基于LED光源進行育苗的光質研究

齊健　善新民

【摘 要】結合當前國際國內人工光源育苗的研究形勢，以衢州當地基于LED光源建立的育苗綠色工廠為例，研究基于LED光源進行育苗的光質特性。主要表現在：1）光源單一可調，不受外界自然條件限制；2）紅藍光質合理配比，大大提高光利用率，滿足育苗的光質理論要求。這對當地工廠化設施育苗有借鑒價值。

【關鍵詞】LED光源；育苗；光質

光合作用是通過植物葉綠素等光合器官將CO2和水合成碳水化合物并釋放氧氣的過程。是植物生長發育的主要生理活動，光照為植物光合作用等生理活動提供能量，是植物形態建成的動力，光質對植物的生長發育、物質代謝及基因表達等均有調控作用[1]。光照條件的好壞直接影響植物的產量和品質。

衢州當地四季多陰雨氣候，陰雨季節光照不足影響大田育苗的自然光補給，從而影響種苗數量和質量。種苗質量的優劣是決定作物產量和品質的關鍵，育苗工廠化已成為高品質種苗生產的重要手段。育苗工廠化設施以人工光源的配比和光質要求為主導因素。作者聯合衢州市中恒農業科技有限公司開展基于LED燈照育苗試驗，對比分析LED燈光譜和自然光光譜，結合植物生長需要的光質理論要求，從光強和光譜分布角度說明LED燈光質對育苗的影響，以期相關結果對當地設施育苗推廣有借鑒價值。

1 LED光源的特性

植物對人工光源的要求主要體現在三個方面，即光譜性能、發光效率以及使用壽命等。LED光源是屬于半導體發光物質。由Ⅲ一Ⅳ族化合物，如砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷砷化鎵（GaAsP）等半導體材料制成，其核心是PN結[2]。它是用環氧樹脂封裝的固態光源，其結構中沒有玻璃泡、燈絲等易碎部件。發出單色光，可以自由搭配各種顏色的發光光譜，按照植物生長需要組合利用，提高光的利用率。LED光源屬于冷光源，沒有紅外和遠紅外光譜成分，接近植物表面照射不會出現葉面灼燒等問題。

與普通熒光燈等其他人工光源相比，LED主要具有以下顯著的優勢：1）節能，LED不依靠燈絲發熱來發光，能量轉化率達到80%，節能效果達到熒光燈的4倍，是節能光源的代表。2）環保，普通熒光燈等人工光源含汞，易對環境造成污染，而LED光源沒有任何污染，是一種“清潔”能源。3）壽命長，達5萬小時以上，是熒光燈的5倍以上。4）體積小，可以自由設計成光源板形狀，提高空間利用率。

2 LED光源與自然光的光譜對比

地球上的植物是經過億萬年的自然選擇來不斷適應太陽輻射的。太陽輻射的波長范圍大致為300-2000nm。太陽輻射光譜是連續光譜。主要由無線電波，遠、中、近紅外線，可見光，紫外線（A、B、C），X射線以及極短的宇宙射線等組成，是地球上植物光合作用和生長發育的重要能量源。但是，由于植物對光具有選擇吸收的特征，導致不同光譜成分對植物的影響效果不盡相同。而光合作用和能量轉化僅僅可以利用自然光中很少部分的有效光。波長400-700nm的光質和光譜分布是植物光合作用主要的能量吸收波段，稱為光合作用有效輻射[3]。

衢州低溫寡照季節自然光的光譜如圖1所示，由圖可知，綠光波長處存在強峰，藍紫光和紅橙光峰值不強。而且，藍紫光和紅橙光較綠光波段的強度小，這與植物光合過程中，吸收最多的是紅橙光，其次是藍紫光和紫外線，綠光最少的理論不一致。因此，植物在自然光的條件下補照紅藍光或者單純進行紅藍光質育苗增產在理論上具有可行性。

實驗所用LED燈為合理配比紅光和藍光以后的圓形頂置燈，圖2為實驗所用的紅藍光質組合LED燈光譜圖。由圖可以看出，與自然光雜亂光譜相比，光譜特性明顯，主要表現在：光譜具有兩個主要光強，主要分布在紅藍光波段。其中波長為442nm的是藍光，波長652nm的是紅光，其相對光譜功率分布位于（800-900）μmol·m2·s-1之間，該LED燈主要輻照紅藍光。這與在植物光合過程中，植物吸收最多的是紅、橙光，其次是藍紫光和紫外線，綠光吸收的很少的理論相一致，說明該設計下的LED燈滿足相關育苗光質理論的要求。另外，LED燈光源單一性好，雜光少，可自由配比組合，利用率高。

3 小結

不同的光譜成分對植物的影響效果也不盡相同，強光條件下，藍色光可促進葉綠素的合成，而紅色光則阻礙其合成。雖然紅色光是植物光合作用的主要能量源，但如果沒有藍色光配合則會造成植物形態的異常，大量光譜實驗證明，適當的紅色光與藍色光比才能保證培育出形態合理的植物。

利用LED光源進行育苗的光譜特征結果分析顯示，自然光光譜與植物光合過程中，吸收最多的是紅橙光，其次是藍紫光和紫外線，綠光最少的理論不一致，這為植物在自然光的條件下補照紅藍光或者單純進行紅藍光質育苗增產在理論提供依據。紅藍組合LED燈光譜特性最明顯，波長覆蓋帶寬顯示，光譜呈現兩個主要光強，主要分布在紅藍光波段。滿足育苗光質理論的要求。另外，LED燈光源發光單LED燈光源單一性好，雜光少，可自由配比組合，利用率高。

LED光源是密閉式育苗工廠的理想光源，它的應用可以降低能源消耗和運行成本，提高光源利用率和光環境控制精度，同時對解決環境污染、減少溫室效應有重要意義。

【參考文獻】

[1]Fukuda N，Kobayashi M，Ubukawa M，et al.Effects of Light Quality， Intensity and Duration from Different Artificial Light Sources on the Growth of Petunia（Petunia×hybrida Vilm.）[J].Journal of the Japanese Society for Horticultural Science，2008，71（4）：509-516.

[2]劉江，范廣涵，劉承宣.改進實用型LED生物光源系列[J].應用激光，2003，6（3）：147-151.

[3]周晚來， 劉文科， 聞婧，等.短期連續光照下水培生菜品質指標變化及其關聯性分析[J].中國生態農業學報，2011，19（6）：1319-1323.

[責任編輯：田吉捷]