植物組織培養(yǎng)技術(shù)已有近百年歷史，通過組織培養(yǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)重要經(jīng)濟(jì)植物工廠化生產(chǎn)的研究方興未艾。光作為植物生長發(fā)育過程中的重要環(huán)境因子，也是植物生長的主要能量來源之一。組培室采用人工光源直接給植物補(bǔ)光是促進(jìn)植物生長的有效途徑，而高效節(jié)能地對(duì)植物補(bǔ)光的理論依據(jù)主要是植物對(duì)光的選擇性吸收。近年來，人們一直在努力模擬植物的吸收光譜，以求研制出某種光源，使其發(fā)射光譜最大限度地接近植物的吸收光譜以產(chǎn)生共振吸收，促使光合作用高效進(jìn)行。

　　有關(guān)植物組織培養(yǎng)人工光源改進(jìn)工作主要集中在研發(fā)較低散熱與較高效率的人工光源以降低成本，并且符合植物生長所需。目前，植物組培所采用的人工光源主要是白熾燈、日光燈、鈉燈、高壓汞燈等，但這些人工光源的發(fā)射光譜不能很好地滿足植物生長對(duì)光的選擇性需求，補(bǔ)光效率低，燈管的壽命與發(fā)光效率均不夠理想，燈管發(fā)熱需大量耗電，以致整體耗電成本頗高，能耗費(fèi)用占全部運(yùn)行成本的50%～60%。與傳統(tǒng)人工光源相比，LED具有可調(diào)整光強(qiáng)及光譜、冷卻負(fù)荷低、電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、壽命長、使用直流電及可設(shè)定特定波長、波長固定等特點(diǎn)，且環(huán)保性能佳，對(duì)于植物組培是一種非常適合的人工光源。

　　使用紅光與藍(lán)光高亮度LED建立可調(diào)整光量、光譜、給光頻率與工作比的人工光源，需要提供連續(xù)無閃爍的光或高頻閃爍的光。國外和國內(nèi)利用LED光源的初步研究已證實(shí)利用LED光源作為溫室人工光源能夠有效提高植物的生長量和品質(zhì)。本文以LED為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了植物組培光源系統(tǒng)，并且以珍稀藥用植物鐵皮石斛為試驗(yàn)材料，對(duì)基于LED的植物組培系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了令人滿意的結(jié)果。

　　光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1、LED光源系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　隨著LED的技術(shù)進(jìn)步，其在各種領(lǐng)域的研究逐漸開展起來。發(fā)達(dá)國家在這方面的研究工作起步較早，美國、日本、荷蘭、俄羅斯等發(fā)達(dá)國家走在了該領(lǐng)域的前列。美國Bula于1991年首先使用高亮度LED在太空農(nóng)業(yè)的應(yīng)用研究，開創(chuàng)了LED等在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用[4]；1993年日本Nichia公司發(fā)明了藍(lán)光LED后，Okamoto于1996年使用高亮度紅光LED與藍(lán)光LED，在藍(lán)、紅光量子數(shù)的比例（B/R）為1：2時(shí)可培育正常的萵苣[5]。從以上研究結(jié)果看，與傳統(tǒng)光源相比[9，10]，無論從發(fā)光效率，還是光的利用率以及光的可調(diào)控性來說，LED燈在溫室人造光源的應(yīng)用中顯示出無可比擬的優(yōu)勢(shì)。LED光源系統(tǒng)的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

　　（1）發(fā)光效率高日光燈為低壓水銀熒光燈，它是典型的熱陰極弧光放電型低壓汞燈。日光燈的發(fā)光效率理論值是20.15%，是白熾燈的2倍多。高壓鈉燈是利用高壓鈉蒸氣放電，放電時(shí)大部分輻射能量集中在共振線上，即589.0nm和589.6nm。選擇適當(dāng)?shù)姆烹姉l件可以獲得很高的共振輻射效率。從高壓鈉燈的相對(duì)光譜能量分布可知，其發(fā)射光譜峰值集中在黃光區(qū)，藍(lán)紫光很少，有較多的紅光。LED目前的發(fā)光效率可達(dá)50%左右。

　?。?）光被植物的利用率高一般白熾燈所發(fā)出的光幅射中，可見光不到10%，而90%以上是紅外線。所以，用此光源對(duì)溫室大棚作物進(jìn)行補(bǔ)光，效率低，能源浪費(fèi)大。從植物照明角度來看，黃光與紅光搭配不合理，也不是理想的人工光源。高壓汞燈在紫外、可見光和紅外區(qū)域都有輻射，可見光中黃綠光成分占相當(dāng)大的比例。但這部分光對(duì)植物照明來講效果不大，所以它也不是理想的人工光源。根據(jù)研究，不同綠色植物對(duì)光的吸收譜基本相同，在可見區(qū)主要集中在400～460nm的藍(lán)紫區(qū)和600～700nm的紅橙區(qū)，采用紅光與藍(lán)光組合的LED光源，可實(shí)現(xiàn)植物的最大光利用率。

　?。?）光的可調(diào)控性好采用白熾燈、日光燈、鈉燈、高壓汞燈等對(duì)生物生長性進(jìn)行研究，無法準(zhǔn)備定量控制，也無法按需任意設(shè)定定量參數(shù)的組合。而采用不同波長的LED，通過組態(tài)可調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制電路，可以根據(jù)不同植物特征選擇不同的光譜和光色組合，獲得植物所需的光源，并且能耗和成本比傳統(tǒng)電光源低。

　　（4）燈具耐頻繁啟動(dòng)日光燈壽命一般不少于3000小時(shí)，其條件是每啟動(dòng)一次連續(xù)點(diǎn)燃3小時(shí)。若啟動(dòng)一次只點(diǎn)燃1小時(shí)，燈管的壽命縮短到70%以下，因此，使用日光燈時(shí)要盡量避免不合理的頻繁啟動(dòng)。LED產(chǎn)品穩(wěn)定性極高，不易損壞，減少購買新產(chǎn)品費(fèi)用，連續(xù)進(jìn)行幾百萬次的開關(guān)操作都不會(huì)損壞光源；而節(jié)能燈在5000次的開關(guān)操作就會(huì)損壞。

　　從以上的比較可以看出，LED燈在植物培養(yǎng)的人造光源的應(yīng)用中顯了示很好的性能特點(diǎn)。

　　2、光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　對(duì)于植物組培中的人工光源系統(tǒng)的研究正是該領(lǐng)域當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，開展本研究，對(duì)于降低設(shè)施工廠的照明能耗，提升植物的生長速度和質(zhì)量具有十分重要的意義。但是目前對(duì)于LED用在植物生長上的研究還是集中于單燈的概念，沒有以系統(tǒng)的思路來開發(fā)LED光源產(chǎn)品，不能滿足不同植物的光需求特性，也不能滿足植物不同階段的光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期的要求。鑒于此，本文研究團(tuán)隊(duì)在2008年底首次提出“智能化LED植物生長光照系統(tǒng)”的概念，并開發(fā)了組態(tài)化植物生長LED光源控制系統(tǒng)，可滿足不同植物及其各生長階段的光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期的光照需求。

　　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。以植物組織培養(yǎng)室的組培架為一控制系統(tǒng)單元，每單元由1個(gè)主控模塊與多個(gè)控制終端構(gòu)成，多層配置1個(gè)控制終端，主控模塊與控制終端采用RS485通訊。通過主控模塊，可分別對(duì)每控制終端進(jìn)行紅光與藍(lán)光光強(qiáng)、光譜與光周期參數(shù)設(shè)置，并將這些參數(shù)存儲(chǔ)到各終端中。終端在日常工作時(shí)，通過掃描這些參數(shù)要求，構(gòu)成自己的控制模式，進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)輸出。

圖1 系統(tǒng)框架圖

　　主控模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主控模塊采用微處理器MEGA8L為MCU，并采用鍵盤與點(diǎn)陣式液晶作為人機(jī)交互界面，主控模塊還具有兩路串行接口，一路是RS485接口與各終端進(jìn)行通訊，另一路是作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出接口。在后期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，還可以通過該接口將終端實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上。

圖2 主控模塊框架圖

　　控制終端框圖如圖3所示?？刂平K端采用微處理器MEGA8L為MCU，通過RS485接口與主控模塊進(jìn)行通訊，每一終端都有唯一的組ID號(hào)。終端輸出兩路PWM波形，分別對(duì)應(yīng)紅光驅(qū)動(dòng)與藍(lán)光驅(qū)動(dòng)，PWM的占空比根據(jù)設(shè)定的光強(qiáng)參數(shù)可進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于微處理器的I/O端口的驅(qū)動(dòng)電流不夠，故需在每路PWM輸出電路后級(jí)增加大功率驅(qū)動(dòng)電路。終端還具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），可記錄當(dāng)前實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并將實(shí)驗(yàn)起始時(shí)間與終止時(shí)間記錄到片內(nèi)E2PROM中，該實(shí)驗(yàn)記錄在需要的情況下，可通過RS485傳回到主控模塊，并通過主控模塊的RS232擴(kuò)展接口輸出到后續(xù)處理PC機(jī)中。

圖3 控制終端框架圖

　　LED性能穩(wěn)定，光色分布可選擇，耗電量小等優(yōu)勢(shì)明顯。但在實(shí)際應(yīng)用中，單顆LED直接使用是不能滿足植物生長需求的，即使是使用更大功率的LED也達(dá)不到。傳統(tǒng)光源的反光罩配光方式一是不適合LED光源的發(fā)光方式，二是反光罩做成的燈具的效率只能達(dá)到70%，光損失太大。為了達(dá)到植物生長要求的光合作用，我們將選用以反光罩和透鏡兩種方式，或兩者結(jié)合使用的方式來完成。并且對(duì)光波進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，反復(fù)配比論證，以此達(dá)到項(xiàng)目要求。

　　為解決以上問題，設(shè)計(jì)出與LED封裝相結(jié)合的反光罩和透鏡，減少二次光學(xué)處理過程中的光損失，同時(shí)控制出射角度，一次光學(xué)設(shè)計(jì)以完成透光效率的提高和對(duì)整燈配光作用的提高。選用更高折射率的光學(xué)材料，采用透鏡鍍膜技術(shù)，可以使光的損失降低到4%以下，這也是本項(xiàng)目采用LED光源結(jié)合配光模塊作為光源的原因。采用集成的LED光源，可以使整燈的使用壽命加大，能源消耗減少，植物生長加快，具有多重意義。

　　光源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

　　以鐵皮石斛為試驗(yàn)材料，以此LED的植物組培光源系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究了不同光質(zhì)對(duì)鐵皮石斛生長特征的影響（如圖4和表1）。全部試驗(yàn)均在植物組織培養(yǎng)室中進(jìn)行，環(huán)境溫度設(shè)為25±2℃。LED光源系統(tǒng)的光譜分紅光、藍(lán)光及其組合Ⅰ（紅：藍(lán)=8：2）、組合Ⅱ（紅：藍(lán)=8：3）共4個(gè)水平，光強(qiáng)為45±5μmol·m-2·s-1，光照時(shí)間為每天14小時(shí)；以普通日光燈作對(duì)照，光強(qiáng)為45μmol·m-2·s-1。實(shí)驗(yàn)用苗基本一致，初始苗高1.2cm左右，每種光譜處理30株，培養(yǎng)時(shí)間為2009年9月6日至11月15日，測(cè)定指標(biāo)主要包括苗高、莖粗、葉數(shù)、平均葉長、平均葉寬、根數(shù)、平均根長、干物質(zhì)含量等。研究結(jié)果表明，紅光、紅藍(lán)混光Ⅰ和Ⅱ條件下鐵皮石組培苗株高較高，其苗高數(shù)值分別是日光燈條件下的2.59、2.55和1.71倍；藍(lán)光條件下鐵皮石斛組培苗莖粗表現(xiàn)最大，為0.53cm；從葉片性狀看，紅光、紅藍(lán)混光Ⅰ條件下鐵皮石斛組培苗葉片數(shù)差異不大且明顯多于其它光譜條件，而不同光譜條件下葉長、葉寬數(shù)值差異未達(dá)顯著水平；不同光譜條件下根數(shù)也未達(dá)顯著差異，但紅藍(lán)混光Ⅱ條件下的根長數(shù)值最大，明顯大于紅藍(lán)混光Ⅰ、藍(lán)光和日光燈條件的相應(yīng)數(shù)值。

　　另外，對(duì)于干物質(zhì)含量，紅光條件下鐵皮石斛組培苗表現(xiàn)最小，僅63.36g/kg，其他4種光譜條件下的數(shù)值差異未達(dá)顯著水平?？傮w來說，相比日光燈，4種LED光譜條件下鐵皮石斛組培苗均在某些性狀上表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠明顯促進(jìn)鐵皮石斛的生長和根系的發(fā)育，縮短鐵皮石斛的生長周期。因此，LED植物組培光源系統(tǒng)能夠作為植物組培苗培育的理想光源。

圖4 不同光譜條件下生長的鐵皮石斛組培苗

表1 光譜對(duì)鐵皮石斛組培苗生長的影響

　　結(jié)語

　　本文提出了面向植物生長的組態(tài)化LED光源系統(tǒng)，可滿足鐵皮石斛、大花蕙蘭等重要蘭科植物的不同生長時(shí)期（包括原球莖誘導(dǎo)、增殖、生長生根以及成花等不同階段）的光強(qiáng)與光周期需求，光強(qiáng)與光周期參數(shù)存入到E2PROM中，系統(tǒng)可自行判別植物生長時(shí)間，讀取E2PROM中的參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光。從而提高生長效率，降低植物生長光照能耗和生長成本。