趙瑞婷,吳仕強(qiáng)，趙福利

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

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面向無(wú)土栽培的LED燈板制作和特性研究

趙瑞婷1,吳仕強(qiáng)2，趙福利2

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

植物生長(zhǎng)燈是目前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和人工光合作用的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。研制人工光源、改進(jìn)植物生長(zhǎng)環(huán)境是植物工廠發(fā)展的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。本文從LED光源設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)了適合綠色葉菜植物生長(zhǎng)的LED照明燈板，并結(jié)合植物光合作用光譜分析手段，改進(jìn)了LED燈板配光比，經(jīng)過(guò)兩輪實(shí)驗(yàn)，獲得7∶1的紅藍(lán)光強(qiáng)比是適合油麥菜培育的配光方式。

LED；植物生長(zhǎng)燈；光合作用

引言

1993年開(kāi)始的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)根據(jù)作物生長(zhǎng)的環(huán)境因素，結(jié)合現(xiàn)代信息傳感處理技術(shù)，降低了資源消耗，提高了作物產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)信息的測(cè)量和控制，已經(jīng)形成為一種高新技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合的高科技產(chǎn)業(yè)[1]。植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的最高階段，通過(guò)各種技術(shù)手段改變諸多不利條件，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(guān)系到植物的生長(zhǎng)狀況，而且光源的選取也要考慮成本問(wèn)題和是否符合可持續(xù)發(fā)展原則。當(dāng)今發(fā)光二極管(LED)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越廣泛，在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也越來(lái)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(shè)計(jì)不同光輻照比例的LED燈板，在溫度、濕度相同的情況下進(jìn)行了油麥菜培育實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而研究不同光強(qiáng)比對(duì)植物生長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)樣本，分析植物的紅藍(lán)吸收的光強(qiáng)比，設(shè)計(jì)接近其紅藍(lán)光強(qiáng)吸收比的燈板，采取一定的光強(qiáng)配比分布，設(shè)計(jì)不同光強(qiáng)比的燈板；

2)在紅藍(lán)LED燈板、紅藍(lán)白LED燈板和陽(yáng)臺(tái)分別栽種相同的作物，每日登記跟蹤記錄實(shí)驗(yàn)樣本生長(zhǎng)狀況和環(huán)境參量；

3)研究LED燈板對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，適當(dāng)調(diào)節(jié)LED燈板光源參數(shù)，從而使作物生長(zhǎng)更好；

4)測(cè)試培育植物的吸收光譜，與自然條件下的光譜進(jìn)行比較，通過(guò)統(tǒng)計(jì)、歸納、分析，總結(jié)LED燈板參數(shù)對(duì)作物生長(zhǎng)的影響；

5)提出結(jié)論與建議。

葉綠素是植物進(jìn)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(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的同化作用的能力，也反映了植物進(jìn)行光合作用的能力強(qiáng)弱，同時(shí)反映了植物是處于生長(zhǎng)期還是衰弱期。因此，通過(guò)測(cè)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(zhǎng)狀況。

1.1葉綠素提取實(shí)驗(yàn)所用器材和試劑

實(shí)驗(yàn)器材：直尺，50ml燒杯，250ml燒杯，15ml量筒，漏斗，滴管，濾紙，研缽，鐵架臺(tái)，15ml塑料試管，離心機(jī)，托盤天平，比色皿。

實(shí)驗(yàn)樣品：油麥菜。

實(shí)驗(yàn)試劑：丙酮，無(wú)水乙醇。

1.2葉綠素提取實(shí)驗(yàn)步驟

1)將100ml丙酮與50ml無(wú)水乙醇進(jìn)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(jìn)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(tái)上進(jìn)行過(guò)濾，用玻璃棒引流，通過(guò)漏斗過(guò)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(jī)中以2500r/min轉(zhuǎn)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(jì)測(cè)定植物葉片葉綠素的吸收光譜[9]。

光環(huán)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(huán)境和蔬菜的研究和開(kāi)發(fā)是目前研發(fā)重點(diǎn)[6]。光環(huán)境可分為光質(zhì)、光照度和光周期三部分。光質(zhì)可看成是光的波長(zhǎng)，是光的光譜分布(各種光譜對(duì)植物的影響見(jiàn)表1)。光照度對(duì)所有光輻照的總能量。光周期是一天中有光(明期)和無(wú)光(暗期)交替的周期，一般用明/暗期時(shí)間表示。

表1　各種光譜成分對(duì)植物的影響

Smith[7]認(rèn)為，長(zhǎng)波長(zhǎng)的光如紅光有利于莖的伸長(zhǎng)，而短波長(zhǎng)的光如藍(lán)光則對(duì)莖的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官，光質(zhì)能影響植物葉片的生長(zhǎng)情況。紅光和藍(lán)光對(duì)植物的開(kāi)花都有調(diào)節(jié)控制作用。江明艷等[8]的結(jié)果表明，紅光會(huì)推遲花期，但提高花頭的觀賞品質(zhì)；藍(lán)光會(huì)使花期提前，但對(duì)花頭觀賞品質(zhì)無(wú)明顯影響藍(lán)光LED是Cree XLamp XP-E系列，藍(lán)光LED的主波長(zhǎng)為475nm，而白LED是Cree XLamp XP-E-HEW系列的。紅色LED的型號(hào)為OSRAM LR CP7P，主波長(zhǎng)為632nm。紅藍(lán)LED燈板的光譜如圖1所示，紅藍(lán)白LED燈板的光譜如圖2所示。

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

圖2　紅藍(lán)白LED燈板的光譜Fig.2　Spectroscopy of Red-Blue LED panel

2　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用2個(gè)LED燈光源板，分別為紅藍(lán)LED燈板、紅藍(lán)白LED燈板，分別用L1、L2表示。紅藍(lán)LED燈板由60個(gè)紅色LED和24個(gè)藍(lán)色LED組成。紅藍(lán)白LED燈板由60個(gè)紅色LED、12個(gè)藍(lán)色LED和12個(gè)白色LED組成。紅色、藍(lán)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(jì)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的基礎(chǔ)上，考慮到燈板面積不是足夠大，本文采用了Tracepro軟件進(jìn)行相關(guān)的模擬，模擬結(jié)果如圖3和圖4所示。

從數(shù)值模擬結(jié)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(guò)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(lán)光LED，而白光LED和藍(lán)光LED由于都是Cree XLamp系列并且空間光強(qiáng)分布相近，唯一區(qū)別較大的是白光LED的光亮度比藍(lán)光的大。通過(guò)分析可知，白光LED提高了L2燈板的照度均勻性是因?yàn)榘坠釲ED提高了燈板邊上的照度。所以，可以通過(guò)提高邊上LED的亮度來(lái)提高LED燈板的照度均勻性。因此，可以說(shuō)L2燈板的均勻性優(yōu)于L1燈板。

營(yíng)養(yǎng)液栽培部分包括營(yíng)養(yǎng)液、泡沫板、定植杯。營(yíng)養(yǎng)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(gè)定植杯種植一顆植物。為了監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫度和濕度，在每個(gè)燈板下都放了一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)。每天記錄環(huán)境溫濕度值和植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。培養(yǎng)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(xiàn)實(shí)環(huán)境，在燈板旁放置了一個(gè)風(fēng)扇，從側(cè)面吹風(fēng)。LED燈板的電源由定時(shí)器開(kāi)關(guān)插座控制，設(shè)置好開(kāi)關(guān)時(shí)間后，可以實(shí)現(xiàn)智能控制LED燈板開(kāi)關(guān)。培養(yǎng)箱一周換一次水，以保證水環(huán)境潔凈。實(shí)驗(yàn)中期在箱前增加常開(kāi)風(fēng)扇以保證通風(fēng)。

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(shí)驗(yàn)

LED燈板設(shè)置選擇總照度相等，L1總照度為4869lx，L2總照度為4861lx，分別對(duì)應(yīng)于光照量子數(shù)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(lán)光照度之比為7∶1，L2燈板的紅光照度與藍(lán)白光照度之比為3.5∶1。

收獲時(shí)油麥菜的外觀參數(shù)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(zhǎng)指標(biāo)最好；陽(yáng)臺(tái)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(zhǎng)度略短。圖5為油麥菜收獲時(shí)的照片，可知L1燈板下的油麥菜生長(zhǎng)比較壯實(shí)，陽(yáng)臺(tái)上的油麥菜長(zhǎng)的比較小，而L2燈板下的油麥菜植株過(guò)高，節(jié)間過(guò)長(zhǎng)，莖過(guò)細(xì)，葉子薄且扁長(zhǎng)，這些都是徒長(zhǎng)的特征。綜合表2和圖5可知，L1燈下的油麥菜外觀最好，陽(yáng)臺(tái)的生長(zhǎng)比較緩慢，而L2燈板下的油麥菜徒長(zhǎng)情況嚴(yán)重。油麥菜葉子葉綠素和類胡蘿卜素含量情況(色素含量計(jì)算方法可參考筆者已發(fā)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(yáng)臺(tái)組(CK)，L2次之，L1最低。需要說(shuō)明的是，雖然L1的葉綠素含量和類胡蘿卜素含量在三個(gè)光源下最低，但是符合正常水平值，不是L1下的油麥菜生長(zhǎng)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(jié)合表2和圖5，究其原因，是因?yàn)殛?yáng)臺(tái)(CK)下的油麥菜生長(zhǎng)較緩慢，收獲時(shí)正處于快速生長(zhǎng)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?yàn)橥介L(zhǎng)原因也導(dǎo)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(biāo)和第一次油麥菜色素含量計(jì)算結(jié)果

圖5　第一次油麥菜：陽(yáng)臺(tái)(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(zhǎng)狀況最好，即L1燈板光源設(shè)置參數(shù)適合油麥菜生長(zhǎng)，而L2燈板參數(shù)需要修改。綜合考慮，導(dǎo)致油麥菜徒長(zhǎng)的原因可能是紅光過(guò)多，為了驗(yàn)證這個(gè)推測(cè)，將在下次實(shí)驗(yàn)中增加藍(lán)光比重。

2.2第二次油麥菜實(shí)驗(yàn)

在本次實(shí)驗(yàn)中，調(diào)整L2燈板的紅藍(lán)白光的比例，最終確定L1燈板的紅光照度與藍(lán)光照度之比為7∶1，L2燈板的紅光照度與藍(lán)白光照度之比為2.8∶1。從表3可知，L1、L2燈板和陽(yáng)臺(tái)下的油麥菜外觀相差不大。對(duì)比圖5和圖6可知，燈板L2不再出現(xiàn)徒長(zhǎng)，說(shuō)明增加藍(lán)光抑制了油麥菜徒長(zhǎng)的發(fā)生，使油麥菜長(zhǎng)得壯實(shí)，L2中的藍(lán)白光組分光譜與L1燈板中的藍(lán)光不同，因此需要增大藍(lán)白與紅光的對(duì)比，這也從一個(gè)側(cè)面證實(shí)了綠色植物的有效吸收確實(shí)在紅光和藍(lán)光區(qū)域，其他光譜組分對(duì)植物吸收的正向貢獻(xiàn)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(shè)置都能使作物正常生長(zhǎng)。從這個(gè)結(jié)果來(lái)看，似乎藍(lán)白光在植物生長(zhǎng)過(guò)程中顯得不是很有效，但是，如果為了抑制徒長(zhǎng)，可以采用適當(dāng)增加藍(lán)光輻照可以達(dá)到很好的效果。同時(shí)，不同植物生長(zhǎng)階段，植物對(duì)光的需求有所變化，我們還嘗試了植物反季節(jié)花期的光照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了不同的紅藍(lán)比之外，光照時(shí)間和明暗周期也對(duì)植物生長(zhǎng)有影響，這部分結(jié)果正在整理中。

表3　第二次油麥菜外形指標(biāo)和第二次油麥菜色素含量計(jì)算結(jié)果

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

3　結(jié)論及展望

LED燈板中的紅藍(lán)比對(duì)植物生長(zhǎng)影響較大，紅光過(guò)多會(huì)使作物長(zhǎng)的過(guò)高、莖細(xì)葉尖、易倒伏，出現(xiàn)徒長(zhǎng)情況，而藍(lán)光能使作物生長(zhǎng)壯實(shí)，抑制作物徒長(zhǎng)。LED燈板紅藍(lán)比為7∶1時(shí)，作物生長(zhǎng)正常。在紅藍(lán)LED上加入白光LED，當(dāng)合理設(shè)置紅光和藍(lán)白光照度比時(shí)，也能使作物正常生長(zhǎng)，這個(gè)結(jié)果啟發(fā)我們可以在植物徒長(zhǎng)的情況下，適當(dāng)引入藍(lán)光抑制植物的徒長(zhǎng)。同時(shí)在植物的不同生長(zhǎng)階段，對(duì)光的需求也可能有所不同，這方面的工作有待進(jìn)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(guó)科協(xié)的英才計(jì)劃項(xiàng)目資助

O432.1,O432.2

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.026