1、序号： 编码： “挑战杯”2009河北省大学生课外学术科技作品竞赛 作品申报书作品名称： 设施农业专用LED组合光源的研制 学校全称： 河北大学 申报者姓名（集体名称）：朱可心 崔招焕 李丽坤 闫其庚 刘青 丁雯类别： 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会 调查报告和学术论文 科技发明制作A类 科技发明制作B 类A2申报者情况（集体项目） 说明：1必须由申报 者本人按要求填写； 2申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低 排列； 3本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。 姓名 朱可心 性别 男 出生年月 1986.1 学校 河北大学 系别、专业、年级 物理科学与技术学院2
2、006级 电子信息科学与技术 学历 本科 学制 4年 入学时间 2006.9 作品名称 设 施农业专用LED组合光源的研制 毕业论文题目 无 邮政编码 071002 通讯地址 河北大学物理科学与技术学院 办公电话 0312-5079354 邮政编码 071002 申 报 者 代 表 情 况 常住地 通讯地址 河北大学梅园宿舍209 住宅电话 13730188515 姓 名 性别 年龄 学历 所在单位 崔招焕 男 22 本科 物理科学与技术学院 李丽坤 女 21 本科 物理科学与技术学院 闫其庚 男 21 本科 物理科学与技术学院 刘青 男 20 本科 生命科学学院 其 他 作 者 情 况 丁雯
3、 女 20 本科 药学院 学校学籍管理 部门意见 以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成 人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、 硕士研究 生或博士研究生。 是 否 （部门签章） 年 月 日 资 格 认 定 院、系 负责 人 或导师意见 本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果 是 否 负责人签名： 年 月 日B3申报作品情况（科技发明制作） 说明：1必须由申报者本人填写； 2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；3本表必须附有研究 报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图 （照片）,也可附鉴定证书和应用证书；4作品分类请按照作品 发明
4、点或创新点所在类别填报。 作品全称 设施农业专用LED组合光源的研制 作品分类 （ C ）A 机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）B 信息技 术（包括计算机、电信、通讯、电子等）C 数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等）E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等） 作品设计、发明 的目的和基本思 路，创新点，技 术关键和主要技 术指标 研究目的： 光是一切生物赖以生存的重要因素。植物的正常发育过程是通过光合 作用、光形态建成反应、光周期调节来完成的，所以从种子萌发、幼苗生长 、叶片张 开、
5、叶 绿体的发育，一直到开花、结果、衰老以及对环境的适应都 离不开光的参与和调节。 本作品设计的总目标是利用LED的光强高、功耗低、易于 调光调色、小 巧、绿色 环保等优点，用高亮度的单色LED，通过组合来研制一种应用于设 施农业的高效、节能、可控性好的LED组合人工补光光源。旨在解决目前常 用白炽灯、日光灯、高压钠灯等补光光源存在的发射光 谱与植物选择吸收 光谱不匹配，用于植物补光，针对性差、能耗大、光效低，严重影响人工补 光技术的普及的缺点。作品设计、发明 的目的和基本思 路，创新点，技 术关键和主要技 术指标(续表) 我国是农业大国， 设施农业发展迅速，温室种植已成 为农村新的经济 增长点
6、。LED 组合光源的研制及其在光照培养箱、 组培育苗、温室种植及植 物工厂等方面的科学研究和推广应用，必将带来重大的社会效益和经济效 益。 研究基本思路： 克服常用补光光源的点、线、 热光源的技术缺陷，利用LED的光强高、 功耗低、易于调光调色、小巧、 绿色环保等优点，用高亮度的单色LED，通 过组合来研制LED 组合光源； 针对植物的光合作用、光形态建成反应、光周期 调节及光强对光谱的 选择性，确定设施农业专用LED组合光源的主光谱辐 射区，使其 发射光谱 与植物的选择性吸收光谱相匹配； 根据LED的光色 电性能指标， 选取高亮度、不同功率的红、蓝、白色和 远红光单色LED 光源；通过对光色
7、、光 质、数量、排列进行优化组合，来研 制系列LED组 件模块； 解决LED组合光源中LED驱动电路、 调光、调色、工作方式以及时间调 控等技术问题，研制模 拟驱动 和单片机数字驱动的驱动模块。 制作设施农业专用组合光源，确定其适用范围。 创新点及技术关键： LED组合光源采用高亮度、大小功率的红色、 蓝色、远红光和暖白四色 LED优化搭配而成，其发射光谱与作物的选择性吸收相匹配，用于植物补 光，针对 性强，光效高； 突破传统的点、 线光源局限，LED组合光源采用集成的阵列式设计，具 有平面化、可设计性强的优势 ，可以 实现均匀覆盖； 采用涂覆红外高辐射材料的铝基板和风扇结合的方式，降低大功率
8、LE D结温，使得LED 组合光源更加高效、节能环保。 LED组合光源可在光照培养箱、组培育苗、温室种植及植物工厂等方 面进行科学研究和推广应用。 主要技术指标： LED组合光源采用 红色(66020nm) 、蓝(45020nm) 、 远红(75020nm) 和暖白四色LED 搭配而成；（R/B）在5：1至10：1；在610700nm和400510n m有主吸收峰作品的科学性先进 性（必须说明与现有 技术相比、该作品 是否具有突出的实 质性技术特点和显 著进步。请提供技 术性分析说明和参 考文献资料） “设施农业专 用LED 组合光源” 是一种高效、 节能、可控性好的新型 植物人工补光光源。它
9、是依据植物的光合作用、光形 态建成、光周期 调 节对光谱的选择性吸收而设计的。 通过测量LED 的光色电性能指 标，选取高亮度、大小功率的 红、 兰 、白色和远红光单色LED，通 过对光色、光质、数量、排列 进行优化组合 搭配成基本模块单元，设计 中保持R/B 在5:1至10:1，其 发 射光谱与作物 的选择性吸收相匹配，用于植物栽培，针对性强，光效高。 LED组合光源在 设计中突破了 传统的点、线光源技 术缺陷，采用集 成的阵列式设计，根据需要可 进行拼接，具有平面化、可 设计性强的优 势，实现 均匀照射。 解决LED组合光源中LED 驱动电路、 调光、 调色、工作方式以及 时 间调控等技术
10、问题。采用涂覆 红外高辐射材料的铝基板和风扇结合的 方式，降低大功率LED结温，使得LED 组合光源更加高效、 节能环保。 本产品还是一种的绿色环保光源。较白炽灯、 荧光灯而言，LED 光 源光束不产生热量，属于绝对 冷光源， 对植物可以实现“ 零”距离照射； 加之LED体积 小、光 强集中，用于植物补光可以节省能源和空间。 “设施农业专 用LED 组合光源” 的研制及其在光照培养箱、 组培育 苗、温室种植及植物工厂等方面的科学研究和推广应用将在推动农业 产业化和农业经济持续发展中发挥重大作用，也将给绿 色农业和创汇 农业带来重大的社会效益和经济效益。 参考文献： 1 复旦大学电光源实验室电光
11、源原理上海科学技术出版社，1979（第一版），69-93 2 童哲光形态建成，植物生理生化进展1987，13（5）；98 3 张蕾光质在植物生长过程中的调控作用河北大学， 硕士论 文，2000，6，4-9 4 方炜 使用LED 调整光量及光质与二者对组培苗生长之影响 种苗科技成果发表会，2003 ，23-40 5 徐志刚组培微环境与规模化育苗设施环境 调控的研究博士 论文，2002年5月：19-24 6 郭双生，艾为党 受控生态生保系统中植物生长光源的选择 航天医学与医学工程，2003，第16卷，增刊：3-4 7 K.C.史密斯 编，沈恂等 译光生物学北京：科学出版社，1984 ，401-40
12、2 8 刘 建组培箱微环境中光及CO_2 调控的研究 硕士论文，2007年10 月：17-18 9 张云英不同光强下结球莴苣光保护机制和营养成分形成关系的 研究硕士论文，2006年5月：2730 11 刘水丽人工光源在闭锁式植物工厂中的 应 用研究硕士论文， 2007年9月：4647 10 曲 溪，叶方铭等LED灯在植物补光领域的效用探究灯与照明，2008年02期：44 12 Barta, D.J., T.W. Tibbitts, R.J. Bula and R.C. MorrowEvaluation of light emitting diode characteristics for a
13、space-based plant irradiation source Advances in Space Research ，1992 ，12：141- 149 作品在何时、何地、 何种机构举行的评 审、鉴定、评比、展 示等活动中获奖及 鉴定结果 无 作品所处 阶 段 （ A ）A实验室阶段 B中试阶段 C 生产阶段 D （自填） 技术转让方式 技术入股 一次性买断等 作品可展示的 形 式实物、 产品 模型 图纸 磁盘 现场 演示 图片 录像 样品使用说明及该作品 的技术特点和优势 ，提供该作品的适 应范围及推广前景 的技术性说明及市 场分析和经济效益 预测 “设施农业专 用LED 组合光
14、源” 研制成功以后可由厂家直接投入生 产。本产 品是一种高效、 节能、可控性好的新型植物人工 补光光源。 “设施农业专 用LED 组合光源” 其发射光谱与作物的选择性吸收光谱相匹配，用于植物 补光，针对性强 ，光效高。本光源具有发光强度高、功耗低、可靠性高、易于调光调色、 小巧、绿 色环保等优点，且LED为冷光源， 这为近距离照射、 节省能源 创造了条件。此外，大功率LED的加入，提高了光照 强度；LED 组件的 阵列式设计，便于自由组合搭配。 这使LED 组合光源更加适合应用于植物补光，因而，相比于市 场上其他植物人工 补光光源，本产品具有明显 的竞争优势。 我国是农业大国，设施农业发展迅速
15、， 仅我省就有四百多万 亩大棚 ，温室种植业作为农村增产 增收的重要手段，已 经成 为农村新的经济增 长点。“ 设施农业专用LED 组合光源”的研制及其在光照培养箱、 组培育 苗、温室种植及植物工厂等方面的科学研究和推广应用将在推动农业 产业化和农业经济持续发展中发挥重大作用，也将给绿 色农业和创汇 农业带来重大的社会效益和经济效益。 专利申报情况 提出专利申报申报号 申报日期 年 月 日 已获专利权批准批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门 签 章年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写；2.填写此栏有助于评审。 近年来，LED光
16、源在植物生理与植物栽培领域的应 用研究已经引起全世界的广泛关注，美 国NASA研究中心把LED 补光设施作为宇宙基地等 闭锁式生命维持系统的相关技术之一开展研 究。日本的闭锁式LED 植物工厂的研究已经进入实 用化阶段；许多学者也在LED 光源方面做了大 量研究： 1996年，Takitaetal对LED 发 光强度与光谱分布模式 进行了理论研究，将LED 作为点光源并配 合光量倒平方法则来建立模型，用以 预测和计算栽培面上的光强与光质的分布情况。 2001年，方 炜对“以发光二极管 为光源的植物栽培装置”申请专利，其介 绍的是一种以小功率 发光二极管为光源的植物栽培装置,系统主要包含灯具与驱
17、动器两大部分。适用于大部分 组培苗 之生长栽培，并可作为探讨 光合作用、光形 态发生与光 质对植物生理等研究领域的测验工具。同 年，方炜 又对“ 以超高亮度发光二极管作为人工光源的植物生长箱”申请专利，该产品介绍的是一 种以自行研发的小功率超高亮度发光二极管作为人工光源的植物生长箱，旨在探 讨应用该种新 型光源与使用传统的萤光灯管在蝴蝶兰组培苗栽培上的差异。研究 证实LED 适用于做为光形态 发生基础研究之人工光源。 2002年，由日本CCS 公司森 冈美帆制作的植物生长系统包括LED 光源、生 长控制软件、信号 调节器和数据收集软件。整套系 统通过生长控制软件控制LED 照明，同 时能实现不
18、同光质的自 动控制。同年，田中道男开发了由红色LED（660nm ）和蓝色LED （450nm）组成的独立光源新型组 培容器“Uni-PACK”。其中，红色LED 的发光效率可以达到22%- 25%,不能 转化 为光能的电能大部分在LED芯片的发热 中消耗掉了。 为解决散热问题，从LED CAP各个 侧面打孔并安装了特制的 风扇，同 时在LED 模板的内侧使用冷却水循环降温的方法防 止模板温度上升。 2006年，南京农业大学徐志刚领导的研究小组在国内首次成功研制出“ 用于植物光生物学研 究的柔性LED 光源系统” ，并于2008年对此申请专利， 该系统主要由LED 、即插式万能基板和 驱 动与
19、控制单元组成，主要特点是不同波 长的LED可以依据 实验要求作任意组合与排列，解决了 传统光源不能提供多光谱参数组合以及不能精确定量调制光谱参数的问题。D.推荐者情况及对作品的说明 说明：1由推荐者本人填写；2推荐者必须具有高 级专业技术职称，并是与申 报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）；3推荐者填写此部分，即视为同意推荐；4推荐者所在单位 签章仅被视为对推荐者身份的确认。 姓 名 杨景发 性别 男 年龄 43 职称 高级实验师 工作单位 河北大学物理科学与技术学院 通讯地址 河北省保定市五四东路180号 邮政编码 071002 推荐者 情况 单位电话 0312
20、5049681 住宅电话 13833220616 推荐者所在 单位签 章（签章） 年 月 日 请对申报者申报情 况的真实性作出阐 述 情况属实请对作品的意义、 技术水平、适用范 围及推广前景作出 您的评价 本产品设计理念新颖， 选取高亮度、大小功率的 红、兰、白色和 远红 光单色LED，通过对光色、光 质、数量、排列 进行优化组合搭配成基本模 块单元，其 发射光谱与作物的选择性吸收相匹配，用于植物栽培， 针对 性强，光效高。 LED组合光源在 设计中突破了传统的点、 线光源技 术缺陷，采用集 成的阵列式设计，根据需要可 进行拼接，具有平面化、可 设计性强的优 势，实现 均匀照射。 “设施农业专
21、 用LED 组合光源”是一种高效、 节能、可控性好的新型植 物人工补光光源。可以在光照培养箱、组培育苗、温室种植及植物工厂 等方面进行科学研究和推广应用，必将带来重大的社会效益和经济效益 。其它说 明 无 姓 名 杨少鹏 性别 男 年龄 45 职称 教授 工作单位 河北大学物理科学与技术 学院 通讯地址 河北省保定市五四东路180号 邮编 071002 推 荐 者 情 况 单位电话 0312-5977056 住宅电话 13931235926 推荐者所在 单位签章签章日期 年 月 日请对申报者申报 情况的真实性作 出阐述 情况属实请对作品的意义 、技术水平、适 用范围及推广前 景作出您的评价 “
22、设施农业专 用LED 组合光源” 是一种高效、 节能、可控性好的新型植物 人工补光光源。它是依据植物的光合作用、光形态建成、光周期 调节对光谱 的选择性吸收而设计的。 本产品选用光谱性能好的单色LED来搭配光源，既考虑了光质选择因素， 又考虑了植物对光强的需求，本光源具有发光强度高、功耗低、易于 调光调 色、小巧、绿色环保等优点，且LED 为冷光源，可以近距离地照射植物，可 用于多层栽培立体组合系统；LED组件的阵列式设计 ，便于自由 组合搭配。 这使LED 组合光源更加适合应用于植物补光，因而，相比于市场上其他植物人工补 光光源，竞争优势明显，具有 较高的实用价值和广阔的应用推广前景。其它说
23、明 无 学校组织协调机 构确认并盖章（团委代章） 年 月 日校主管领导或校 主管部门确认盖 章年 月 日各省（区、市）评 审委员会初评意 见评委签名： 年 月 日 各省（区、市）组 织协调委员会审 定意见团 委 科 协 教 育 厅 学 联 （签章） （签章） （签章） （签章）年 月 日E 省级组织委员会秘书处资格和形式审查意见 组委会秘书处资格审查意见审查人（签名） 年 月 日 组委会秘书处形式审查意见审查人（签名） 年 月 日 组委会秘书处审查结果 合格 不合格负责人（签名） 年 月 日F参赛作品打印处 设施农业专用LED 组合光源的研制 一 引 言 我国是农业大国， 发展实施高效农业是我
24、国进行农业产业结构调整的 关键，温室种植业作为农村增 产增收的重要手段，已经成为农村新的经济增 长点。 人工补光是设施农业的重要手段。目前，普遍使用的白 炽灯、日光灯、 高压钠灯等补光光源，其 发射光谱与植物选择性吸收光谱不匹配，用于植物 补光，针对 性差、光效低。 设施农业专用光源是我们导师课题组针对植物的光合作用、光形态 建成、光周期调节对光谱的选择性吸收而研发的，已获国家发明专利，已成 功用于组培育苗、棚室作物补光和花卉的种植中，且已形成工 业化生产。随着光电技术的进步， 发光二极管(LED) 被认为 是21世纪最有发展前景的新 型光源，由于其发光强度高、功耗低、可靠性高、易于 调光调色
25、、小巧、 绿色 环保等优点，已被广泛 应用于照明、显示等领域。将LED 用于植物补光的研 究，国内外也进行了积 极的探索： 国际上最早将LED 用于植物栽培的是日本三菱公司，早在1982年就有关于波长为650nm 的红色LED 光源用于温室番茄补光的试验报告；1994年，日本开始用LED 作 为照明光源，对植物栽培进 行了研究。此外，日本千叶大学也曾 进行了红光 、远红光LED对马铃薯生理过程影响的试验 研究；1991年，美国的Bulaetal 使 用高强度LED 于太空农业 之研究，首创LED 于农业之应用；Hoeneckeetal 于1 992年使用高强度红光LED 与蓝光灯管配合使用，成
26、功栽培 莴苣种苗；美国Wisconsin大学的研究小组采用LED 光源用于莴苣的栽培试验取得阶段性研究成果；以色列也进行过LED在组 培植物工厂的试验研究，并 发现红蓝光组合LED光照比其他光源更能促进 芽分化，更适合幼芽生长。 国内的一些研究部门也积极开展了有关LED 在植物工厂和组培室的试验：1993年12月，方炜、饶瑞吉在“ 超高亮度红蓝光 LED应用于蝴蝶 兰组培苗之研究” 中指出：红蓝光LED代替日光灯管应用于 蝴蝶兰组培苗作为人工光源应属可行；2004年，方炜在“使用调整光量及光 质与二者对组培苗生长之影响”中经实验得出：LEDSet可作为组培苗、种苗 、藻类栽培、生物反 应 器人
27、工光源。2003年，郭双生、艾 为党等在“ 受控生态 生保系统中植物生长光源的选择”中得出结论 ：植株正常生长可采用红色和 蓝色发光二极管的一定组合，以90% 红色+10% 蓝色发光二极管更为适宜； 与此同时， 诸葛强、关亚丽 等也在“组培新技 术及其在桉树快繁中的应用”中 得出结论：应用超亮发光二极管作为植物生长的光源，其性能 远优于常用的 光源如荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯；2006年，南京农业大学 的徐志刚副教授在国内首次成功研制出“用于植物光生物学研究的柔性LED 光源系统”，被命名为LED Plant，它能 够任意定量 调控光密度、光波长 、占空比和 频率，是光生物学研 究
28、的有效工具和理想实验设备。 鉴于目前LED 组合光源多数由小功率的LED组成，与植物生长所需光 照强度还有一定的差距，如何搭配光谱、提高光照均匀度、研 发更高效率的 人工光源，拓宽其应用领域一直是科研工作者研究的重点。 在此背景下，我们开展了“设施农业专用LED组合光源的研制”课题。首 先讨论了光合作用、光形态 建成、光 质、光 强 和光周期对作物生长的影响， 使LED组合光源的 发射光 谱与作物的选择性吸收光 谱相匹配；接着讨论了设施农业专用LED 组合光源 设计中的LED 选取、组件光源光谱搭配、LED驱 动电路等关键技术问题，最后对其应用前景进行了展望。 二 LED 组合光源的研制原理
29、“万物生长靠太阳” ，光是世界上一切生物赖以生存的重要因素。植物的 正常发育过程是通过光合作用、光形态建成反应、光周期调节来完成的，从 种子萌发、幼苗生长、叶片张开、叶 绿体的发育，一直到开花、 结果、衰老都 离不开光的参与和调节。本 节将从理论与实验两方面讨论植物对光质 与光量的吸收是有选择的。 2.1 LED组合光源研制的理论研究 2.1.1光合作用 绿色植物的生长，主要是通过光合作用来完成的。整个过程的净反应是 ： 2 2 2 2 ) ( O O CH O H CO h CH 2 O 是碳水化合物，它是形成各种有机物的原材料，植物生长快慢决定于光合速 率，只有在光合作用下，反应才能启动，
30、那么光能是如何介入的呢？这个中 间环节是通过叶绿素、类胡 萝卜素等光合色素系统来实现的。叶绿素的吸收 光谱与光合作用光谱如图1所示， 图1 叶绿素的吸收光谱与光合作用光谱 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0 20 40 60 80 100 675 650 445 435 叶绿素光合效 率光谱 叶绿素的吸收光谱相 对 光 谱 辐 射 强 度 波 长 （ 纳 米 ）由图可知：光合色素的吸收光谱主要集中在波长为610700nm的红橙 光及波长为400510nm 的 蓝紫光；叶绿素光合效率光谱的两个峰值在650n m和445nm。也就是 说 在植物光合作用中真正
31、起主要作用的是红光和蓝紫光 。 2.1.2 光形态建成反应 光形态建成反应是一些受光调节的生长、 发育和分化的过程。它与光谱 质量、照度、光照频率和持续时间以及光的对称性和非 对称性等因素有关。 所有的光形态建成反应，都受一种植物光敏色素的控制，使得光既能促进又 能抑制作物生长。光敏色素是一种光致变色分子，在照光以后它的吸收特性 发生变化，但再放回暗处时 ，又会缓慢地恢复到原来的构型。例如：有一种 光敏色素其结构有两种形式，即 和 ，它 们可以通过不同波段光照而相 fr P r P 互转化，反 应式为： 其中：P fr 为色素吸收长波红光的构型，是生理活化型，它可激 发作物的 生长 P r为色
32、素吸收短波红光的构型，是生理抑制型，对作物的生长有抑止作用。 实验证实：短波红光（660nm）照射光敏色素可使Pr型转化成为Pfr型；长 波红光（730nm）照射光敏色素可使Pfr型转化成为Pr型。 2.1.3 光质与植物生长 短波红光660nm 长波红光730nm P r P fr光质又称光的组成，是指具有不同波长的太阳光谱成分，其中波 长为38 0760nm之间的光是太阳 辐射光谱中具有生理活性的波段，称 为光合有效 辐射。而在此范围内的光对 植物生长发育的作用也不尽相同，不同的光 谱范 围对植物生理的影响如下： 1000 nm 能被 组织中的水吸收， 转换成为热量 1000nm720nm
33、 植物稍有吸收，促 进种子萌发,刺激植物延伸 720nm610nm 被叶绿素强烈吸收 ， 对植物的光合作用和光周期有强烈的影响 610nm510nm 叶绿素吸收稍有下降，对植物的光合作用和形态建成的影响稍有下降 510nm 400nm 被叶绿素和胡萝卜素强烈吸收，能 强烈影响光合作用,并抑制 植物的生长,使之形成矮粗形体 400nm315nm 被叶绿素与原生质吸收， 对光合作用稍有影响,对植物没有特殊效应 315nm 280nm 被原生质吸收， 强 烈影响植物形态建成,影响生理 过程,刺激某 些生物合成 280 nm 被原生质吸收，大的剂量能使植物致死 不同的光在植物生长的不同时期有着不同的作
34、用。在种子萌发期间，白 光、蓝光及黑暗情况下，植物种子能够很好地发 芽。适量的红光也能够促进 种子的萌发。茎的生 长也受到光的影响，红光促 进茎的伸长，而蓝光抑制茎 的伸长。此外，不同光 质对叶绿素的合成也有不同的影响，其中 红光更有利 于叶绿素的合成。 综上所述：不同波段的光对于植物的影响是不同的。通 过光谱搭配就可 以实现对植物生长的人工调控。 2.1.4 光强与植物生长光强对植物的光和效率有很大的影响， 较高的光照有利于植物的生长 和营养物质的累积，适量地提高光强有利于果实的成熟，提高植物的 产量和 品质。同时 叶绿素必须在一定光强条件下才能形成，许多其他器官的形成也 有赖于一定的光强，
35、在黑暗条件下，植物会出现“ 黄化现象”。在植物完成光 周期诱导和花芽开始分化的基础上，光照时间越长，强度越大，形成的有机 物越多，有利于花的发育。 不同植物对光强的反应是不一样的，根据植物对光强适应的生态类型 可分为阳性植物、阴性植物和中性植物。阳性植物对光要求比较迫切，其光 饱和点、光 补偿点都较高；阴性植物对光的需求远较阳性植物低，光饱和点 和光补偿点都较低；中性植物对光照具有较广的适应能力，对光的需要介于 上述两者之间。 综上所述，在LED 组合光源的设计中， 应根据不同植物确定合适的光照 强度。 2.1.5 光周期与植物生长 所谓光周期是指一天中，日出至日落的理论日照时数，而不是实际有
36、阳 光的时数。植物的光周期现 象是指植物的花芽分化、开花、结实、分枝习性、 某些地下器官的形成受光周期的影响而言。不同的植物需要的光照时间不 同，例如根据对光周期的反 应蔬菜可分为3类: 长光性蔬菜，在较长的光照条件下( 一般在12 4h以上)能促进开花而在 较短日照下不开花或延迟开花；短光性蔬菜，是指在较短光照条件下(12 4 h小时以下) 能促进开花结实，而在较长光照下不开花或延 迟开花；中光性蔬 菜，是指在较长或较短的光照下都能开花，它们适应的光照长短范围很大。 可以看出，长时间的光照并不一定对所有的植物生长有利。给光的时间 应该控制在13个小时左右，在 给光的时间里，应对植物进行间歇给
37、光，这样对绝大多数的植物都能在其中生长。因此在LED组合光源中，也要合理的控 制补光时间。 2.2 LED组 合光源研制的 试验研究 2.2.1 确定LED 组合光源光 质实验 为验证“ 在植物的整个生 长过程中， 红光和蓝 光起着重要的作用” ，江苏 大学的刘建曾在组培箱微环境中光及CO调控的研究中对光质与植物生长的 关系进行了相关实验，具体结果见表1： 表1 LED 光源及日光灯处理对诸葛菜、油菜 组培苗生长的影响 诸葛菜 油菜 处理方 法 鲜重增量 百分数(%) 碳酸酐酶 活性 叶绿素含 量 鲜重增量 百分数(%) 碳酸酐酶 活性 叶绿素含 量 白光LE D 342.2b* 156.45
38、a 27.7b 272.2b 130.44b 26.8b 红光LE D 383.5b 145.98a 25.2b 357.6c 86.01a 25.4b 蓝光LE D 594.7c 227.46b 30.5c 489.9d 182.40a 32.8c 日光灯 166.5a 155.40a 21.2a 132.8a 91.26a 20.7a 数据后字母相同者为差异不显著，P1% 由表可知：经LED 光源 处理的组培苗鲜重增量明 显高于进行对照的日 光灯处理的组培苗。 这说明LED光源处理后的 组培苗比普通日光灯处理的 具有更好的光合自养能力，同时也说明蓝光处理的组培苗光合自养能力最 好。 台湾大
39、学的方炜教授也在光质与植物生长的关系作了些研究，即超高 亮度红、蓝 光LED 应用于蝴蝶兰组培苗栽培之研究，具体 实验数据见表2： 表2 超高亮度LED 对蝴蝶兰组培苗的影响干重(g) 叶片数 叶长(cm) 叶宽(cm) LED 组合光源 1.300.60 3.350.61 4.450.55 1.970.30 日光灯 1.280.46 3.560.70 3.670.40 1.890.24 由以上实验可知：不同波长的辐射对于植物的影响不同。蓝光及红光相 结合补光效率最高,促进光形态形成效果最好, 一般(R/B)以5:1 至10:1为好。那么我们可以确定 设施农业专用LED组合光源 的主光谱辐射区
40、为450nm 左右的 蓝光及630nm左右的红光相结合。 2.2.2 确定LED 组合光源的 强度实验 光照强度对植物的生长发育有着重要的影响，考虑到引入大功率LED 旨在提高组合光源的光照强度，我们采用其他人工光源模拟大功率LED的 效用，其原理与LED 光源基本相同。浙江大学的 张云英曾以高卤钠灯为光源 ，对“ 不同光照强度对结球莴苣幼苗生长、光合特性及 营养成分含量的影响” 进行了探究；低亮度光源照射下莴苣苗的营养含量明显低于高亮度光源照 射下的莴苣幼苗。具体实验结果如下： 表3 不同光强对结球莴苣叶片鲜、干重的影响 地上部鲜重 （g/plant） 根系鲜重 （g/plant） 总鲜重
41、（g/plant ） 地上部干重 （g/plant ） 根系干重 （g/plant ） 总干重 （g/plant ） 自然光 照 102.33.48 11.610.96 105.911.80 4.030.41 0.580.056 4.610.32 补光处 理 112.44.55 13.660.69 126.063.12 5.020.21 0.970.062 5.990.23 实验分析可知：较高的光照下更利于结球莴苣的生长和干物质的累积， 这说明适量地提高光强有利于果实的成熟， 对植物产量的形成和品质的提 高也有良好作用。因此，对于绝大多数植物来说 ，其光照强度应保持在1300 molm -2
42、s -1 1500molm -2 s -1 。 2.2.3 LED组 合光源的可行性 实验研究 中国农科院的刘水丽在“人工光源在闭锁式植物工厂中的应用研究” 中以温室自然光条件为对照，与闭锁式植物工厂内LED光源、 荧光光源条件下 进行试验对比，具体 试验结 果如下： 表4 闭锁式植物工厂内人工光源与温室自然光条件下黄瓜苗生理指标对比 注：LED光源采用红（660nm）、 蓝（450nm ）混合，红蓝光PPFD比例为9：1，光照距离 为10cm ； LF表示荧光灯，15、20、30(单 位：cm) 表示光照距离 通过对实验结果的分析，初步得到结论：LED光源条件下黄瓜苗的生长 状况是最佳的，且
43、LED处理的植株生长速率高于其他处理。复旦大学的曲溪 、叶方铭等人也曾对LED灯在植物补光领域的效用进行了探究，他 们采用番 茄苗作为实验材料，具体 结果如下： 表5 植物平均干重、叶 绿素含量对比 组别 植物干重 (g) 叶绿素a的浓 度Ca(mg/L) 叶绿素b的 浓度Cb(mg/ L) 总叶绿素的 浓度(mg/L) 叶绿素的浓度/ 样品鲜重(mg/L ) LED1 25.03 11.67615 3.800842 15.47699 462.9255 LED2 30.87 12.17756 3.619569 15.79713 421.6278 自然光1 20.7 9.746774 3.643
44、272 13.39005 417.3564 自然光2 25.7 10.26245 3.215394 13.47785 410.497 处理 光合速率 (molCO 2 m -2 s - 1 ) 气孔导度 (molH 2 O m -2 s - 1 ) 胞间CO2 浓度 (molCO 2 m -1 ) 蒸腾速率 (molH 2 Om -2 s - 1 ) PPFD (molm -2 s -1 ) LED 5.02b 0.143a 898.9a 3.73a 220.0 LF15 2.81c 0.037c 815.6b 1.22c 150.0 LF20 2.49c 0.062c 886.1a 1.97
45、b 110.0 LF30 1.38c 0.074b 921.1a 2.26b 80.0 温室 7.38a 0.120a 283.7c 3.21a 500.0实验结果显示植物补光照明对植物生长有促进植株干重增长15%20 % 的效果,其中LED 补光的番茄叶绿素含量较高,自然光次之。 综上所述，在植物组培、植物工厂等方面，LED组合光源的应用是可行 的，且优于 荧光光源和自然光光源；只要对LED 组 合光源的光质比（R/B）、光 照强度以及光照时间进行合理的调节就可以达到促 进植物生长的目的。 三 设施农业专用LED 组合光源的设计 设施农业专用LED 组合光源主要包括LED 组合灯具、LED驱
46、动器和电 路控制系统三大部分。灯具采用模块化概念设计,可达到快速安装、更换和 拓展之目的；LED 驱动 器实现对光质、光强的 调节；电路控制系统实现了植 物照明时间的控制。 3.1 LED组 合灯具设计 3.1.1 LED 的选择 LED组合灯具是由 单只LED 组合而成，我 们首先对各种类型的LED的 光色电性能参数进行了对比测试，特 别关注LED的亮度、光 强的空间分布、 半宽度参数， 为组合光具的设计中LED 的选 取提供了理论指导。 选取原则是 ：大小功率兼顾，超高亮度，半值角为520，光谱宽度小于30 nm。在本课题 中，小功率LED 选择的是最小/ 一般亮度为20000/ 25000 mcd、 视角为13、5 mm 、波长639 nm的超高亮度红光LED,最小/ 一般亮度为4000/ 6000 mcd 、视角为13、5 mm、波长462 nm的超高亮度蓝光LED,其中光谱宽度小于30 nm，和最小/ 一般亮度为20000/ 24000 mcd、视角为13、5
