LED 植物照明光源的應用研究

李玉蔻，高 璇，劉大為，王思云，孫峰強

陜西電子信息集團光電科技有限公司，陜西 西安 710000

0 引言

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

鑒于此，文章研究開發(fā)LED 植物照明光源，并將其應用于經(jīng)濟類作物的照明。試驗表明，采用LED 植物照明光源，植物的光合速率、生長速率均提高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 植物光源可以充當日光，使植物正常或更快更好地生長，具有助長、壯根、調(diào)節(jié)花色、縮短周期等作用，同時促進果實上色、成熟，提升品質(zhì)和口感。

2 光譜對植物光合作用和形態(tài)建成的影響

2.1 光譜對植物光合作用的影響

光譜對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波段，紅光區(qū)的波長為630～680 nm，藍光區(qū)的波長為400～500 nm。葉綠素從光中吸收能量，將二氧化碳轉變?yōu)樘妓衔铩ｎ惡}卜素吸收光譜范圍在303～505 nm。在植物體細胞中，產(chǎn)生的類胡蘿卜素除了吸收并轉移能量幫助植物光合作用，還具備保護細胞的功能，類胡蘿卜素使植物細胞免于被激態(tài)的單電子鍵氧分子破壞[3]。

2.2 光譜對植物形態(tài)建成的影響

不同光譜對植株生長形態(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發(fā)育，導致植物表型矮小、葉片厚而小，光合速率低；315～400 nm（紫光與紫外光）波段光譜促進葉綠體運動，使植物向光性更敏感；400～500 nm（藍光）波段光譜促進植物向光性，刺激植物氣孔張開，縮短蔬菜的節(jié)間距，促進蔬菜的橫向伸展以及葉面積縮小；500～600 nm（黃綠光）波段光譜色素的吸收率不高，可減少藍光對隱花青素合成；600～700 nm（紅光）波段光譜促進植物光合作用，使植物橫向分枝和分蘗，延遲花分化，700～780 nm（遠紅光）波段光譜植物的吸收率低，刺激細胞延長，使植株鮮重、干重、莖長、葉長和葉寬增加（增加吸光面積）。

3 光照強度對植物生長發(fā)育的影響

植物的光照強度主要指光補償點和光飽和點的光強。光照強度影響植物的光合作用速率，進而改變植物的生長形態(tài)。植物對光強的需求一般采用光補償點、光飽和點來表示。當光照強度＜光補償點時，植物的呼吸速率大于光合速率；當光補償點＜光照強度＜光飽和點時，植物能夠進行正常的光合作用；當光照強度＞光飽和點時，植物體內(nèi)的蒸騰作用加快，植物細胞為了防止水分流失過多而關閉氣孔，引發(fā)氧化脅迫，對光合作用產(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)

通過上述光譜對植物光合作用和形態(tài)建成的影響分析，文章在進行植物特征光譜的研究實驗中，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。

4.1.1 多種單色光組合方案

對植物光合作用最有效的峰值波長為450 nm 和660 nm 的光譜，以及誘導植物開花的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：單色光LED 植物生長燈并非適用于任何植物的生長，而且單價高、光效低。

4.1.2 熒光粉轉換方案

熒光粉轉換方案，可細分為下述兩種方案。

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

（2）全光譜方案：實現(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]。市場多以高光效白光為主，加上660 nm的紅色光源進行組合，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、性價比高的熒光粉轉換型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（紅藍比例6～9 ∶1光譜）。采用GaN 藍光芯片450～460 nm 激發(fā)波長為660～670 nm 的氮化物紅粉制作，紅藍比例為6～9 ∶1 光譜，紅光峰值為（662±5）nm。

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

（3）光源：2835 淡粉光（紅綠藍比例4～7 ∶2.5 ∶1.5 光譜）。采用GaN 藍光芯片450～460 nm 激發(fā)波長為650～655 nm 的氮化物紅粉+波長為527 nm的鋁酸鹽綠粉制，紅綠藍比例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采用藍光芯片440～460 nm 激發(fā)波長為650～660 nm 的氮化物紅粉+波長為510～540 nm 的YAG 鋁酸鹽綠粉/LuAG 鋁酸鹽綠粉+波長為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)波長為650～660 nm 的氮化物紅粉+波長為510～540 nm 的YAG 鋁酸鹽綠粉/LuAG 鋁酸鹽綠粉+波長為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。采用藍光芯片440～460 nm 激發(fā)波長為630 nm 的氮化物紅粉+波長為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

4.2.1 LED 光源設置

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，分別搭配380 nm、452 nm、730 nm單色光LED 光源形成7 個試驗組。另外選取同行廠商粉紫紅、粉紅光、淡粉光3 組光源進行同步對比。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，防護等級為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。

準備2 個貨架，貨架規(guī)格為2 m×0.6 m×2 m（長×寬×高），每個貨架搭建3 層，左右使用遮光物均勻分隔。每個貨架可進行6 組實驗，合計12 組。

根據(jù)光源種類，實驗共設置10 組不同光源試驗組及1 組空白試驗作為參考組，總計11 組。每組試驗采用相同參數(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 植物設置

等距放置10 個（5 個×2 排）花盆，包含生菜6 顆，辣椒2 株，圣女果2 株。每組實驗中不同植物擺放位置相同，燈具與花盆底部距離為45 cm。實驗中用到的生菜、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 的刻度尺測量生菜、圣女果、辣椒苗的株高和最大葉寬，每次測量時間為當日10：00。

實驗地點：陜西電子信息集團光電科技有限公司辦公室一角（溫室，無太陽光照，通風條件差）。

4.3 LED 植物照明實驗結果與分析

4.3.1 不同光質(zhì)對生菜形態(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，整體長勢好，呈現(xiàn)出葉徑相對矮小、葉面寬、葉片分支多層，形態(tài)飽滿的特點。在粉紫光光質(zhì)環(huán)境下，葉徑橫向伸長，葉面窄，生長周期短，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、縱向生長均勻，形態(tài)與常規(guī)蔬菜相似，營養(yǎng)吸收不完全，口感差。在粉紫光+730 nm 光質(zhì)環(huán)境下，葉徑橫向伸長最長，葉面最窄，葉片分支少，遠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、葉寬以及生長周期。在不同強度光配比LED 光照射下，粉紫光+730 nm 光質(zhì)促進植株的徑高，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)對圣女果生長的影響

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20 cm；空白組在40 d 內(nèi)僅長高2 cm；其他光質(zhì)環(huán)境下長勢基本相當。

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，果實口感佳；在粉紅光光質(zhì)下，果實形狀異于常規(guī)圣女果形態(tài)。

4.3.3 不同光質(zhì)對辣椒生長的影響

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)先結果，但果實細又短，整體偏小；淡粉光（4 000 K）處理下辣椒未結果，該淡粉光色溫高，顏色接近白光；淡粉光（2 000 K）處理下辣椒結果量較多，果實形態(tài)飽滿。由此可見，辣椒更偏愛紅藍質(zhì)比較高的粉紫光，在粉紫光質(zhì)環(huán)境下辣椒產(chǎn)量高、果實飽滿。

5 結論

文章試驗結論如下：

（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（紅綠藍比例4～7 ∶2.5 ∶1.5 光譜，色溫4 000 K）。

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