LED光譜與植物工廠生產提升關系的探索

李淋倍，胡振華，王功利，王 憶，2

(1.江門聯皓照明科技有限公司，廣東 江門 529000； 2.五邑大學應用物理與材料學院，廣東 江門 529000)

引言

植物工廠是近年來從提出到迅速推廣具有高科技特征的一項新型農業種植技術。植物工廠作為一種資源集約型生產模式，不僅可以大幅提高單位土地的利用率、產出率和經濟效益，同時它受自然條件影響比較小、植物生產的計劃性很強、生產周期縮短、自動化程度和智慧控制水平高，可以在極端的環境條件下保障某些食物供給和食品的安全，有利于一些特色農業擺脫資源與環境的限制，保障種植作物的無污染和有機種植，實現特色農產品的可持續發展。LED照明由于其光譜可調、體積尺寸可控、光照強度可控、節能環保、使用壽命長等優點，已經成為植物工廠補光或光照的首選[1-3]。

1 植物光合作用與光譜

任何植物的生長都不可能離開太陽光的照射，光照在植物生長的過程中起到了關鍵的作用。因此稱為“光肥”。它是促進植物葉綠素的吸收和胡蘿卜素等多種植物生長質素吸收的最好肥料。380～780 nm 是國際上公認的可見光譜范圍標準。決定植物生長好壞的因素是一個綜合性因素，不僅與光有關，而且與水、土、肥料的配置、生長環境條件(溫度、濕度等)和綜合技術管控都有著密不可分的關系。沒有光，植物的生長是肯定不行的。實驗中會發現光對于植物實際生長所起到的促進作用大約可以提升25%[4-6]。

植物生長的幾個關鍵要素有葉綠素a、b，類胡蘿卜素，光敏色素，藻紅蛋白，藻青蛋白等，其植物對于光的有效吸收和作用光譜圖如圖1所示，不難看出這些植物生長要素分別都有一些重要的吸收光譜特征。

圖1 植物光合作用與對于光的吸收效率光譜圖[1-3]Fig.1 Spectrum of photosynthesis and absorption efficiency of light in plants

根據上述植物生長對于光的有效吸收光譜圖，我們給出一個各種光生物光質有效光譜范圍，如表1所示[4-6]。

表1 幾種主要植物生長要素及其吸收光譜波長范圍

由表1可知，植物生長光譜的分布和結構要素對于提升植物的產量和產品的質量將會起到非常關鍵的作用。因此，從植物工廠的人工LED光源的光譜結構的設計出發才能夠真正發揮LED照明補光在植物工程生長中的作用。

LED光源的光譜結構設計可以從兩個方面來考慮。第一，使用近紫外芯片作為激發光源來激發熒光粉發光可以實現從近紫外到近紅外的寬光譜結構，根據實際需要可以再使用一定的芯片來加強部分區域的發光及光照強度，如使用365～395 nm范圍內的芯片不僅可以實現365～780 nm范圍內的LED全光譜，即所謂的仿太陽光譜，同時可以根據不同植物生長要素的需求來調節光譜的結構，在此基礎上還可以根據藍紅光的強度需要來適當補充一定的紅藍光芯片[7,8]。第二，使用藍光芯片作為熒光粉的激發光源，來激發熒光粉而形成LED照明發光光源。由于一般通用的LED藍光芯片波長為450 nm左右，因此小于450 nm的藍光會有一定的不足，通常可以采取更低波長的藍光芯片，比如430～445 nm波長左右的芯片與452 nm的芯片形成雙芯片激發模式。也可以直接采用一定波長的芯片進行補光的形式來實現較好的LED植物補光光源。

單純的采用某些單色光或一兩種單色光組合來實現的光源補光是具有一定缺陷的，這個從圖1和表1中不難看出，這種光會造成一定營養成分的缺失或降低，同時會影響到植物生長過程和開花結果的品質。補充一定的綠光是非常有必要的，它可以幫助實現更好的生物光質能量的輸運和形成較高品質的光敏素和藻青、藻紅蛋白和類胡蘿卜素。下面將給出我們在使用自己設計的LED光源光譜結構下進行實際試驗的一些結果。

2 幾個實例

2.1 稻谷育苗生根補光效果

圖2中的稻谷種苗顯示的分別是無人工補光的情況下稻谷種子播種10天后的生長狀況和稻谷種苗圖播種3天后，再進行人工補光7天后的生長狀況。人工補光的光量子通量密度為70～80 μmol/m2/s，每天18:30后補光4 h。

圖2 稻谷育苗LED補光光譜與效果圖Fig.2 Supplementing LED spectrum and effect picture of rice seedling

圖2是在某省水稻育苗的LED補光實驗所得結果，可以看出，使用LED補光的水稻種子的芽苗長度和粗壯度都好于沒有進行LED補光的情況。其次，圖2中的光譜圖是專門針對育苗設計的一種光譜，藍光的強度稍大，補充了一定的綠光和黃光。這個實驗在廣東廣州、東莞、江門的觀賞植物育苗的實驗中獲得相同的良好效果。

2.2 全人工光月季種植效果

圖3中(a)、(b)、(c)和(d)圖中的月季花生長狀態皆為在全人工光環境生長3個月后的生長狀態。

圖3是全人工LED光譜對于植物工廠內培育月季花的幾種不同LED光譜結構下的使用效果。除了光照環境的光譜不一樣外，其他生長條件都一樣。光照環境中的光量子通量密度皆為160～180 μmol/m2/s。可以看出，(a)和(b)圖中的月季能正常開花；(c)和(d)圖中的月季不能正常開花，盡管(c)圖中的月季有花蕾，但均在花蕾期花蕾就枯掉，(d)圖中的月季一直沒花蕾長出。這進一步證明了，單純使用紅藍光芯片設計的光源對于培育開花植物是不利的。而(a)、(b)兩種光譜的效果就比較好，而且花期會大大延長。

圖3 全人工LED光譜與月季種植效果Fig.3 Full artificial LED spectrum and planting effect of Chinese rose

2.3 火龍果補光效果

圖4中的(a)圖顯示的是無人工補光的火龍果生長狀況；(b)圖顯示的是有人工補光的火龍果生長狀況，補光條件為每天延長光照6 h，PPFD值為2～5 μmol/m2/s，照度為100～200 lx。

圖4是針對某火龍果基地設計的LED補光燈照射的效果對比圖，其右下角為所采用的光譜結構圖。可以明顯看出，在有LED補光的右圖中，其花蕾的數量遠遠大于左圖中沒有補光的情況。不僅如此，火龍果的品質也大大提升。表2是火龍果經過某農科院測試的營養物質對比情況。

圖4 火龍果補光效果對比Fig.4 Contrast of pitaya fill-in effect

由表2可知，經過LED補光的火龍果其可溶性固形物是增加的，總糖量也是增加的，總酸也是增加的，口感度增加，維生素C有少許的降低。這在其他基地的蔬菜和草莓的實驗中也得到了驗證。

表2 火龍果營養物質檢驗結果

3 結語

對于植物工廠使用LED照明無論是連續光譜照明或者一段時間的補光對于植物生產的效果，包括產量的提升和品質的改善都是有益的。在LED光源的光譜設計中應充分考慮到光源使用的對象和其植物生長的特性，尤其是對其所吸收光譜的范圍的把握是非常重要的。單純的紅藍光組合和現有的LED照明光源是存在一定缺陷的，應該針對不同的植物種類和生長環境設計不同的LED光照的光譜。