不同农用LED灯的光谱能量分布对水培生菜生长的影响

李悟杰，滕光辉，付少明，李志忠

（中国农业大学水利与土木工程学院，农业部设施农业工程重点实验室，北京 100083）

0 引言

近年来，随着世界人口、资源、环境问题的日益突出，植物工厂更是受到了前所未有的关注。植物工厂可以大幅提高单位土地利用率、产出率和经济效益，自动化程度高，具有生产计划性，使农产品安全无污染，生产操作省力[1-4]。植物工厂作为新兴的农业设施，人造光源是植物工厂正常运行的关键性因素[5-8]。人造光源给植物工厂中的植物提供光能，是植物光合作用的唯一来源，也是植物工厂能源消耗大户，人工光源选择不合适，既会浪费能源，又会使植物生产效率低下。已有研究表明：光源的光质，光强不同，对植物生长影响很大[9-11]。陆珍[12]研究表明：在250 μmol m-2s-1光照强度和16 h d-1光照周期的条件下，即可实现人工光下水培生菜的高效生产。本研究在基于上述结论的基础下，重点通过分析不同光源的光谱能量分布曲线，以此来评价人造光源的性能，并在植物工厂中实际应用，来验证其结果好坏。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试生菜品种为玻璃生菜，生菜栽培的环境指标：空气温度在明期为20±2℃，暗期为16±2℃；CO2浓度为400±50 μmol mol-1；空气相对湿度为明期70±5%，暗期为60±5%；光照周期为16 h d-1；光照强度为250 μmol m-2s-1。营养液采用日本山崎生菜营养液配方，pH为6.5～7.0，EC 为1.7～1.9 mS cm-1。关于营养液管理，采用DET（Deep Flow Technique，深液流水培技术）水耕栽培方式，并进行营养液循环模式，明期每天循环4次，一次半小时。

1.2 试验设计

选用R∶B=9∶1的红蓝LED灯和W∶R=5∶1的白红LED灯，进行基本性能测试，并分别在距灯管边缘20 cm，40 cm，60 cm处采集其光照强度和光谱能量分布，在中国农业大学上庄试验站植物工厂，2016年3月至2016年4月，使用9∶1的红蓝LED进行生菜种植，并在2016年7月至2016年8月，使用5∶1的白红LED进行生菜种植。

图1为中国农业大学上庄植物工厂内部示意图，图中数字位置是各类传感器的安装位置。其中图中2处温湿度传感器的读数为植物工厂温湿度控制的依据。

图1 植物工厂及传感器分布示意图

1.3 项目测定

采用AvaSpec-USB2光纤光谱仪（荷兰Avantes公司）测量R∶B=9∶1的红蓝光LED和W∶R=5∶1的白红LED光谱，并使用LI-1500光照数据采集器（美国LICOR公司）测量R∶B=9∶1的红蓝光LED和5∶1的白红LED光照强度。利用DDSD-113型电表（山东力创科技有限公司）采集每天灯管耗电量，分析灯管耗能情况，并计算不同光源下生菜的电能利用效率。

定植25天后，开始生菜采收，每个处理随机选取3株，进行破坏实验。测量叶长、叶宽、叶片数、根长、地上部鲜重（FW）、地上部干重（DW）、地下部鲜重（FW）和地下部干重（DW）。

1.4 计算方法

电能利用效率：

其中：EUE为生菜的电能利用效率，%；DW为样品干重的平均值，g/株；Wche为每克干重对应的化学能，2×104J/g；D为每个实验组的栽培总数；W为试验期间光源耗电量，KW·h。

1.5 数据处理

试验数据采用平均值 ± 标准差表现，采用Microsoft Excel 2016软件进行数据整理和作图，用SPSS.V 20进行数据间的显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 灯具的性能分析

由表1可知，两种光源的灯珠总数，灯珠数差异巨大，5∶1白红LED分别是9∶1红蓝LED的4.8倍和4倍，但是两者在测试点的光照强度几乎没有差异，反而9∶1红蓝LED的功率是5∶1白红LED的1.27倍。

表1 LED光源的性能参数

由图2可知，此红蓝光LED蓝光范围在430～480 nm，蓝光波峰在450 nm左右，红光范围在630～680 nm，红光波峰在660 nm左右。其他波段的光强近似为0。并且此人工光源在不同点上红蓝光分布极不一致，从边缘到灯管中间，红光比例依次增多，蓝光比例依次减少，到中央处，红光最多，蓝光最少。在这个三点上，红光与蓝光的比例依次是2.1∶1，10.7∶1，77.9∶1。由平均光谱图算出的红光与蓝光的比例为8.9∶1。

图2 R∶B=9∶1的红蓝LED各点光谱图

由图3可知，此白红LED在420～700 nm光谱（基本上是可见光部分）范围内，都有分布。光谱分布比较均匀。图中有三个波峰，第一个波峰在450 nm左右，是在蓝光范围内；第二个波峰在560～580 nm之间，是在黄绿光范围内。最后一个波峰在660 nm左右，是在红光范围内。

图3 W：R=5：1的白红LED光谱图

2.2 光源耗电量分析

表2 光源每天平均耗电量及EUE的统计

由表2可知，红蓝LED每天平均耗电量为1.8 kW·h，白红LED每天平均耗电量为1.6 kW·h，是白红LED的1.125倍。在白红LED下，生菜的EUE为0.94%，而在红蓝LED下，生菜的EUE为0.07%。

2.3 光源对生菜形态和生物量积累的影响

由表3可知，白红LED与红蓝LED相比，除叶片数外，其他形态指标（叶长、叶宽、叶片数）都显著高于红蓝LED。生物量积累方面，白红LED的地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重与地下部干重与红蓝LED有显著性差异。

表3 光源对生菜形态和生物量积累的影响

2.4 光源对叶绿素合成的影响

表4 光源对生菜叶绿素合成的影响

由表4可知，红蓝LED照射下的生菜叶绿素a和（a +b）高于白红LED，但是叶绿素b含量低于白红LED。对于叶绿素a/b而言，红蓝LED与白红LED之间有显著性差异。

3 讨论

人造光源是保证植物工厂正常生产的重要因素。而光源的光谱组成是决定植物是否能够正常生长的关键性原因。在实验过程中，从两种光源的光谱图分析得出，虽然两种光源红光蓝光的波峰基本一致，红光波峰在660 nm，蓝光波峰在450 nm，但是白红LED光源在560～580 nm之间还有一个波峰，这是在黄绿光范围内。已有研究证明，用不同颜色荧光灯（白光、黄光、红光、蓝光）栽培生菜时，黄光对于叶用莴苣的生长效果最好，白光次之，红光与蓝光效果最差[13]，这与Folta等[14]研究类似，其研究证明，黄光、绿光对生菜的生长和发育有十分重要影响。在实验中白红LED处理的生菜形态指标（除叶片数），生物量与红蓝LED处理有显著性差异，也验证了此种观点。

红光有助于植物的干物质积累，促进光合作用速率；蓝光也有增加叶面积的效果[15，16]，而且红蓝光组合比单色光更有利于植株的生长发育[17]，另外红蓝光LED的光谱波峰（红光波峰660 nm，蓝光波峰450 nm）也是植物对光吸收波峰[18，19]。但是本实验实际效果来看，使用红蓝光LED的处理的生菜地上部鲜重和干重显著低于白红LED。从红蓝光LED光谱图分析，红蓝光LED在不同点的光谱差异很大，红蓝光比例（R：B）在每个点差异很大。这可能是此种红蓝光LED照射下，生菜长势差的其中原因之一。而红蓝光分布的极不一致，虽然和生产光源的厂家的制作工艺有一定的关系，但是更多的原因可能与灯管上的灯珠总数，灯珠数不适合有关。

叶绿素是截获光能的主要色素，是生长状况的重要指标。实验中，两种LED照射下的生菜叶绿素a/b达到显著性差异，但叶绿素（a + b）的含量却没有差异，通过两种LED光谱能量曲线分析，白红LED的红光含量少于红蓝LED，已有研究表明：红光更有利于叶绿素a的合成。另外，两种灯照射下的生菜叶绿素a/b有显著性差异可能是两批生菜形态（除叶片数），生物量积累差异巨大的根本原因。

在此次试验中使用的两种人造光源，单只灯管的光照强度基本一致，但是红蓝光LED的功率是白红LED的1.27倍，每天平均耗电量也高于白红LED。但是从试验实际效果来看，用白红LED作光源的处理，生菜的形态，生物量要远远好于红蓝LED处理，而且生菜的电能利用效率也远高于红蓝LED。使用这种红蓝LED，能源消耗增大，实际效果变差。其原因主要如下：（1）红蓝LED的光谱组成不包含有益于生菜生长的黄光光质。（2）从两种光源的光谱能量曲线发现，红蓝LED光谱能量分布在每一个点都不一致，导致红蓝光比例分布不相同。

4 结论

综上所述，对于人造光源，通过调节光源的不同光质，增强有益于生菜生长的光质，可以提高光源的光能利用率，提高生菜叶绿素含量，增强生菜的光合作用，可以相对减少光源的能耗，更有利于在节约能源的前提下，高效地促进生菜生长。

人造光源是保障植物工厂正常运作的关键性因素。对人造光源的选择，大多时候，还是从光源的光质，光照强度，寿命的方面去考虑。但是本实验验证了，即使在光质，光照强度合适的情况下，但是光源的光谱分布不一致，也会导致植物不能正常生长发育，影响植物工厂的生产效益。因此，今后对光源选择时，还要考虑人造光源光谱分布的一致性。

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