基于LED光源进行育苗的光质研究

【摘 要】结合当前国际国内人工光源育苗的研究形势，以衢州当地基于LED光源建立的育苗绿色工厂为例，研究基于LED光源进行育苗的光质特性。主要表现在：1）光源单一可调，不受外界自然条件限制；2）红蓝光质合理配比，大大提高光利用率，满足育苗的光质理论要求。这对当地工厂化设施育苗有借鉴价值。

【关键词】LED光源；育苗；光质

光合作用是通过植物叶绿素等光合器官将CO2和水合成碳水化合物并释放氧气的过程。是植物生长发育的主要生理活动，光照为植物光合作用等生理活动提供能量，是植物形态建成的动力，光质对植物的生长发育、物质代谢及基因表达等均有调控作用[1]。光照条件的好坏直接影响植物的产量和品质。

衢州当地四季多阴雨气候，阴雨季节光照不足影响大田育苗的自然光补给，从而影响种苗数量和质量。种苗质量的优劣是决定作物产量和品质的关键，育苗工厂化已成为高品质种苗生产的重要手段。育苗工厂化设施以人工光源的配比和光质要求为主导因素。作者联合衢州市中恒农业科技有限公司开展基于LED灯照育苗试验，对比分析LED灯光谱和自然光光谱，结合植物生长需要的光质理论要求，从光强和光谱分布角度说明LED灯光质对育苗的影响，以期相关结果对当地设施育苗推广有借鉴价值。

1 LED光源的特性

植物对人工光源的要求主要体现在三个方面，即光谱性能、发光效率以及使用寿命等。LED光源是属于半导体发光物质。由Ⅲ一Ⅳ族化合物，如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）等半导体材料制成，其核心是PN结[2]。它是用环氧树脂封装的固态光源，其结构中没有玻璃泡、灯丝等易碎部件。发出单色光，可以自由搭配各种颜色的发光光谱，按照植物生长需要组合利用，提高光的利用率。LED光源属于冷光源，没有红外和远红外光谱成分，接近植物表面照射不会出现叶面灼烧等问题。

与普通荧光灯等其他人工光源相比，LED主要具有以下显著的优势：1）节能，LED不依靠灯丝发热来发光，能量转化率达到80%，节能效果达到荧光灯的4倍，是节能光源的代表。2）环保，普通荧光灯等人工光源含汞，易对环境造成污染，而LED光源没有任何污染，是一种“清洁”能源。3）寿命长，达5万小时以上，是荧光灯的5倍以上。4）体积小，可以自由设计成光源板形状，提高空间利用率。

2 LED光源与自然光的光谱对比

地球上的植物是经过亿万年的自然选择来不断适应太阳辐射的。太阳辐射的波长范围大致为300-2000nm。太阳辐射光谱是连续光谱。主要由无线电波，远、中、近红外线，可见光，紫外线（A、B、C），X射线以及极短的宇宙射线等组成，是地球上植物光合作用和生长发育的重要能量源。但是，由于植物对光具有选择吸收的特征，导致不同光谱成分对植物的影响效果不尽相同。而光合作用和能量转化仅仅可以利用自然光中很少部分的有效光。波长400-700nm的光质和光谱分布是植物光合作用主要的能量吸收波段，称为光合作用有效辐射[3]。

衢州低温寡照季节自然光的光谱如图1所示，由图可知，绿光波长处存在强峰，蓝紫光和红橙光峰值不强。而且，蓝紫光和红橙光较绿光波段的强度小，这与植物光合过程中，吸收最多的是红橙光，其次是蓝紫光和紫外线，绿光最少的理论不一致。因此，植物在自然光的条件下补照红蓝光或者单纯进行红蓝光质育苗增产在理论上具有可行性。

实验所用LED灯为合理配比红光和蓝光以后的圆形顶置灯，图2为实验所用的红蓝光质组合LED灯光谱图。由图可以看出，与自然光杂乱光谱相比，光谱特性明显，主要表现在：光谱具有两个主要光强，主要分布在红蓝光波段。其中波长为442nm的是蓝光，波长652nm的是红光，其相对光谱功率分布位于（800-900）μmol・m2・s-1之间，该LED灯主要辐照红蓝光。这与在植物光合过程中，植物吸收最多的是红、橙光，其次是蓝紫光和紫外线，绿光吸收的很少的理论相一致，说明该设计下的LED灯满足相关育苗光质理论的要求。另外，LED灯光源单一性好，杂光少，可自由配比组合，利用率高。

3 小结

不同的光谱成分对植物的影响效果也不尽相同，强光条件下，蓝色光可促进叶绿素的合成，而红色光则阻K其合成。虽然红色光是植物光合作用的主要能量源，但如果没有蓝色光配合则会造成植物形态的异常，大量光谱实验证明，适当的红色光与蓝色光比才能保证培育出形态合理的植物。

利用LED光源进行育苗的光谱特征结果分析显示，自然光光谱与植物光合过程中，吸收最多的是红橙光，其次是蓝紫光和紫外线，绿光最少的理论不一致，这为植物在自然光的条件下补照红蓝光或者单纯进行红蓝光质育苗增产在理论提供依据。红蓝组合LED灯光谱特性最明显，波长覆盖带宽显示，光谱呈现两个主要光强，主要分布在红蓝光波段。满足育苗光质理论的要求。另外，LED灯光源发光单LED灯光源单一性好，杂光少，可自由配比组合，利用率高。

LED光源是密闭式育苗工厂的理想光源，它的应用可以降低能源消耗和运行成本，提高光源利用率和光环境控制精度，同时对解决环境污染、减少温室效应有重要意义。

【参考文献】

[1]Fukuda N，Kobayashi M，Ubukawa M，et al.Effects of Light Quality， Intensity and Duration from Different Artificial Light Sources on the Growth of Petunia（Petunia×hybrida Vilm.）[J].Journal of the Japanese Society for Horticultural Science，2008，71（4）：509-516.

[2]刘江，范广涵，刘承宣.改进实用型LED生物光源系列[J].应用激光，2003，6（3）：147-151.

[3]周晚来， 刘文科， 闻婧，等.短期连续光照下水培生菜品质指标变化及其关联性分析[J].中国生态农业学报，2011，19（6）：1319-1323.