不同農(nóng)用LED燈的光譜能量分布對水培生菜生長的影響

李悟杰，滕光輝，付少明，李志忠

（中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，農(nóng)業(yè)部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083）

0 引言

近年來，隨著世界人口、資源、環(huán)境問題的日益突出，植物工廠更是受到了前所未有的關(guān)注。植物工廠可以大幅提高單位土地利用率、產(chǎn)出率和經(jīng)濟效益，自動化程度高，具有生產(chǎn)計劃性，使農(nóng)產(chǎn)品安全無污染，生產(chǎn)操作省力[1-4]。植物工廠作為新興的農(nóng)業(yè)設施，人造光源是植物工廠正常運行的關(guān)鍵性因素[5-8]。人造光源給植物工廠中的植物提供光能，是植物光合作用的唯一來源，也是植物工廠能源消耗大戶，人工光源選擇不合適，既會浪費能源，又會使植物生產(chǎn)效率低下。已有研究表明：光源的光質(zhì)，光強不同，對植物生長影響很大[9-11]。陸珍[12]研究表明：在250 μmol m-2s-1光照強度和16 h d-1光照周期的條件下，即可實現(xiàn)人工光下水培生菜的高效生產(chǎn)。本研究在基于上述結(jié)論的基礎下，重點通過分析不同光源的光譜能量分布曲線，以此來評價人造光源的性能，并在植物工廠中實際應用，來驗證其結(jié)果好壞。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生菜品種為玻璃生菜，生菜栽培的環(huán)境指標：空氣溫度在明期為20±2℃，暗期為16±2℃；CO2濃度為400±50 μmol mol-1；空氣相對濕度為明期70±5%，暗期為60±5%；光照周期為16 h d-1；光照強度為250 μmol m-2s-1。營養(yǎng)液采用日本山崎生菜營養(yǎng)液配方，pH為6.5～7.0，EC 為1.7～1.9 mS cm-1。關(guān)于營養(yǎng)液管理，采用DET（Deep Flow Technique，深液流水培技術(shù)）水耕栽培方式，并進行營養(yǎng)液循環(huán)模式，明期每天循環(huán)4次，一次半小時。

1.2 試驗設計

選用R∶B=9∶1的紅藍LED燈和W∶R=5∶1的白紅LED燈，進行基本性能測試，并分別在距燈管邊緣20 cm，40 cm，60 cm處采集其光照強度和光譜能量分布，在中國農(nóng)業(yè)大學上莊試驗站植物工廠，2016年3月至2016年4月，使用9∶1的紅藍LED進行生菜種植，并在2016年7月至2016年8月，使用5∶1的白紅LED進行生菜種植。

圖1為中國農(nóng)業(yè)大學上莊植物工廠內(nèi)部示意圖，圖中數(shù)字位置是各類傳感器的安裝位置。其中圖中2處溫濕度傳感器的讀數(shù)為植物工廠溫濕度控制的依據(jù)。

圖1 植物工廠及傳感器分布示意圖

1.3 項目測定

采用AvaSpec-USB2光纖光譜儀（荷蘭Avantes公司）測量R∶B=9∶1的紅藍光LED和W∶R=5∶1的白紅LED光譜，并使用LI-1500光照數(shù)據(jù)采集器（美國LICOR公司）測量R∶B=9∶1的紅藍光LED和5∶1的白紅LED光照強度。利用DDSD-113型電表（山東力創(chuàng)科技有限公司）采集每天燈管耗電量，分析燈管耗能情況，并計算不同光源下生菜的電能利用效率。

定植25天后，開始生菜采收，每個處理隨機選取3株，進行破壞實驗。測量葉長、葉寬、葉片數(shù)、根長、地上部鮮重（FW）、地上部干重（DW）、地下部鮮重（FW）和地下部干重（DW）。

1.4 計算方法

電能利用效率：

其中：EUE為生菜的電能利用效率，%；DW為樣品干重的平均值，g/株；Wche為每克干重對應的化學能，2×104J/g；D為每個實驗組的栽培總數(shù)；W為試驗期間光源耗電量，KW·h。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用平均值 ± 標準差表現(xiàn)，采用Microsoft Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)整理和作圖，用SPSS.V 20進行數(shù)據(jù)間的顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 燈具的性能分析

由表1可知，兩種光源的燈珠總數(shù)，燈珠數(shù)差異巨大，5∶1白紅LED分別是9∶1紅藍LED的4.8倍和4倍，但是兩者在測試點的光照強度幾乎沒有差異，反而9∶1紅藍LED的功率是5∶1白紅LED的1.27倍。

表1 LED光源的性能參數(shù)

由圖2可知，此紅藍光LED藍光范圍在430～480 nm，藍光波峰在450 nm左右，紅光范圍在630～680 nm，紅光波峰在660 nm左右。其他波段的光強近似為0。并且此人工光源在不同點上紅藍光分布極不一致，從邊緣到燈管中間，紅光比例依次增多，藍光比例依次減少，到中央處，紅光最多，藍光最少。在這個三點上，紅光與藍光的比例依次是2.1∶1，10.7∶1，77.9∶1。由平均光譜圖算出的紅光與藍光的比例為8.9∶1。

圖2 R∶B=9∶1的紅藍LED各點光譜圖

由圖3可知，此白紅LED在420～700 nm光譜（基本上是可見光部分）范圍內(nèi)，都有分布。光譜分布比較均勻。圖中有三個波峰，第一個波峰在450 nm左右，是在藍光范圍內(nèi)；第二個波峰在560～580 nm之間，是在黃綠光范圍內(nèi)。最后一個波峰在660 nm左右，是在紅光范圍內(nèi)。

圖3 W：R=5：1的白紅LED光譜圖

2.2 光源耗電量分析

表2 光源每天平均耗電量及EUE的統(tǒng)計

由表2可知，紅藍LED每天平均耗電量為1.8 kW·h，白紅LED每天平均耗電量為1.6 kW·h，是白紅LED的1.125倍。在白紅LED下，生菜的EUE為0.94%，而在紅藍LED下，生菜的EUE為0.07%。

2.3 光源對生菜形態(tài)和生物量積累的影響

由表3可知，白紅LED與紅藍LED相比，除葉片數(shù)外，其他形態(tài)指標（葉長、葉寬、葉片數(shù)）都顯著高于紅藍LED。生物量積累方面，白紅LED的地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重與地下部干重與紅藍LED有顯著性差異。

表3 光源對生菜形態(tài)和生物量積累的影響

2.4 光源對葉綠素合成的影響

表4 光源對生菜葉綠素合成的影響

由表4可知，紅藍LED照射下的生菜葉綠素a和（a +b）高于白紅LED，但是葉綠素b含量低于白紅LED。對于葉綠素a/b而言，紅藍LED與白紅LED之間有顯著性差異。

3 討論

人造光源是保證植物工廠正常生產(chǎn)的重要因素。而光源的光譜組成是決定植物是否能夠正常生長的關(guān)鍵性原因。在實驗過程中，從兩種光源的光譜圖分析得出，雖然兩種光源紅光藍光的波峰基本一致，紅光波峰在660 nm，藍光波峰在450 nm，但是白紅LED光源在560～580 nm之間還有一個波峰，這是在黃綠光范圍內(nèi)。已有研究證明，用不同顏色熒光燈（白光、黃光、紅光、藍光）栽培生菜時，黃光對于葉用萵苣的生長效果最好，白光次之，紅光與藍光效果最差[13]，這與Folta等[14]研究類似，其研究證明，黃光、綠光對生菜的生長和發(fā)育有十分重要影響。在實驗中白紅LED處理的生菜形態(tài)指標（除葉片數(shù)），生物量與紅藍LED處理有顯著性差異，也驗證了此種觀點。

紅光有助于植物的干物質(zhì)積累，促進光合作用速率；藍光也有增加葉面積的效果[15，16]，而且紅藍光組合比單色光更有利于植株的生長發(fā)育[17]，另外紅藍光LED的光譜波峰（紅光波峰660 nm，藍光波峰450 nm）也是植物對光吸收波峰[18，19]。但是本實驗實際效果來看，使用紅藍光LED的處理的生菜地上部鮮重和干重顯著低于白紅LED。從紅藍光LED光譜圖分析，紅藍光LED在不同點的光譜差異很大，紅藍光比例（R：B）在每個點差異很大。這可能是此種紅藍光LED照射下，生菜長勢差的其中原因之一。而紅藍光分布的極不一致，雖然和生產(chǎn)光源的廠家的制作工藝有一定的關(guān)系，但是更多的原因可能與燈管上的燈珠總數(shù)，燈珠數(shù)不適合有關(guān)。

葉綠素是截獲光能的主要色素，是生長狀況的重要指標。實驗中，兩種LED照射下的生菜葉綠素a/b達到顯著性差異，但葉綠素（a + b）的含量卻沒有差異，通過兩種LED光譜能量曲線分析，白紅LED的紅光含量少于紅藍LED，已有研究表明：紅光更有利于葉綠素a的合成。另外，兩種燈照射下的生菜葉綠素a/b有顯著性差異可能是兩批生菜形態(tài)（除葉片數(shù)），生物量積累差異巨大的根本原因。

在此次試驗中使用的兩種人造光源，單只燈管的光照強度基本一致，但是紅藍光LED的功率是白紅LED的1.27倍，每天平均耗電量也高于白紅LED。但是從試驗實際效果來看，用白紅LED作光源的處理，生菜的形態(tài)，生物量要遠遠好于紅藍LED處理，而且生菜的電能利用效率也遠高于紅藍LED。使用這種紅藍LED，能源消耗增大，實際效果變差。其原因主要如下：（1）紅藍LED的光譜組成不包含有益于生菜生長的黃光光質(zhì)。（2）從兩種光源的光譜能量曲線發(fā)現(xiàn)，紅藍LED光譜能量分布在每一個點都不一致，導致紅藍光比例分布不相同。

4 結(jié)論

綜上所述，對于人造光源，通過調(diào)節(jié)光源的不同光質(zhì)，增強有益于生菜生長的光質(zhì)，可以提高光源的光能利用率，提高生菜葉綠素含量，增強生菜的光合作用，可以相對減少光源的能耗，更有利于在節(jié)約能源的前提下，高效地促進生菜生長。

人造光源是保障植物工廠正常運作的關(guān)鍵性因素。對人造光源的選擇，大多時候，還是從光源的光質(zhì)，光照強度，壽命的方面去考慮。但是本實驗驗證了，即使在光質(zhì)，光照強度合適的情況下，但是光源的光譜分布不一致，也會導致植物不能正常生長發(fā)育，影響植物工廠的生產(chǎn)效益。因此，今后對光源選擇時，還要考慮人造光源光譜分布的一致性。

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