LED補充照明系統(tǒng)用于促進鐵皮石斛生長的初步研究

朱雪菘，劉木清

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海　200433)

?

LED補充照明系統(tǒng)用于促進鐵皮石斛生長的初步研究

朱雪菘，劉木清

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海200433)

近年來，隨著紅光、藍光以及遠紅外大功率單色LED技術(shù)的快速發(fā)展，LED在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域的應用引起了廣泛的關(guān)注。本文結(jié)合LED的特性及鐵皮石斛的生長特點對LED補充照明系統(tǒng)用于促進鐵皮石斛生長進行了理論分析和初步實驗探索，提出了LED可主要作用于鐵皮石斛的生長前期來顯著縮短生長周期的建議，總結(jié)了篩選LED的三大要素即合適的光譜、紅藍比和光照強度，并總結(jié)了衡量鐵皮石斛生長情況的測試指標，同時本文的初步實驗證明了LED植物補光照明系統(tǒng)確實明顯優(yōu)于無補光及熒光燈補光的效果，為未來鐵皮石斛農(nóng)業(yè)照明的應用提供了一定的參考和科學依據(jù)。

LED；補充照明系統(tǒng)；鐵皮石斛

引言

鐵皮石斛是一種名貴的中草藥，具有很高的藥用價值和經(jīng)濟價值。其生長環(huán)境特殊，在自然環(huán)境下生長緩慢。近年來，野生資源瀕臨滅絕且需求量逐年增加，現(xiàn)有人工栽培產(chǎn)量和質(zhì)量遠遠無法滿足市場需求。因此，改進現(xiàn)有人工栽培模式，促進鐵皮石斛的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，迅速提高其栽培產(chǎn)量和質(zhì)量，將有助于實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的統(tǒng)一。

長期以來，在農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素燈、白熾燈等，這些光源的突出缺點是無法合適地匹配植物需要的光譜范圍，并且能耗大、運行成本較高。LED作為新型的半導體光源，其綠色環(huán)保、節(jié)能高效、窄光譜、體積小、響應速度快等特點使其在植物補光照明領(lǐng)域有著顯著的優(yōu)勢。隨著LED技術(shù)的迅速發(fā)展，LED的光效不斷提高，成本不斷降低，并且其在智能控制方面相對于傳統(tǒng)光源具有明顯的優(yōu)勢，這使得其在植物補光照明領(lǐng)域中的應用具有光明的前景。

近年來，雖然學術(shù)界關(guān)于LED用于促進藥用植物鐵皮石斛生長的研究剛剛起步，尚不充分，但是LED用于其他植物生長的研究已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)和積累。

2003年，Duong Tan Nhut, T. Takamura等人將LED補光系統(tǒng)用于草莓的無土栽培，比較了紅光LED、藍光LED和不同強度配比的紅藍光LED對草莓生長的影響，測量了株高、根長、鮮重及葉綠素等指標。實驗結(jié)果表明，紅藍光搭配的LED最有利于草莓的生長，并且，紅藍配比為7∶3時草莓的生長狀況最好[1]。

2009年，聞婧，鮑順淑等人探究了LED光源R/B對葉用萵苣生理性狀及品質(zhì)的影響，實驗結(jié)果表明適宜的紅藍光比例能有效增加植物VC含量，并降低硝酸鹽含量，同時，R/B為8時相對更適宜萵苣的生長發(fā)育[2]。

2012年，趙啟蒙，周小麗等人利用LED植物補光照明系統(tǒng)對擬南芥萌發(fā)率的效用進行了探究，實驗結(jié)果表明，雖然LED組和熒光燈組在最終萌發(fā)率上幾乎無差異，但LED組消耗的功率僅為熒光燈組的一半，并提出有可能是LED組中的紅外模塊延緩了萌發(fā)時間[3]。

2006年，鮑順淑，賀冬仙研究了鐵皮石斛組培苗在人工光型密閉式植物工廠的適宜光照強度，提出鐵皮石斛組培苗在該人工光型密閉式植物工廠的可控環(huán)境下的適宜的光照強度在60～70μmol/m2·s[4]。

2013年，尚文倩，王政等人研究了不同紅藍質(zhì)比LED光源對鐵皮石斛試管苗生長的影響。實驗結(jié)果顯示，紅藍光比例為1∶1時有利于鐵皮石斛試管苗的生長、葉綠素合成及干物質(zhì)和糖的積累[5]。

2015年，楊維杰等人研究發(fā)現(xiàn)在紅藍比為1∶1時可有效縮短鐵皮石斛播種階段的生長時間，降低產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)成本，而在紅藍比為4∶1時鐵皮石斛組培苗、移栽苗多糖含量最高，可有效提高鐵皮石斛品質(zhì)[6]。

LED作為新一代的光源，其在植物照明上的應用已經(jīng)顯現(xiàn)出諸多優(yōu)勢和廣闊前景，而有關(guān)LED應用于高附加值藥用植物上的研究仍較少，雖然已經(jīng)有學者進行了紅藍質(zhì)比或光照強度對鐵皮石斛生長影響的研究，但是沒有涉及到不同的光譜組合對其的影響。本文結(jié)合LED的特性及鐵皮石斛的生長特點對LED補充照明系統(tǒng)用于促進鐵皮石斛生長進行了理論分析，并針對如何開展相關(guān)的實驗研究提出了建議，為未來鐵皮石斛農(nóng)業(yè)照明的應用提供了一定的參考和科學依據(jù)。

1　鐵皮石斛的生長特點決定了適合LED補光照明的生長階段

2013年，曾淑華等人進行了鐵皮石斛生長進程及多糖積累的研究。研究發(fā)現(xiàn)，從整體上看鐵皮石斛的生長進程呈現(xiàn)S形曲線變化。圖1至圖4為曾淑華等人做出的鐵皮石斛生長進程的相關(guān)曲線[7]。

圖1　鐵皮石斛株高的生長進程Fig.1　Height growth process of Dendrobium officinale Kimura et Migo

圖2　鐵皮石斛莖圍的生長進程Fig.2　Stem growth process of Dendrobium officinale Kimura et Migo

圖3　鐵皮石斛單枝葉片數(shù)的生長進程Fig.3　Leaf number growth process of Dendrobium officinale Kimura et Migo

圖4　鐵皮石斛生長期多糖積累進程Fig.4　Polysaccharide’s accumulation process of Dendrobium officinale kimura et Migo

由圖1至圖4可知，在2008年10月至2009年3月底，各鐵皮石斛材料的各項生長指標變化很小，基本處于停滯狀態(tài)；在2009年4月至9月底，生長較快，有的呈直線上升；而在2009年10月至12月，各項生長指標趨于平緩。從鐵皮石斛株高的動態(tài)變化可以看出，在一個生育期內(nèi)，鐵皮石斛的生長進程呈現(xiàn)S形曲線變化。

鐵皮石斛是一種生長周期較長的藥用植物，一般為1.5～2年左右。由以上研究可知，其在生長周期的前6個月的時間里生長非常緩慢，如果能夠加快這一階段的生長速度，將意味著可以大大縮短生長周期，顯著提升經(jīng)濟效益。在這段幾乎“停滯”的生長前期，LED補光照明系統(tǒng)就可以發(fā)揮其顯著的優(yōu)勢，利用LED的光譜窄、紅藍比及光強可調(diào)的特點可以篩選出最優(yōu)的光照條件來促進鐵皮石斛的前期生長，達到大大縮短生長周期，提升有效生物指標積累的目標，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益的顯著增長。

因此，對于研究LED對鐵皮石斛生長影響的相關(guān)實驗，由于鐵皮石斛完整的生長周期很長，建議選取生長前期這一階段進行實驗，可以利用LED補光照明系統(tǒng)的優(yōu)勢，有望顯著縮短生長周期。

2　LED三大要素對鐵皮石斛生長的影響

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，人工補光的三大要素為光質(zhì)、光強和光周期。對應地，在照明領(lǐng)域，光質(zhì)對應著LED光源的光譜組合和紅藍比，光強對應著光照強度，光周期即補光照明的周期。因此，針對LED的特性，區(qū)別于傳統(tǒng)光源，對于不同的植物應篩選的LED三大要素應為適當?shù)募t藍光譜組合、紅藍比和光照強度。

光質(zhì)對植物的生長發(fā)育至關(guān)重要，它除了作為一種能源控制光合作用，還作為一種觸發(fā)信號影響植物的生長。許多研究表明，光合器官的發(fā)育長期受光調(diào)控，紅光對光合器官的正常發(fā)育至關(guān)重要，它可通過抑制光合產(chǎn)物從葉中輸出來增加葉片的淀粉積累[8]；藍光則調(diào)控著葉綠素形成、氣孔開啟和光合節(jié)律等生理過程。光質(zhì)能夠調(diào)節(jié)光合作用不同類型葉綠素蛋白質(zhì)的形成及光系統(tǒng)之間的電子傳遞[9]。

葉綠素是表征植物光合作用的重要指標。由圖5的葉綠素吸收光譜特性可知植物的葉綠素a、b在紅光和藍光波段有兩個吸收峰。在溶液中測量葉綠素的吸收譜時，葉綠素吸收峰值的位置和吸收系數(shù)會因為溶液的不同而有所變化，一般吸收峰值的位置會有10 nm的差異，而吸收系數(shù)會有1～2的差異。圖5中的葉綠素吸收譜是在極性有機溶液中測得的葉綠素吸收系數(shù)歸一化后的曲線，葉綠素a的兩個吸收峰在430 nm～662 nm左右。葉綠素b的兩個吸收峰為453 nm～642 nm左右。

圖5　葉綠素a、b的吸收光譜特性Fig.5　Absorption spectrum of Chlorophyll a and b

可以根據(jù)葉綠素a、b的吸收譜來設(shè)計LED光源的波長，圖6顯示了紅光LED、藍光LED及色溫為6212K的熒光燈的光譜對照情況。

圖6　藍光和紅光LED燈與熒光燈光譜功率分布對照Fig.6　Spectrum of LED and fluorescent used in this research

對比圖5和圖6，可以發(fā)現(xiàn)熒光燈的光譜有很大部分處于葉綠素a、b的低吸收區(qū)域，而紅藍光LED可以選擇性地匹配葉綠素的吸收峰。因此，從促進光合作用的角度上來說，選擇匹配鐵皮石斛生長的紅光和藍光LED的光譜非常重要，即合適的紅藍波長及紅藍比，這就構(gòu)成了LED補充照明系統(tǒng)應用于促進鐵皮石斛生長最為重要的光質(zhì)因素。

目前，雖然已經(jīng)有學者進行了紅藍質(zhì)比或光照強度對鐵皮石斛生長影響的研究，但是沒有涉及到不同的光譜組合對其的影響，因此未來探究不同的光譜組合對鐵皮石斛生長影響的研究將是一個非常重要的課題。

在LED光強對鐵皮石斛生長的影響方面，由于鐵皮石斛為半陰生植物，因此需要LED的光強較弱。而與LED應用于以人眼為對象的普通照明不同，在植物照明領(lǐng)域，我們更關(guān)心光源有多少光子產(chǎn)生出來，即光量子輻射通量。在植物照明中，并不是所有波段的光都參與到植物的光合作用中去，一般會將光譜限制在 400 nm～700nm之間。因此，我們將400 nm～700nm之間單位時間內(nèi)落到單位面積上的光子數(shù)稱為光量子通量密度，即PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density)，單位為μmol·m-2·s-1。在早期的光照研究中，也用光合有效輻射(PAR: Photosynthetically Active Radiation)表示，其單位為W·m-2。但PPFD更具能夠體現(xiàn)光合作用的本質(zhì)特性。

根據(jù)前文提到的2006年鮑順淑等人對鐵皮石斛組培苗在人工光型密閉式植物工廠的適宜光照強度的研究[4]，對于LED應用于鐵皮石斛生長的研究可以考慮分別試驗較低的適宜光照強度，范圍可在60～100μmol/m2·s內(nèi)進行分組對照試驗。

綜上所述，LED對鐵皮石斛生長的三大可控因素為適當?shù)募t藍光譜組合、紅藍比及光照強度。研究不同光譜組合、紅藍比例以及光量子通量密度對鐵皮石斛生長的影響并提出最佳參數(shù)組合將是LED補充照明系統(tǒng)用于促進鐵皮石斛生長的重要研究方向。

3　鐵皮石斛的測試指標

衡量鐵皮石斛生長情況的測量指標應至少包括5個物理指標和4個生物指標，物理指標為株高、莖節(jié)數(shù)、莖粗、節(jié)間長度和株數(shù)，生物指標為多糖含量、蛋白質(zhì)含量、總生物堿含量和葉綠素含量。

其中，多糖是鐵皮石斛的主要成分之一，與藥理作用有著密切的聯(lián)系，多糖質(zhì)量分數(shù)的高低是目前判斷鐵皮石斛質(zhì)量的主要依據(jù)[10]。尚喜雨發(fā)現(xiàn)鐵皮石斛的多糖含量很高，尤以莖段為最；不同部位的含量存在一定差異，莖部的差異要大于根、葉的；人工栽培的兩年生植株的多糖含量要比一年生的多，野生型的比栽培型的多。殺青后烘干處理可以有效地減少多糖在處理過程中的損失[11]。

生物堿是石斛藥材中主要活性成分之一，具有抗腫瘤、抑制心血管、胃腸道疾病及止痛退熱等作用。不同種質(zhì)、年齡的鐵皮石斛總生物堿含量差異很大，并且總生物堿含量隨著生長年限的增加而增加。[12]

而蛋白質(zhì)含量及葉綠素含量等也是衡量植物生長情況的重要指標。

因此，相關(guān)的實驗研究應采取上述的物理指標和生物指標作為衡量鐵皮石斛生長情況的檢測指標，來研究LED對鐵皮石斛生長的影響。

4　LED補光照明系統(tǒng)用于促進鐵皮石斛生長的初步實驗結(jié)果

本文的初步實驗選取了紅光和藍光LED組合作為實驗組，將色溫為6212K的熒光燈和無燈區(qū)作為實驗的對照組。其中LED組的藍光峰值波長為450～465nm，紅光峰值波長為610～620nm。紅藍比為1∶1，光強分布為70～80μmol/m2·s。

紅藍比和光量子通量密度的調(diào)節(jié)是通過ZigBee智能照明控制系統(tǒng)進行控制實現(xiàn)的。光量子通量密度的測量是通過KIPP&ZONEN PAR光量子密度探頭和METEON記錄儀實現(xiàn)的。

本實驗在云南省普洱市的鐵皮石斛種植基地進行，補光周期為每天18點至23點，實驗現(xiàn)場光環(huán)境如圖7所示。

圖7　實驗光環(huán)境圖Fig.7　Lighting environment in this research

測量指標包括5個物理指標和4個生物學指標，物理指標為株高、莖節(jié)數(shù)、莖粗、節(jié)間長度和株數(shù)，生物指標為多糖含量、蛋白質(zhì)含量、總生物堿含量和葉綠素含量。

本實驗仍在進行中，以下是目前實驗的初步物理指標結(jié)果。

表1和表2分別為LED組、熒光燈組和無光組的株高和莖節(jié)數(shù)的增長情況。

表1　LED組、熒光燈組和無光組的四個樣本的株高增長情況

表2　LED組、熒光燈組和無光組的四個樣本的莖節(jié)數(shù)增長情況

由以上可知，無燈組的平均株高增長率為3.55%，平均莖節(jié)數(shù)增長率為7.74%，熒光燈組的平均株高增長率為4.33%，平均莖節(jié)數(shù)增長率為8.57%。而LED組合下的鐵皮石斛樣本的平均株高增長率為19.17%，平均莖節(jié)數(shù)增長率為30.48%。

因此，經(jīng)過t檢驗，實驗初步結(jié)果表明，與無燈組和熒光燈組相比，LED補光照明系統(tǒng)對鐵皮石斛的株高和莖節(jié)數(shù)的增長有較為明顯的優(yōu)勢。

5　結(jié)論

本文結(jié)合LED的特性及鐵皮石斛的生長特點對LED補充照明系統(tǒng)用于促進鐵皮石斛生長進行了理論分析和初步實驗探索，提出了LED可主要作用于鐵皮石斛的生長前期來顯著縮短生長周期的建議，總結(jié)了LED的三大要素即光譜、紅藍比和光照強度作為LED促進鐵皮石斛生長的重要可控因素，并總結(jié)建議了鐵皮石斛的主要測試指標，為未來鐵皮石斛農(nóng)業(yè)照明的應用提供了一定的參考和科學建議，對于整體促進鐵皮石斛種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

同時，本文的初步實驗采用了可連續(xù)調(diào)光的LED植物補光照明系統(tǒng)，研究了LED相比于熒光燈和無補光對鐵皮石斛生長的影響。初步實驗結(jié)果表明，LED植物補光照明系統(tǒng)明顯優(yōu)于無補光及熒光燈補光的情況。因此，LED植物補光照明系統(tǒng)對于促進鐵皮石斛的生長具有明顯的優(yōu)勢和光明的前景，未來實驗將繼續(xù)探索LED植物補光照明系統(tǒng)對鐵皮石斛物理和生物指標的影響，細分篩選出最適合鐵皮石斛生長的光譜、紅藍比和光照強度組合參數(shù)。本文的初步實驗選取的是峰值波長為450～465nm和610～620nm的紅藍光LED，其他不同的光譜波長組合的紅藍LED正在試驗中，未來將進一步匯報本項目的后續(xù)研究進展。

[1] NHUT Duong Tan, TAKAMURA. T. Responses of strawberry plantlets cultured in vitro under superbright red and blue light-emitting diodes(LEDs)[J]. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 2003(73):43-52.

[2] 聞婧，鮑順淑. LED光源R/B對也用萵苣生理性狀及品質(zhì)的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2009，30 (3)：413-416.

[3] 趙啟蒙，周小麗. LED植物補光照明系統(tǒng)對擬南芥萌發(fā)率的效用探究[J].照明工程學報，2012(3)：64-68.

[4] 鮑順淑,，賀冬仙，鐵皮石斛組培苗在人工光型密閉式植物工廠的適宜光照強度[C]. 第六屆全國藥用植物與植物藥學術(shù)研討會，2006.

[5] 尚文倩，王政，侯甲男，等.不同紅藍光質(zhì)比LED光源對鐵皮石斛試管苗生長的影響[J]. 西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版)，2013，41(5)：155-159.

[6] 楊維杰，梁君，楊林林. 不同LED 光質(zhì)對鐵皮石斛生長及多糖含量的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學，2015，56 (6): 1188-1190．

[7] 曾淑華，文國松，徐紹忠，等. 鐵皮石斛生長進程及多糖積累研究[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學，2013(5): 2354-2360.

[8] SAEBO A, KREKLING T, APPELGREN M. Light quality affects photosynthesis and leaf anatomy of birch plantlets in vitro[J]. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 1995(41): 177-185.

[9] PATIL Grete G, OI R, GISSINGER Astrid, Moe R. Plant morphology is affected by light quality selective plastic films and alternating day and night temperature[J]. Gartenbauwissenschaft, 2001, 66 (2): 53-60.

[10] 張賽男. 鐵皮石斛藥用成分及藥理作用研究進展[J]. 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2015(3): 27-28.

[11] 尚喜雨．不同來源鐵皮石斛不同部位生物堿的分布規(guī)律研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學,2010,38(23): 12441-12442.

[12] 吳婕琦, 陳丹瑤, 呂雅琪. 鐵皮石斛化學成分、組織培養(yǎng)、影響因素及應用研究進展[J].科學導報,2015(15):219.

A Preliminary Research of LED Supplemental Lighting System for the Growth of Dendrobium officinale Kimura et Migo

ZHU Xuesong, LIU Muqing

(InstituteforElectricLightSources,EngineeringResearchCenterofAdvancedLightingTechnology,MinistryofEducation,FudanUniversity,Shanghai200433，China)

These years, with the rapid development of the red light, the blue light and the far infrared high-power monochromatic LED technology, the application of LED in agriculture is causing extensive concern of the various research institutions and enterprises.This paperpreliminarily explores scientific basis for the LED supplementary lighting applications for Dendrobium officinale Kimura et Migo by giving supplementary lighting period suggestions and 3 key factors of LED supplementary lighting system. What’s more, preliminary experiments in this paperdemonstrates that the performance of LED lighting system is much better than fluorescent group and non-lighting group for the growth of Dendrobium officinale Kimura et Migo.

LED； supplementary lighting system； Dendrobium officinale Kimura et Migo

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.025