一款特定光譜的植物生長燈

河北農業大學 裴艷輝 趙蔚 索雪松 張洪銳 劉嬌 金朝霞 王璐

引言

植物的生產離不開光合作用，而提供有效的光源是增產、增效的必要手段。植物生長燈通過不同光質組合和光照模式，可有效地為在不同階段生長的植物提供其需要的光照，以此滿足植物對光的需求，最終達到增產增效的效果。

隨著科技的發展，高級的植物生長促進設備已經可以結合網絡通信、自動控制、物聯網、云服務等來實現遠程獲取種植環境的空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照信息及視頻圖像等信息。結合了信息化的產品更加契合人們的生產，不再需要人工親臨的傳統檢測方式，通過手機、PDA、計算機等信息終端就可以獲知實時監測信息。而通過系統的模型分析，生長燈便可自動進行光調控，相對傳統補光產品增加了效率與容錯性。

全球植物生長燈市場分為四大類，主要是熒光類、LED 類、高壓鈉類、白熾燈及鹵燈類。在2020 年全球植物生長燈的價值將超過30 億美元，自2016 年以來增長迅速。

1 植物生長與光照的關系

植物生長照明的最終目的是加快作物的生長，縮短周期。由于植物的生理特性及生長特性的差異導致其對光照的需求各不相同。大量的研究表明，光照對植物的作用主要表現在光質、光強、光周期3 個方面。但是植物并不是對所有的光都兼收并蓄的，而是具有明顯的選擇性。不同的光質、光強、光周期均對植物的生長產生不同的作用。

1.1 不同光質對植物的作用

不同光質對植物生長的作用示意。從光合作用曲線（綠色線）來看，整個曲線主要有2 個峰值1 個是在波長為430～450 nm藍光主要是對植物的萌芽等有促進作用，對莖的生長有強烈的抑制作用。另1 個是在600 到700nm 紅光主要是對植物的光合作用、萌芽、開花增色和結果等均有促進作用。

2 產品介紹

本文研發的63 光譜調控系統由波長為400nm 到730nm 的多個LED 點光源組裝而成。依據作物不同的生長周期對應著不同的光譜曲線，我們對LED 光源的光密度和光質配比進行組合，根據經濟作物生長的需求進行更為精確的調節和配置，以此來制作不同波長的光譜。根據作物所需光照強度及照射面積決定了光源的間距。由于LED 照明系統產生的光線熱量非常低，使得光譜調控系統能夠被放置在離作物更近的地方，增加了作物接收到的光。

用光調控的方式促進經濟作物生長和有效物質積累與傳統的轉基因、雜交和施用化肥等方法有著本質的區別。它通過對外部條件的控制，利用各種不同光譜成分的組合和光強調控技術來促進經濟作物的生長，從而達到增產增收、增質增效的作用。同時，在不同的生長階段使用不同光波譜段的組合，還可以對經濟作物的生長和功能性化學物質的積累進行對癥配光，并將這些配光方案組合起來對經濟作物進行照射，從而生產出經濟效益高、營養高的經濟作物。圖1 為條形植物生長燈。

圖1 條形植物生長燈

3 具體設計

3.1 分析所需的紅藍光比例

3.1.1 利用光敏傳感

光敏傳感器對環境光源進行實時監測，并將采集到的光環境信息發送至單片機。由于光敏傳感器無法直接檢測到環境中的紅、藍光，所以在光敏傳感器前加上相應波長的帶通濾鏡，實現對植物工廠或溫室內紅、藍光的檢測。

3.2 產品的具體參數

額定功率：100W、150W；輸入電壓：AC100-277V，50-60Hz；使用壽命：50000 小時。

3.2.1 燈珠規格

12 波段全光譜，可以自由調節紅藍光。提供植物各個生長階段所需要的最適宜的波長。

3.2.2 散熱

采用AL 材質，具有輕便，散熱快的特點。可以長時間使用，并且不用特意安裝風扇，加強散熱。

4 以藥用大麻為例，展示本產品的功效

麻類作物生長所需光照時間為每天16 個小時，少于16 個小時則光照時間不夠，多于18 個小時則對于光合作用也沒有了用處，因此，基本的16 個小時的光照時間是必要的。對于不同的生長周期，光調節的照射時間也有所不同，一般苗期照射16 小時，休息8 小時；植物期照射18 小時，休息6 小時；花期照射12小時，休息12 小時。工業大麻生長的第一階段稱為植物期。在使用光源照射時，將其放在作物上方20 英寸或更高的地方，使得光源發出的光能夠被作物很好的吸收利用，這個階段作物更多的需要波長450nm 左右的光譜光源。開花階段是主要產生大麻二酚（Cannabidiol，CBD）的關鍵時期，只有雌性作物才會產生這些物質，而且過程比較明顯；因為需要花費更多能量去產生花苞，所以它的生長過程會變得更加緩慢。但在使用專用光譜光源照射后，會提升藥用經濟作物中的大麻二酚（Cannabidiol，CBD）成分。在周期方面，使用高壓納燈約82 天，但使用特定光譜調控系統可以縮減到68 天左右，以全年來看，后者要比前者多一次生長周期，作物產量與獲益得到極大提高。

5 產品的具體安裝以及應用

主要建在室內，也可在室外空地或樓頂，但是要搭建相應的雨棚。適用范圍：氣候室采用節能型LED 頂光模組燈，配合苗床，光源可上下左右調整，可對高、低植株的整個生長周期進行培養，使用方便高效，且可對農藝鈉燈或高照度LED 光源進行合理搭配，實現不同植物對光波長和光譜的不同需求，高光效LED 頁光膜組植物生長燈具有全光譜特性，可提供植物生長所需的全部光譜，能夠極大的縮短植物生長所需要的時間調控光周期，提高科研人員的效率。圖2 為植物生長燈在溫室中的使用。

圖2 植物生長燈在溫室中的使用