LED 特定農用光譜光源的研制及試驗研究 張 洪 銳 1 趙 睿 明 1 曹 春 卿 2 孫 磊 1 范 曉 飛 1 索 雪 松 1 1 河 北 農業(yè)大學 機電工程學院 河北 保定 071000 2 山西農業(yè)大學 軟件學院 山西 太谷 030800 摘 要 設計了一款 LED 特定光譜光源 為植物工廠中的植物生長 發(fā)育 開花 結果提供所需光環(huán)境 LED 特 定光譜光源采用雙控開關 BLOOM 與 VEG 控制不同波段燈珠的亮滅 從而調控植物生長所需的光譜 其中 開 關 VEG 的光譜配比為紅 藍 白 紅外 36 18 5 1 以達到配比紅 藍 2 1 開關 BLOOM 的光譜配比為紅 藍 白 紅外 40 10 9 1 以達到配比紅 藍 4 1 以生菜 美國大速生 為試驗材料 采用華南農業(yè)大 學蔬菜營養(yǎng)液配方統一進行無土栽培水耕培植 通過 3 組不同光譜條件 即室外太陽光 對照 溫室太陽光 紅 藍配比為 2 比 1 的溫室 LED 光源進行生菜育苗照射試驗 研究不同光譜對生菜的生長 品質及葉綠素含量的影 響 結果表明 通過溫室 LED 培育出的生菜株高 株莖 葉片數 最大葉高 最大葉寬及葉綠素含量的參數明顯高 于室外太陽光和溫室太陽光兩組的生菜參數 關鍵詞 LED 光源 光譜 水培 生菜 中圖分類號 S237 文獻標識碼 A 文章編號 1003 188X 2022 07 0258 06 0 引 言 近 年 來 植物工廠作為一種能夠完全實現人工控 制 不受自然光照等條件限制的新型農業(yè)生產方式 是公認的現代設施農業(yè)的高級階段 1 2 光 是 影響 植物生長發(fā)育和生物物質積累的最重要環(huán)境因素之 一 其參與植物光合作用 調節(jié)植物的生長 分化和代 謝 3 植 物 在 380 760nm 光譜范圍內進行光合作 用 以紅 藍光為主要吸收光譜 4 LED 光 源 具有光 質 光強 光周期可實現控制的特點 同時具有冷光 源 壽命長 節(jié)能的特性 是植物工廠作為光源的優(yōu)選 之一 5 國內 外許多學者研究了 LED 不同光質 光強 光 周期對植物生長發(fā)育 產量和品質 功能性化學物質 積累的影響 有研究表明 藍光對植物壯苗 生長和 發(fā)育有促進作用 馮漢青等人對菜豆葉片的試驗表 明 隨著光強的增加 菜豆葉片的光化學效率呈現降 低趨勢 但葉片在藍光下的光化學吸收和利用效率高 于紅光 6 Hern ndez 的 實 驗表明 黃瓜幼苗通過 補照紅藍光 壯苗指數得到顯著提高 7 有 研 究表 明 紅光對植物開花和結果有促進作用 如 張 婭婷 收稿 日期 2021 05 07 基金項目 河北省重點研發(fā)計劃項目 20327403D 20327213D 作者簡介 張洪銳 1996 男 河北保定人 碩士研究生 E mail 1007031315 qq com 通 訊 作者 趙睿明 1978 男 河北保定人 副教授 E mail pow erzrm 163 com 等 人 的研究表明紅光有助于番茄產量的增加 8 紅 藍光進行配比對植物生長更能起到促進作用 如 Jamal 和 Shandiz 對溫室番茄進行 LED 光照處理后發(fā)現 在 LED 紅 光 處理或者 LED 紅藍混合光處理下的植株莖 粗更大 9 何蔚等人研究表明 晝 夜 為 14h 10h 紅 藍比為 1 1 最有利于番茄的生長發(fā)育 10 周 成 波 等人的研究結果與嚴宗山等人的研究結果均表明 紅 藍比為 4 1 光強為 200 mol m 2 s時 可促 進生菜的 生長 11 12 在 紅 藍光對植物生長起作用的基礎上 有研究表明紅藍光對植物功能性化學物質的積累也 有促進作用 張文彬等人的研究表明 生菜采收前集 中連續(xù) LED 紅藍光的照射 可提高生菜品質或生產富 含某種營養(yǎng)元素的功能性 13 Goto 等 人 研究紅 藍 光 LED 對紅葉生菜花青素積累的影響 結果表明 藍 光照射能夠有效促進紅葉生菜功能性化學物質的合 成 14 有 研 究表明除紅藍光外 紅外光對植物生長 和物質的積累有促進作用 如 Stutte 等人研究表明紅 外光可刺激生菜葉片的伸長 15 Li 等人發(fā)現紅外光 750nm 可 提高生菜生物量和 Vc 含量 而葉片類胡 蘿卜素含量顯著減少 16 Chen 等人發(fā)現通過紅外 850nm 光 處 理的生菜 Vc 含量升高 而葉綠素和類 胡蘿卜素含量明顯降低 17 截 止 到目前 研究多集中于不同光強 光譜配比 補光周期對一種植物階段性生長周期狀況的影響 實際燈具設計試制的報道不多 為此 基于前人的研 究成果 設計了一款實際用于生產的 LED 特定光譜光 852 2022 年 7 月 農 機 化 研 究 第 7 期 DOI 10 13427 ki njyi 2022 07 046 源 波段 為 380 840nm 不僅可以滿足植物幼苗期 生 長期使用 同時可以滿足植物花期 果期使用 且燈具 可以實現不同使用期的切換 以生菜為對象進行了 生長期的對比照射試驗 以驗證 LED 光源的利用率和 效率 為提高生菜品質與產量研究提供理論依據和技 術參考 1 光 源 硬件設計 1 1 外 殼 設計 光源整體設計大小為 40cm 24cm 7cm 為保證 LED 光源壽命 外殼采用通風設計 背部有 3 個散熱 風扇 7 2cm 7 2cm 側部有豎向開孔 5cm 1cm 光源 外殼材質選用國標 6063 鋁型材 表面進 行陽極氧化處理 進一步提高了光源使用壽命 外殼 側部如圖 1 所示 外殼背部如圖 2 所示 圖 1 外殼 側部圖 Fig 1 Side view of housing 圖 2 外 殼 背部圖 Fig 2 Case back view 1 2 硬 件 電路設計 1 2 1 LED 光源電路 光源采用矩陣型排布方式 其連接方式為每兩行 進行串聯 共串聯 30 個燈珠 如圖 3 所示 其中 紅線 和綠線分別表示串聯 30 燈珠 在鋁基板 4 個角的位置 引出正負極 光源驅動采用恒流式驅動電源 根據設 計需求 選取最佳的電阻和電容 搭建橫流驅動電路 確保恒流電路驅動準確 1 2 2 風扇電路 LED 光源雖然有冷光源的特性 但當溫度過高仍 會引起內阻的改變 以至于影響燈珠的光強與使用壽 命 因此 電路設計加入 3 個并聯的無刷風扇 以達 到降溫的目的 保證光源持續(xù)工作 風扇驅動采用恒 流式驅動電源 根據設計需求 選取最佳的電阻和電 容 搭建橫流驅動電路 確保恒流電路驅動準確 圖 4 表示風扇電路的連接方式 圖 3 光 源 串聯方式 Fig 3 Light source series connection 圖 4 風扇 連接方式 Fig 4 Fan connection method 1 3 特定光譜光源設計 1 3 1 光源排布方式及配比 基 于 前人的研究成果 為達到光譜最佳 設計的 LED 光源 采用波段為 380 840nm 的紅 藍 紅外燈 珠 以發(fā)射全光譜的白色燈珠為光源 其配比為 紅 B 藍 W 白 I 紅外 76 28 14 2 這里及以下圖中采用 代表紅光 LED B 代表藍光 LED W 代表白光 LED I 代表紅外光 LED 為了提 高光照平面的光量子流密度及光照強度 采用矩陣型 排列方式 LED 燈珠的排布方式如圖 5 所示 圖 5 LED 燈珠 排布方式 Fig 5 Arrangement of LED lamp beads 特定光譜光源是根據不同時期的植物提供了 3 種 光 照 模式 蔬菜開關 VEG 主要用于植物苗期的生長 和發(fā)育 花期開關 BLOOM 主要用于植物花期和果期 的生長成熟和著色 兩開關全部打開增加光量子流密 度主要用于生長期 系統開關采用雙控開關 開關 BLOOM 管控圖 5 中第 2 4 6 8 排燈珠 其光譜配比為 B W I 40 10 9 1 以達到配比紅 藍 952 2022 年 7 月 農 機 化 研 究 第 7 期 4 1 開關 VEG 管控圖 5 中第 1 3 5 7 排燈珠 其光 譜配比為 B W I 36 18 5 1 以達到配比 B 2 1 1 3 2 光源光譜圖 LED 光源在暗室中進行光譜檢測 設備采用 PS 1100 光譜儀 通過在 PC 端進行操作后 分別得到了 LED 光源在開關 VEG BLOOM 和全開情況下的光譜 圖 其光譜波段主要集中在 380 840nm 開關 VEG 光譜圖如圖 6 所示 開關 BLOOM 光譜圖如圖 7 所示 圖 6 開關 VEG 光譜圖 Fig 6 Switch VEG spectrum 圖 7 開關 BLOOM 光譜圖 Fig 7 Switch BLOOM spectrum 1 4 LED 光 源 實物圖 LED 光源通過外殼 電路及光源的設計 并采用 最優(yōu)性價比設計出 LED 特定光譜光源 其實物正面圖 如圖 8 所示 實物背面圖如圖 9 所示 圖 8 LED 光源 實物正面圖 Fig 8 Front view of LED light source 圖 9 LED 光源實物背面圖 Fig 9 ear view of LED light source 2 驗 證 試驗設計 2 1 試 驗 材料 試驗材料選用美國大速生生菜幼苗 其生長環(huán)境 為水培基質 基質選用華南農業(yè)大學蔬菜營養(yǎng)液配 方 2 2 試驗方法 試驗于 2020 年 7 月在保定某試驗基地栽培試驗 室進行 采用生長狀況基本一致的生菜苗試驗 其標 準是生長狀況 大小 葉綠素含量等差異不大的幼苗 試驗前一天將 112 顆生菜苗 見圖 10 的株高 株莖 葉片數 最大葉高 最大葉寬和葉綠素含量在 Excel 中 記錄和篩選 篩選出 72 顆生菜苗 其 A B C3 組的初 始值如表 1 所示 其初始圖如圖 11 所示 圖 10 112 顆 生 菜苗 Fig 10 112 lettuce seedlings 為 保 證試驗的嚴謹性 科學性 栽培室環(huán)境控制 為 溫度 25 30 濕度 50 60 水培基質配比好 后每兩天加 200mL 水 試驗分為 A B C3 組進行對 比試驗 C 組為對照組 A B C3 組的水培種植箱采 用 24 孔設計 箱子大小為 39cm 29cm 14cm 孔的 大小為 4cm 4cm 箱子開孔圖如圖 12 所示 試驗將生菜苗根部用溫濕的海綿塊夾住中 并依 次栽培入 24 孔水培種植箱 如圖 13 所示 試驗采用 3 種光譜條件進行照射 其條件如表 2 所示 062 2022 年 7 月 農 機 化 研 究 第 7 期 表 1 A B C3 組生 菜苗初始值 Table 1 The initial value of A B C three groups of lettuce seedlings 組別 株高 cm 株莖 cm 葉片數 片 最大葉高 cm 最大葉寬 cm 葉綠素含量 SPAD A 組 6 11 0 54 4 08 6 11 5 55 26 30 B 組 6 11 0 54 3 92 6 11 5 17 26 19 C 組 6 11 0 54 3 83 6 11 5 61 26 12 圖 11 A B C3 組初 始生菜苗 Fig 11 Three groups of initial lettuce seedlings A B and C 圖 12 箱子 開孔圖 Fig 12 Box opening diagram 圖 13 A B C3 組 生 菜苗水培箱 Fig 13 A B C three groups of lettuce seedling hydroponic tank 表 2 不同組別光譜條件設置 Table 2 Spectral condition settings for different groups 組別 條 件 環(huán) 境 光 譜 光照時長 h d 1 A 組 溫 室 B 2 1 10 B 組 溫 室 太陽光 10 C 組 對照 室外 太陽光 10 1 A 組 苗 條件 在溫室中 采用本文設計 LED 光 源 光譜為紅 藍 2 1 每天進行光周期為 10h 的照 射時長 2 B 組苗條件 在溫室中 采用太陽光 每天進行 光周期為 10h 的照射時長 3 C 組苗條件 在室外太陽光下 采用太陽光 每 天進行光周期為 10h 的照射時長 2 3 指標測定 1 生理指標測定 采用直尺和游標卡尺測量生菜 的株高 莖寬 葉寬和葉片數 2 品質指標測定 生菜葉片葉綠素的含量 采用 SPAD 502Plus 型葉綠素測試儀進行檢測 2 4 數據分析 試驗數據每兩天進行株高 莖寬 葉寬 葉片數和 葉綠素含量的采集 并在 Excel 2019 中記錄和整合數 據 采用 SPSS 25 軟件 通過 LSD 和 Duncan 法進行差 異性和顯著性分析 采用 Graphpad 進行顯著圖繪制 3 結 果 與分析 3 1 不同光質對生菜生長的影響 生 菜 通過 A 組 溫室特定光譜 LED 光源 B 組 溫室太陽光 和 C 組 對照 的處理 3 組第 15 天生 菜如圖 14 所示 3 組的差異顯著水平如表 3 所示 其 中 株高 株莖 葉片數 最大葉高 最大葉寬和葉綠素 含量均是 A 組明顯高于 B 組和 C 組 對照 B 組與 對照組株高 株莖 葉片數 最大葉高 最大葉寬差異 不顯著 但葉綠素含量 B 組與 C 組 對照 有顯著差 異 圖 14 A B C3 組第 15 天 圖 Fig 14 A B and C three groups on the fifteenth day 由 表 3 可 以看出 生菜通過 3 組處理 A 組與 B 組株高比 C 組分別增加了 8 32 與 1 23 在日照 時間等長情況下 B 2 1 的 LED 光源可促進生 菜的伸 長 A 組 與 B 組 株 莖 比 C 組 分 別 增 加 了 33 33 與 1 58 在日照時間等長情況下 B 2 1 的 LED 光源可促進生菜的莖的增長 A 組與 B 組 葉片數比 C 組分別增加了 34 58 與 8 54 在日照 時間等長情況下 B 2 1 的 LED 光源可促進生 菜的葉片數的增加 A 組與 B 組最大葉高比 C 組分別 增加了 8 32 與 1 23 A 組與 B 組最大葉寬分別比 162 2022 年 7 月 農 機 化 研 究 第 7 期 C 組增 加了 5 11 與 1 23 在日照時間等長情況 下 B 2 1 的 LED 光源可促進生菜的葉寬的增 長 圖 15 為 A B C3 組對生菜進行 15 天的處理后 其株高 株莖 葉片數 最大葉高 最大葉寬的顯著圖 表 3 不同 光處理 15 天后生菜生長指標比較 平均值 標準差 Table 3 Comparison of lettuce growth indexes after 15 days of different light treatments mean standard deviation 組別 株高 cm 株莖 cm 葉片數 片 最大葉高 cm 最大葉寬 cm 葉綠素含量 SPAD A 組 7 03 0 53a 0 84 0 15a 6 46 1 2a 7 03 0 53a 5 97 0 19a 31 39 2 43a B 組 6 57 0 26b 0 64 0 06b 5 21 0 87b 6 57 0 26b 5 61 0 21b 28 80 2 06b C 組 6 49 0 19b 0 63 0 06b 4 80 0 65b 6 49 0 19b 5 68 0 04b 26 58 1 66c 注 同 一 行小寫字母表示處理間在 0 05 水平上的差異顯著性 圖 15 A B C3 組 對 生菜株高 株莖 葉片數 最大葉高 最大葉寬 葉綠素含量的影響 Fig 15 The effects of three groups A B and C on lettuce plant height stems number of leaves maximum leaf height maximum leaf width and chlorophyll content 3 2 不同光質對生菜生理生化的影響 由 表 3 可 以看出 A 組與 B 組葉綠素含量比 C 組 分別增加了 18 09 與 8 35 在日照時間等長情況 下 B 2 1 的 LED 光源可提高生菜的葉綠素含 量 B 2 1 的 LED 光源 A 組葉綠素含量與 C 組 對照 相比十分顯著 溫室太陽光 B 組比 C 組 對 照 相比較為顯著 4 討 論 與結論 1 光是植物生長發(fā)育的基本環(huán)境因素 不 僅 是光 合作用的基本能源 而且是植物生長發(fā)育的重要調節(jié) 因子 18 很 多 研究證實 紅藍光補光燈比熒光燈或白 光燈的補光效果好 更能促進植物的生長發(fā)育和有機 化學物成分的積累 1 4 6 17 2 試 驗 表明 溫室太陽光下生菜的綜合指標要比 室外太陽光下的綜合指標要強 尤其是在葉綠素含量 上更加顯著 紅藍比為 2 1 的 LED 特定光源 在同等 10h 天的光照時長下 其生菜的產量和品質最佳 尤 其是在葉綠素含量上更甚 設計了紅藍比為 2 1 與紅藍比為 4 1 的 LED 特定光源 并通過生菜種植進行了試驗 結果表明 紅 藍比為 2 1 的特定光譜更能促進生菜株高 株莖 葉 片數 最大葉高及最大葉寬的生長 增加葉綠素含量 的積累 但是 對于水培種植過程中其他條件 如光 照強度 環(huán)境溫度 水 液溫 通氣量 pH 值 EC 等 均是目標作物生長發(fā)育所需的關鍵條件 這些影響因 素都需要進一步的研究 參考文獻 1 崔 世 鋼 陳苗 張永立 等 基于 LED 光源水培生菜最佳 光配方的篩選 J 江蘇農業(yè)科學 2020 48 16 152 155 2 郭祥 雨 薛新宇 路軍靈 等 我國植物工廠智能化裝備 研究現狀與展望 J 中國農機化學報 2020 41 9 162 169 3 WANG Y ZHANG H ZHAO B et al Improved growth of Artemisia annua L hairy roots and artemisinin production under red light conditions J Biotechnology letters 2001 23 1971 1973 4 王 君 紅藍光下不同光 強和光質配比對生菜光合能力影 響機理 D 北京 中國農業(yè)科學院 2016 5 石平平 趙眾 LED 全光譜植物工廠的關鍵技術研究 J 科技經濟導刊 2019 27 33 46 262 2022 年 7 月 農 機 化 研 究 第 7 期 6 馮 漢 青 焦青松 田武英 等 不同強度的紅光和藍光下 菜豆葉片的熒光特性 J 廣西植物 2015 35 3 338 342 365 7 H EN NDEZ C KUBOTA Physiological responses of cu cumber seedlings under different blue and red photon flux ra tios using LEDs J Environmental and experimental botany 2016 121 8 ZHANG YA TING ZHANG YU QI YANG QI CHANG et al Overhead supplemental far red light stim ulates tomato growth under intra canopy lighting with LEDs J Journal of integrative agriculture 2019 18 1 62 69 9 JANMAL J SHANDIZ E esponse of tomato and pepper transplants to light spectra provided by light emitting diodes J International journal of vegetable science 2013 19 2 138 149 10 何 蔚 陳 丹艷 胡曉婷 等 不同光周期與光質配比對番 茄植株生長發(fā)育的影響 J 西北農業(yè)學報 2018 27 4 562 570 11 周 成 波 劉文科 查凌雁 等 LED 紅藍光強對水培生菜 生長以及有機碳和自毒物質分泌的影響 J 植物生理 學報 2019 55 4 466 474 12 嚴 宗 山 張想平 王蕾 等 不同光強和光質對管道水培 生菜生長發(fā)育的影響 J 北方園藝 2020 21 15 20 13 張 玉 彬 劉文科 楊其長 等 采收前 LED 紅藍光連續(xù)照 射對水培生菜品質的提升作用 J 中國農業(yè)氣象 2020 41 7 436 445 14 GOTO E Plant production in a closed plant factory with ar tificial lighting J Acta horticulturae 2012 956 1 37 49 15 STUTTE G W EDNEY S SKE ITT T Photoregulation of bioprotectant content of red leaf lettuce with light emit ting diodes J Hortscience a publication of the American society for horticultural science 2009 44 1 79 82 16 GILIBE TO L PE OTTA G PALLA A P et al Manip ulation of the blue light photoreceptor cryptochrome 2 in to mato affects vegetative development flowering time and fruit antioxidant content J Plant physiology 2005 137 1 199 208 17 XIAO lI CHEN Growth and nutritional properties of let tuce affected by mixed irradiation of white and supplemental light provided by light emitting diode J Scientia horti culturae 2016 200 111 118 18 許 大 全 高偉 阮軍 光質對植物生長發(fā)育的影響 J 植物生理學報 2015 51 8 1217 1234 Development and Experimental esearch of LED Spectroscopic Light Source for Special Agricultural Use Zhang Hongrui 1 Zhao uiming 1 Cao Chunqing 2 Sun Lei 1 Fan Xiaofei 1 Suo Xuesong 1 1 College of Mechanical and Electrical Engineering Hebei Agricultural University Baoding 071000 China 2 School of Software Shanxi Agricultural University Taigu 030800 China Abstract This article designs a specific spectrum of LED light source to provide the required light environment for plant growth development flowering and fruiting in the plant factory The LED specific spectrum light source adopts dual control switches BLOOM and VEG to control the on and off of different bands of lamp beads thereby regulating the spectrum required for plant growth The spectral ratio of the switch VEG is red blue white infrared 36 18 5 1 to achieve the ratio of red blue 2 1 the spectral ratio of the switch BLOOM is red blue white infrared 40 10 9 1 to achieve the ratio of red blue 4 1 The experimental study used lettuce American big fast growth as the test ma terial and used the vegetable nutrient solution formula of South China Agricultural University to uniformly carry out soil less cultivation and hydroponic cultivation Through three sets of different spectral conditions outdoor sunlight con trol greenhouse sunlight greenhouse LED light source with a ratio of red and blue of 2 to 1 was used for lettuce seed lings irradiation experiments to study the effects of different spectra on the growth quality and chlorophyll content of let tuce The results showed that the parameters of lettuce plant height stems number of leaves maximum leaf height maximum leaf width and chlorophyll content cultivated by greenhouse LED were significantly higher than those of outdoor sunlight and greenhouse sunlight Key words LED light source spectrum hydroponics lettuce 362 2022 年 7 月 農 機 化 研 究 第 7 期