LED在设施园艺中的应用（一）——LED在植物育苗工厂中的研究和应用（定稿）.doc

LED在设施园艺中的应用系列（一）LED在密闭式植物苗工厂中的应用魏灵玲，杨其长，刘水丽，杨雅婷（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部农业环境与气候变化重点开放试验室，北京 100081）随着现代农业的不断发展，育苗业已逐渐从传统的种植业中分离出来，形成颇具活力的新兴产业。美国早在20世纪70年代前后就已实现了种苗的商品化和工厂化生产，日本的种苗生产也在这一时期逐渐实现了专业化，仅Santafenorsery种苗公司年产的商品苗就达1 亿株。荷兰也陆续发展了160多家专业育苗企业，进行商品苗的生产。20世纪80年代以来，世界性商用种苗的数量和种类急剧增加，植物育苗的工厂化生产已经成为世界性趋势。苗工厂就是生产种苗的植物工厂，这里所指的“种苗”是特指“苗”，不包含“种子”，所以也可称之为“苗工厂”。密闭式植物苗工厂是继温室工厂化育苗之后发展起来的一种高度专业化、现代化的种苗生产方式，由于受自然条件影响小，作物生产计划性强，生产周期短，自动化程度高，同时可进行多层立体式培育，可以节约35倍的土地，已经成为未来工厂化育苗的重点发展方向。但是初始投资成本高与能源消耗大仍然是制约植物苗工厂发展的两大瓶颈。通常能耗成本约占总运行费用的50%60%，其中照明的成本要占总耗电量的70%80%。采用耗能低、效率高、光质适宜的人工光源，降低照明的能耗费用，是密闭式植物苗工厂发展的重要方向。目前，植物苗工厂的人工光源多使用荧光灯。荧光灯的发光效率在最近20年内上升了50，但与高压钠灯相比还是比较低的，与金属卤化灯基本相等。但是无论是荧光灯还是目前发光效率较高的高压钠灯，其能耗都较高，主要原因是目前使用的人工光源中红外和远红外光的比例较大，有相当多的能量以热效应方式传递到环境中。此外，灯具产生大量热量还使得环境温度上升，导致空调降温耗电量增大，成本提高，直接影响到了种苗生产效益的提高。在育苗的电力消耗成本中，照明费用在运行成本中占有大部分的比例。如果能够进一步降低照明及空调降温的耗电量，同时缩短生产周期，则生产成本还有很大的缩减空间。因此，引进新型节能光源，改善光源的发光性能，提高电能利用效率，降低耗电成本已经成为植物苗工厂的研究热点。近年来，LED（light emitting diode，发光二极管）光源的研究开发为人工光型植物工厂的发展提供了良好的契机，使植物苗工厂的普及应用成为可能。与白炽灯、荧光灯和高压钠灯等人工光源相比，LED具有使用电源电压低、节能高效、体积小、稳定性强、响应时间快、环保、寿命长等优点。LED光源在满足植物光合作用需求的同时能够节省大量能源。据日本专家估计，如果采用LED代替日本一半的白炽灯和荧光灯，每年可节省相当于60亿升原油所产生的电能。荧光灯和高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯都含有金属汞，汞是一种高度有毒物质，这些灯在废弃之后金属汞会对环境造成污染。LED为全固体发光体，不含汞、耐震、耐冲击、不易破碎，废弃物可回收，是一种绿色照明产品。同时LED为冷光源，热辐射很小，可近距离照射植物，能有效利用种植空间，成倍提高单产，大幅度降低成本。LED被认为是密闭式植物育苗工厂最有前途的人工光源。1 LED光源工作原理LED是利用半导体PN结或类似结构把电能转换成光能的器件。带有空穴的P型材料通常是掺入族元素的硅，带有电子的N型材料通常是掺入族元素的硅。P区与N区之间的边界即是PN结。图1 LED结构原理图跨过PN结，电子会从N区扩散到P区，空穴会从P区扩散到N区。但是这种扩散不会一直进行下去，因为随着扩散的进行，PN结处会形成势垒，阻止电子和空穴进一步扩散，从而达到平衡状态。当P区接电源正极，N区接电源负极，即将PN结外加正向偏置电压时，势垒就降低了，平衡状态打破了。N区的电子和P区的空穴在PN结处相遇发生复合，将多余的能量以光的形式释放出来，从而促使LED发光。LED能发出不同颜色的光则是因为其材料中电子和空穴所占的能级有所不同。能级的高低会影响电子和空穴复合后光子的能量，从而产生不同波长，即不同颜色的光。2 植物苗工厂光源板的设计综合考虑种苗生长特点和需求，采用LED光源板作为植物苗工厂的人工光设备。光照采用定时分层控制，沿围护结构墙角和墙面安装接线槽和电源插座。在栽培控制系统中设有一个总的光照定时器，将插座分自动控制和手动控制两类：自动控制插座受总的光照定时器控制，同时也受各层培养架的开关与定时器的联合控制；手动控制插座的电源常通，依靠手动调节开关和定时器达到控制光照环境的目的。培养架的每一层均匀布置两块LED光源板，同时开启或关闭。植物主要吸收波长为610720nm的红橙光和400510nm的蓝、紫光。该LED光源板主要由超高亮度的660nm红色LED和450nm蓝色LED均匀交叉分布组成（图2），光源板尺寸为0.54 0.28m（图3），红光的PPFD为220molm-2s-1，光转化效率为20.83%，蓝光的PPFD为43molm-2s-1，光转化效率为8.26%，红、蓝两种光源PPFD均匀，不均匀度10%。为保持温度相对恒定，在光源板中部设有温度传感器，采用专用散热片散热，通过轴流风扇等散热设备，对光源板的中央温度进行实时监测和控制。图2 红蓝光光谱分布图3 LED光源板实物图LED光源板的一系列光源参数均可由控制器控制，如分别控制红、蓝LED光源强度、开关时间、闪烁频率、占空比等，其中发光强度采用PWM调控模式，220V供电。同时控制器具有LED板温度检测功能，检测范围050，精度为0.5。控制器可以通过手动方式控制，也可以通过RS-485和计算机相连，实现自动控制。图4为植物苗工厂内LED光源板系统简图。控制器LED光源板温度传感器轴流风扇计算机电源图4 LED光源板系统构成简图LED光源装置与计算机之间采用RS485通讯方式连接，外接计算机通过专用LED光源控制系统软件与控制器连接，调控LED板的发光强度、发光频率及开关时间。同时，LED光环境调控装置外接一个控制盒，单色光的发光强度、发光频率也可以通过控制盒实现手动控制。另外，由于控制器对光照强度的控制采用PWM方式，光强调控具有一定阶梯性，为此，光源板安装了光照高度可调式光源装置。该装置主要包括光源板、几字槽、调节螺杆和调节螺母组成。将几字槽固定在上层培养架的底面，同时将调节螺杆穿过光源板且其下端由调节螺母固定。调节光照高度时只需上下转动调节螺母即可。整个光源板通过四角安装的调节螺杆和螺母同时上下移动来实现光照高度的调节。光照高度的可调范围为535cm。3 LED光源板在植物苗工厂中的应用实验碳素营养是植物的生命基础，植物干物质的90%以上都是有机化合物，而有机化合物重量的45%都是碳素。碳素进入植物体内最重要也最广泛的一种方式就是光合作用。而光环境就是影响植物光合作用最重要的因素。光环境分为三个部分：光照强度（光强）、光质（即光谱分布）以及光周期（即明/暗期时间）。LED光源板能够准确的调控人工光源的光环境三要素，为不同的植物提供最适宜的光环境。该LED光源板在中国农业科学院重大科学工程温室的密闭式植物苗工厂中得到应用，取得了良好的效果，选用适宜的光强、光质时，黄瓜苗的光合速率、叶片叶绿素含量、根系活力均表现出良好的优势。直观来看，植株地上部分重量大、叶面积大、茎粗、叶片生长快、扎根较深。在LED光强试验中，调节LED控制器使LED光源板光强分别为150molm-2s-1，保持红蓝光（R/B）比值为9:1。同时，转动调节螺母使荧光灯光强在同一水平面上时也为150molm-2s-1。从图5可以看到，LED条件下的黄瓜苗生长健壮，叶片伸展，颜色浓绿，LF15、LF20和LF30为在荧光灯下生长的黄瓜苗，而在温室中（即CK）的黄瓜苗发生了明显的徒长现象。通过对黄瓜苗叶片光合速率的测量发现，LED光源板条件下的光合速率为5.179molCO2m-2s-1，荧光灯条件下该值为4.690molCO2m-2s-1。可见，LED的红蓝光组合光源能更好地促进黄瓜苗的光合作用。同时，通过对红色LED的光量子效率（即每单位电能所能激发的光合有效光量子流密度）的测量表明，该值为1.15molW-1s-1，大于荧光灯的0.87molW-1s-1，说明对于这两种人工光源，每消耗单位电能，LED能激发出更多的植物吸收的红蓝光，而荧光灯更多的光线由于不能被植物所吸收而浪费了。这一结论也解释了为什么在同一光强的光线照射下，LED光源的黄瓜苗光合作用更好。图5 光强实验中植株生长情况在LED光质试验中，通过对控制器的调节得到了一系列红蓝光质比（图6），即红蓝光强之比（R/B）为5:1，7:1，9:1和20:1，同时保持总光强一致为150molm-2s-1。实验发现，最适宜的光质比是7:1，而不是在光强实验中所选择的光质比9:1。通过对光合速率的测量发现，四个光质比条件下各自的光合速率分别为5.2682molCO2m-2s-1，5.4251molCO2m-2s-1，3.6684 mol CO2m-2s-1和2.1813molCO2m-2s-1。说明红蓝光质比为7:1时能更好地促进黄瓜苗的光合作用。同时，在实验中还发现，随着光质比的减小，光合速率也明显下降，说明黄瓜苗在生长时需要蓝色光的照射。与荧光灯相比，LED光源板的红蓝光光质可以实现调节以满足不同植物苗生长的需要，这也是精准设施农业发展的方向和趋势。图6 LED植物苗工厂试验装置如前所述，红色LED的光量子效率为1.15molW-1s-1，大于荧光灯的0.87 molW-1s-。若以该值为基础进行计算，可以认为当荧光灯消耗1/0.87W电能时，LED光源板消耗1/1.15W电能，即荧光灯每消耗1W电能时，LED光源板需消耗(0.87/1.15) =0.76W的电能。所以，LED光源板比荧光灯节能24%。4 结论与建议从以上分析对比我们可以清晰地看出，LED光源板与荧光灯相比具有更大的优势。在相同光强条件下，LED可以发出更大的光合有效光量子流密度，可以对光强和红蓝光质比进行调节，可以对植物进行近距离照射进而有效提高种植空间，显著节省单位空间的电能消耗。从植株的生长状况来看，LED光源能够促进黄瓜苗光合作用，提高根系活力和叶绿素含量，黄瓜苗生长健壮、叶片舒展、根系富有活力。作为新兴的光源类型，LED已经在照明领域得到了发展。而作为植物生长光源，LED的应用还刚刚起步。本项实验所完成的LED光源板在植物苗工厂的应用研究在国内尚属首次，为LED光源逐步替代荧光灯做出了实质性的探索。目前看来，LED光源板的稳定性、可靠性都表现良好。如果能在成本降低和控制精度上有所提高，该设备的大面积推广将指日可待。随着能源紧缺和精细农业的不断发展，节能光源LED取代现有植物生长光源，实现植物的高效生产，具有广阔的应用前景。 参考文献1杨其长,张成波.植物工厂概论.中国农业科学技术出版社.20052杨其长,张成波.植物工厂系列谈（十）高新技术在植物工厂中的应用.温室园艺,2006,2:20-233魏灵玲, LED光源在密闭式植物苗工厂的应用研究博士论文.北京:中国农业大学,20074 魏灵玲,杨其长,刘水