LED特定农用光谱光源的研制及试验研究.pdf

LED 特定农用光谱光源的研制及试验研究 张 洪 锐 1 赵 睿 明 1 曹 春 卿 2 孙 磊 1 范 晓 飞 1 索 雪 松 1 1 河 北 农业大学 机电工程学院 河北 保定 071000 2 山西农业大学 软件学院 山西 太谷 030800 摘 要 设计了一款 LED 特定光谱光源 为植物工厂中的植物生长 发育 开花 结果提供所需光环境 LED 特 定光谱光源采用双控开关 BLOOM 与 VEG 控制不同波段灯珠的亮灭 从而调控植物生长所需的光谱 其中 开 关 VEG 的光谱配比为红 蓝 白 红外 36 18 5 1 以达到配比红 蓝 2 1 开关 BLOOM 的光谱配比为红 蓝 白 红外 40 10 9 1 以达到配比红 蓝 4 1 以生菜 美国大速生 为试验材料 采用华南农业大 学蔬菜营养液配方统一进行无土栽培水耕培植 通过 3 组不同光谱条件 即室外太阳光 对照 温室太阳光 红 蓝配比为 2 比 1 的温室 LED 光源进行生菜育苗照射试验 研究不同光谱对生菜的生长 品质及叶绿素含量的影 响 结果表明 通过温室 LED 培育出的生菜株高 株茎 叶片数 最大叶高 最大叶宽及叶绿素含量的参数明显高 于室外太阳光和温室太阳光两组的生菜参数 关键词 LED 光源 光谱 水培 生菜 中图分类号 S237 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2022 07 0258 06 0 引 言 近 年 来 植物工厂作为一种能够完全实现人工控 制 不受自然光照等条件限制的新型农业生产方式 是公认的现代设施农业的高级阶段 1 2 光 是 影响 植物生长发育和生物物质积累的最重要环境因素之 一 其参与植物光合作用 调节植物的生长 分化和代 谢 3 植 物 在 380 760nm 光谱范围内进行光合作 用 以红 蓝光为主要吸收光谱 4 LED 光 源 具有光 质 光强 光周期可实现控制的特点 同时具有冷光 源 寿命长 节能的特性 是植物工厂作为光源的优选 之一 5 国内 外许多学者研究了 LED 不同光质 光强 光 周期对植物生长发育 产量和品质 功能性化学物质 积累的影响 有研究表明 蓝光对植物壮苗 生长和 发育有促进作用 冯汉青等人对菜豆叶片的试验表 明 随着光强的增加 菜豆叶片的光化学效率呈现降 低趋势 但叶片在蓝光下的光化学吸收和利用效率高 于红光 6 Hern ndez 的 实 验表明 黄瓜幼苗通过 补照红蓝光 壮苗指数得到显著提高 7 有 研 究表 明 红光对植物开花和结果有促进作用 如 张 娅婷 收稿 日期 2021 05 07 基金项目 河北省重点研发计划项目 20327403D 20327213D 作者简介 张洪锐 1996 男 河北保定人 硕士研究生 E mail 1007031315 qq com 通 讯 作者 赵睿明 1978 男 河北保定人 副教授 E mail pow erzrm 163 com 等 人 的研究表明红光有助于番茄产量的增加 8 红 蓝光进行配比对植物生长更能起到促进作用 如 Jamal 和 Shandiz 对温室番茄进行 LED 光照处理后发现 在 LED 红 光 处理或者 LED 红蓝混合光处理下的植株茎 粗更大 9 何蔚等人研究表明 昼 夜 为 14h 10h 红 蓝比为 1 1 最有利于番茄的生长发育 10 周 成 波 等人的研究结果与严宗山等人的研究结果均表明 红 蓝比为 4 1 光强为 200 mol m 2 s时 可促 进生菜的 生长 11 12 在 红 蓝光对植物生长起作用的基础上 有研究表明红蓝光对植物功能性化学物质的积累也 有促进作用 张文彬等人的研究表明 生菜采收前集 中连续 LED 红蓝光的照射 可提高生菜品质或生产富 含某种营养元素的功能性 13 Goto 等 人 研究红 蓝 光 LED 对红叶生菜花青素积累的影响 结果表明 蓝 光照射能够有效促进红叶生菜功能性化学物质的合 成 14 有 研 究表明除红蓝光外 红外光对植物生长 和物质的积累有促进作用 如 Stutte 等人研究表明红 外光可刺激生菜叶片的伸长 15 Li 等人发现红外光 750nm 可 提高生菜生物量和 Vc 含量 而叶片类胡 萝卜素含量显著减少 16 Chen 等人发现通过红外 850nm 光 处 理的生菜 Vc 含量升高 而叶绿素和类 胡萝卜素含量明显降低 17 截 止 到目前 研究多集中于不同光强 光谱配比 补光周期对一种植物阶段性生长周期状况的影响 实际灯具设计试制的报道不多 为此 基于前人的研 究成果 设计了一款实际用于生产的 LED 特定光谱光 852 2022 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期 DOI 10 13427 ki njyi 2022 07 046 源 波段 为 380 840nm 不仅可以满足植物幼苗期 生 长期使用 同时可以满足植物花期 果期使用 且灯具 可以实现不同使用期的切换 以生菜为对象进行了 生长期的对比照射试验 以验证 LED 光源的利用率和 效率 为提高生菜品质与产量研究提供理论依据和技 术参考 1 光 源 硬件设计 1 1 外 壳 设计 光源整体设计大小为 40cm 24cm 7cm 为保证 LED 光源寿命 外壳采用通风设计 背部有 3 个散热 风扇 7 2cm 7 2cm 侧部有竖向开孔 5cm 1cm 光源 外壳材质选用国标 6063 铝型材 表面进 行阳极氧化处理 进一步提高了光源使用寿命 外壳 侧部如图 1 所示 外壳背部如图 2 所示 图 1 外壳 侧部图 Fig 1 Side view of housing 图 2 外 壳 背部图 Fig 2 Case back view 1 2 硬 件 电路设计 1 2 1 LED 光源电路 光源采用矩阵型排布方式 其连接方式为每两行 进行串联 共串联 30 个灯珠 如图 3 所示 其中 红线 和绿线分别表示串联 30 灯珠 在铝基板 4 个角的位置 引出正负极 光源驱动采用恒流式驱动电源 根据设 计需求 选取最佳的电阻和电容 搭建横流驱动电路 确保恒流电路驱动准确 1 2 2 风扇电路 LED 光源虽然有冷光源的特性 但当温度过高仍 会引起内阻的改变 以至于影响灯珠的光强与使用寿 命 因此 电路设计加入 3 个并联的无刷风扇 以达 到降温的目的 保证光源持续工作 风扇驱动采用恒 流式驱动电源 根据设计需求 选取最佳的电阻和电 容 搭建横流驱动电路 确保恒流电路驱动准确 图 4 表示风扇电路的连接方式 图 3 光 源 串联方式 Fig 3 Light source series connection 图 4 风扇 连接方式 Fig 4 Fan connection 1 3 特定光谱光源设计 1 3 1 光源排布方式及配比 基 于 前人的研究成果 为达到光谱最佳 设计的 LED 光源 采用波段为 380 840nm 的红 蓝 红外灯 珠 以发射全光谱的白色灯珠为光源 其配比为 红 B 蓝 W 白 I 红外 76 28 14 2 这里及以下图中采用 代表红光 LED B 代表蓝光 LED W 代表白光 LED I 代表红外光 LED 为了提 高光照平面的光量子流密度及光照强度 采用矩阵型 排列方式 LED 灯珠的排布方式如图 5 所示 图 5 LED 灯珠 排布方式 Fig 5 Arrangement of LED lamp beads 特定光谱光源是根据不同时期的植物提供了 3 种 光 照 模式 蔬菜开关 VEG 主要用于植物苗期的生长 和发育 花期开关 BLOOM 主要用于植物花期和果期 的生长成熟和着色 两开关全部打开增加光量子流密 度主要用于生长期 系统开关采用双控开关 开关 BLOOM 管控图 5 中第 2 4 6 8 排灯珠 其光谱配比为 B W I 40 10 9 1 以达到配比红 蓝 952 2022 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期 4 1 开关 VEG 管控图 5 中第 1 3 5 7 排灯珠 其光 谱配比为 B W I 36 18 5 1 以达到配比 B 2 1 1 3 2 光源光谱图 LED 光源在暗室中进行光谱检测 设备采用 PS 1100 光谱仪 通过在 PC 端进行操作后 分别得到了 LED 光源在开关 VEG BLOOM 和全开情况下的光谱 图 其光谱波段主要集中在 380 840nm 开关 VEG 光谱图如图 6 所示 开关 BLOOM 光谱图如图 7 所示 图 6 开关 VEG 光谱图 Fig 6 Switch VEG spectrum 图 7 开关 BLOOM 光谱图 Fig 7 Switch BLOOM spectrum 1 4 LED 光 源 实物图 LED 光源通过外壳 电路及光源的设计 并采用 最优性价比设计出 LED 特定光谱光源 其实物正面图 如图 8 所示 实物背面图如图 9 所示 图 8 LED 光源 实物正面图 Fig 8 Front view of LED light source 图 9 LED 光源实物背面图 Fig 9 ear view of LED light source 2 验 证 试验设计 2 1 试 验 材料 试验材料选用美国大速生生菜幼苗 其生长环境 为水培基质 基质选用华南农业大学蔬菜营养液配 方 2 2 试验方法 试验于 2020 年 7 月在保定某试验基地栽培试验 室进行 采用生长状况基本一致的生菜苗试验 其标 准是生长状况 大小 叶绿素含量等差异不大的幼苗 试验前一天将 112 颗生菜苗 见图 10 的株高 株茎 叶片数 最大叶高 最大叶宽和叶绿素含量在 Excel 中 记录和筛选 筛选出 72 颗生菜苗 其 A B C3 组的初 始值如表 1 所示 其初始图如图 11 所示 图 10 112 颗 生 菜苗 Fig 10 112 lettuce seedlings 为 保 证试验的严谨性 科学性 栽培室环境控制 为 温度 25 30 湿度 50 60 水培基质配比好 后每两天加 200mL 水 试验分为 A B C3 组进行对 比试验 C 组为对照组 A B C3 组的水培种植箱采 用 24 孔设计 箱子大小为 39cm 29cm 14cm 孔的 大小为 4cm 4cm 箱子开孔图如图 12 所示 试验将生菜苗根部用温湿的海绵块夹住中 并依 次栽培入 24 孔水培种植箱 如图 13 所示 试验采用 3 种光谱条件进行照射 其条件如表 2 所示 062 2022 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期 表 1 A B C3 组生 菜苗初始值 Table 1 The initial value of A B C three groups of lettuce seedlings 组别 株高 cm 株茎 cm 叶片数 片 最大叶高 cm 最大叶宽 cm 叶绿素含量 SPAD A 组 6 11 0 54 4 08 6 11 5 55 26 30 B 组 6 11 0 54 3 92 6 11 5 17 26 19 C 组 6 11 0 54 3 83 6 11 5 61 26 12 图 11 A B C3 组初 始生菜苗 Fig 11 Three groups of initial lettuce seedlings A B and C 图 12 箱子 开孔图 Fig 12 Box opening diagram 图 13 A B C3 组 生 菜苗水培箱 Fig 13 A B C three groups of lettuce seedling hydroponic tank 表 2 不同组别光谱条件设置 Table 2 Spectral condition settings for different groups 组别 条 件 环 境 光 谱 光照时长 h d 1 A 组 温 室 B 2 1 10 B 组 温 室 太阳光 10 C 组 对照 室外 太阳光 10 1 A 组 苗 条件 在温室中 采用本文设计 LED 光 源 光谱为红 蓝 2 1 每天进行光周期为 10h 的照 射时长 2 B 组苗条件 在温室中 采用太阳光 每天进行 光周期为 10h 的照射时长 3 C 组苗条件 在室外太阳光下 采用太阳光 每 天进行光周期为 10h 的照射时长 2 3 指标测定 1 生理指标测定 采用直尺和游标卡尺测量生菜 的株高 茎宽 叶宽和叶片数 2 品质指标测定 生菜叶片叶绿素的含量 采用 SPAD 502Plus 型叶绿素测试仪进行检测 2 4 数据分析 试验数据每两天进行株高 茎宽 叶宽 叶片数和 叶绿素含量的采集 并在 Excel 2019 中记录和整合数 据 采用 SPSS 25 软件 通过 LSD 和 Duncan 法进行差 异性和显著性分析 采用 Graphpad 进行显著图绘制 3 结 果 与分析 3 1 不同光质对生菜生长的影响 生 菜 通过 A 组 温室特定光谱 LED 光源 B 组 温室太阳光 和 C 组 对照 的处理 3 组第 15 天生 菜如图 14 所示 3 组的差异显著水平如表 3 所示 其 中 株高 株茎 叶片数 最大叶高 最大叶宽和叶绿素 含量均是 A 组明显高于 B 组和 C 组 对照 B 组与 对照组株高 株茎 叶片数 最大叶高 最大叶宽差异 不显著 但叶绿素含量 B 组与 C 组 对照 有显著差 异 图 14 A B C3 组第 15 天 图 Fig 14 A B and C three groups on the fifteenth day 由 表 3 可 以看出 生菜通过 3 组处理 A 组与 B 组株高比 C 组分别增加了 8 32 与 1 23 在日照 时间等长情况下 B 2 1 的 LED 光源可促进生 菜的伸 长 A 组 与 B 组 株 茎 比 C 组 分 别 增 加 了 33 33 与 1 58 在日照时间等长情况下 B 2 1 的 LED 光源可促进生菜的茎的增长 A 组与 B 组 叶片数比 C 组分别增加了 34 58 与 8 54 在日照 时间等长情况下 B 2 1 的 LED 光源可促进生 菜的叶片数的增加 A 组与 B 组最大叶高比 C 组分别 增加了 8 32 与 1 23 A 组与 B 组最大叶宽分别比 162 2022 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期 C 组增 加了 5 11 与 1 23 在日照时间等长情况 下 B 2 1 的 LED 光源可促进生菜的叶宽的增 长 图 15 为 A B C3 组对生菜进行 15 天的处理后 其株高 株茎 叶片数 最大叶高 最大叶宽的显著图 表 3 不同 光处理 15 天后生菜生长指标比较 平均值 标准差 Table 3 Comparison of lettuce growth inds after 15 days of different light treatments mean standard deviation 组别 株高 cm 株茎 cm 叶片数 片 最大叶高 cm 最大叶宽 cm 叶绿素含量 SPAD A 组 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 组 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 组 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 行小写字母表示处理间在 0 05 水平上的差异显著性 图 15 A B C3 组 对 生菜株高 株茎 叶片数 最大叶高 最大叶宽 叶绿素含量的影响 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 不同光质对生菜生理生化的影响 由 表 3 可 以看出 A 组与 B 组叶绿素含量比 C 组 分别增加了 18 09 与 8 35 在日照时间等长情况 下 B 2 1 的 LED 光源可提高生菜的叶绿素含 量 B 2 1 的 LED 光源 A 组叶绿素含量与 C 组 对照 相比十分显著 温室太阳光 B 组比 C 组 对 照 相比较为显著 4 讨 论 与结论 1 光是植物生长发育的基本环境因素 不 仅 是光 合作用的基本能源 而且是植物生长发育的重要调节 因子 18 很 多 研究证实 红蓝光补光灯比荧光灯或白 光灯的补光效果好 更能促进植物的生长发育和有机 化学物成分的积累 1 4 6 17 2 试 验 表明 温室太阳光下生菜的综合指标要比 室外太阳光下的综合指标要强 尤其是在叶绿素含量 上更加显著 红蓝比为 2 1 的 LED 特定光源 在同等 10h 天的光照时长下 其生菜的产量和品质最佳 尤 其是在叶绿素含量上更甚 设计了红蓝比为 2 1 与红蓝比为 4 1 的 LED 特定光源 并通过生菜种植进行了试验 结果表明 红 蓝比为 2 1 的特定光谱更能促进生菜株高 株茎 叶 片数 最大叶高及最大叶宽的生长 增加叶绿素含量 的积累 但是 对于水培种植过程中其他条件 如光 照强度 环境温度 水 液温 通气量 pH 值 EC 等 均是目标作物生长发育所需的关键条件 这些影响因 素都需要进一步的研究 参考文献 1 崔 世 钢 陈苗 张永立 等 基于 LED 光源水培生菜最佳 光配方的筛选 J 江苏农业科学 2020 48 16 152 155 2 郭祥 雨 薛新宇 路军灵 等 我国植物工厂智能化装备 研究现状与展望 J 中国农机化学报 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 红蓝光下不同光 强和光质配比对生菜光合能力影 响机理 D 北京 中国农业科学院 2016 5 石平平 赵众 LED 全光谱植物工厂的关键技术研究 J 科技经济导刊 2019 27 33 46 262 2022 年 7 月 农 机 化 研 究 第 7 期 6 冯 汉 青 焦青松 田武英 等 不同强度的红光和蓝光下 菜豆叶片的荧光特性 J 广西植物 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 陈 丹艳 胡晓婷 等 不同光周期与光质配比对番 茄植株生长发育的影响 J 西北农业学报 2018 27 4 562 570 11 周 成 波 刘文科 查凌雁 等 LED 红蓝光强对水培生菜 生长以及有机碳和自毒物质分泌的影响 J 植物生理 学报 2019 55 4 466 474 12 严 宗 山 张想平 王蕾 等 不同光强和光质对管道水培 生菜生长发育的影响 J 北方园艺 2020 21 15 20 13 张 玉 彬 刘文科 杨其长 等 采收前 LED 红蓝光连续照 射对水培生菜品质的提升作用 J 中国农业气象 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 许 大 全 高伟 阮军 光质对植物生长发育的影响 J 植物生理学报 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 ula of South China Agricultural University to unily 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 农 机 化 研 究 第 7 期