光，生長期調配紅藍光比例為6 ∶ 1的復合光[3]。幼苗期、生長期光照時間均在12 h為宜。通常將LED光源等間距放置，光源的排布方式也將影響生菜接收光照的均勻性。本試驗針對LED光源的不同光照度和排布方式進行研究。

1 光照度梯度試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為2018年9月1日播種于天津職業技術師范大學植物工廠重點實驗室水培植物生長架，2018年9月10日出芽的芭拉里娜生菜幼苗。

1.2 試驗環境

LED光源選取市場上常用的深圳慧盈生態科技有限公司合鳴LED植物燈。環境溫度為20 ℃，濕度為70%～80%，光照時間為12 h/d，LED光源距離生菜26 cm。

1.3 試驗設計

為明確不同光照度對芭拉里娜生菜生長的影響，隨機選取32株芭拉里娜生菜幼苗，以每8株為1組分別放置在4組光強條件下。光照度分別設置為200、300、400、500 μmol/（m2·s）。

每天記載其株高、葉長、葉寬和鮮質量。培養至90 d時，生菜成熟。

1.4 結果與分析

培養至90 d時的生菜生長情況見表1，生菜株高見圖1，生菜葉長見圖2，生菜葉寬見圖3。

從表1可以看出，不同光照度條件下的生菜生長情況差異明顯。在植物形態方面，每組的生菜葉片均嫩綠且飽滿，但在500 μmol/（m2·s）光照培養條件下的生菜葉片數量明顯少于前3組。在干物質積累方面，以培養至90 d時生菜鮮質量為依據，400 μmol/（m2·s） 光照度下的生菜生物量積累得最多，比200 μmol/（m2·s）培養條件下增產62%，比300 μmol/（m2·s）光照條件下增產50%，比 500 μmol/（m2·s） 光照處理下增產233%。試驗結果表明，400 μmol/（m2·s）的光照度更適合水培生菜生長。

從圖1、圖2、圖3可以看出，隨著光照培養時間的增加，芭拉里娜生菜的株高、葉長、葉寬都呈現出上升的趨勢，表明本次光照度梯度試驗設置較為合理。在不同生長指標中，各組處理生菜生長情況均表現為400 μmol/（m2·s）處理組>300 μmol/（m2·s）處理組>200 μmol/（m2·s）處理組>500 μmol/（m2·s）處理組。試驗結果表明，當光照度設置在400 μmol/（m2·s）以下時，逐步增加光照度可以促進生菜的生長;當光照度達到400 μmol/（m2·s）時，再增加光照度則抑制生菜的生長。原因可能是由于高光照度的燈板產生的熱量高，導致植物缺水。試驗結果表明，400 μmol/（m2·s） 的光照度更適合水培生菜的生長。

2 光照均勻度仿真試驗

2.1 試驗設計

通常LED光源的排布有矩陣式、三角形和圓形排列。為了探究何種排列方式的LED光源光照均勻性更好，基于TracePro軟件光學仿真和Matlab軟件三維構圖，對比分析3種布局方法的優劣。

2.1.1 基于TracePro軟件試驗方法 在TracePro光學仿真環境下，選取16顆相同的LED燈珠依次以矩陣式、三角形式和圓形式排列，間距設置為4 cm，光源距離生菜26 cm，植物工廠重點實驗室的其他環境參數設置完畢后，運行軟件導出仿真圖。

2.1.2 基于Matlab軟件試驗方法 基于Matlab軟件，以采集的光照度數據構建三維立體圖。試驗步驟是將LED光源間距4 cm依次以矩陣式、三角形式、圓形式的排布方式固定在燈架上，光源距離坐標紙 26 cm。坐標紙規格為100 cm×100 cm，由1 cm×1 cm 的小方格組成。準備就緒后，用光照度傳感器依次測量每個小方格處的光照度，最終匯總數據形成三維圖。

2.2 結果與分析

2.2.1 基于TracePro軟件的仿真結果與分析 從圖4、圖5、圖6可以看出，3種排列方式均顯示出光照接收面中間區域較明亮、四周逐漸變暗的光照分布特點。其中，LED光源矩陣式排布的整體亮度明顯優于三角形式、圓形式排布。考量光照均勻度的指標是光照度均勻性。由仿真結果可知，矩陣式的光照均勻性為80.2%（圖4），三角形式的光照均勻性為70.50%（圖5），圓形式的光照均勻性為78.5%（圖6）。由此可知，在TracePro光學仿真軟件下，矩陣式的LED光源排列方式為最佳排列方式。

2.2.2 基于Matlab仿真結果與分析 構建的三維立體圖中，不同顏色代表光照接收面的光照度不同。若鄰近區域顏色越接近或者波峰位置平面面積越大，說明其接收到的光照度相差較小，均勻性較高。圖7、圖8和圖9的中間區域均呈現出紅色、暗紅色、橙色等相近顏色，圖7、圖9中間區域相近顏色多于圖8。比較圖7、圖9，在波峰位置均具有一定的平面面積，圖7中的平面面積明顯多于圖9。表明基于實測光照度數據下，矩陣式排列方式為最佳排列方式。

3 討論與結論

培養植物的光環境參數主要由光源、光照度、光照均勻性、光質、光照時間等組成。眾多學者針對其中的部分因素開展了研究，李東星等指出，采用16 h連續光照的生菜生長態勢總體優于采用 16 h 間歇光照的生菜生長情況[4];丁娟娟探究了LED不同占空比對生菜生長、產量、品質及光合特性的影響[5]。光照度和植物接收光的均勻性同樣也是組成芭拉里娜生菜光配方不可或缺的部分。

本研究通過對光照度設置梯度試驗，結果表明，在400 μmol/（m2·s）的光照度下生菜的生長情況明顯優于其他3種光照度。TracePro軟件、Matlab軟件的仿真結果表明，相對于三角形式和圓形式排布，矩陣式LED光源排布方式的均勻性最高。本試驗結果表明，適合植物工廠條件下芭拉里娜生菜的最佳光配方是環境溫度為20 ℃，濕度為70%～80%，矩陣式排列的LED光源距離生菜26 cm，幼苗期以紅藍光比例為7 ∶ 1的復合光進行照射，生長期以紅藍光比例為6 ∶ 1的復合光進行培養，光照度為 400 μmol/（m2·s），光照時間均為12 h/d。

該光配方可作為植物工廠大規模培育芭拉里娜生菜的通用方案，也可以為其他品種生菜的培養提供參考依據，對于推進植物工廠生菜培養，具有一定的實際意義。在今后的研究中，可以考慮將光照度梯度設置小一些，使試驗結果更準確。

參考文獻：

[1]方舒玲，胡笑濤，冉 輝，等. 光強和營養液對水培生菜光合特性和葉綠素熒光參數的影響[J]. 北方園藝，2018（11）：15-21.

[2]劉文科，劉義飛. LED智能植物工廠光配方構建與應用[J]. 中國照明電器，2017（10）：1-3.

[3]王海鷗，李廣安. 認識照明LED[J]. 中國照明電器，2004（2）：2-4.

[4]李東星，商守海，周增產，等. 植物工廠不同光源和光照方式對生菜生長的影響[J]. 長江蔬菜，2012（24）：50-52.

[5]丁娟娟. LED不同占空比對生菜生長、產量、品質及光合特性的影響[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2014.