一款特定光谱的植物生长灯

河北农业大学 裴艳辉 赵蔚 索雪松 张洪锐 刘娇 金朝霞 王璐

引言

植物的生产离不开光合作用，而提供有效的光源是增产、增效的必要手段。植物生长灯通过不同光质组合和光照模式，可有效地为在不同阶段生长的植物提供其需要的光照，以此满足植物对光的需求，最终达到增产增效的效果。

随着科技的发展，高级的植物生长促进设备已经可以结合网络通信、自动控制、物联网、云服务等来实现远程获取种植环境的空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、光照信息及视频图像等信息。结合了信息化的产品更加契合人们的生产，不再需要人工亲临的传统检测方式，通过手机、PDA、计算机等信息终端就可以获知实时监测信息。而通过系统的模型分析，生长灯便可自动进行光调控，相对传统补光产品增加了效率与容错性。

全球植物生长灯市场分为四大类，主要是荧光类、LED 类、高压钠类、白炽灯及卤灯类。在2020 年全球植物生长灯的价值将超过30 亿美元，自2016 年以来增长迅速。

1 植物生长与光照的关系

植物生长照明的最终目的是加快作物的生长，缩短周期。由于植物的生理特性及生长特性的差异导致其对光照的需求各不相同。大量的研究表明，光照对植物的作用主要表现在光质、光强、光周期3 个方面。但是植物并不是对所有的光都兼收并蓄的，而是具有明显的选择性。不同的光质、光强、光周期均对植物的生长产生不同的作用。

1.1 不同光质对植物的作用

不同光质对植物生长的作用示意。从光合作用曲线（绿色线）来看，整个曲线主要有2 个峰值1 个是在波长为430～450 nm蓝光主要是对植物的萌芽等有促进作用，对茎的生长有强烈的抑制作用。另1 个是在600 到700nm 红光主要是对植物的光合作用、萌芽、开花增色和结果等均有促进作用。

2 产品介绍

本文研发的63 光谱调控系统由波长为400nm 到730nm 的多个LED 点光源组装而成。依据作物不同的生长周期对应着不同的光谱曲线，我们对LED 光源的光密度和光质配比进行组合，根据经济作物生长的需求进行更为精确的调节和配置，以此来制作不同波长的光谱。根据作物所需光照强度及照射面积决定了光源的间距。由于LED 照明系统产生的光线热量非常低，使得光谱调控系统能够被放置在离作物更近的地方，增加了作物接收到的光。

用光调控的方式促进经济作物生长和有效物质积累与传统的转基因、杂交和施用化肥等方法有着本质的区别。它通过对外部条件的控制，利用各种不同光谱成分的组合和光强调控技术来促进经济作物的生长，从而达到增产增收、增质增效的作用。同时，在不同的生长阶段使用不同光波谱段的组合，还可以对经济作物的生长和功能性化学物质的积累进行对症配光，并将这些配光方案组合起来对经济作物进行照射，从而生产出经济效益高、营养高的经济作物。图1 为条形植物生长灯。

图1 条形植物生长灯

3 具体设计

3.1 分析所需的红蓝光比例

3.1.1 利用光敏传感

光敏传感器对环境光源进行实时监测，并将采集到的光环境信息发送至单片机。由于光敏传感器无法直接检测到环境中的红、蓝光，所以在光敏传感器前加上相应波长的带通滤镜，实现对植物工厂或温室内红、蓝光的检测。

3.2 产品的具体参数

额定功率：100W、150W；输入电压：AC100-277V，50-60Hz；使用寿命：50000 小时。

3.2.1 灯珠规格

12 波段全光谱，可以自由调节红蓝光。提供植物各个生长阶段所需要的最适宜的波长。

3.2.2 散热

采用AL 材质，具有轻便，散热快的特点。可以长时间使用，并且不用特意安装风扇，加强散热。

4 以药用大麻为例，展示本产品的功效

麻类作物生长所需光照时间为每天16 个小时，少于16 个小时则光照时间不够，多于18 个小时则对于光合作用也没有了用处，因此，基本的16 个小时的光照时间是必要的。对于不同的生长周期，光调节的照射时间也有所不同，一般苗期照射16 小时，休息8 小时；植物期照射18 小时，休息6 小时；花期照射12小时，休息12 小时。工业大麻生长的第一阶段称为植物期。在使用光源照射时，将其放在作物上方20 英寸或更高的地方，使得光源发出的光能够被作物很好的吸收利用，这个阶段作物更多的需要波长450nm 左右的光谱光源。开花阶段是主要产生大麻二酚（Cannabidiol，CBD）的关键时期，只有雌性作物才会产生这些物质，而且过程比较明显；因为需要花费更多能量去产生花苞，所以它的生长过程会变得更加缓慢。但在使用专用光谱光源照射后，会提升药用经济作物中的大麻二酚（Cannabidiol，CBD）成分。在周期方面，使用高压纳灯约82 天，但使用特定光谱调控系统可以缩减到68 天左右，以全年来看，后者要比前者多一次生长周期，作物产量与获益得到极大提高。

5 产品的具体安装以及应用

主要建在室内，也可在室外空地或楼顶，但是要搭建相应的雨棚。适用范围：气候室采用节能型LED 顶光模组灯，配合苗床，光源可上下左右调整，可对高、低植株的整个生长周期进行培养，使用方便高效，且可对农艺钠灯或高照度LED 光源进行合理搭配，实现不同植物对光波长和光谱的不同需求，高光效LED 页光膜组植物生长灯具有全光谱特性，可提供植物生长所需的全部光谱，能够极大的缩短植物生长所需要的时间调控光周期，提高科研人员的效率。图2 为植物生长灯在温室中的使用。

图2 植物生长灯在温室中的使用