LED 补光技术现状植物补光理论基础

gaoxianqu

植物补光理论基础

      光是植物生长发育的基础。在自然光谱中，不同波长的光对植物的生长发育、种子萌发、叶绿素合成及形态形成的作用是不同的。

光谱范围对植物生长的影响：
280-315 nm      对形态与生理过程的影响极小；
315-400 nm       叶绿素吸收少，影响光周期效应，阻止茎伸长；
400-520 nm      （蓝光） 叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大,对光合作用有影响最大蓝色波长有利于叶的生长；
520-610 nm       色素的吸收率不高；
610-720 nm      （红光） 叶绿素吸收率低，对光合作用与光周期效应有显著影响，红色波长则有利于花及结果；
720-1000 nm     吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽；
＞1000nm          转换成为热量；

      植物光合作用在可见光光谱（ 380～760 nm）范围内，所吸收的光能占其生理辐射光能的 60 %～65 %，其中主要以波长 610～720 nm 的红、橙光以及波长 400～510 nm 的蓝、 紫光为吸收峰值区域，红橙光被叶绿素吸收最多,光合作用活性最大，蓝紫光的同化效率仅为红橙光的 14%。红橙光有利于叶绿素的形成及碳水化合物的合成,加速长日照植物的生长发育,延迟短日照植物的发育,促进种子萌发;蓝紫光有利于蛋白质合成,加速短日照植物的发育,延迟长日照植物的发育。紫外线有利于维生素 C 的合成。所以，适当的红光 （ 600～700 nm）与蓝光 （ 400～520 nm）光通量的比即R/B 比（红： R， B：蓝）才能保证培育出形态健全的植物。

LED 植物补光理论研究

      LED 可提供各种波长的单色光，常用的有发光谱峰 450 nm 的蓝光 LED， 660 nm 的红光 LED 和 735 nm 的远红光 LED，且光谱宽度小于±30 nm。上述发光波长正好与植物光合作用和光形态形成的光谱范围相匹配。 LED 植物补光正是基于上述理论，以红、蓝 LED 为光源，依照植物生长规律所需要的太阳光，用灯光代替太阳光给植物补光的一种灯具。在 1982 年，日本三菱公司即采用波长 650nm 的红色 LED 进行温室番茄补光,这是世界上最早将 LED 用于植物栽培领域的报道。 1991 年， Bula 等使用红光 LED 配上蓝光荧光灯作为组培光源，成功栽培了生菜和天竺葵。 1996 年， Okamoto 等使用超高亮度红光 LED 与蓝光 LED，在蓝光与红光光量子数之比为 1： 2下可正常培育蔬菜。 2004 年， Tamulaitis 等开始在温室中运用高功率 LED 栽培植物，使用 640 nm 的红光 LED， 660 nm 的红光 LED，455 nm 的蓝光 LED 和 735 nm 的远红光 LED 作温室人工光源成功栽培了萝卜和生菜。魏灵玲等利用红光 LED (660 nm)和蓝光 LED (450 nm)组合进行了黄瓜的育苗试验。 2010 年，周国泉等以生菜为试材,分别在 3 种不同光质的红、蓝和远红三色发光二极管组合灯补光条件下和温室自然条件下栽培。吴家森等使用 LED 对萝卜种植进行补光照射。综上，通过不同颜色 LED（主要为红、蓝）的组合，能够在一定程度上实现对植物补光的要求，并且植物也能够正常生长。

LED 植物补光光源的研究

      国内外在 LED 植物补光光源上开展了很多的研究工作。2001 年，方炜申请了名为“以发光二级管为光源的植物栽培装置”的专利， 主要介绍了一种以小功率发光二级管为光源的植物栽培装置，系统主要包含灯具与驱动器两大部分，适用于大部分组培苗之生产栽培。在此基础上，方炜又申请了名为“以超高亮度发光二极管作为人工光源的植物生长箱”的专利，主要介绍了一种以自行研发的小功率超高亮度发光二极管作为人工光源的植物生长箱，并对比了该种新型光源与传统的荧光灯在培育蝴蝶兰组培苗栽培上的差异。

      2002 年，日本 CCS 公司森冈美帆制作了包括 LED 光源、生长控制软件、信号调节器和数据收集软件的植物生长系统。该系统通过生长控制软件控制 LED 照明，同时可以实现不同光质的自动控制。同年，田中道男开发了由红色 LED（ 660 nm）和蓝色 LED（ 450 nm）组成的独立光源 “ UNi-PACK”。其中红色 LED 的光效可达到 22%-25%，不能转化为光能的电能大部分在 LED 芯片的发热中消耗了，故通过在 LEDCAP 各个侧面打孔并安装体制风扇，以及在 LED 模板内侧使用冷却水循环降温的方法解决散热问题。

      2006 年，南京农业大学徐志刚研究小组在国内首次成功研制出“用于植物光生物学研究的柔性 LED 光源系统”，并于 2008 年申请了专利，该系统主要由 LED、即插式万能基板和驱动与控制单元组成，其主要特点是不同波长的 LED 可以依据实验要求任意组合与排列，解决了传统光源不能提供的多光谱参数组合以及不能精确定量调制光谱参数的问题。 2008 年，日本厂商推出“ My Plant”款 LED 灯具产品，该款产品具备 2 组 LED 照明模组，一个模组是由 10 颗红光 LED与 2 颗蓝光 LED 所搭配而成，能帮助植物行光合作用。此外，该产品内建自动定时开关，使用者能够方便地设定需要照射植物的时间，耗
电量相当低。

      2011 年，西北农林科技大学的张海辉等人申请了“大棚环境补光系统”的专利,其特征在于以单片机 STC12C5A60S2 为核心的控制模块通过接收检测模块采集到光强值和温度判断并控制继电器开关状态 ,根据需补光量,控制补光灯组的亮度,实现按需智能精确补光。同时，其 LED 灯组采用 220V 居民用电供电，其它模块均采用太阳能供电。