菊花生產(chǎn)中不同光源的光照強度和能耗

胡振陽，王文龍，張廣燕，許東亭，周厚高*

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園藝園林學(xué)院，廣東廣州510225;2.東莞市糧作花卉研究所，廣東東莞523063)

菊花需要生長到一定的生長量才進(jìn)行花芽分化?；ㄑ糠只暗臓I養(yǎng)狀態(tài)應(yīng)適中、充實，且必須達(dá)到開花時的標(biāo)準(zhǔn)。秋菊是典型的短日照植物，在生產(chǎn)中常需要補光以調(diào)控開花時間［1］。據(jù)研究，菊花補光抑制花芽分化的照度以5～10 lx為下限照度。在生產(chǎn)實踐中，為防止電壓不穩(wěn)使照度減弱，要用40 lx以上的光照進(jìn)行補光［2］。關(guān)于照度與園藝植物光合作用的關(guān)系，已有大量報道［3－7］。探究不同光源補光時照度和能耗，對提高菊花生產(chǎn)技術(shù)水平、降低成本、提高產(chǎn)量和質(zhì)量具有十分重要的意義。

人工光源代替或補充自然光源的不足已成為環(huán)境控制農(nóng)業(yè)的重要手段［8］。常見的燈具如白熾燈、熒光燈、LED燈等色彩各異，能耗不同，產(chǎn)生一定的差異。在整個菊花生長周期中，不同色彩的光照對其不同階段的生長具有不同的影響。筆者就菊花花期調(diào)控補光技術(shù)的光源組合和選擇，通過對單一光源和組合光源照度和能耗的測量，篩選出節(jié)能有效的補光方法。

1 材料與方法

1.1 材料 供試燈具來自上海誼樂特風(fēng)貿(mào)易有限公司。節(jié)能燈色溫為2 700和4 000 K。熒光燈1種;使用氣體放電的燈具氖燈1種;LED燈9種:紅燈、藍(lán)燈、綠燈、紫燈、黃燈、白燈、暖黃燈、暖白燈、E14直射型白光燈;鎢絲燈1種。其中，兩種節(jié)能燈為掛鉤式，其余全部為螺旋式接口，口徑大小為E14和E27。所有燈具額定功率統(tǒng)一為5 W。試驗中燈具配合反光燈罩使用，燈罩為智達(dá)品牌9寸大棚使用型。照度計1臺;優(yōu)利德多功能功率計量插座1臺。

1.2 方法

1.2.1 單個燈具測量。此設(shè)計為苗床寬100 cm，長300 cm，燈具懸掛于苗床正中間、距離菊花植株上方100 cm處，每100 cm 1個燈具。這種設(shè)計最大化地使苗床受光均勻。測定燈具正下方垂直距離分別為50、70 cm處的照度，測定以燈具下方垂直點50、70 cm為中心、在同一平面上4個方向距離50 cm處8點的照度，同時測定單個燈具正常光照1 h后的實際功率。

1.2.2 兩種燈具組合測量。選取E14直射型白光LED燈，分別與14種燈具組合。該設(shè)計為苗床寬300 cm，長300 cm，燈具懸掛于距離苗床邊緣75 cm處，直射型白光LED燈與另一種燈具兩兩交替布置。這種設(shè)計最大化地使苗床受光均勻。分別測定兩燈具中間縱向距離分別為50、70 cm處照度，測定以兩燈具中間縱向距離為50、70 cm處為中心、在同一平面上4個方向水平距離150 cm處8點的照度，同時測定兩個燈具正常光照1 h后的實際功率。

1.2.3 實際功率測量。利用優(yōu)利德多功能功率計量插座測定，并記錄燈具發(fā)光時的功率，記錄燈具工作時間，從而計算得出實際消耗電量。

2 結(jié)果與分析

2.1 單個燈具照度和實際功率 表1中四周點50、70 cm處的數(shù)據(jù)是東、西、南、北4點照度的平均數(shù);中心點50、70 cm處的數(shù)值是測定點重復(fù)測量3次，取平均值。

對菊花在單個燈具照射下所生長立體空間的照度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鎢絲燈在中心測量點和四周測量點的照度均最小，平均照度(11.0 lx)最小，LED 綠燈平均照度(123.0 lx)最大;8種燈具的照度在14種燈具照度平均水平(67.9 lx)之上，依次是 LED 綠燈(123.0 lx)、LED 黃燈(105.1 lx)、LED白燈(104.0 lx)、LED 暖白燈(103.2 lx)、直射型 LED 燈(92.1 lx)、4 000 K 節(jié)能燈(90.9 lx)、2 700 K 節(jié)能燈(82.2 lx)、LED紅燈(68.8 lx);照度變異系數(shù)最低的是熒光燈(0.13)，最高的是LED綠燈(1.02)，說明熒光燈的照度在所測量的立體空間內(nèi)變化最小，LED綠燈的照度變化最大;變異系數(shù)＞100%屬于強變異，介于10%和100%之間的屬于中等變異，小于10%的屬于弱變異。LED綠燈變異系數(shù)為1.02，說明在所測量的立體空間內(nèi)，LED綠燈的照度均勻性很差;6種燈具照度的變異程度低于14種燈具的平均變異程度，依次為熒光燈(0.13)、LED 暖黃燈(0.15)、LED 白燈(0.21)、直射型 LED 燈(0.22)、LED 藍(lán)燈(0.23)、鎢絲燈(0.54);4 000 K節(jié)能燈的平均照度為90.9 lx，高于2 700 K節(jié)能燈的82.2 lx，，但變異系數(shù)均是0.67，說明色溫影響燈具的照度，但不影響照度的變異程度;不同顏色的9種LED燈具在照度和照度變異系數(shù)上差別很大，LED藍(lán)燈照度(16.4 lx)最小，但其照度變異系數(shù)(0.23)較小，LED綠燈照度(123.0 lx)最大，其照度變異系數(shù)(1.02)也最大;14種燈具中照度和照度的變異程度均優(yōu)于平均水平的燈具為LED白燈和直射型LED燈，表現(xiàn)較好;LED紫燈和氖燈的照度和照度的穩(wěn)定程度都沒有達(dá)到14種燈具的平均水平，表現(xiàn)差。

表1 單個燈具照度

由表2可知，在14種燈具中，氖燈照度橫向衰減(23.4%)最小，但其照度縱向衰減(67.9%)最大;熒光燈表現(xiàn)與氖燈相似，照度橫向衰減(28.0%)明顯較小，縱向衰減(61.3%)較大;LED綠燈照度橫向衰減(59.6%)和縱向衰減(62.6%)明顯較大，在測量的立體空間內(nèi)照度衰減程度最大;9種LED燈的照度在橫向和縱向方向上的衰減程度相似;2 700 K節(jié)能燈和4 000 K節(jié)能燈照度的衰減程度幾乎相同;不同類型燈具照度橫向衰減程度從小到大依次是氖燈、熒光燈、鎢絲燈、節(jié)能燈、LED燈;不同類型燈具照度縱向衰減程度從小到大依次是節(jié)能燈、鎢絲燈、LED燈、熒光燈、氖燈;LED紫燈、LED暖白燈、LED白燈、鎢絲燈4種燈具的實際功率高于14種燈具實際功率的平均值，其中鎢絲燈實際功率達(dá)到13.9 W，耗電量最大;最省電的燈具是直射型LED燈和氖燈，實際功率均為3.5 W。

表2 單個燈具測量點直線距離照度的衰減程度和實際功率

綜合表1、表2，得出8種照度較好的燈具依次是LED綠燈、LED黃燈、LED白燈、LED暖白燈、直射型 LED燈、4 000 K節(jié)能燈、2 700 K節(jié)能燈、LED紅燈;6種照度衰減程度較小的燈具依次是熒光燈、LED暖黃燈、LED白燈、直射型LED燈、LED藍(lán)燈、鎢絲燈;10種能耗較少的燈具依次是直射型LED燈、氖燈、熒光燈、LED紅燈、LED綠燈、LED藍(lán)燈、LED黃燈、LED暖黃燈、2 700 K節(jié)能燈、4 000 K節(jié)能燈。可見，直射型LED燈在照度、照度衰減程度和節(jié)能環(huán)保3個方面均優(yōu)于14種燈具的平均水平，表現(xiàn)最優(yōu)。

2.2 組合燈具照度和實際功率 由表3可知，對比50 cm處各測量點的照度，70 cm處對應(yīng)測量點的照度均不同程度的增大，這可能是由于遮光罩控制了光線照射角度，70 cm處光線疊加程度較50 cm處更大;直射型LED燈+鎢絲燈組合的平均照度(21.6 lx)最小，直射型LED燈+4 000 K節(jié)能燈組合的平均照度(57.8 lx)最大，有8種組合燈具的照度在14種組合燈具照度平均水平(43.8 lx)之上;直射型LED燈+LED綠燈組合的照度變異系數(shù)(0.28)最小，說明該組合燈具在測量的立體空間內(nèi)照度變化程度最小;直射型LED燈+直射型LED燈組合的照度變異系數(shù)(0.76)最大，說明該組合燈具在所測立體空間內(nèi)照度變化程度最大;有9種組合燈具的照度變異程度小于組合燈具照度的平均變異程度。

表3 組合燈具照度

由表4可知，在14種組合燈具中直射型LED燈+直射型LED燈組合燈具照度在50 cm處橫向衰減(58.8%)程度最大，70 cm處橫向衰減(69.5%)程度最大，同時中心點垂直增長(132.0%)程度最大，這與表3分析中該組合照度變異系數(shù)最大相符合;直射型LED燈+LED綠燈組合燈具照度橫向衰減平均值(32.3%)最小，直射型LED燈+LED白燈組合燈具垂直增長平均值(7.4%)最小，這與表3中這兩種組合較低的照度變異系數(shù)相符合;在14種組合燈具中，直射型LED燈+鎢絲燈組合燈具的實際功率(17.6 W)最大，最耗電;直射型LED燈+直射型LED燈組合燈具實際功率(7.1 W)最小，最節(jié)能。

表4 組合燈具測量點直線距離照度的變化和實際功率

綜合表3、表4，得出8種照度較強的組合燈具依次是直射型LED燈+4 000 K節(jié)能燈、直射型LED燈+LED白燈、直射型LED燈+2 700 K節(jié)能燈、直射型LED燈+LED暖白燈、直射型LED燈+LED黃燈、直射型LED燈+LED紅燈、直射型LED燈+直射型LED燈、直射型LED燈+LED綠燈;8種照度變化程度較小的組合燈具依次是直射型LED燈+4 000 K節(jié)能燈、直射型LED燈+LED白燈、直射型LED燈+2 700 K節(jié)能燈、直射型LED燈+LED黃燈、直射型LED燈+LED綠燈、直射型LED燈+直射型LED燈、直射型LED燈+LED紅燈、直射型LED燈+LED暖白燈;10種能耗較低的組合燈具依次是直射型LED燈+直射型LED燈、直射型LED燈+熒光燈、直射型LED燈+LED綠燈、直射型LED燈+氖燈、直射型LED燈+LED藍(lán)燈、直射型LED燈+LED暖黃燈、直射型LED燈+LED黃燈、直射型LED燈+2 700 K節(jié)能燈、直射型LED燈+LED紅燈、直射型LED燈+4 000 K節(jié)能燈;直射型LED燈+2 700K節(jié)能燈、直射型LED燈+4 000 K節(jié)能燈、直射型LED燈+LED黃燈、直射型LED燈+LED綠燈在照度、照度衰減程度和節(jié)能環(huán)保3個方面均優(yōu)于14種燈具平均水平。由于色燈照射對植物不同部位生長發(fā)育的影響不同，組合色燈在該試驗中為對照組合，因此，直射型LED燈+2 700 K節(jié)能燈、直射型LED燈+4 000 K節(jié)能燈為最優(yōu)的組合燈具。

3 結(jié)論與討論

由于植物在光補償點時不能積累干物質(zhì)，在低光強度的情況下光源是否充足對于植物能否茂盛生長有著重要意義。一般，陽性植物在光照占全光照的3%～5%時達(dá)到光補償點，而陰性植物由于呼吸弱，在很低的光照下即達(dá)到光補償點，一般為全光照的0.5% ～1%［9］。但是，隨著季節(jié)變換，有些時段植物會因為光照不足而遭受弱光脅迫，一般光合速率都明顯降低。弱光時，有些植物降低光補償點。這有利于它們在弱光下維持碳平衡，但減緩了植物正常的代謝，所以采取光補償植物是一種有效的方法［10－11］。

以菊花為試材，該試驗探討了不同單一燈具和組合燈具的照度和能耗。試驗結(jié)果表明，在單一燈具光照下，直射型LED燈在照度、照度衰減程度和節(jié)能環(huán)保3個方面表現(xiàn)最優(yōu);在組合燈具光照下，直射型LED燈+2 700 K節(jié)能燈、直射型LED燈+4 000 K節(jié)能燈組合為最優(yōu)的組合燈具，但何種色溫節(jié)能燈效果更好仍需進(jìn)一步研究;在正常工作中，無論是橫向或縱向，在光的直線衰減中，不同燈具光的衰減程度都是不相同的。

在菊花生產(chǎn)中，可以根據(jù)不同場地、菊花品種、生長階段選擇不同的補光方法。當(dāng)照度要求較高時，單個燈具可以選擇LED白燈、直射型LED燈和節(jié)能燈，組合燈具可以選擇直射型LED燈+2 700 K節(jié)能燈、直射型LED燈+4 000 K節(jié)能燈和直射型LED燈+LED白燈。當(dāng)生產(chǎn)中要求能耗較低時，單個燈具可以選擇氖燈、直射型LED燈和熒光燈，組合燈具可以選擇直射型LED燈+直射型LED燈、直射型LED燈+熒光燈和直射型LED燈+氖燈。不同光質(zhì)對菊花營養(yǎng)生長生理和開花生理機制的作用不同，色燈在該試驗中為對照。

關(guān)于能耗，對于照度在一定值下能夠打破光周期的燈具，為滿足照度，需要加大燈泡的額定功率，相應(yīng)的實際功率也會增大，導(dǎo)致能耗量增大，成本增加。對比額定功率均為5 W的補光燈，直射型LED燈的實際功率最低為3.5 W，其用電量較鎢絲燈節(jié)能75%，較4 000 K節(jié)能燈節(jié)能31%，較熒光燈節(jié)能8%。直射型LED燈在菊花生產(chǎn)中的應(yīng)用能夠有效地降低能耗，切實達(dá)到降低生產(chǎn)成本、節(jié)能減排的效果。

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