LED植物補光照明系統對擬南芥萌發率的效用探究

趙啟蒙 周小麗 周明琦 劉木清

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海200433)

1 引言

我國作為世界上的農業大國，以僅有世界7%的耕地養活了占世界22%的人口，農業在我國國民經濟中有著重要的地位。但是目前我國大部分農業仍然使用著傳統的粗放式種植方式，高成本，低效率，存在污染。高效節能無污染的新型農業種植技術成為了當前國民經濟中亟待發展的一環［1］。近些年來，隨著大功率LED技術的不斷發展，使得紅光、藍光和遠紅外光等大功率單色光LED的技術越來越成熟。由于大功率單色光LED具有光源體積小、光效高、壽命長、波長范圍窄與冷光源等特點，而且可以實現與光合作用吸收峰值波長完全吻合，較傳統光源有著明顯的優勢。因此LED光源在農業領域的應用具有良好的發展前景［2］。本文利用模塊化設計理念，配合帶調光功能的驅動器，自行設計用于植物生長補光的LED模塊，多個LED模塊組成LED照明系統。并采用擬南芥作為生長植物，使用自行設計的LED植物生長補光照明系統和傳統熒光燈照明系統進行對比補光，初步分析了LED植物生長補光照明系統對于植物的效用。

2 LED植物生長補光照明系統的模塊化設計

自行設計的LED植物生長補光照明系統主要是由多個LED植物生長補光燈模塊組成。為了方便使用者組裝、更換和維護，在該燈具的設計中采用模塊化設計，每一個模塊都可實現獨立照明以及獨立調光，單獨模塊主要包括1W單色LED器件、PCB板、散熱器、光學透鏡、驅動電源、調光控制器以及定時器等幾個部分，具體實樣見圖1。

圖1 LED植物生長補光照明系統

根據植物對光的吸收特性(即植物在660nm的紅光與450nm的藍光兩個波段存在兩個光能吸收高峰)以及LED的光源的特點，我們選取了峰值波長在660nm和450nm兩種單色LED器件，并在一組照明系統中加入了735nm的紅外LED器件，通過對比試驗探求紅外光在植物生長中所起的作用(目前紫外LED是有的，但是由于價格過高，光效比較低，因此沒有選擇加入紫外進行實驗)。根據所購的LED器件繪制了PCB電路板，長條狀，焊接14顆LED器件。選取兩個660nm模塊、一個450nm模塊以及一個735nm模塊點亮如圖2所示。

圖2 2個紅光模塊、1個藍光模塊和1個紅外光模塊點亮圖

調光控制器主要由帶調光功能(0～10VDC)的驅動電源、12VDC穩壓信號源以及自行焊接的阻值為1K歐姆旋鈕變阻器和阻值為1K歐姆的電阻搭建。因為所購的驅動電源輸出電流為600mA，而單色LED的工作電流為350mA，所以利用1K歐姆的電阻來進行分壓，從而實現1K歐姆旋鈕變阻器兩端電壓從0V～6V連續可調，接入驅動電源的調光電路，由此可算出驅動電源輸出電流實現0mA～360mA的連續可調。利用調光控制器可以實現紅藍光質比(R/B)的連續可調，設置不同的光質比，以探求特定植物生長所需的最佳紅藍光質比，同時可以探求特定植物生長的最佳光照強度。定時器將實現光照周期的控制，在每天的特定時間段對植物進行照射。為了保證照射的均勻性，在模塊中加入了光學透鏡，根據植物排布情況進行光斑設計。光學透鏡的光斑圖如圖3所示。

圖3 光學透鏡的光斑圖，實現對照射面積的均勻照射，提高植物的吸收效率

3 LED植物生長補光照明系統的測試

3.1 光源的輻射光譜能量分布

使用遠方PMS80紫外—可見—近紅外光譜分析系統對實驗所使用的熒光燈和LED模塊進行輻射光譜能量分布測試。LED模塊主要測試了660nm紅光和450nm藍光兩個模塊，熒光燈為30W的T8植物補光專用熒光燈。660nm紅光峰值波長在655nm，平均波長為653nm;450nm藍光峰值波長在450nm，平均波長為451nm，與廠家提供參數吻合。T8熒光燈光譜在436nm、491nm、546nm、561nm以及627nm存在數個峰值。測試結果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 660nm紅光光譜分析圖

圖5 450nm藍光光譜分析圖

圖6 熒光燈光譜分析圖

根據植物學上的光合作用理論，植物并非利用太陽光的全部成分來進行光合作用。在波長640～660nm的紅光區域部分，葉綠素a(chlorophyII a)有一個較強的吸收峰;葉綠素b(chlorophyII b)在430～450nm的藍光部分有一個強吸收峰。紅色光譜是光合作用的能量源，紅光促進植物莖的生長。藍光可以促進氣孔開放，有助于外界的二氧化碳進入細胞內，促進葉的生長［3］。光譜范圍對植物生長的影響見表1。葉綠素吸收光譜見圖7［4］。

結合葉綠素a、b吸收光譜以及光譜范圍對植物生長的影響來對比LED和熒光燈光譜，不難發現，相比于生長箱自帶的熒光燈，我們所采用的LED0植物生長補光照明系統采用葉綠素a、b兩個吸收光譜峰值660nm和450nm。能夠發出植物生長所需的單色光光譜，與葉綠素吸收光譜峰值完全吻合，將實現促進植物高效生長，提高植物對光能的利用效率，降低能耗等多方面效益。

表1 光譜范圍對植物生長的影響

圖7 葉綠素a、b吸收光譜

3.2 光源照度值測量

用照度計對兩個植物生長箱中植物擺放位置進行照度測量。采用LED植物生長補光照明系統的測量位置為LED模塊正下方20cm。熒光燈由于是植物生長箱自帶，側立著對植物進行照射的，從靠近熒光燈到遠離熒光燈有個很明顯的遞減梯度，因此我們在距離熒光燈3組不同距離(10cm、20cm、30cm)上面各選取了5個點，測量其照度值。實驗現場照度分布如圖8、圖9所示。

圖8 LED照度分布圖(單位:lx)

圖9 熒光燈照度分布圖(單位:lx)

對比熒光燈與LED照度分布圖，照度值從靠近熒光燈的那一組向遠離熒光燈方向遞減，造成受照面的照度均勻性很低，3組植物接受的光照相差很大，對于植物的生長很不利。在進行種子培育或植物生長的時候，需要定期手動調換植物的位置，對于實驗的進行造成不便。從LED植物生長補光系統的照度圖可以看出，均勻性較熒光燈有了很大的改善，通過在模塊中加入的光學透鏡，很好的解決了受照面植物接受光照的均勻性問題，而且做成模塊后，便于安裝和維護，掛在植物正上方，可以實現從每一層對植物進行近距離照射。計算平均照度后發現，兩者平均照度接近，然而熒光燈組功率為30W*8=240W，而LED組功率為14W*4=56W，一個生長箱中需要2個LED

植物生長補光照明系統，因此LED組總功率為56W*2=112W，可以看出，在節能方面LED組表現更為優異。

4 植物生長實驗的測試

本次實驗在植物培養箱中進行，搭建2組對比樣本。其中1組利用30W的T8植物補光專用熒光燈進行補光，總功率為240W。另外1組采用1個LED植物生長補光照明系統進行補光。LED植物生長補光照明系統采用兩條峰值波長為660nmLED燈條模塊、一條峰值波長為450nmLED燈條模塊以及一條峰值波長為735nm燈條模塊，總功率為56W。LED燈條模塊組光強連續可調，實現對紅藍光質比、紅紅外光質比以及藍紅外光質比的連續可調。使用培養皿進行擬南芥種子萌發率測試實驗，實驗場景見圖10。

實驗用的材料:擬南芥:Col 0野生型以及MS培養基:MS粉(Sigma)4．41 g/L，蔗糖(上海強順)30 g/L，植物凝膠(GeneTech)2.6 g/L，milliQ水(millipore)l L。

圖10 LED植物補光照明系統實驗場景圖

實驗方法:取適量新鮮擬南芥種子，依次經75%乙醇處理30 s，無菌水清洗2～3次，18%次氯酸鈉處理8 min，無菌水清洗2～3次，無菌吸水紙吸干，置于預先配置好MS培養基的無菌培養皿上，22℃溫度條件下培養，光周期為16 h光照，8 h黑暗。實驗組光源為LED，對照組為白色熒光燈。實驗設三組重復。播種后6天內每24h統計一次種子萌發率。播種后6天統計最終萌發率并進行方差分析。實驗結果見表2以及圖11。

表2熒光燈組與LED組擬南芥種子萌發率實驗結果

從表2和圖11中可以得出以下結論:(1)p＞0.05，LED組與熒光燈組最終萌發率無差異;(2)萌發時間上，白光組略快于LED組，可能與LED燈光譜與光質有關;(3)萌發后的幼苗子葉顏色上，相比白光組LED組明顯更為暗黃，提示葉綠素合成受到抑制，可能與LED燈光譜與光質有關。由此看出現有的LED光源與白光相比，對種子最終萌發率影響不大。但可能由于遠紅光的作用影響了種子萌發過程中的光誘導調控，延緩了萌發時間。LED組萌發后幼苗子葉存在變黃的現象，可能由于現有光譜或LED光質影響了葉綠素合成與降解途徑導致。需要進一步實驗來證明。

5 結論與討論

根據光譜范圍對植物生長的影響以及LED的光源特性，本文設計了一種用于植物生長補光的LED照明系統。采用了模塊化設計，便于安裝及日常維護。加入了0～100%連續可調光的調光控制器，實現各個模塊的單獨調光控制，可調節紅藍光質比以及總的光照強度，便于設置不同的光質比及光照強度進行對比實驗。通過光譜分析及照度測試的實驗，參考光源對于植物補光影響的兩個重要參數的對比(光譜的輻射能量分布和光照度)，可以看出LED植物生長補光照明系統在這兩項數據上都優于熒光燈。在擬南芥種子萌發率的試驗中，采用LED，在功率為熒光燈的一半左右時，就獲得了與熒光燈接近的萌發率。足以顯示LED在農業領域應用的廣闊前景。同時可以看出遠紅外能夠起到對植物生長時間進行調控的作用。該LED照明系統的設計對于植物補光領域來說具有一定積極的意義。為后續用于植物生長補光的LED照明系統的改進以及后續的植物實驗提供了可參考的數據［5］。

［1］曲溪，葉方銘，宋潔瓊．LED燈在植物補光領域的效用探究．燈與照明，2008．32(2)．

［2］魏靈玲，楊其長，劉水麗．LED在植物工廠中的研究現狀與應用前景．農業工程學報，2007．23．

［3］周國泉，徐一清，付順華．溫室植物生長用人工光源研究進展．浙江林學院學報，2008．25(6)．

［4］Winslow R．Briggs，Margaret A．Olney．Photorec-eptors in Plant Photomorphogenesis to Data．Five Ph-ytochromes，Two Cryptochromes，One Phototropin a-nd One Superchrome．Plant Physiology，January 2001，Vol．125，pp．85～88．

［5］崔瑾，徐志剛，邸秀茹等．LED在植物設施栽培中的應用和前景［J］．農業工程學報，2008，24(8):249～253．