CN101133707A - 利用led光源调节植物生长的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
利用LED光源调节植物生长的方法及其装置，属于植物生长调节和电子技术领域。其特征在于选择利用不同LED光源的混光对植物进行照射，以促进植物生长，LED光源的选择和不同LED光源的混光组合方法包括：根据植物叶绿素吸收光谱确定利用红色、蓝色和紫色LED为照射光源，根据植物叶绿素对三种光的吸收能量比值，确定混光象素单元和工作电流，象素单元组合排布构成不同LED光源的混光组合，由不同LED的混合光对植物进行照射。相应的配套装置由组合排布的象素单元通过电路连接和整体封装构成，包括恒压电源装置、基准电压装置、恒流源装置。本发明的应用能以低成本、小能耗提供稳定的植物最佳生长光照环境，促进光合作用。
Description
技术领域
本发明属于植物生长调节和电子技术领域，具体涉及一种利用LED光源调节植物生长的方法及其装置。
背景技术
光是地球上一切生命的能量来源，是世上一切生物赖以生存的最重要因素之一，生命的起源和进化离不开光，生物的结构与功能也要受到光的强烈影响。绿色植物的生长需要阳光，这主要是因为它们需要进行光合作用，来提供自身生长所需要的养料等。植物生理研究结果表明，农作物干物质重的90％来源于光合作用，反映出光对农作物产量的影响至关重要。太阳光的光谱连续，包含了极大的谱宽，而绿色植物的叶绿素只是需要吸收其中的一小部分，且不同的光照强度和不同波长的光辐射对植物生长和成分的影响亦不相同。根据植物学家们测得的植物叶绿素的吸收光谱图，叶绿素对太阳光的吸收主要集中在可见光的660nm左右的红光、460nm左右的蓝光和400nm左右的紫光附近，红光照射量的增加会抑制植物侧根的产生而提高作物的含糖量，增加蓝光会抑制叶柄的伸长而增加作物的蛋白质的含量，绿光具有低光合作用和弱形成作用的特点等。农作物的生长不仅受温度、湿度等环境因素的影响，还要受到太阳辐射的影响。为了促进植物的光合作用，人工模拟植物最佳生长光照环境对植物进行补光照射，提供植物叶绿素所要吸收谱段的光照，改善农作物的光照条件，使植物可以在晚间或阴天也能进行很好的光合作用，使之处于最佳生长状态，缩短成熟，对发展高科技农业具有重要意义。
目前用于促进植物生长的方法，一般都是采用高光通钠灯作为光源对植物进行补光照射，上述方法和装置虽能满足植物光合作用需光量的要求，但其价格昂贵，耗能大且光效一般、使用寿命短，成本高，并且由于钠灯光源为热光源，容易造成火灾和短路，不利于普及推广。
发光二极管(LED)由半导体制成，属于固体元件，工作状态稳定、可靠性高，其连续通电时间可达100000小时以上，LED与电灯泡等其他的热电变换式发光件相比，寿命要高几个数量级。由于LED属于二极管的一种，驱动一个元件的电压仅为几伏，电流为数十毫安。LED元件与一般半导体元件一样，也被称为芯片(Chip)，其尺寸通常为数百微米见方，体积小。由于其高亮度、长寿命、响应快、低功耗、低驱动电压、抗干扰等独特的优点，正大量地被用到大屏幕显示、交通显示灯、汽车照明、手机背光源等各种显示和特种照明场合，并发展到普通照明领域。LED的发光颜色，与白炽灯等不同，近于单色光，换句话说，其发光的光谱是很窄的。通过半导体材料的选择，LED发光二极管可以发射红外、红、橙、黄、绿、蓝等各种颜色。
发明内容
基于现有技术中存在的上述问题，本发明根据叶绿素的吸收光谱和发光二极管的选择，提供一种利用LED光源调节植物生长的方法及其装置的技术方案，该方法能提高植物的光合作用，夜间、室内或阴天都可对植物进行补光照射。
所述的利用LED光源调节植物生长的方法，其特征在于选择利用不同LED光源的混光对植物进行照射，以促进植物生长，LED光源的选择和不同LED光源的混光组合按下列方法：
1)根据植物叶绿素吸收光谱，选择确定对植物生长具有促进作用的光谱波长为660±30nm、460±20nm、400±20nm三个波段，从而确定利用红色LED、蓝色LED和紫色LED为照射光源；
2)根据植物叶绿素对三种光的吸收能量比值，确定由2个红色LED、1个蓝色LED、1个紫色LED组成一个混光象素单元，蓝色LED和紫色LED设置在象素单元的一条对角线的两个顶点上，2个红色LED设置在象素单元的另一条对角线的两个顶点，并确定红色、蓝色和紫色LED的工作电流；
3)将步骤2)的象素单元组合排布，构成不同LED光源的混光组合，由不同LED的混合光对植物进行照射。
所述的利用LED光源调节植物生长的方法，其特征在于由2个红色LED、2个蓝色LED组成一个混光象素单元。
所述的如权利要求1所述方法的配套装置，其特征在于由组合排布的象素单元通过电路连接和整体封装构成，包括恒压电源装置、基准电压装置、恒流源装置，所述的恒压电源装置中变压器T1输出端与整流桥D1连接，整流桥D1直流输出端经电容C1滤波与可调线性稳压芯片U1的输入端连接，可调线性稳压芯片U1的输出端与稳压芯片U3的2脚连接，稳压芯片U3的6脚与恒流源装置的输入端连接。所述的基准电压装置中变压器T2输出端与整流桥D2连接，整流桥D2直流输出端经电容C3滤波与可调线性稳压芯片U2的输入端连接，可调线性稳压芯片U2的输出端与恒流源装置中的恒流芯片U4的1脚连接，所述的恒流源装置由一组恒流芯片U4并接构成，恒流芯片U4的输入端连接电阻R12和可调电阻R13，根据红色、蓝色和紫色LED的工作电流连接在相应恒流芯片U4的输出管脚上。
所述的配套装置，其特征在于所述的可调线性稳压芯片U1、可调线性稳压芯片U2采用LM317芯片，稳压芯片U3采用MAX6175芯片，恒流芯片U4采用MAX1916芯片。
所述的配套装置，其特征在于所述的可调线性稳压芯片U1、可调线性稳压芯片U2输出端分别连接滤波电容C2、C4。
所述的配套装置，其特征在于所述的稳压芯片U3输入端连接滤波电容C5。
上述利用LED光源调节植物生长的方法，设计新颖、构思独特，利用LED作为照射光源，根据植物叶绿素吸收光谱与光通量，模拟植物最佳生长光照环境，改善农作物的光照条件，促进植物光合作用，使植物不受时间、季节及自然气候条件限制始终处于最佳生长状态。所述的配套装置通过自身的发光体源源不断地为植物提供红、蓝、紫三色混光，与植物光合作用吸收光谱相吻合，光照亮度合适，满足植物光合作用的需要，为栽培人员带来了极大的方便，且制造成本低、能耗小、工作状态稳定、可靠性高、使用寿命长，有利于市场普及、推广应用。
附图说明
图1植物叶绿素吸收光谱图；
图2为本发明所述混光象素单元组合结构示意图；
图3为本发明装置电路原理结构示意图；
图4为本发明装置的光谱曲线图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步说明：
图1所示为植物学家们测得的植物叶绿素吸收光谱图，横轴为波长，纵轴为吸光度，由图可知，叶绿素对太阳光的吸收主要集中在可见光的660nm左右的红光，460nm左右的蓝光和400nm左右的紫光附近，且估算出植物叶绿素吸收光谱红色(660nm左右)、蓝色(460nm左右)、紫色(400nm左右)的峰值能量的比值为60∶39∶18。
利用LED光源调节植物生长的方法，即人工模拟植物最佳生长光照环境，选择利用不同LED光源的混光对植物进行照射，改善农作物的光照条件，以促进植物生长，LED光源的选择和不同LED光源的混光组合按下列方法：
1)根据植物叶绿素吸收光谱，选择确定对植物生长具有促进作用的光谱波长为660±30nm、460±20nm、400±20nm三个波段，从而确定利用红色LED、蓝色LED和紫色LED为照射光源；
2)根据植物叶绿素对三种光的吸收能量比值，确定由2个红色LED、1个蓝色LED、1个紫色LED组成一个混光象素单元，如图2所示，蓝色LED和紫色LED设置在象素单元的一条对角线的两个顶点上，2个红色LED设置在象素单元的另一条对角线的两个顶点，并确定红色LED工作电流为20mA，蓝色和紫色LED的工作电流为12mA，使红色(660±30nm)、蓝色(460±20nm)与紫色(400±20nm)LED的峰值能量的比值为60∶39∶18，符合植物叶绿素对三种光的吸收能量比值，混光象素单元也可以由2个红色LED、2个蓝色LED构成；
3)将步骤2)的象素单元组合排布，构成不同LED光源的混光组合，由不同LED的混合光对植物进行照射。
上述利用LED光源调节植物生长的方法的配套装置，由组合排布的象素单元通过电路连接和整体封装构成，包括恒压电源装置1、基准电压装置2、恒流源装置3。如图3所示，恒压电源装置1中输入的220V交流电通过变压器T1后得到对人体安全的交流电压，如36V交流电，变压器T1输出端与整流桥D1连接，整流桥D1直流输出端经电容C1滤波与可调线性稳压芯片U1的输入端连接，可调线性稳压芯片U1采用LM317芯片，通过改变R1和R2的比值关系在输出端得到稳定输出电压36V，其输出端与稳压芯片U3的2脚连接，为稳压芯片U3提供36V工作电压，在可调线性稳压芯片U1输出端并联滤波电容C2、稳压芯片U3输入端并联滤波电容C5能更加提高稳压芯片U3输入电压的稳定性，稳压芯片U3采用MAX6175芯片，其6脚与恒流源装置3的输入端连接，为后续恒流源装置3提供基准电压5V。基准电压装置2中输入的220V交流电通过变压器T2后得到9V交流电，变压器T2输出端与整流桥D2连接，整流桥D2直流输出端经电容C3滤波与可调线性稳压芯片U2的输入端连接，可调线性稳压芯片U2采用LM317芯片，通过改变R3和R4的比值关系在输出端得到5V稳定输出电压，其输出端与恒流源装置3中的恒流芯片U4的1脚连接，为恒流芯片U4提供5V工作电压，在可调线性稳压芯片U2输出端并联滤波电容C4能更加提高其输出电压的稳定性。恒流源装置3由一组恒流芯片U4并接构成，恒流芯片U4采用MAX1916芯片，其输入端连接电阻R12和可调电阻R13，按照输出电流的控制要求调节可调电阻R13进行分压以调整恒流芯片U4的电压Vset，使恒流芯片U4按照输出电流的控制要求调节适合红色、蓝色和紫色LED工作的电流。红色、蓝色和紫色LED根据设定的工作电流连接在相应恒流芯片U4的输出管脚上，红色LED工作电流为20mA，蓝色和紫色LED的工作电流为12mA。本发明装置的光谱曲线图如图4所示。
上述的利用LED光源调节植物生长的方法及其装置可广泛应用于农作物大棚包括果类、瓜类、叶菜类、花卉、果树、组培、育苗等，起到加速作物生长的目的，促进作物早熟，平均成熟期可提前10～15天，产量提高20～30％，果实含糖量平均提高10％以上，也可作为室内装饰栽培花木的补充光源，有利于花木的健康生长，同时还兼有室内装饰灯的作用。与市场上采用的高光通钠植物生长灯相比，虽发光光谱都与植物光合作用吸收光谱相吻合，光照亮度合适，满足植物光合作用的需要，但本发明所述装置明显具有制造成本低、能耗小、工作状态稳定、可靠性高、使用寿命长等优点。
以下为采用本发明所述装置与高光通钠灯分别对水稻、拟南芥进行对比照射试验的记录：
试验一：水稻照射试验
1、实验材料
水稻品种：粳稻941(Japonica)，通过盆钵栽培，盆钵直径27cm，需要A、B两盆。每盆装土约15kg，供试土壤为青紫泥，据土壤基础肥力测定，有机质含量47.3g/kg，全氮2.3g/kg，碱解氮162.4g/kg，速效磷16.61g/kg，速效钾135.5g/kg，pH6.45。
2、实验步骤
将秧龄28天的水稻苗均苗移栽入盆钵中，置于温度为26-28℃，空气相对湿度为70％左右的培养室中，分别采用本发明装置、高光通钠灯进行14h光照/8h黑暗交替光照培养。根据水稻生长特点进行水肥管理和病虫害防治。
3、水稻植株生理活性的测定
3.1叶片叶绿素含量的测定
采用叶绿素含量测定采用分光光度法。取新鲜的水稻叶片，每个样品3个平行，用脱脂棉擦拭干净，剪碎混匀，称取0.2g左右，用95％乙醇研磨成糊状，然后洗涤过滤直至叶片完全变白，定容于30ml的刻度试管，浸提液立即665、649nm处比色，记录吸光度(OD)值。计算公式：CA＝13.95OD665-6.88OD649，CB＝24.96OD649-7.32OD665，式中，CA、CB分别为叶绿素a和b的浓度，单位为mgL-1，叶绿素含量(mg g-1)＝(C×V)/(W×1000)，式中，C即(CA＋CB)为叶绿素总浓度(mg L-1)，W为叶片鲜重(g)，试验数据见表1。
3.2植株鲜重和植株高度的测定
移栽后的秧苗每隔10天测一次水稻植株鲜重和株高(地上高度)，试验数据分别见表2、表3。
表1：水稻照射试验叶绿素含量测定记录(mg g-1)
| 试验时间(天) | 10 | 20 | 30 | 40 |
| 本发明装置 | 1.82±0.22 | 1. 91±0.35 | 2.56±0.40 | 2.68±0.45 |
| 高光通钠灯 | 1.61±0.25 | 1.65±0.25 | 2.11±0.30 | 2.13±0.42 |
表2：水稻照射试验鲜重测定记录(克/株)
| 试验时间(天) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 |
| 本发明装置 | 50.0±5.26 | 68.0±6.20 | 112.0±9.55 | 205.0±16.0 | 252.0±17.0 |
| 高光通钠灯 | 50.0±5.20 | 61.0±6.00 | 95.0±8.50 | 181.0±11.5 | 221.0±15.0 |
表3：水稻照射试验鲜重测定记录株高(cm)
| 试验时间(天) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 |
| 本发明装置 | 15.0±2.10 | 19.0±2.50 | 28.0±2.50 | 45.0±3.00 | 47.0±3.50 |
| 高光通钠灯 | 13.0±1.20 | 18.0±1.60 | 22.0±2.50 | 39.0±3.00 | 42.0±3.50 |
4、数据分析方法及实验结果
数据统计利用SAS软件，进行方差分析和Fisher’s显著性检验(LSD)，比较不同处理间在ρ<0.05的显著性水平。
总能量，按装置功率*光照时间计算：
本发明装置：W2＝18*14*3600*40，
高光通钠灯：W1＝500*14*3600*40；
有效能量，近似认为等于植物生长量，采用秧苗最后鲜重作为有效能量：
本发明装置：252.00±17.00，
高光通钠灯：221.00±15.00；光效，按有效能量/总能量计算：
本发明装置光效：(252.00±17.00/18*14*3600*40)*100％，
高光通钠灯光效：(221.00±15.00/500*14*3600*40)*100％；光效比：本发明装置光效：高光通钠灯光效＝
[(252.00±17.00/18*14*3600*40)*100％]：
[(22.00±15.00/500*14*3600*40)*100％]≈31
即：对于单子叶植物来说，本发明装置光效大约为高光通钠灯光效的33倍。
试验二：拟南芥照射试验
1、实验材料：
WS生态型拟南芥种子足量，菜园土、草木灰、锯木屑足量，托盘两个，培养盘12个。
2、实验步骤：
本实验采用拟南芥室内简易栽培法，配制菜园土：草木灰：锯木屑=4∶2∶1的培养基质，将混合均匀的培养基质装入培养盆中，培养盆放置于托盘上，一个托盘放6个培养盆，分为A，B两个托盘。播种前向托盘内加水待培养基质表面湿润后播种。种子熏蒸消毒后，用无菌水浸泡置于4℃冰箱内低温处理，2-4d后播种。为使种子播得均匀并提高播种速度，将种子用1g·L-1琼脂水悬浮，用滴管把种子点播在基质表面，直径10cm的培养盆播5-6点，每点播2-3粒种子，播后用扎有小眼的塑料薄膜覆盖。置于21-23℃和空气相对湿度为70％左右的培养室中，进行人工光照培养。A托盘置于高光通钠灯下进行培养，14h光照/8h黑暗交替。B托盘置于本发明装置下进行培养，14h光照/8h黑暗交替。根据拟南芥生长特点进行水肥管理和病虫害防治。
3、拟南芥植株生理活性的测定
3.1叶绿素含量测定：
叶绿素含量测定采用分光光度法[王磊，白由路.不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮和叶绿素含量的相关研究.中国农业科学，2005，38(11)]。取新鲜的拟南芥叶片，每个样品3个平行，用脱脂棉擦拭干净，剪碎混匀，称取0.2g左右，用95％乙醇研磨成糊状，然后洗涤过滤直至叶片完全变白，定容于30ml的刻度试管，浸提液立即665、649nm处比色，记录吸光度(OD)值。计算公式：CA＝13.95OD665-6.88OD649，CB＝24.96OD649-7.32OD665，式中，CA、CB分别为叶绿素a和b的浓度，单位为mg L-1，叶绿素含量(mg g-1)＝(C×V)/(W×1000)，式中，C即(CA+CB)为叶绿素总浓度(mg L-1)，W为叶片鲜重(g)，试验数据见表4。
表4：拟南芥照射试验叶绿素含量测定记录(mg g-1)
| 试验时间(天) | 10 | 20 | 30 | 40 |
| 本发明装置 | 1.22±0.11 | 2.4±0.35 | 3.0±0.40 | 3.56±0.10 |
| 高光通钠灯 | 1.02±0.20 | 1.95±0.25 | 2.99±0.30 | 3.30±0.40 |
3.2植株鲜重和植株高度的测定
播种后每隔10天测一次拟南芥植株鲜重和株高(地上高度)，试验数据分别见表5、表6。
表5拟南芥照射试验鲜重测定记录(克/株)
| 试验时间(天) | 10 | 20 | 30 | 40 |
| 本发明装置 | 5.00±0.44 | 8.56±0.51 | 13.20±1.22 | 17.33±1.51 |
| 高光通钠灯 | 4.20±0.30 | 7.36±0.24 | 11.30±1.56 | 15.25±1.16 |
表6拟南芥照射试验株高测定记录(cm)
| 试验时间(天) | 10 | 20 | 30 | 40 |
| 本发明装置 | 8.00±0.40 | 13.10±1.50 | 16.10±1.10 | 22.20±2.22 |
| 高光通钠灯 | 6.10±0.60 | 10.55±0.55 | 15.10±1.20 | 20.10±2.15 |
4数据分析方法及试验结果
数据统计利用SAS软件，进行方差分析和Fisher’s显著性检验(LSD)，比较不同处理间在p<0.05的显著性水平。
总能量，按装置功率*光照时间计算：
本发明装置：W2＝18*14*3600*40，
高光通钠灯：W1＝500*14*3600*40；
有效能量，近似认为等于植物生长量，采用秧苗最后鲜重作为有效能量：
本发明装置：17.33±0.51，
高光通钠灯：15.25±0.16；
光效，按有效能量/总能量计算：
本发明装置光效：(17.33±0.51/18*14*3600*40)*100％，
高光通钠灯光效：(15.25±0.16/500*14*3600*40)*100％；光效比：本发明装置光效：高光通钠灯光效＝
[(17.33±0.51/18*14*3600*40)*100％]：
[(15.25±0.16/500*14*3600*40)*100％]≈33
即：对于双子叶植物来说，本发明装置光效大约为高光通钠灯光效的33倍.
由以上试验结果可以看出：采用本发明所述的利用LED光源调节植物生长的方法及其装置能满足植物生长正常光合作用的补光要求，并具有很好的节能效果，且为冷光源，在实际应用中不容易发生火灾等意外事故，因此比传统的以钠灯为光源的植物生长灯有更广泛的应用前景。
Claims (6)
1.利用LED光源调节植物生长的方法，其特征在于选择利用不同LED光源的混光对植物进行照射，以促进植物生长，LED光源的选择和不同LED光源的混光组合按下列方法：
1)根据植物叶绿素吸收光谱，选择确定对植物生长具有促进作用的光谱波长为660±30nm、460±20nm、400±20nm三个波段，从而确定利用红色LED、蓝色LED和紫色LED为照射光源；
2)根据植物叶绿素对三种光的吸收能量比值，确定由2个红色LED、1个蓝色LED、1个紫色LED组成一个混光象素单元，蓝色LED和紫色LED设置在象素单元的一条对角线的两个顶点上，2个红色LED设置在象素单元的另一条对角线的两个顶点，并确定红色、蓝色和紫色LED的工作电流；
3)将步骤2)的象素单元组合排布，构成不同LED光源的混光组合，由不同LED的混合光对植物进行照射。
2.如权利要求1所述的利用LED光源调节植物生长的方法，其特征在于由2个红色LED、2个蓝色LED组成一个混光象素单元。
3.如权利要求1所述方法的配套装置，其特征在于由组合排布的象素单元通过电路连接和整体封装构成，包括恒压电源装置(1)、基准电压装置(2)、恒流源装置(3)，所述的恒压电源装置(1)中变压器T1输出端与整流桥D1连接，整流桥D1直流输出端经电容C1滤波与可调线性稳压芯片U1的输入端连接，可调线性稳压芯片U1的输出端与稳压芯片U3的2脚连接，稳压芯片U3的6脚与恒流源装置(3)的输入端连接，所述的基准电压装置(2)中变压器T2输出端与整流桥D2连接，整流桥D2直流输出端经电容C3滤波与可调线性稳压芯片U2的输入端连接，可调线性稳压芯片U2的输出端与恒流源装置(3)中的恒流芯片U4的1脚连接，所述的恒流源装置(3)由一组恒流芯片U4并接构成，恒流芯片U4的输入端连接电阻R12和可调电阻R13，根据红色、蓝色和紫色LED的工作电流连接在相应恒流芯片U4的输出管脚上。
4.如权利要求3所述的配套装置，其特征在于所述的可调线性稳压芯片U1、可调线性稳压芯片U2采用LM317芯片，稳压芯片U3采用MAX6175芯片，恒流芯片U4采用MAX1916芯片。
5.如权利要求3所述的配套装置，其特征在于所述的可调线性稳压芯片U1、可调线性稳压芯片U2输出端分别连接滤波电容C2、C4。
6.如权利要求3所述的配套装置，其特征在于所述的稳压芯片U3输入端连接滤波电容C5。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Assignee: Zhejiang Zhongzhou Lighting Technology Co.,Ltd. Assignor: China Jiliang University Contract record no.: 2011330001480 Denomination of invention: Method for regulating the growth of plants by using LED light source and device thereof Granted publication date: 20100526 License type: Exclusive License Open date: 20080305 Record date: 20111226 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100526 Termination date: 20200824 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |