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人工调光环境下蔬菜生长的研究 摘要 反季及跨季蔬菜水果栽培中遇到的光照不足问题推动着人们寻求能够解决这一问 题的办法，进而使植物生长对光照的响应成为研究的热点。最早开始的是白炽灯、氖灯、 钠灯等人工电辐射源光照栽培植物的研究，也取得了一定的成效。但终因这些辐射源耗 电量大或是所发射的光谱不能与植物光合作用的吸收光谱很好匹配，造成很大的能量浪 费，在实际生产中应用价值不高而得不到推广。另外，转光膜的传统转光剂主要包括稀 土无机化合物和稀土有机配合物，分别把紫外光转成蓝紫光和红橙光。但是，所转红光 峰值远低于6 6 0 n m 。荧光光谱过窄、与光合作用光谱匹配性差，光合作用效率提高有 限因此，添加了有机共轭分子调光剂的调光生态农膜和新型高效节能光源l e d 为解 决这一问题提供了新思路。 调光生态膜是通过调光剂将光合无效光转化为光合高效光。调光生态膜的调光剂的 激发谱、发射谱所在位置能否与植物光合作用的吸收谱相匹配是决定其调光性能优劣的 关键。本文通过对太阳紫外辐射、太阳光谱成分的研究：说明了所研制的调光生态农膜 具有很大的调光优势；并对调光膜的光学性能荧光性、透光性、调光性、稳光性进行 了全面研究，独创性地引入了调光度的概念，作为评价光生态膜调光幅度的一种方法； 最后进行了调光生态膜与普通膜大棚的对照种植试验，彳导出调变光质增加红、蓝光光谱 成分后的调光生态膜大棚实现了增产增收，品质优化的结果。从另一方面来看，实验也 验证了植物光合作用对光谱的选择性吸收。 在高效率人工调光光源的研究上，相较于目前普遍使用的荧光灯或高压钠灯而言， l e d 具有高光电转换效率、使用直流电、体积小、寿命长、波长固定与发热低冷却负荷 小等优点，光量可调整、光质( l e d 可提供各种色光，红蓝光比例或红远红光比例等) 可调整。l e d 荜色性好，用单色往很高的l e d 对植株进行光照可以更明显地看到光质对 植物生长发育的影响。 本文用红蓝l e d 进行了对小白菜、番茄、油菜苗的补光栽培试验完全蓝色l e d 光 照下番茄苗生长的探索性实验，得出红光能够极大地促进植株的光合产物的积累，对光 人工调光环境下蔬菜生长的研究 合作用的贡献红光要大于蓝光，表现为植株的鲜重更大，株高较高；而蓝光能够使苗 更粗壮。还进行了不同光质照射下光合速率测量实验，实验结果表明：不同光质在未达 到光饱和点时的比例阶段c o 。或0 ：量子产额只与光量子数大小有关，光质对它没有影响 或影响不明显；但对于同样的辐射强度来说，因为长波长光如红光所含量子更多，因此 红光对光合作用更有效；不同光质对应的光饱和点不同，光合有效光量子数不同，相应， 光合速率不同。从实验结果来看白光的光饱和点要高于单色光：同样光合有效量子数辐 照下的不同的蔬菜品种光合速率不同，光饱和点也有很大差别。并在此基础上提出对植 物受照光质优化配比的新方法，通过测定正常发育的植物叶片在达到白光光饱和点时体 内各吸光色素含量的比例，再加权该吸光色素的吸收光谱峰值强度就可以确定各光质的 强度配比，然后将白光光饱和点的光强值按这比例计算就可确定所优化配置的植物的 受照光中各光质的强度。 关键词；光合作用：光合速率：光质：光晌应：量子产额：调光：光谱匹配 v e g e t a b i eg r o w t hr e s p o n s et ot h ea r t i f i c ia g h t a d j u s t in gc o n d i t i o n a b s t r a c t t h ei l l u m i n a t i o ni n s u f f i c i e n tp r o b l e mi n v e g e t a b l e sf r u i tc u l t i v a t i 。no u t o fs e a s o ni m p e l sr e s e a r c h e r st os e e km e a n st oc h a n g et h i sc o n d it i o n t h u st h e r e s p o n s e so fp l a n tg r o w t ht ov a r i o u si l l u m i n a t i o ns o u r c e sb e c o m eh o t - p o i n to f r e s e a r c h e r s s t u d ys c o p et h ef i r s t u s e da r t i f i c i a ll i g h t i n gs o u r c e sf o rp l a n t g r o w t hi si n c a n d e s c e n tl a m p ，t h en e o nl a m p ，t h es o d i u mi a m pa n ds oo n a n d r e s e a r c h e r sg e ts o m e f i n d i n g sw i t ht h e m b u tb e c a u s et h e s ea r t i f i c i a l i l l u m i n a t i o ns o u r c e sh a v ea b i ge l e c t r i c a lp o w e rc o n s u m p t i o na n dt h e ya l s oe m i t s p e c t r u mw h i c hc a n tm a t c hw i t ht h ep l a n tp h o t o s y n t h e s i sa b s o r p t i o ns p e c t r u m v e r yw e l la n dt h et r a d i t i o n a lf l u o r e s c e n ta d d i t i v ei np h o t o e c o l o g i c a lf i l mc a n o n l yc o n v e r tu vl i g h te n e r g yi nt h es o l a rr a d i a n te n e r g yi n t ob l u ea n dr e d w a v e l e n g t h ，b e i n gn o ta b l et ou s et h eg r e e ns p e c t r u ma n dt h ep e a kr e dw a v e l e n g t h i sf a ra w a yf r o mt h ep e a ka b s o r p t i o nw a v e l e n g t h ( 6 6 0 n m ) o fc h l o r o p h y l1 ao rt h e b a n dist o on a r r o w t h e r e f o r et h ea p p l i c a t i o no fo r g a n i cc o n j u g a t e dm o l e c u l e a n da c r i d i n ea d d i t i v ei n t ot h ep h o t o e c o l o g i c a l a g r i c u l t u r ef i l ma n dn e w l y d e v e l o p e dh i g he f f i c i e n c ya n dl o we n e r g yc o s tl i g h ts o u r c el e dp r o v i d ep e o p l e n e ww a y st og e tc l o s et ot h eo p t i m u ms o l u t i o n l i g h t a d j u s t i n gp h o t o e c o l o g i c a la g r i c u l t u r ef i l ma d e q u a t e l yt r a n s f e r r e d t h ee n e r g yo fl o wp h o t o s y n t h e s i se f f i c i e n c yi n t oh i g he f f i c i e n c yp a r tt h r o u g h t h es p e c i f i cf l u o r e s c e n ta d d i t i v ei ni t a n d w h e t h e rt h ee x c it i n ga n dt h e e m i t t i n gs p e c t r u m i s m a t c h i n g w i t ht h e a b s o r p t i o ns p e c t r u mo fp l a n t p h o t o s y n t h e s i si st h ek e yt oe v a l u a t et h el i g h te n e r g yc o n v e r t i n gp e r f o r m a n c e o f i t t h r o u g hr e s e a r c ho nt h el o c a lu vr a d i a t i o na n ds o l a rr a d i a t i o n s p e c t r u m ，t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h i sf i l mh a v eg r e a ta d v a n t a g ei n1 i g h te n e r g y v i i 人工调光环境下蔬菜生长的研究 c o n v e r t i n ga n do p t i cc h a r a c t e r is t i c s o r i g i n a l l yb r i n gf o r w a r dt h ec o n c e p to f l i g h t a d j u s t i n gr a t i o t h e nb ym a k i n gac o n t r a s te x p e r i m e n t i nv e g e t a b l e e u l t i v a t i o nw i t ht h i sf i i ma n dt h er e s u l tt h a tt h i sf i i mc a ni n c r e a s ey i e l da n d i m p r o v e sp r o d u c t sq u a i t yi sg o t i nr e s e a r c ho nh i g he f f i c i e n c ya r t i f i c i a l1 i g h ts o u r c e ，c o m p a r e dw i t hp r e s e n t g e n e r a l l yu s e df l u o r e s c e n tl a m po rt h eh i g h p r e s s u r e ds o d i u ml a m p ，l e dh a st h e a d v a n t a g e so fh i g hp h o t o e l e c t r i c i t yt r a n s f o r m a t i o n ，s m a l lv o l u m e ，l o n g e v i t y ， g i v i n go f fl o wh e a ta n di t sm o n o c h r o m a t i ci sg o o da n ds oo n w i t hm o n o c h r o m a t i c l e di l l u m i n a t i o nw ec a ng e tac l e a r e rr e s u l to nt h eg r o w t hr e s p o n s eo fp l a n t t ol i g h tq u a l i t y b yc a r r y i n ge x p e r i m e n to nv e g e t a b l ec u l t i v a t i o nw i t hr e da n db l u el e df o r li g h ts u p p l e m e n ta n ds a m p l ee x p e r i m e n to nt o m a t og r o w t hc o m p l e t e l yu n d e rb l u e l e di l l u m i n a t i o n ，t h er e s u l tt h a tr e d1 i g h tc o u l de n o r m o u s l yp r o m o t e p h o t o s y n t h e s i sa n dr e dl i g h tc o n t r i b u t em o r et op h o t o s y n t h e s i st h a nb l u el i g h t w h i l eb l u el i g h tc o u l dm a k ep l a n ts t r o n g e rc a nb eg o t t h ee x p e r i m e n tc a r r i e d o np h o t o s y n t h e s i sr a t em e a s u r e m e n ti l l u s t r a t e st h a tc 0 2o r0 2q u a n t u my i e l do n l y v a r i e sw i t ht h eq u a n t u mn u m b e ri tr e c e i v e sw h e nl i g h ti n t e n s i t yi s b e o w s a t u r a t i o np o i n t b u ta sf a ra si n t e n s i t yc o n c e r n e d ，r e dl i g h tc o n t r i b u t e sm o s t t op h o t o s y n t h e s i s d i f f e r e n tl i g h tq u a l i t yh a v ed i f f e r e n ta c t i v ep h o t o s y n t h e s i s q u a n t u mn u m b e ra n d1 i g h ts a t u r a t i o np o i n ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gp h o t o s y n t h e s i s r a t e t h ee x p e r i m e n ta l s ot e l lt h a tw h i t el i g h ts a t u r a t i o np o i n ti sh i g h e r b a s e d o nt h e s ee x p e r i m e n tr e s u l t ，an e wm e t h o df o ro p t i m i z i n gt h el i g h tq u a l i t yo f p l a n ti l l u m i n a t i o ns o u r c ec a nb ed e s i g n e di e b ym e a s u r e m e n to nt h ed i f f e r e n t p i g m e n tr a t i oi nn o r m a ll e a fu n d e rw h i t el i g h ts a t u r a t i o np o i n ta n dm u l t i p l y i tb yt h ep e a kv a l u ei nt h e i rc o r r e s p o n d e n ta b s o r p t i o ns p e c t r u ma n dt h e nd i v i d e t h ew h i t el i g h ts a t u r a t i o ni n t e n s i t yv a l u ew i t ht h i sr a t i ot h e nt h ed e s i r e d r e s u l tw i l lb eg o t k e yw o r d ：p h o t o s y n t h e s is ：p h o t o s y n t h e s isr a t e ：ii g h tq u a ii t y ：ii g h tr e s p o n s e q u a n t u my i e i d ：li g h t a d j u s t in g ：s p e c t r u mm a t c h 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含未获得 或其他教育机构的学位 或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：使缈炎签字日期：岫辞，月冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 ， 事、钇袭 签字日期：汕帕辞j 月矽日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字：多品 签字日期：争一眸r 月珀日 电话： 邮编 引言 光合作用是地球上规模最大的生物合成过程。据估计，每年通过光合作用合 成的有机物达2 1 0 “t ，固定太阳能4 1 0 2 1 j ，但是其光能利用率仅为o 2 7 f “。 当然光能利用率低的原因是多方面的，如不良环境条件的限制和胁迫，植物对土 地的覆盖率不够高等，但是就人类可调控的生产因素而言，光合机构本身效率不 高却值得重视。提高光合机构本身效率，更有效地促进农作物生长、早熟、增产， 且改善农作物的品质，无疑是关系到国计民生的重要研究工作。随着科技的发展， 新型发光材料得以研制成功，并逐步被应用到功能性棚膜一光生态农膜和新型人 工光源的研究开发上来。因此，蔬菜生长的人工调光环境就有两种：调光生态膜 和人工光源。 反季及跨季蔬菜栽培中遇到的光照不足问题极大地推动着人们去寻求能够解 决这一问题的办法，最直接的方法就是利用人工光源对植物栽培进行补充光照， 但鉴于现阶段人工辐射源耗电量极大，所产生的光谱又有很大一部分不能为植物 所吸收利用，使得利用人工辐射源补充光照在实际应用中因成本过高而不能接受。 光生态农膜应用的调光剂有很多种类，但进行调光的基本依据都是植物光合作 用对全光谱段的选择性吸收，绿色植物光合作用的作用光谱显示植物分别在红光 波段和蓝光波段有两个吸收峰，反射掉大部分的绿光，短波的紫外辐射对植物生 长有害，近红外部分对植物生长基本不起作用，就此人们研究开发了利用光合无 效的波段激发添加在农膜中的调光剂产生光合有效光的调光生态农膜。目前，在 该领域的研究及应用十分活跃，传统转光剂主要包括稀土无机化合物和稀土有机 配合物，分别把紫外光转成蓝紫光和红橙光。但是，所转红光峰值远低于6 6 0 n t o ， 荧光光谱过窄、与光合作用光谱匹配性差，光合作用效率提高有限。 为了更好的解决上述问题，本论文从两个方面开展了研究工作。一方面，研制 了调光生态膜，该调光生态膜起到了如下作用：许多作物在晨昏特别是连阴天长 势减缓或停止生长，在调光生态膜大棚内长势依然；其二，植物生理学研究表明： 不同植物的光合作用对蓝紫光和红橙光的需要量比值也有所不同，对于叶类蔬菜 其蓝紫光的需求量比红橙光大：而对于茄果类蔬菜则相反，通过设计调光膜的不 同光质强度比很容易满足以上要求。由此，我们设计研制了茎叶菜类调光膜和茄 果菜类调光膜。其三，不同波长的光线会对植物的生物品质产生影响，试验表明： 人工调光环境下蔬菜生长的研究 红色光能提高作物的含糖量；蓝光能增加作物蛋白质的含量。其四，波长 2 9 0 n m 4 0 0 h m 的紫外光对大多数植物生长有害，会使植物变矮，易诱发病虫害， 对农膜的耐老化破坏极大。而调光膜恰好将该部分紫外光调整为蓝紫光和红橙光， 起到了双重作用。试验表明：调光膜大棚内的作物有较强的抗病力。另一方面， 人工光源的研究应用所面临着的问题，可以从光色及相应辐射强度的节能型光源 入手：研制出植物生长所需要的适宜l e d 光源。 本文共包括六章内容： 第一章阐述了研究意义；分别详细介绍了国内外在人工电辐射源和新型植物 生长人工调光措施方面的研究进展；分析了目前所面临的研究任务。 第二章主要阐述了植物光响应机制，分为两个方面：一方面是光作为信号源 的植物内部响应体系一光受体及其信号传导；另一方面就是植物光合作用，重点 对植物的光合色素及其吸收光谱及其能量传递以及光合作用两个光系统的能量及 电子传递和转移过程进行了详细说明。 第三章介绍了论文中的实验所用主要仪器及测量原理。 第四章主要介绍了为调光生态膜研制提供参数的太阳紫外辐射研究：太阳光 谱成分分析；以及调光生态膜的制备、调光机理、调光依据：对调光膜的光学性 能进行了系统的测试分析，并用所研制的调光生态膜苫盖大棚，与普通膜作对照， 进行了产量和果实品质方面的对比分析。 第五章进行了红、蓝l e d 补光与不补光栽培小白菜等的对比实验，对分别完 全在蓝光l e d 和白光l e d 照射下的番茄苗生长实验并作了结果分析；对不同光质 照射下小白菜、甜椒叶片的光合速率变化进行t n 定；对实验结果加以分析总结， 得出几点结论。 最后为结束语，对论文中所作的工作进行了总结探讨，并提出了未来进一步 要开展的研究工作。 第一章植物生长与人工调光的研究发展 光合作用是地球上规模最大的生物合成过程。据估计，每年通过光合作用，地 球上的自养生物约同化2 1 0 “t 碳素，固定太阳能4 1 0 “j ，但是其光能利用率仅 为0 2 7 。光能利用率这样低的原因是多方面的，除了植被对土地的覆盖率不够高 以外，另一个重要的因素就是光合机构本身的效率不高，如对曰光中辐射量最大 的绿光，植物不吸收而反射浪费掉了，所以我们才看到植物呈现一片绿色。近年 来人们一直在努力研究光的各种特质对植物的影响，以求模拟植物的吸收光谱，研 制出某种光源及发光材料，所发射的光谱成分尽可能充分高效地满足植物吸收光 的能力，促使光合作用高效地进行。这样，不论冬天或阴雨天，温室或大棚内植 物的光合作用，都能正常进行。 植物的光照响应研究是与现代分子生物学、物理学、化学及农学相结合的课 题，需要各学科领域共同参与研究，单纯从理论上探讨或者对植物的光环境隔离 因为与实际的植物生长环境相差悬殊而使得在应用中各种错综复杂的条件下明确 确定影响因素较为困难。在对光合作用基本机理的把握上，进行大量的控制光变 量的光照植物实验是进一步高效解决植物光照优化的重要途径，而且也能进一步 为植物光合系统的高效吸能、传能、转能内部机理的深化探索积累实验数据，引 导方向。 1 1 植物生长与人工光源的研究 从1 7 7 1 年英国普利斯特发现光合作用以来，人们就从光对植物生长、发育的 影响方面进行了很多研究。从最初光合作用总方程式的推出，到后来的光合作用 微观分子机理的探索，以及吸光色素的发现及其吸收光谱的研究都取得了卓著的 成就。随着对植物光合作用生理机理的不断深入，人们逐渐开始研究在自然光照 较弱的时节利用人工光源补照来进行植物栽培以突破自然条件下生产生活的局 限。 11 1 国外研究发展概况 植物的光照栽培一植物完全在人工光照下或在夜间或白天补充人工光照的培 育开始于1 9 世纪末，主要是在那些位于中纬与北纬的国家( 苏联，芬兰，瑞典， 人工调光环境下蔬菜生长的研究 挪威，荷兰，丹麦，德国，美国等) 发展着有关植物光照栽培的研究。前苏联科 学院季米利亚捷夫植物生理研究所进行了大量的各种人工光源照射下的植物栽培 实验，分别研究了不同种植物在光照下的生长状况，各种植物不同生长阶段的光 响应特性，不同光质的光源引起的植物生长响应，所用光源有荧光灯、弧光灯、 白炽灯、氖灯、超高压水银灯和钠汽灯，得出包含不同光谱成分的光源，对各种 植物生长发育、形态建成影响的横向纵向比较结果，( 如：产量、长势、产品品质) 并得出不同光谱成分光源对不同植物生长贡献的大小。 如在i 9 4 9 年苏联研究人员用特别制造的功率1 5 瓦的红光、绿光和蓝光的荧 光灯进行了试验，试验对象为：莴苣，白芥，黄瓜，番茄，菠菜，西葫芦，花椰 菜，洋葱、冬油菜等。结果证明，在同样的生理辐射强度下，在适宜的日照长度 下，植物的发育在橙红光下完成最快，在绿光下最慢，即长日照植物在长日照的 条件下，短日照的植物在短日照的条件下最早开花是处于红光荧光灯下，其次是 蓝光灯，再其次是绿光灯。短日照植物在连续光照下，由于橙红光的光周期活性 强，在蓝光灯下先开花而橙红灯下后开花。这对大豆黄瓜等植物已可确定。对于 长日照和短日照植物对辐射光谱成分的类似反应，他们做出这样的推论，即在发 育的光照阶段，叶子中进行的过程的昼夜进程由两个阶段组成。第一阶段对所有 的高等植物都一样，跟它们属于哪一光周期类型无关，与一昼夜中的基本光照时 期相合，并要求高的辐射强度。第二阶段长日照和短日照植物要求不同的条件， 它决定于光周期反应，即植物对日照长度的特殊反应。光谱各区带的效应对两个 阶段的过程是一样的：橙红光最有效，蓝紫光较差而绿光效率最差。差别仅在于， 在第一阶段某一种光线所引起的过程，在所有光周期的植物类型都朝着一个方向 进行，而在第二阶段是朝互相对立的方向。在某些情况下干物质的最大积累出现 在蓝紫光下。在橙红光下，完成发育比在蓝紫光下快的植物，在营养期间于橙红 光下积累干物质要比在蓝紫光下少得多；在蓝紫光下，植物长期进行营养生长“1 。 通过这些栽培实验他们得出结论，白光灯、日光灯、红光灯和蓝光灯对栽培植物 是适宜的，而绿光灯完全不适用。1 。 美国很早就有利用太阳光的植物工厂，并研制出植物照明专用灯，有c o o l w h i t el a m p ，g r o l u xl a m p ，i ri i i l a m p ，7 8 2 2l a m p 等，每种灯的发射 光谱中各波段光谱能量比例是不同的。利用这些灯分别进行实验，用豆类和西红 第一章植物生长与人工调光的研究发展 柿的产量做统计，结果表明：所用灯应该有高的短波红光，中等量的长波红光， 以及很少量的蓝紫光，这样才能使植物获得最好的生长“1 。 1 9 7 8 年荷兰菲利普公司研制成功稀土激发荧光灯，荷兰有大面积的花卉种植， 针对花卉种植，他们研制了光合作用照明系统、光周期照明系统，采用的是飞利 浦农艺钠灯，该灯的特点是发射光谱与植物生长所需光谱相符合，为植物生长创 立了所需的蓝光和红光成分，从而使作物产量有大幅度的增加。3 。 1 1 2 国内研究发展概况 由于人工补光成本较高，且国内设施农业发展起步较晚，设备简单，大棚作物 补光应用很少，对作物生产中补光灯应用的研究是近几年随着温室产业的发展和 生产科技化的提高，逐渐开始的。现在花卉种植方面以及很少量的农业温室大棚 试验基地中有一些人工补光灯的应用，光源主要采用白炽灯、荧光灯、钠灯、镝 灯、氖灯和氦灯等。其中，高压钠灯和日色镝灯是发光效率和有效光合成效率较 高的光源。在光源的研究进展方面，国内上海跃龙有色金属有限公司自主开发了 稀土铝酸盐兰粉，在稀土节能荧光灯已形成系列。河北大学研制成功了低压水银 荧光灯设施农业专用光源。哈尔滨工程大学开发了稀土荧光材料的植物生长灯， 另外还有南京华强等多家公司也发布了植物生长荧光灯的供应信息。 但由于白炽灯泡、日光灯管、钠灯、高压汞灯、镝灯、氖灯和氦灯等耗电量 大，发射光谱不能很好地与植物的光合作用吸收光谱，做补光效率低6 1 ，还产生很 多的热辐射，不能对植物接近照射，对植物生长光激励效率不高，做人工补光成 本很高，因而除在一些高附加值的花卉种植上和人工气候室试验中有所应用外， 并没有在农田生产上并没有得到广泛应用。荧光灯的光谱成分中无红外线，生理 辐射量所占比例较大，能被植物吸收的光能约占辐射光能的7 5 8 0 ，是较适于 植物补充光照的人工补光光源，目前使用较为普遍，但荧光灯在光合作用的低效 光黄绿光谱段也仍有很大一部分比例，且功率小，功率因数低( o 5 左右) ，附件多， 故障率相对较高【6 j ，实用化程度仍不高。 1 2 瓤型植物生长人工调光措施的研究 近年来随着农业生产中温室大棚的大面积推广，人工气候室的研究进展以及 农业科技化水平的提高，进行温室合理补光以及降低补光成本的研究已显得越来 越重要”。，新型节能高效补光措施更成为人们研究的热点，新型发光材料的成功 人工调光环境下蔬菜生长的研究 研制为这一问题的解决供了契机。研究人员利用这些发光材料研究开发了适应植 物吸收光谱成分的光转换农膜和新型高效节能光源l e d 。 1 2 1 光转换农膜的研究 作物光合作用主要依赖两波段范围的可见光，即蓝紫光( 4 0 0 4 8 0n m ) 和红橙光 ( 6 0 0 6 8 0n m ) ；不需要大部分紫外光( 2 9 0 3 5 0n m ) 和绿黄光( 5 1 0 5 8 0n m ) 。 部分紫外光还易引起病害。1 。光转换农膜就是借助加入薄膜中的转光剂将作物不需 要的光转化为所需要的光。 在光生态农膜的研发上，早在1 9 7 6 年，日本“农业用光线选择利用技术研究 协会”就曾在“关于农用温室的光利用技术的综合研究”报告中对含有兰荧光、 红荧光物质的聚氯乙烯薄膜作了报道，但其耐光性不好，还未进行栽培试验就已中 断。进入9 0 年代，日本三井东亚化学株式会社及b a s f 公司才正式推出发红光的薄 膜r a d i a n t p i n k 和i r r a d i a n t6 6 0 ，栽培试验表明这种波长转换膜作用效果也 不是很理想，往往只在特定的气候条件下有效。日本东曹株式会对于农膜转光技术 进行了多年的研究，它在专$ 1 j c n10 7 29 4 5 a 中披露的农膜用波长转换材料，其特 征是含有在3 5 0 4 5 9 n m 最大吸收、在3 8 0 5 2 0 n m 最大发光的至少一种荧光色素a 和在4 6 0 5 8 0 n m 最大吸收、在5 4 0 8 0 0 n m 最大发光的至少一种荧光色素b 。a 的 发射光谱和b 的吸收光谱部分重叠，通过两种荧光色系之间的能量传递，来完成将 紫外光转换成蓝光或将黄绿色光转换成红橙色光。这种荧光色素是吡嗪系a 和苯 并蝶啶系b 化合物，对光是稳定的，若与紫外线吸收剂并用，使用1 年后保持荧光 6 0 以上。 前苏联较早开展稀土铕有机配合物转化紫外光功能的研究，并在此基础上研 究开发出转光农膜。该膜可以将3 1 0n m 的紫外光转换为6 1 3n m 的橙光，由于该 农膜具有独特的将紫外光转化为可见红光及明显的增温作用，作物早熟增产显著 因而一出现就受到关注“。 荷兰专利1 8 97 9 4 报道，应用多种稀土螯合物作为添加剂制备温室覆盖用高分 子材料，在农业应用方面取得很好效果。此类添加剂也是通过吸收目光中的紫外线 而发射橙红光的。1 。 尽管在光生态学领域及农膜转光技术研究方面，我国起步较晚，但发展很快， 尤其是转光农膜实地扣棚推广试验方面，已走在世界前列。较早开发农用光转换膜 第一章植物生长与人工调光的研究发展 的是中国科学院长春物理所，开发的p e 神奇膜用于人参栽培，有出苗早5 7 天、 参根皂苷含量提高2 4 、茎叶皂苷含量提高3 5 的效果皿。9 0 年代初期，中国科 学院化学所生态环境研究中心和北京农业大学等单位的一些专家，把俄罗斯科学 院的转光技术引进国内。中国科学院电子所、大连第九塑料厂等单位，也进行了农 膜转光技术的研究。国内中科院长春应化所、中科院广州能源所、中科院长春物 理所、湖南师大、哈尔滨工大、北京轻工业学院等先后开展转光农膜研究，并有 一定量的产品在农业上应用。他们应用的转光剂主要有3 类：稀土有机配物、有 机荧光材料、稀土或碱土金属硫化物。其中稀土有机配合物是最常用的一种，但 由于成本太高，应用受到限制。所用的有机荧光材料光稳定性较差，而稀土或碱 土金属硫化物与高分子的相容性较差叫。目前的光转换农膜主要有三类：( 1 ) 含铕 ( e u ”) 的有机配体稀土转光剂制成的可吸收2 4 0 4 2 0 m 紫外光，发射出5 8 0 6 3 0 n m 的红橙光，发射光谱峰值为6 1 3 n m 或6 1 8 n m 的光转换膜。其特点是只吸收紫外光且 发射光谱窄、衰减速度快，但初始发光强度高，对作物全期特别是前期的产量及 质量提高大【l4 “”。( 2 ) 使用葸醌类、吡嗪系或丫啶类的红色或蓝色荧光染料中的一 种或几种组合制成的将紫外光转蓝光、转红橙光，或同时将黄绿光转化为红橙光 的荧光转换膜。其特点是不仅吸收紫外光且吸收黄绿光，有的发射光谱很宽。廉 世勋等的在3 8 0 n m 的紫外光处和5 3 6 n m 的黄绿光处有最大激发，在4 5 9 5 9 6 n m 处有 最大发射的“单基双能荧光染料转光剂”制成的光转换膜【1 9 】；大连九塑研制的采用 还原红和酞青蓝转光剂激发峰在3 7 0 n m 、5 1 5 r i m 、5 7 0 n m ，发射光谱在4 0 0 5 0 0 n m 蓝紫光和5 9 0 7 0 0 n m 红橙光的仿生态农膜 2 0 】。( 3 ) 含铕( e u 2 + 、e u 3 + ) 的碱土金属硫氧 化物、硫化物配合酸类化合物的无机稀土转光剂制成的光转换膜，可吸收自然光 中的2 8 0 4 0 0 h m 紫外光发射出红橙光或同时吸收紫外光和黄绿光，发射蓝紫光、红 橙光。其特点是虽初始发光强度不如有机稀土转光剂，硫化物遇水易分解，但具 有发射谱带宽、发射光谱与植物光合作用光谱相对吻合，稳定性好、转光强度衰 减慢的优点1 2 “。此外，刘建民等添加红外陶瓷粉与转光剂于p e 树脂中，制成既可 发射红外光，又可将太阳中紫外光转成红外光的p e 功能膜【2 “。 据植物生理学原理，理想的转光农膜应该满足：激发光谱与绿色植物所不需 要的反射光谱尽量吻合：发射光谱及发射峰高应与植物叶绿素的吸收光谱即光合 作用的光谱曲线尽量吻合( 叶绿素a 和叶绿素b 的吸收光谱有两个峰区，即 人工调光环境下蔬菜生长的研究 4 0 0 4 8 0 n m 的蓝紫光区和6 0 0 6 8 0 r i m 的红橙光区。其中叶绿索a 的吸收峰为4 2 5 n m 和6 6 0a m ，叶绿素b 的吸收峰为4 4 0 4 6 0 n m 和6 4 3 n m ) 。由于实际到达地面的太阳光 为2 9 0 30 0 0 n m ，其中2 9 0 - 4 0 0 n r n 的紫外光仅占6 左右，即使完全将日光中的紫 外线转为作物光合作用需要的蓝光或红光效果也不明显，而4 8 0 5 8 0 姗的绿光在 4 0 0 8 0 0 n m 的可见光中的比例和强度都最多，只有以转绿光为主，才能真正发挥光 转换作用。另外，叶孔敦等合成的c a s ：e u ，s m 常充电型”电子陷获材料，不仅 可具有c a s ：e u 的荧光特性( 激发带分别位于峰值波长2 7 9 n m 的紫外区f f n 4 0 0 6 2 0 n m 的可见光区) ，而且可将0 8 1 6 | lm 的红外光转换为6 7 2 n m 的红光，量子 效率高达7 6 ，且化学稳定性好，造价低，是一种优于c a s ：e u 的光转换农膜添加 剂，其掺e u 2 + 、s m 3 + 和c u + 的c a s 荧光粉，更有望成为人工模拟叶绿素吸收光谱的 新型农用光转换材料，是今后的发展方向【1 4 】。 中国海洋大学光学光电子实验室近年研制成功的调光生态膜采用有机共轭分 子蒽酮及吖啶酮衍生物作调光剂，用紫外3 7 5 砌激发可以产生4 3 2 n m 为主峰的带 宽近5 0 n m 的蓝紫荧光谱，在红光区也还有2 个小的波峰。用5 5 5 n m 绿光激发产生主 峰6 1 0 r t m ，6 6 0 n m 带宽8 6 n m 的红光荧光谱【2 引。就具有可以将阳光中的绿光转换为 红光的优势，且发射光的主峰为6 6 0n m 左右，红光峰高、面积大、强度高。 1 2 2l e d 在人工光照栽培植物研究领域的应用 高效率人工光源的发展一直是农业生产上或研究上非常重要的一项课题。光 电技术的进步带动了高亮度红光、蓝光与远红光发光二极管( l i g h t - e m i t t i n g d i o d e ，l e d ) 在农业生产中的应用o ”。相较于目前普遍使用的荧光灯或高压钠灯而 言，l e d 具有高光电转换效率、使用直流电、体积小、寿命长、波长固定与发热 低冷却负荷小等优点，光量( l i g h ti n t e n s i t y ) 可调整、光质( l i g h to u a l i t y ，l e d 可提供各种色光，红蓝光比例或红远红光比例等) 可调整、可提高单位面积栽培 量，给光频率与工作比可调的特性，允许提供高频间歇给光模式，有利于探讨光 合作用中光反应与暗反应的相关机制，红光配合蓝光l e d 的使用能提供一适当的 光质；红光与红外光l e d 搭配可探讨两者对光型态发生的影响，进而了解光敏素 的机制等优点o “。 最早将l e d 用于植物栽培的是日本三菱公司，早在1 9 8 2 年就有关于波长为 6 5 0 n r n 的红色l e d 光源用于温室番茄补光的试验报告。此后，美国n a s a 研究 第一章植物生氏与人工涮光的研究发展 中心也把此项技术作为宇宙基地等闭锁式生命维持系统( celss ) 的相关技术 之一开展研究。1 9 8 7 年以w i s c o n s i n 大学的d r t i b b i t t s 等为主的研究小组正 式采用l e d 光源，开始进行莴苣的栽培试验并形成阶段性成果的研究报告。1 9 9 2 年日本千叶大学进行了有关l e d 红色光、远红色光对马铃薯生理过程影响的试验 研究。以色列和中国台湾省的一些研究部门也进行过有关l e d 在植物工厂和组培 室的试验【2 ”。2 0 0 0 年5 月，日本的科学家们试制了扩容性蓝、红及远红外所有半 导体激光照明用元件光源，首次用脉冲照射法成功地进行了嫩叶萝h 的栽培实验。 目前，兼有红光和蓝光的白光l e d 在日本已投入实际应用，并发表了植物栽培的 研究报告。福井大学的冈井成功地进行了西红柿的栽培实验。利用蓝色和红色l e d 作光源栽培生菜的试验已经取得成功。现用l e d 作光源的大规模生产疏菜的工厂 正在试运行阶段，其主光源为发光波长为6 6 0 r i m 的l e d 面板，育苗光源为白色荧 光灯。该系统可以把培育植物的环境要素控制在最佳状态【25 1 ，led 光源的光利 用效率达到了o 0 1 ，是目前正在运行的植物工厂中光利用效率最好的实例 2 6 】。2 0 0 5 年1 2 月美国的l e d t r o n i c s 公司发布了其研制成功的l e d 植物生长灯，是以红色 l e d 为主，辅以特定比例的蓝色和绿色l e d 的组合光源。“。 科研人员发现当红色与蓝色照射光的功率比为1 0 ：1 时显示出良好的生长态势 维生素类的含量则随光照而变化【2 5 】。此外，研究表明植物一般在白天吸收红、蓝 等限定波长的光进行光合作用，夜间主要是进行生长。因此，单一波长的l e d 要 比波段宽的太阳光更能促进光合作用。p p f 设置为1 5 0 m o l m 2 s 一1 ，r b 比为 5 、1 0 、2 0 的l e d 和金属卤化物灯的对照试验相比，r b 比为1 0 的l e d 光源的 植物产量无论从干物重还是品质来讲都比金属卤化物灯要好【2 8 1 。 国内在植物光照用l e d 方面还没有研究报道。 1 3 目前的研究任务 从国内外总体来看，有关l e d 对植物影响的研究报告目前还为数较少，但据有 关人士预测，今后对这项工作的研究将达到高潮”。对各种植物照射单色光，测 光合速率并获得作用光谱，可测出何种波长的光对光合作用有效。但若同时照射 不同波长的光，光合速率大于这些光单独照射所得值之和。这就是埃默森效应 ( e m e r s o n se f f e c t ) 。根据栽培植物所具有的不同光周期设定光强，这在技术 上是保密的：而且在植物生长所需要的光谱成分配比方面还没有明确的结论，因 人工调光环境下蔬菜生长的研究 此不同波长的光对植物生理和形态所起的作用以及各种波长的组合效应是值得迸 一步研究的问题。它将为人工改变光色以促进植物生长发育提供依据。在单色l e d 对植物生长重要的内部生理活动表征一光合速率变化方面也还未见有研究报道。本 实验室兼具备成功研制t l e d 和调光生态膜的基础，拟进一步在l e d 对植物生长的 影响方面开展一些研究，为最终能够开发l e d 植物生长灯提供相关的实验数据。 第二章植物光生理 植物体一生中，受到各种外界环境条件的影响。植物生长的环境因子包括光 照，温度，大气成分，水和矿物元素等。作为自养生物，植物依赖光进行光合作 用，因此植物对光感应特别灵敏。植物监测光的强度