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科普LED植物生长灯原理


引子
“万用生长靠太阳”这句家喻户晓的谚语隐含着一个科学事实:植物需要光才能进行光合作用,从而制造出有机物并释放出氧气,不仅满足了自身生长、发育、繁殖等生命活动的需要,而且为生物圈中的其他生物提供了基本的食物来源和呼吸的氧气。
随着人类对食物需求的要求不断提高,传统的面朝黄土背朝天、完全靠天吃饭的农耕模式已无法满足要求。现代农业的精密耕作应运而生。人工照明开始出现并发挥越来越重要的作用。


光与光合作用
光是一种能量形态,是宽广的电磁波谱中的一部分。无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、伽马射线组成了电磁波。与植物光合作用有关的频段如下图所示。在光合光子测量范畴中考虑的波长范围通常为380nm-780nm范围。
光谱图
植物学家对植物的光合作用进行深入研究时,又把这个波段做了细分:紫外光<400nm (UV-A 315-400nm,UV-B 280-315nm,UV-C 100-280nm);远红光及红外光>700nm(远红光 700-780nm,红外光780nm-1000μm);光合有效辐射400-700nm (蓝紫光400- 500nm,绿光500-575nm,黄橙光575-620nm,红光620-700nm)。

植物对外界光环境的一系列响应都是基于感光受体(receptor)对特定光波长的吸收。植物主要的感光受体包括光合色素、光敏色素、隐花色素和向光素,这些受体对光谱中的不同部分做出不同的响应,影响着植物的光合生理、代谢生理、形态建成等方面。

首先是光合色素(photosynthetic pigment),是光合作用系统的基础构件,光合色素包括了叶绿素a(chlorophyll-a)、叶绿素b(chlorophyll-b)和类胡萝卜素(carotenoid)。
光合色素主要承担光合作用中的光能接收、能量传递、光电转换等光合过程。实验表明,叶绿素的主要吸收波长为640-663nm,在430-450nm处有一个次吸收峰。而类胡萝卜素则更多地表现为对机体的保护作用。
在光合作用中由于两个光系统Ps II 和 Ps I 的存在,表现出当红光和远红光一起照射时光合速率远高于单色照射的双光增益现象:在长波红光(如680nm)之外再加上—些波长较短的光(如660nm),光合作用的量子效率就会立刻提高。双光增益效应又称埃默森增益效应(Emerson enhancement effect)。埃默森增益效应是由于光合作用的两个光反应,分别由光系统Ⅰ、光系统Ⅱ进行协同作用而完成的。
这种双光增益现象表明用两种波长的光在各个反应系统上的变动,由于它们的共同作用,光合成的效率可被提高,这就成为阐明有两种光化学系统存在的开端。两种光化学系统由不同色素构成,彼此进行不同的氧化还原反应,它们以直排列构成了总的氧化还原系统(双光反应模型)。因此可以理解成某种协同效应,使用单色光只使一个系统发生很多激发时的效率低,两种光化学系统同时被激发时效率高。从某种程度上证实目前市面上流行的单色LED植物灯的实际应用效果欠佳,而全光谱可能更有利用植物的光合作用。
光合色素吸收光谱

其次是光敏色素(phytochrome)。光敏色素由生色基团和脱辅基蛋白共价结合而成,包括远红光吸收型(Pfr)和红光吸收型(Pr)两种类型,主要吸收600-700nm的红光及700-760nm的远红光,通过远红光和红光的可逆作用调节植物的生理活动。
在植物体中,光敏色素主要参与调控种子萌发、幼苗形成、光合系统的建立、避荫作用、开花时间和昼夜节律响应等过程。此外,还对植株的抗逆生理起到调控作用。
光敏色素吸收光谱


第三是隐花色素(cryptochrome)。隐花色素是蓝光受体,主要吸收320-500nm的蓝光和近紫外光UV-A,吸收峰大致位于375nm、420nm、450nm和480nm。隐花色素主要参与植株体内的开花调控(flowering regulation)。此外,它还参与调控植株的向性生长、气孔开张、细胞周期、保卫细胞的发育、根的发育、非生物胁迫、顶端优势、果实和胚珠的发育、细胞程序性死亡、种子休眠、病原体反应和磁场感应等过程。
隐花色素的吸收光谱


第四是向光素(Phototropin)。向光素是继光敏色素和隐花色素之后发现的一种蓝光受体,可与黄素单核昔酸结合后进行磷酸化作用。能够调节植物的趋光性、叶绿体运动、气孔开放、叶伸展和抑制黄化苗的胚轴伸长。
向光素吸收光谱

LED光质特点

植物生长灯所用的LED为单色LED芯片如蓝、红、橙、绿等。其中,蓝光芯片因在目前的白光照明中大量普及使用,成本较低,而其余的单色芯片目前价格还相对较高。另一方面,采用成熟、低成本的蓝光芯片配合不同的荧光粉方案,制成多种有效的植物生长光谱,包括全光谱、高红光光谱、高蓝光光谱等,这种技术方案已得到众多国内植物灯厂家以及国际大品牌的接受和推广,比如三星的园艺LED系列(如LM301H)。不同光质或波长的光具有明显不同的生物学效应 , 包括对植物的形态结构与化学组成、光合作用和器官生长发育的不同影响。
叶片光合作用示意图
红光  
红光一般表现出对植株的节间伸长抑制、促进分蘗以及增加叶绿素、类胡萝卜素、可溶性糖等物质的积累。
红光对豌豆苗的叶面积增长和β胡萝卜素积累有促进作用;生菜幼苗预照红光后施加近紫外光,发现红光能增强抗氧化酶活性并提高近紫外吸收色素的含量从而降低近紫外光对生菜幼苗的伤害;草莓进行全光照实验发现红光有利于提高草莓有机酸和总酚的含量。
 
蓝光  
蓝光能明显缩短蔬菜的节间距、促进蔬菜的横向伸展以及缩小叶面积。同时,蓝光还能促进植株次生代谢产物的积累。蓝光是光合系统活性和光合电子传递能力的重要影响因子。植物对蓝光的需要存在明显的物种差异。
 
绿光  
颇受争议的光质,部分认为其会抑制植株的生长,导致植株矮小并使蔬菜减产。然而,低比例的绿光能促进生菜的生长;在红蓝光的基础上增补24%的绿光可以促进生菜的生长。
 
黄光  
黄光基本上表现为对植株生长的抑制,并且由于不少研究者把黄光并入绿光中,所以关于黄光对植物生长发育影响的文献十分少。
 
紫外光  
紫外光一般更多地表现为对生物的杀伤作用,减少植物叶面积、抑制下胚轴伸长、降低光合作用和生产力,以及使植株更易受侵染。
但适当的增补紫外光可以促进花色苷以及类黄酮的合成,并能促进酚类物质在表面的积累。此外紫外光还与蓝光影响植株细胞的伸长及非对称生长,从而影响植株的定向生长。UV-B辐射导致矮小的植物表型、小而厚的叶片、短叶柄、增加腋生的分枝以及根/冠比的变化。
 
远红光  
远红光一般与红光配比使用,由于吸收红光与远红光的光敏色素结构问题,因而红光与远红光对植株的效果能相互转化相互抵消。
在生长室内白色荧光灯为主要光源时用LED补充远红辐射 (发射峰734nm),花色素苷、类胡萝卜素和叶绿素含量降低,而植株鲜重、干重、茎长、叶长和叶宽增加。
 



植物生长LED灯有哪些特别之处
与普通家用或商用LED照明灯具相比,LED植物生长灯通常有以下特点:

专用光谱
LED植物照明以提高植物光合作用效率为目的,提供最适合植物生长特点的光谱。照明属于视觉应用,植物光照属于非视觉应用。人眼目视效果可能呈现粉红色、淡紫色、浅黄色或者白色。部分光色可能会引起人眼不适。还有些光色(如紫外)可能对人有害。

光照强度
LED植物照明替代自然的太阳光,要与太阳进行“比拼”,需要在植冠上达到相当高的照射强度(PPFD)。因此,LED植物灯具一般功率较大,或者采用小角度的透镜或者增加灯具数量来达到较高的照度。植物照明的最低照度要求是要高于作物的光合作用补偿点(如50umol/s/m2,不同作物的补偿点会有不同)。

配光要求
为满足室内种植的高密度要求,需要进行细致的光设计,可能需要不同灯具类型组合,以最大程度提供光照的均匀度,比如通过株间补光灯来提高叶冠内部叶片的光合作用。

电气、控制及调节需求
在大型商用安装中,总用电功率较大,累积工作时间较长(比如每天可能长达16小时),因此灯具的效率是影响经济效益的重要因素之一。例如,可能采用更高的市电电压(>400V)来降低总电流和提高效率。灯具有调光功能,在需要时可降低用电功率。

安装、防护等级、维护、寿命
LED植物生长灯的安装是个巨大工程,需要安装和接线简单,并最大程度降低对结构的重要负荷要求。另外,植物生长环境可能出现高湿度、凝结水、水淋或滴漏的情况,因此要求灯具的防护等级较高(如IP65)。LED植物灯一般做到5年寿命且终生免维护。
 

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