引言
光照在植物生長(zhǎng)的過(guò)程中起關(guān)鍵的作用，它是促進(jìn)植物葉綠素的吸收和胡蘿卜等多種植物生長(zhǎng)質(zhì) 素吸收的最好肥料。然而，決定植物生長(zhǎng)好壞的決定因素是一個(gè)綜合因素，不僅與光有關(guān)，而且與水土肥料的配置、生長(zhǎng)環(huán)境條件和綜合技術(shù)管控都有著密不可分的關(guān)系。
最近兩三年，有關(guān)半導(dǎo)體照明技術(shù)在立體式植物工廠或植物生長(zhǎng)方面的應(yīng)用報(bào)道層出不窮。但仔細(xì)讀下來(lái)，總有一些不安的感覺?？傮w上說(shuō)是沒有能夠真正認(rèn)識(shí)到光應(yīng)用到植物生長(zhǎng)上應(yīng)該起到什么作用的問(wèn)題.
首先來(lái)認(rèn)識(shí)一下太陽(yáng)的光譜，如圖1所示?？梢钥吹剑?yáng)光譜是一個(gè)連續(xù)譜，其中藍(lán)色與綠色光譜相對(duì)于紅色光譜而言要強(qiáng)，其可見光光譜范圍在380~780 nm左右。自然界的生物的生長(zhǎng)是與光譜的強(qiáng)度有關(guān)的，比如在赤道附近區(qū)域大多數(shù)植物的生長(zhǎng)速度是非?？斓?，同時(shí)生長(zhǎng)的尺寸也比較大。但太陽(yáng)的照射強(qiáng)度不是越高越好，對(duì)于動(dòng)植物的生長(zhǎng)是有一定選擇性的。
其次，第2個(gè)關(guān)于植物生長(zhǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵吸收要素的光譜簡(jiǎn)圖，如圖2所示。
從圖2可以看到，影響植物生長(zhǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵生長(zhǎng)素對(duì)于光的吸收光譜是有顯著區(qū)別的。因此，LED 植物生長(zhǎng)燈的應(yīng)用不是件簡(jiǎn)單的事，而是非常有針對(duì)性的。在這里有必要介紹兩個(gè)最主要的光合作用植物生長(zhǎng)要素的概念。
葉綠素
葉綠素(chlorophyll)是一類與光合作用(photosynthesis)有關(guān)的最重要的色素，存在于所有能營(yíng)造光合作用的生物體，包括綠色植物、原核的藍(lán)綠藻(藍(lán)菌)和真核的藻類。葉綠素從光中吸收能量，然后能量被用來(lái)將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔铩?/p>
葉綠素a主要吸收紅光，葉綠素b主要吸收藍(lán)紫光，主要是為了區(qū)別陰生植物與陽(yáng)生植物。陰生植物的葉綠素b和葉綠素a的比值小，所以陰生植物能強(qiáng)烈地利用藍(lán)光，適應(yīng)于遮陰處生長(zhǎng)。 葉綠素a呈藍(lán)綠色，葉綠素b呈黃綠色。葉綠素a、葉綠素b的強(qiáng)吸收帶有兩個(gè)，1個(gè)在波長(zhǎng)為630~680 nm 的紅光區(qū)，另1個(gè)在波長(zhǎng)為400~460 nm的藍(lán)紫光區(qū)。
類胡蘿卜素
類胡蘿卜素(carotenoids) 是一類重要的天然色素的總稱，普遍存在于動(dòng)物、 高等植物、真菌、藻類中的黃色、橙紅色或紅色的色素之中。迄今被發(fā)現(xiàn)的天然類胡蘿卜素已達(dá)600多種。
類胡蘿卜素吸收光涵蓋范圍在OD303~505 nm，它提供食物的顏色并影響人體對(duì)食物的攝取;在藻類、植物以及微生物中，因其顏色被葉綠素覆蓋而無(wú)法呈現(xiàn)。在植物細(xì)胞中，產(chǎn)生的類胡蘿卜素除了吸收并轉(zhuǎn)移能量幫助光合作用的進(jìn)行，同時(shí)還具有保護(hù)細(xì)胞免于被激態(tài)的單電子鍵氧分子破壞的功能。
一些概念誤區(qū)
無(wú)論從節(jié)能效果還是光的可選擇性以及光的配合方面，半導(dǎo)體照明已顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。然而從這兩年的快速發(fā)展中也看到很多光的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用 上存在的一些誤區(qū)，主要有以下幾個(gè)方面的體現(xiàn)。
?、僦灰岩欢úㄩL(zhǎng)的紅、藍(lán)芯片按照一定的比例進(jìn)行組合就可以運(yùn)用到植物的培養(yǎng)中去，比如紅藍(lán)比為4:1，6:1，9:1等等。
②只要是白光的燈就可以代替太陽(yáng)的光照，比如日本廣泛使用的三基色白光燈管等等，這些光譜的使用對(duì)于植物的生長(zhǎng)是有一定的作用，但是效果不如LED做出的光源好。
?、壑灰前压庹盏囊粋€(gè)重要參數(shù) PPFD(光量子通量密度)達(dá)到某一個(gè)指標(biāo)就可以了，比如 PPFD大于200 μmol·m-2·s-1，但是在使用這個(gè)指標(biāo)的時(shí)候一定要注意是陰生植物還是陽(yáng)生植物，要去查詢或者找到這些植物的光補(bǔ)償飽點(diǎn)，又叫光補(bǔ)償點(diǎn)。在實(shí)際的應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)苗被燒傷或者枯萎的情況，因此在此參數(shù)的設(shè)計(jì)上一定要根據(jù)植物種類、生長(zhǎng)的環(huán)境和條件來(lái)進(jìn)行有針對(duì)性地設(shè)計(jì)。
關(guān)于第1個(gè)方面，在引言部分中已經(jīng)介紹，對(duì)于植物生長(zhǎng)所需要的光譜應(yīng)該是一個(gè)有一定分布寬度的連續(xù)譜，使用光譜很窄(如圖3(a))的紅、藍(lán)兩個(gè)特定波長(zhǎng)芯片制成的光源很顯然是不合適的，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，植物會(huì)發(fā)生偏黃，葉莖很輕，葉莖很單薄等等現(xiàn)象。
對(duì)于前些年被普遍使用的以三基色為主的熒光燈管，雖然合成了白色，但其紅、綠、藍(lán) 光譜都是分立的(如圖3(b))，而且光譜的寬度很窄，下面連續(xù)部分的光譜強(qiáng)度相對(duì)比較弱，同時(shí)功率相對(duì)于LED等而言還是偏大的，1.5~3倍的能耗。 因此，在使用效果上是不如LED燈的。
PPFD即光量子通量密度，它是指在光合作用中光的有效輻射光通量密度，表示單位時(shí)間、單位面積上在400~700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)入射到植物葉莖上的光量子總數(shù)。其單位是μE·m-2·s-1(μmol·m-2·s-1)。而光合有效輻射(PAR)是指波長(zhǎng)在400~700 nm范圍內(nèi) 的太陽(yáng)總輻射。它既可用光量子來(lái)表示，也可用輻射能量來(lái)表示。
以往使用的照度計(jì)所反應(yīng)的光強(qiáng)是亮度，但由于植物生長(zhǎng)的光譜因其光源離植物的高度、光的覆蓋面以及光線能否通過(guò)葉片等而發(fā)生變化等，因此在研究光合作用時(shí)作為光強(qiáng)的指標(biāo)是不夠確切的，現(xiàn)大多采用PAR。
一般陽(yáng)性植物PPFD> 50 μmol·m-2·s-1即可啟動(dòng)光合作用機(jī)制;而陰生植物 PPFD僅需20 μmol·m-2·s-1。所以選購(gòu)LED植物燈時(shí)，可根據(jù)這一參考值和自己栽種的植物類型來(lái)選購(gòu)LED 植物燈的數(shù)量。比如，單顆LED植物燈泡PPFD若為 20 μmol·m-2·s-1，則若種植陽(yáng)性植物需要3顆以上的 LED植物燈泡。
幾種半導(dǎo)體照明的設(shè)計(jì)方案
半導(dǎo)體照明用于植物生長(zhǎng)或種植，主要有兩種基本參考方法。
目前國(guó)內(nèi)炒得很熱的室內(nèi)種植模式。這種模式有幾個(gè)特點(diǎn)：
?、貺ED燈的作用是提供植物照明的全光譜，需要燈具提供全部的照明的能量，生產(chǎn)成本比較高;
?、贚ED植物生長(zhǎng)燈的設(shè)計(jì)需要考慮光譜的連續(xù)性和完整性;
?、坌枰獙?duì)照明的時(shí)間和照明的強(qiáng)度進(jìn)行有效地控制，比如要讓植物休息幾個(gè)小時(shí)，照射的強(qiáng)度不夠還是過(guò)強(qiáng)等因素;
?、苋绦枰７轮参镌趹敉鈱?shí)際最佳生長(zhǎng)環(huán)境所需要的條件，如濕度、溫度和CO2的濃度等。
具有較好的戶外大棚種植基礎(chǔ)的戶外種植模式。此種模式的特點(diǎn)為：
?、貺ED燈的作用是用來(lái)補(bǔ)光的，一是加強(qiáng)在白天有日照的情況下藍(lán)光區(qū)域和紅光區(qū)域的光強(qiáng)，促進(jìn)植物的光合作用，二是在夜間沒有日照的時(shí)候進(jìn)行補(bǔ)償，促進(jìn)植物生長(zhǎng)速度;
②補(bǔ)光燈需要考慮植物處在哪個(gè)生長(zhǎng)階段，比如是育苗期，還是開花結(jié)果期等。
因此LED植物助長(zhǎng)燈的設(shè)計(jì)首先就應(yīng)該有兩種最基本的設(shè)計(jì)模式，即全天候照明使用(室內(nèi))和植物生長(zhǎng)補(bǔ)光使用(戶外)。 對(duì)于室內(nèi)植物種植，LED植物助長(zhǎng)燈的設(shè)計(jì)需要考慮3個(gè)方面，如圖4所示。不可以直接拿三基色的芯片按照一定的比例來(lái)封裝。
比如，一種育苗階段的光譜，考慮其需要加強(qiáng)根和莖的生長(zhǎng)，加強(qiáng)分葉分叉，其光源的使用又是在室內(nèi)，因此光譜可以設(shè)計(jì)成圖5的形式。
對(duì)于第2類LED植物助長(zhǎng)燈的設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)在室外大棚種植的基地進(jìn)行補(bǔ)光助長(zhǎng)的設(shè)計(jì)方案。 其設(shè)計(jì)思路如圖6所示。
作者建議更多的種植企業(yè)采用第2種方案利用 LED燈具促進(jìn)植物生長(zhǎng)。
首先中國(guó)的戶外大棚種植已經(jīng)有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，量大面廣，南方、北方都有，有良好的大棚種植技術(shù)基礎(chǔ)，為周邊城市提供了大量新鮮上市蔬果，尤其是在有土和水肥種植方面取得了豐富的研究成果。
其次，這種補(bǔ)光方案可以大大減少能源的不必要消耗，同時(shí)能夠有效地提高蔬果產(chǎn)率，加上我國(guó)地緣遼闊，十分方便推廣。
作為L(zhǎng)ED植物照明的科學(xué)研究，也為其提供了更廣闊的實(shí)驗(yàn)基地。圖7是本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的1種適合于大棚種植補(bǔ)光的LED助長(zhǎng)燈，其光譜如圖8所示。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果十分顯著。比如，育苗助長(zhǎng)燈，原來(lái)使用的燈管是熒光燈，功率為32 W，育苗周期為40天。我們提供了一款12 W的LED燈，育苗周期縮短為30天，并有效地降低了育苗車間燈具溫度的影響，節(jié)省了空調(diào)耗電量。苗的粗壯度、長(zhǎng)度和顏色都好于原有的育苗方案。對(duì)于普通蔬菜的育苗，也獲得了很好的驗(yàn)證結(jié)論，其總結(jié)如下表所示。
其中，補(bǔ)光組PPFD：70~80 μmol·m-2·s-1，紅藍(lán)比：0.6~0.7;自然組白天PPFD值變動(dòng)范圍為40~800 μmol·m-2·s-1 ，紅藍(lán)比：0.6~1.2?？梢钥闯觯鲜鲋笜?biāo)都比自然生長(zhǎng)的苗情要好。
結(jié)論
本文對(duì)LED植物助長(zhǎng)燈在植物培育和種植中應(yīng)用的最新進(jìn)展進(jìn)行了介紹，指出了在LED植物生長(zhǎng)燈在植物種植和培養(yǎng)中的應(yīng)用存在的一些誤區(qū)。最后介紹了作為植物培育和種植所使用LED助長(zhǎng)燈開發(fā)的技術(shù)思路和方案。應(yīng)該指出，在燈的安裝和使用中也存在一些需要考慮的因素，比如燈離植物的距離，燈光的輻照范圍以及如何與正常的水、肥、 土的配合等等。
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