LED植物照明3个常见误区及设计建议– 高工LED新闻



摘要最近两三年,有关半导体照明技术在立体式植物工厂或植物生长方面的应用报道层出不穷。但仔细读下来,总有一些不安的感觉。总体上说是没有能够真正认识到光应用到植物生长上应该起到什么作用的问题.

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  引言

  光照在植物生长的过程中起关键的作用,它是促进植物叶绿素的吸收和胡萝卜等多种植物生长质 素吸收的最好肥料。然而,决定植物生长好坏的决定因素是一个综合因素,不仅与光有关,而且与水土肥料的配置、生长环境条件和综合技术管控都有着密不可分的关系。

  最近两三年,有关半导体照明技术在立体式植物工厂或植物生长方面的应用报道层出不穷。但仔细读下来,总有一些不安的感觉。总体上说是没有能够真正认识到光应用到植物生长上应该起到什么作用的问题.

  首先来认识一下太阳的光谱,如图1所示。可以看到,太阳光谱是一个连续谱,其中蓝色与绿色光谱相对于红色光谱而言要强,其可见光光谱范围在380~780 nm左右。自然界的生物的生长是与光谱的强度有关的,比如在赤道附近区域大多数植物的生长速度是非常快的,同时生长的尺寸也比较大。但太阳的照射强度不是越高越好,对于动植物的生长是有一定选择性的。

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图1 太阳光谱及其可见光光谱的特性

  其次,第2个关于植物生长的几个关键吸收要素的光谱简图,如图2所示。

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图2 植物生长几种生长素吸收光谱简图

  从图2可以看到,影响植物生长的几个关键生长素对于光的吸收光谱是有显著区别的。因此,LED 植物生长灯的应用不是件简单的事,而是非常有针对性的。在这里有必要介绍两个最主要的光合作用植物生长要素的概念。

  叶绿素

  叶绿素(chlorophyll)是一类与光合作用(photosynthesis)有关的最重要的色素,存在于所有能营造光合作用的生物体,包括绿色植物、原核的蓝绿藻(蓝菌)和真核的藻类。叶绿素从光中吸收能量,然后能量被用来将二氧化碳转变为碳水化合物。

  叶绿素a主要吸收红光,叶绿素b主要吸收蓝紫光,主要是为了区别阴生植物与阳生植物。阴生植物的叶绿素b和叶绿素a的比值小,所以阴生植物能强烈地利用蓝光,适应于遮阴处生长。 叶绿素a呈蓝绿色,叶绿素b呈黄绿色。叶绿素a、叶绿素b的强吸收带有两个,1个在波长为630~680 nm 的红光区,另1个在波长为400~460 nm的蓝紫光区。

  类胡萝卜素

  类胡萝卜素(carotenoids) 是一类重要的天然色素的总称,普遍存在于动物、 高等植物、真菌、藻类中的黄色、橙红色或红色的色素之中。迄今被发现的天然类胡萝卜素已达600多种。

  类胡萝卜素吸收光涵盖范围在OD303~505 nm,它提供食物的颜色并影响人体对食物的摄取;在藻类、植物以及微生物中,因其颜色被叶绿素覆盖而无法呈现。在植物细胞中,产生的类胡萝卜素除了吸收并转移能量帮助光合作用的进行,同时还具有保护细胞免于被激态的单电子键氧分子破坏的功能。

  一些概念误区

  无论从节能效果还是光的可选择性以及光的配合方面,半导体照明已显示出巨大的优势。然而从这两年的快速发展中也看到很多光的设计以及应用 上存在的一些误区,主要有以下几个方面的体现。

  ①只要把一定波长的红、蓝芯片按照一定的比例进行组合就可以运用到植物的培养中去,比如红蓝比为4:1,6:1,9:1等等。

  ②只要是白光的灯就可以代替太阳的光照,比如日本广泛使用的三基色白光灯管等等,这些光谱的使用对于植物的生长是有一定的作用,但是效果不如LED做出的光源好。

  ③只要是把光照的一个重要参数 PPFD(光量子通量密度)达到某一个指标就可以了,比如 PPFD大于200 μmol·m-2·s-1,但是在使用这个指标的时候一定要注意是阴生植物还是阳生植物,要去查询或者找到这些植物的光补偿饱点,又叫光补偿点。在实际的应用中经常会出现苗被烧伤或者枯萎的情况,因此在此参数的设计上一定要根据植物种类、生长的环境和条件来进行有针对性地设计。

  关于第1个方面,在引言部分中已经介绍,对于植物生长所需要的光谱应该是一个有一定分布宽度的连续谱,使用光谱很窄(如图3(a))的红、蓝两个特定波长芯片制成的光源很显然是不合适的,在实验中发现,植物会发生偏黄,叶茎很轻,叶茎很单薄等等现象。




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