植物LED光照中光量子通量密度與距離的關系

崔世鋼+郭玉林+吳興利

摘要：在植物工廠的實際生產中，隨著植物的生長發育，植物距離光源的高度會逐漸減小，所獲取的光量子通量密度（photosynthetic photon flux density，簡稱PPFD）也會隨之不斷變化。為探究光量子通量密度與距離的關系，采用矩形均勻排布的發光二極管（light emitting diode，簡稱LED）燈板作為植物光源，改變光源與測量層的距離，并在每一個測量層上均選取7個點作為測量點，測量各個點的光量子通量密度，最后將得到的數據使用曲線擬合的最小二乘法進行擬合。結果表明，隨著距離的增大光量子通量密度下降的速度明顯減緩，LED燈板下方中間測量點PPFD與距離（r）的關系為PPFD=a/（r0.3+b），邊緣測量點PPFD與距離的關系為PPFD=a/（r0.7+b），其中r為LED燈板和被測點之間的距離，a、b為常數；且在只考慮光量子通量密度因素對植物生長影響的條件下，LED燈板和植物之間的距離選擇在10～23 cm 之間比較合適。

關鍵詞：光量子通量密度；距離；LED燈；曲線擬合；最小二乘法

中圖分類號： Q945.11文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0207-03

光量子通量密度（photosynthetic photon flux density，簡稱PPFD）是指單位時間單位面積上所入射400～700 nm范圍內的光量子數，單位為μmol/（m2·s）。不同植物的光補償點和光飽和點有所差異，耐陰植物的光補償點和光飽和點較低，喜陽植物的光補償點和光飽和點較高。

光量子通量密度與距離之間存在非線性關系，在點光源和不考慮光反射的情況下，PPFD與距離的平方成反比。本試驗在實際生產的多光源情況下，通過分析試驗數據，利用曲線擬合的最小二乘法得出兩者之間的變化規律，在植物工廠中選擇合適的LED燈板與植物的距離，從而給植物提供最佳的光量子通量密度，促進植物葉片的光合作用效率，達到提高植物工廠產能的目的[6-7]。

1試驗原理、設備與方法

1.1試驗原理

理想情況下，假設1個點光源單位時間內發出的光量子數為N，被測處距離點光源的距離為r，則光量子通量密度（PPFD）與距離（r）的關系為

PPFD=N4πr2。（1）

說明PPFD與距離的平方成反比，這表明在點光源情況下，PPFD的衰減速度較快，當多光源或光存在反射情況時，公式（1）就不再成立，這時須要根據試驗數據求得兩者之間的關系。

1.2測量光量子通量密度的設備

矩形LED鋁基燈板[8]，長50 cm，寬 40 cm，共有338個白色LED燈珠，電源電壓21.91 V，電流1.52 A，功率33.32 W。LED鋁基燈板正下方固定1個測量層，測量層的尺寸與LED燈板的尺寸相同，測量層表面均勻分布著17×17個測量點，測量層和LED燈板之間的距離可以上下調節。

1.3試驗方法

為找出光量子通量密度與距離的關系，使用光量子通量密度測量儀測量距離范圍為10～50 cm之間的17層數據，每層選擇3個中間數據測量點，4個邊緣數據測量點，第1～第7個測量點測量得到的光量子通量密度分別用PPFD1～PPFD7表示，選取的7個測量點位置如圖1所示。

2結果與分析

根據試驗條件，LED燈板與被測點的距離范圍在10～50 cm 之間時的PPFD數值如表1所示，為更好地觀測PPFD與距離之間的數據變化規律，將某一層測量點得到的PPFD數值與上一層測量點得到的PPFD數值相減得到各測量點的PPFD 下降值。 由表2可知， 中間測量點在距離范圍為 10～

23 cm時，PPFD下降值的范圍為5～28 μmol/（m2·s）；距離范圍為 25～48 cm時，PPFD下降值維持在3 μmol/（m2·s）左右。邊緣測量點的距離范圍為10～33 cm時，PPFD下降值的范圍為2～55 μmol/（m2·s）；距離范圍為35～48 cm時，PPFD下降值的范圍為1～12 μmol/（m2·s）。中間測量點在距離范圍為10～23 cm時PPFD下降的速度較快，在距離范圍為25～48 cm時下降的速度較慢；邊緣測量點在距離范圍為 10～33 cm時PPFD下降的速度較快，在距離范圍為35～48 cm 時下降的速度較慢。根據這一特性，在只考慮PPFD因素對植物生長影響的條件下，LED燈板和植物之間的距離選擇在10～23 cm比較合適，測量點可以得到比較高的PPFD數值，同時可以相應地節約電能，減少設備的投資成本。

使用曲線擬合的最小二乘法求出PPFD（y）與距離（r）的關系式，選用的數學模型為y=arc+b，該模型用于中間測量點時c為0.3，用于邊緣測量點時c為0.7。由于擬合曲線方程y=arc+b不是線性形式，所以令r=rc、y=1y、a=1a、b=ba，

則擬合曲線方程轉化為 y=ar+b的二元一次方程形式，根據曲線擬合的最小二乘法可以求得相應的a、b、c值。根據以上原理，可以求出7個測量點與距離之間的關系分別如公式（2）至公式（8）所示。根據公式（2）至公式（8）可以得出，在改變相同距離時，1/r0.3數值的改變量比1/r0.7數值的改變量小， 因此LED燈板中間正下方的PPFD數值隨著距離增大而衰減的數值與LED燈板邊緣下方的PPFD數值隨著距離增大而衰減的數值相比， 衰減速度較小，當LED燈板上的LED燈

均勻分布時，中間測量點測得的數值比邊緣測量點測得的數值大。

PPFD1=526.32r0.3+0.526；（2）

PPFD2=555.55r0.3+0.611；（3）

PPFD3=476.19r0.3+0.095；（4）endprint

PPFD4=1 908.4r0.7+0.443；（5）

PPFD5=1 666r0.7-1.667；（6）

PPFD6=1 428r0.7-1.857；（7）

PPFD7=2 053r0.7+0.811 7。（8）

利用公式（2）至公式（8）建立起來的PPFD與距離的非線性曲線關系如圖2至圖8中帶*號曲線所示，與試驗測得的數據曲線非常接近。

3結論與討論

通過試驗數據可以得出，中間測量點的光量子通量密度與距離之間的關系為PPFD=a/（r0.3+b），邊緣測量點光量子通量密度與距離的關系為PPFD=a/（r0.7+b），前者比后者變化速率小，衰減速度比后者小。因此，在LED燈板上LED燈分布均勻的前提下，中間測量點測得的數值比邊緣測量點測得的數值大。中間測量點在距離為10～23 cm時PPFD下降速度較快，在距離為25～48 cm時下降速度較慢；邊緣測量點的距離在10～33 cm時PPFD下降速度較快，在距離為35～48 cm時下降速度較慢。根據這一特性，在只考慮PPFD因素對植物生長影響的條件下，LED燈板與植物之間的距離選擇在10～23 cm比較合適，測量點可以得到較高的PPFD數值，同時可以相應地節約電能，減少設備的投資成本。

參考文獻：

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