LED 植物照明光源的应用研究

2023-01-05李玉蔻刘大为王思云孙峰强

光源与照明 2022年3期

关键词：光质紫光生菜

李玉蔻，高璇，刘大为，王思云，孙峰强

陕西电子信息集团光电科技有限公司，陕西西安 710000

0 引言

光照在植物生长过程中起关键作用，光作为环境信号和光合作用的能量来源，是植物生长发育和产量、品质的必要条件。自然界中生物的生长与光源光谱的强度息息相关，但太阳的照射强度不是越高越好，对于动植物的生长具有一定的选择性[1]。

鉴于此，文章研究开发LED 植物照明光源，并将其应用于经济类作物的照明。试验表明，采用LED 植物照明光源，植物的光合速率、生长速率均提高25%以上。以此类推，将LED 植物照明光源用于植物工厂是有效可行的。

1 LED 植物照明光源的作用

LED 植物照明光源是一种以LED 为发光体，满足植物光合作用所需光照条件的人造光源。按类型分，其属于第三代植物补光光源[2]。原理是通过光质调节，控制植物光合作用和形态建成。在缺少日光的环境下，LED 植物光源可以充当日光，使植物正常或更快更好地生长，具有助长、壮根、调节花色、缩短周期等作用，同时促进果实上色、成熟，提升品质和口感。

2 光谱对植物光合作用和形态建成的影响

2.1 光谱对植物光合作用的影响

光谱对植物光合作用和形态建成具有重要影响。光合作用最重要的两种色素是叶绿素和胡萝卜素。其中，叶绿素吸收光谱集中在红蓝波段，红光区的波长为630～680 nm，蓝光区的波长为400～500 nm。叶绿素从光中吸收能量，将二氧化碳转变为碳水化合物。类胡萝卜素吸收光谱范围在303～505 nm。在植物体细胞中，产生的类胡萝卜素除了吸收并转移能量帮助植物光合作用，还具备保护细胞的功能，类胡萝卜素使植物细胞免于被激态的单电子键氧分子破坏[3]。

2.2 光谱对植物形态建成的影响

不同光谱对植株生长形态建成有不同的作用，例如：280～315 nm（UV-B）波段光谱不利于植物生长发育，导致植物表型矮小、叶片厚而小，光合速率低；315～400 nm（紫光与紫外光）波段光谱促进叶绿体运动，使植物向光性更敏感；400～500 nm（蓝光）波段光谱促进植物向光性，刺激植物气孔张开，缩短蔬菜的节间距，促进蔬菜的横向伸展以及叶面积缩小；500～600 nm（黄绿光）波段光谱色素的吸收率不高，可减少蓝光对隐花青素合成；600～700 nm（红光）波段光谱促进植物光合作用，使植物横向分枝和分蘖，延迟花分化，700～780 nm（远红光）波段光谱植物的吸收率低，刺激细胞延长，使植株鲜重、干重、茎长、叶长和叶宽增加（增加吸光面积）。

3 光照强度对植物生长发育的影响

植物的光照强度主要指光补偿点和光饱和点的光强。光照强度影响植物的光合作用速率，进而改变植物的生长形态。植物对光强的需求一般采用光补偿点、光饱和点来表示。当光照强度＜光补偿点时，植物的呼吸速率大于光合速率；当光补偿点＜光照强度＜光饱和点时，植物能够进行正常的光合作用；当光照强度＞光饱和点时，植物体内的蒸腾作用加快，植物细胞为了防止水分流失过多而关闭气孔，引发氧化胁迫，对光合作用产生较大的危害[4]。

4 LED 植物照明产品开发方案

4.1 LED 植物照明光源开发

通过上述光谱对植物光合作用和形态建成的影响分析，文章在进行植物特征光谱的研究实验中，根据植物体内叶绿素a 与叶绿素b 的吸收峰值来确定LED植物光源波长。

4.1.1 多种单色光组合方案

对植物光合作用最有效的峰值波长为450 nm 和660 nm 的光谱，以及诱导植物开花的730 nm 波段。以这三段光谱为主，再配合525 nm 的绿光光谱以及低于380 nm 的紫外波段，依照植物的不同需求组合出最适宜的光谱[5]。

缺点：单色光LED 植物生长灯并非适用于任何植物的生长，而且单价高、光效低。

4.1.2 荧光粉转换方案

荧光粉转换方案，可细分为下述两种方案。

（1）窄波长方案：能够提供365～740 nm 波段的各种波长产品，有多种光谱供客户选择。

（2）全光谱方案：实现植物需求光谱全覆盖。全光谱方案适用于所有植物，而且成本较单色光组合方案低很多[6]。市场多以高光效白光为主，加上660 nm的红色光源进行组合，来提高全光谱方案的有效性。

4.1.3 LED 植物照明光源产品参数

基于上述分析，文章开发了光效较高、光谱多样、性价比高的荧光粉转换型LED 植物照明光源产品，光源参数如下。

（1）光源1：2835 粉紫光（红蓝比例6～9 ∶1光谱）。采用GaN 蓝光芯片450～460 nm 激发波长为660～670 nm 的氮化物红粉制作，红蓝比例为6～9 ∶1 光谱，红光峰值为（662±5）nm。

（2）光源2：2835 粉红光（红绿蓝比例6～9 ∶1.5 ∶1 光谱）。采用GaN 蓝光芯片450～460 nm 激发波长为660～670 nm 的氮化物红粉+波长为530～540 nm 的铝酸盐绿粉制，红绿蓝比例6～9 ∶1.5 ∶1光谱，红光峰值为（657±5）nm。

（3）光源：2835 淡粉光（红绿蓝比例4～7 ∶2.5 ∶1.5 光谱）。采用GaN 蓝光芯片450～460 nm 激发波长为650～655 nm 的氮化物红粉+波长为527 nm的铝酸盐绿粉制，红绿蓝比例4～7 ∶2.5 ∶1.5 光谱，红光峰值为（652±5）nm。

（4）光源4：2835 5 000 K 全光谱。①采用蓝光芯片440～460 nm 激发波长为650～660 nm 的氮化物红粉+波长为510～540 nm 的YAG 铝酸盐绿粉/LuAG 铝酸盐绿粉+波长为480～500 nm 的铝酸盐绿粉制，红光峰值为（650±5）nm。②采用紫光芯片380～410 nm激发波长为650～660 nm 的氮化物红粉+波长为510～540 nm 的YAG 铝酸盐绿粉/LuAG 铝酸盐绿粉+波长为480～500 nm 的铝酸盐绿粉制作色温为5 000 K的光源，红光峰值为（650±5）nm。

（5）3030 5 000 K 高光效。采用蓝光芯片440～460 nm 激发波长为630 nm 的氮化物红粉+波长为537 nm的YAG 铝酸盐绿粉制，光效高，光谱连续。

4.2 LED 植物照明试验

4.2.1 LED 光源设置

选用2835 粉紫光LED 光源、粉红光LED 光源、淡粉光LED 光源、全光谱LED 光源各一组，以粉紫光LED 光源为基础，分别搭配380 nm、452 nm、730 nm单色光LED 光源形成7 个试验组。另外选取同行厂商粉紫红、粉红光、淡粉光3 组光源进行同步对比。将以上光源分别贴装于LED 灯管上，灯管采用T8 全塑管+内插散热铝型材灯具，防护等级为IP66，壳体尺寸为Φ20 mm×1 000 mm。每根灯管有72 颗灯珠，采用3 并24 串的排列方式，制作出单根灯管为12 W 的LED 植物照明灯具。

准备2 个货架，货架规格为2 m×0.6 m×2 m（长×宽×高），每个货架搭建3 层，左右使用遮光物均匀分隔。每个货架可进行6 组实验，合计12 组。

根据光源种类，实验共设置10 组不同光源试验组及1 组空白试验作为参考组，总计11 组。每组试验采用相同参数灯管2 根，固定于隔板顶部。灯管工作电压220 V，功率24 W，灯管开启时间为每天8：00～19：00，各组光期11 h，各组光照空间分布相同。

4.2.2 植物设置

等距放置10 个（5 个×2 排）花盆，包含生菜6 颗，辣椒2 株，圣女果2 株。每组实验中不同植物摆放位置相同，灯具与花盆底部距离为45 cm。实验中用到的生菜、圣女果为同批次、同条件下自育的种苗，挑选相同规格的生菜、圣女果苗，辣椒苗为市场上统一规格的健康辣椒苗。

在定植后每7 d 用最小刻度为0.1 cm 的刻度尺测量生菜、圣女果、辣椒苗的株高和最大叶宽，每次测量时间为当日10：00。

实验地点：陕西电子信息集团光电科技有限公司办公室一角（温室，无太阳光照，通风条件差）。

4.3 LED 植物照明实验结果与分析

4.3.1 不同光质对生菜形态建成的影响

每组光质下生菜各6 株，2021 年8 月2 日正式接受LED 植物光源光照，9 月14 日采收，生长期44 d。生菜在淡粉光、粉紫光+395 nm 和全光谱光质的照射下，整体长势好，呈现出叶径相对矮小、叶面宽、叶片分支多层，形态饱满的特点。在粉紫光光质环境下，叶径横向伸长，叶面窄，生长周期短，形态异于常规蔬菜。在粉红光光质环境下，叶面横向、纵向生长均匀，形态与常规蔬菜相似，营养吸收不完全，口感差。在粉紫光+730 nm 光质环境下，叶径横向伸长最长，叶面最窄，叶片分支少，远红光照射下的生菜植株叶片数量较少。在粉紫光+452 nm 光质环境下，叶径伸长较短。

由此可见，光质配比显著影响生菜叶片数量、叶径、叶宽以及生长周期。在不同强度光配比LED 光照射下，粉紫光+730 nm 光质促进植株的径高，但叶片较窄，植株鲜重低；粉紫光添加少量的395 nm 光谱，生菜形态饱满且生长周期缩短；生菜在光谱连续且丰富的光质环境下形态饱满，如全光谱白光、4 000 K 的淡粉光。

4.3.2 不同光质对圣女果生长的影响

每组光质下圣女果苗2 株，2021 年8 月2 日接受LED 光照。圣女果在粉紫光+730 nm 光质环境下株高最高，尤其在8 月30 至9 月13 日每周增长20 cm；空白组在40 d 内仅长高2 cm；其他光质环境下长势基本相当。

根据开花情况及挂果现状，圣女果在淡粉光光质下花期最早；在粉紫光+395 nm 光质照射下挂果量多，果实口感佳；在粉红光光质下，果实形状异于常规圣女果形态。

4.3.3 不同光质对辣椒生长的影响

每组光质下辣椒苗2 株，2021 年8 月16 日接受LED 光照。辣椒在粉紫光+395 nm、粉紫光+452 nm、全光谱、空白组这4 种光质环境下生长缓慢，植株形态异常；在粉紫光+730 nm 光质环境下株高最高，但植株未开花结果；在粉紫光、粉红光、淡粉光（2 000 K）光质环境下均有不同程度的开花和结果。其中，粉紫光、粉红光光质环境下，辣椒挂果量较多，粉紫光处理下辣椒更大更粗；粉红光处理下辣椒优先结果，但果实细又短，整体偏小；淡粉光（4 000 K）处理下辣椒未结果，该淡粉光色温高，颜色接近白光；淡粉光（2 000 K）处理下辣椒结果量较多，果实形态饱满。由此可见，辣椒更偏爱红蓝质比较高的粉紫光，在粉紫光质环境下辣椒产量高、果实饱满。