植物溫室常用熒光光源的分析及測試*

徐大鵬 尹永智

(1.蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,甘肅蘭州 730000;2.蘭州大學(xué)教育部中子應(yīng)用技術(shù)工程研究中心,甘肅蘭州 730000)

溫室由于具有保溫、控溫等特點，打破了植物隨自然生長的季節(jié)性，克服了低溫等氣候條件對作物生產(chǎn)的約束，因此有著廣泛的應(yīng)用。在溫室中光源是不可或缺的重要組成部分，其研究一直長盛不衰。

1 植物溫室常用光源概述

1.1 植物的光合作用

光合作用是自然界中有機物質(zhì)的唯一來源，植物是進行光合作用的主要生命體，在植物體內(nèi)的光合作用過程主要包含兩個階段：光反應(yīng)和暗反應(yīng)。在光反應(yīng)階段，植物葉綠體內(nèi)的天線色素系統(tǒng)將收集起來的光能傳遞給反應(yīng)中心色素，該色素受光量子激發(fā)而產(chǎn)生電子躍遷，經(jīng)過電子傳遞鏈就會形成大量的三磷酸腺苷（ATP）能量，在暗反應(yīng)階段這些能量被利用于合成有機物[1]。所以任何植物對光照期和暗期都有恰當(dāng)?shù)男枨螅@也是人工補光的基本原理。因此，就出現(xiàn)了人工光源照射下植物各種發(fā)育性狀的研究以明確人工光源的生物效果，如利用人工光源照射烤煙[2]、武夷巖茶[3]和生菜[4]等就是近幾年開展的研究。另外，關(guān)于光源基本物理特性和配置的研究也有很多。

1.2 溫室常用光源

溫室中的光環(huán)境設(shè)置通常有三種方式：第一種是日光投射，適當(dāng)配置反光幕。這種方式的優(yōu)點是經(jīng)濟實惠，缺點是光環(huán)境隨地理位置、季節(jié)和氣象條件會發(fā)生變化，光合有效光量子流密度、光質(zhì)和光照時間難于調(diào)控，該方式主要用于普通的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。第二種方式是對投射的日光利用透光材料進行選擇性調(diào)節(jié)，同時鋪助人工光源。這種方式的優(yōu)點是受天氣、地域、氣候的影響相對較小，缺點是費用比第一種方式高，光合有效光量子流密度、光質(zhì)和光照時間的調(diào)節(jié)有一定限度，該方式多用于高級農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和部分科學(xué)研究。第三種方式是完全利用人工光源進行光控。這種方式的優(yōu)點是完全不受天氣、地域、氣候的影響，缺點是費用偏高，對人工光源需要進行嚴(yán)格的測試和選擇，該方式主要用于科學(xué)研究。

以上所提到的第二種和第三種溫室光環(huán)境設(shè)置方式都需要對人工光源進行選擇和合理的配置。在溫室中普遍使用的人工光源有白熾燈、熒光燈、氣體鈉燈、金屬鹵化物燈和LED燈等。最早在溫室中應(yīng)用的是白熾燈，白熾燈具有連續(xù)光譜，其可見光輻射只占總輻射能的10～20%，所以發(fā)光效率較低，白熾燈壽命較短，約為1000h。目前在溫室中應(yīng)用較廣的是熒光燈，其發(fā)光光譜基本位于可見光區(qū)域，因此發(fā)光效率高，約為白熾燈的4倍，壽命可以達到3000h。熒光燈還可通過改變熒光粉來獲得所需的特殊光譜，以滿足不同的需求。熒光燈的缺點是功率因數(shù)低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜故障率相對較高。在一些溫室中還經(jīng)常配有氣體鈉燈，它的發(fā)光效率更高，其輻射光譜集中在黃光區(qū)，因此生理輻射較強。溫室中也時常會配有金屬鹵化物燈，其功率大，發(fā)光效率也較高，使用壽命一般為4000h。LED作為新型照明光源，既可提供連續(xù)光譜又可提供各種單色光，雖然目前在溫室中的應(yīng)用還不是很普遍，但其應(yīng)用前景已被發(fā)現(xiàn)。另外，還有一些人工光源也可用作溫室光源，如碘鎢燈、水銀燈、氙氣燈等。

1.3 熒光燈的結(jié)構(gòu)和類型

熒光燈由燈管、起輝器、鎮(zhèn)流器和燈座（燈架）等部分組成。燈管：由玻璃管和燈絲及燈絲引出腳等構(gòu)成，玻璃管內(nèi)壁涂有熒光材料，管內(nèi)抽低真空后充入少量汞蒸汽和適量惰性氣體（一般為氬氣）。起輝器：由氖泡、小電容、出線腳和外殼構(gòu)成，氖泡內(nèi)裝有動觸片和靜觸片。鎮(zhèn)流器：分電子式和鐵芯電感式，電子式結(jié)構(gòu)輕巧且價格便宜，鐵芯電感式由鐵芯和電感線圈組成[5]。

目前，熒光燈主要有三類：直管型熒光燈、高光通單端熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈[6]。其中直管型熒光燈是溫室中主要用到的類型，該類熒光燈按直徑的大小常見的有三種：T4（12.7mm）、T5（16mm）和T8（25.4mm），市場上銷售的長度從120mm到2400mm，功率類型從4W到125W等多種規(guī)格。溫室中，常用的直管熒光燈一般以24W及以上發(fā)射白色光的居多。

2 T4熒光燈管的性能測試分析

2.1 實驗方法

本研究選用市售28W同一批次全新、用過1000小時和用過2000小時的三種T4燈管進行性能測試，所用測試實驗室做了遮光處理，實驗區(qū)域的本底光強均為4.5勒克斯（lux）。使用正泰交流穩(wěn)壓器將市電穩(wěn)壓后供所測試的燈管使用，選擇燈管中央位置正下方500mm處，利用泰仕TES-1334A光照度計進行光強測量。

2.2 啟動穩(wěn)定性測試分析

對三種處理的T4燈管，我們首先進行了啟動穩(wěn)定性測試，從啟動開始每隔2分鐘測量一次光強，共測量6次，結(jié)果如圖1所示。由該圖可見T4燈管的光強在啟動之初迅速上升，到最大值后略有下降，將上升到最大值的時間稱為啟動穩(wěn)定時間。由圖1可以發(fā)現(xiàn)全新燈管的啟動穩(wěn)定時間為2分鐘，用過1000小時和用過2000小時的兩種燈管的啟動穩(wěn)定時間為4分鐘。另外，0～2分鐘之間的直線斜率也是全新燈管最大，用過2000小時的燈管最小。這些現(xiàn)象說明隨著T4燈管的使用，其啟動穩(wěn)定性在推遲和減慢。

2.3 光衰性能測試分析

圖1 啟動10分鐘內(nèi)的光穩(wěn)定曲線

接著，我們對三種處理的T4燈管進行了290分鐘的光衰減測試，從啟動10分鐘開始每隔10分鐘測量一次光強，直到第300分鐘時為止，共測量30次，結(jié)果如圖2所示。由該圖發(fā)現(xiàn)全新燈管的光衰減明顯，300分鐘共下降了8.5%，而“用過1000小時”和“用過2000小時”的燈管的光衰減并不明顯，300分鐘分別下降了1.1%和0.7%。同時，我們還發(fā)現(xiàn)全新燈管在前200分鐘的光衰減更加顯著，下降了7.4%，后100分鐘的光強只衰減了1.1%。另外，全新燈管的平均光強為444.7lux，明顯高于“用過1000小時”和“用過2000小時”燈管的平均光強（分別為362.3lux和286.8lux）。這些結(jié)果表明，T4新燈管具有較高的光強，但在使用時的光衰性能較差，而使用越久的T4燈管的光強越小，但其光衰性能較好。

2.4 燈座性能測試分析

我們還將同一根全新T4燈管裝入三個不同廠家的燈座上，測量了300分鐘內(nèi)燈管中央位置正下方500mm處的光強，計算平均值并作圖3。可以看出，不同廠家的燈座的性能存在差異，且差異之間具有顯著性。這應(yīng)該是由于各廠家燈座中起輝器和鎮(zhèn)流器等電子元件制作材料和工藝的不同所引起的。

圖2 啟動300分鐘內(nèi)的光衰減曲線

圖3 安裝不同燈座的平均光強

3 討論

溫室光源的性能會直接影響到植物的生長發(fā)育，進而對作物的生產(chǎn)和科學(xué)研究造成影響。因此，有必要研究溫室光源的各項重要性能指標(biāo)。以上研究表明，T4熒光燈管的啟動穩(wěn)定性能較高，雖然使用過一定時間后會有所下降，但在一般植物培育過程中不會產(chǎn)生影響。全新T4熒光燈管的光強較高，但在使用過程中的光衰性能不佳，因此在生產(chǎn)和實驗中應(yīng)增強監(jiān)測或提前對其進行光強測試。使用過1000小時后的T4熒光燈管的光衰性能較好，一般不需要保持監(jiān)測，但其光強卻大幅降低，因此還應(yīng)當(dāng)考慮補充光源。關(guān)于影響熒光燈光衰的因素較多，既與玻璃管、燈絲、電子粉和發(fā)光熒光粉等材料的性能有關(guān)，也與熒光燈管生產(chǎn)工藝和燈絲的分解處理有關(guān)[7]。另外，在選擇配置T4熒光燈時，如果對光強的要求較高，還應(yīng)該多比較不同廠家的燈座性能。