目前，我国农业生产方式将从“传统农业”模式逐步转变为“生态农业”模式，正逐步向工厂化栽培模式发展转变。而“物理农业”是实现“生态农业”的主要技术途径之一，物理光电子技术在促进植物光合作用、有效地提高植物的光利用率、有效地增加有机物的合成，将起到至关重要的作用。半导体LED(light emitting diode，LED)光源具有诸多优点[1]，如节能性、光谱可调性、良好的点光源性、冷光性以及良好的防潮性等，如果采用LED作为人工光源，可以对植物近距离照射和对空间的不同位置进行不同波长的逐点照射，进而实现使用耗能较少的光源从而达到优于传统灯具及照射方式的补光效果。LED还具有较高的光电转化效率、使用直流电、体积小、寿命长、波长固定及低发热量等优点，同时还可调整发光强度与光质，大大提高栽培的空间利用效率。正是由于LED光源具有这些无可比拟的优点和原理上的适用性，因此，将逐步取代以高压钠灯、金属卤化物灯、荧光灯和白炽灯为主的传统电光源[2]。本文根据植物生长所需的光源及其各参数，制备了适合植物生长的植物生长灯，并将其应用于名贵中草药“铁皮石斛”的培育，进行了一定的初步探讨。
1、 LED光源及其优点
发光二极管（Light-Emitting Diode，LED简称）是一种能发光的半导体电子元件。早在1962年人们就制备了发光亮度较低的红光LED，随着技术的进步，人们又研发并制备了其它颜色的LED。时至今日LED已经发出可见光、红外线及紫外线，功率也大幅度提高，W级的LED器件其发光效率可达100LM/W以上，可普遍用于指示、显示与照明。
半导体LED光源是近年来新崛起的农业领域应用较为理想的人工光源。相同照明效果比传统光源节能80%以上。同时绿色环保，光谱中没有紫外线和红外线，也没有辐射，无污染，无有害气体，废弃物可回收，使用寿命可达6-10万小时，是普通灯泡的50倍，无任何噪音。LED 具有较窄的波谱，波谱半宽范围从几纳米到几十纳米，在±20 nm 左右，波长正好与植物光合成和光形态形成的光谱范围相吻合。如利用LED调节不同光质比，根据叶绿素的吸收光谱可以有针对性地补光，无疑会提高光合效率。
铁皮石斛[3]是一种非常名贵的中药材，是“脉络宁注射液”的必需原料，还是数十种中成药及保健品的必要原料，具有免疫调节、延缓衰老等功效，名列“中华九大仙草”之首。石斛单独入药和其配入复方达100多种。“铁皮石斛”药效显著，但资源日益减少，近年来，铁皮石斛被大量应用到医药和保健产品之中，市场需求远超供给，价格仍将持续走高、价格节节攀升。“铁皮石斛”对生态环境的要求较严格，自然繁殖困难，成活率低且生长速度慢。因此，利用植物工厂等设施园艺控制手段，人工繁殖“铁皮石斛”成为一项重要课题。
2、 LED植物生长灯的制备
对光合作用的有效波长在400～700 nm 之间，其中425～490 nm的蓝光以及610～700 nm的红光对光合作用贡献率最大，而520～610 nm（绿色）的光线被植物吸收的比率很低[4]。因此，我们主要选取蓝光LED和红光LED作为LED植物生长灯的两种光源器件，并制作出芯片，封装成LED器件。要求4种红色LED器件和4种蓝色LED器件，它们的波长如表1所示。以一种红色器件与一种蓝色器件为例，我们给出它们的光谱图，如图1所示。从图1可看出，蓝色LED器件与红色LED器件的峰值波长分别为450nm和630nm,它们的半高宽分别为17.6nm和15.3nm，色纯度分别为99%和90%。这些数据表明两种器件发出了很纯正的单色光，这对于植物照射是非常有利的。
将封装好的各种红色和蓝色LED灯珠，按照一定的红/蓝比例进行生产成各种各样适合植物工厂应用的LED植物灯样品，红/蓝光质比例定为：1/1、2/1、3/1、4/1。
表1：红色/蓝色LED器件的发光波长
LED植物生长灯，采用我们公司自己生产的LED植物生长T8灯管，整灯是有174pcs光源。在PCB板上LED灯珠实行6并29串的布线分布，分3排，每排58颗，共174颗，每颗LED灯珠间隔是4.5mm。该LED植物生长灯，是由620nm、640nm、660nm、680nm的红光灯珠与430nm、450nm、470nm、490nm的蓝色灯珠组合而成，共16种组合。每种组合的红蓝比例为：1/1、2/1、3/1、4/1，这样共有64种试验灯管。其结构示意图如图2所示。
3、 LED植物生长灯用于培育铁皮石斛实验的初步结果
3.1 实验过程
试验于2013年2月～2013年6月在江门市某生物科技有限公司的鹤山铁皮石斛植物工厂基地内进行。我们选用同一种源的铁皮石斛组织培养苗，其高约50 mm，鲜质量约1500 mg。使其生长在成分为花生皮屑、青石粒以及营养颗粒的专用培养土，使用EC为2.0 mS/cm的营养液进行人工喷灌。
为了更好地分析与比对不同的LED光源对铁皮石斛培养苗的不同作用，将同一种源的铁皮石斛组织培养苗放置在实验箱里。每种试验灯管近距离照射一个实验箱，实验箱大小为60×60cm，每个实验箱的光源照射相互隔离。对植物来说，光照度即光合量子通量（PPF，其单位为μmol/(m2·s)），是影响植物光合作用的重要参数之一。光照度可实现在0～120μmol/（m2•s）自由调节，我们选为70μmol/（m2•s）。光源与铁皮石斛间的照射距离也可根据需求进行调节，我们选为植株正上方10 cm。实验箱内环境参数设置如下：昼温（25±1） ℃、夜温（20±1） ℃、相对湿度70%～80%、光照时间为每天12小时。试验中，根据红光LED和蓝光LED光质比例及波长点分布情况的不同，设置64 个LED光质试验区，各试验区光照度均为70μmol/（m2•s），光周期为16个小时[5]。除光质比例不同外，其他试验条件相同。
3.2 实验结果分析
在上述的试验条件下，对每个实验箱精心培育四个月。首先通过观察发现这64 个LED光质试验箱里的铁皮石斛培育苗的生长都明显好于无LED灯照射的情况。其中，红蓝光波长为660 nm /450 nm的系列最为显著。通过我们的试验，也充分证明了以前人们研究所得到的“450 nm左右的蓝光和660 nm左右的红光是植物最需要的光波，并对植物的生长发育起着关键性的作用”的结论。在红蓝光波长比为660 nm /450 nm这一系列中，根据光质比例（R/B）又分为1/1、2/1、3/1、4/1四种。我们通过下一步的测量与分析，最终得到最适合铁皮石斛培育苗生长的一个光质比例。
从每个试验箱中随机挑选10棵铁皮石斛培养苗，分别测量其鲜质量和株高。由表2可知，四种光质比（R/B）为1/1、2/1、3/1、4/1下的铁皮石斛组培苗经过三个月的生长，与原重1500 mg相比，其植株鲜质量都有所增加，各光质比例下光照的鲜质量有明显的增加趋势，增加量表现为先多后少。光质比（R/B）为1/1、2/1、3/1、4/1下的铁皮石斛组培苗的鲜质量增长率分别为55%、120%、150%、42.5%。其中，以光质3/1（R/B）比例下的鲜质量增加最多，比原重增加了约150%；光质3/1（R/B）比例下的鲜质量增加最少，只比原重增加了约42.5%。各光质比例下光照的铁皮石斛植株的株高也有所增加，也表现出与鲜质量相同的变化趋势，以光质3/1（R/B）比例下的株高增长最多。
然后将这些铁皮石斛培养苗放入烘箱内70 ℃烘干处理72 小时，称取其干质量，发现其各种光质比下的干质量差不多，差异不大。
表3：不同红/蓝光质比下生长的铁皮石斛所含营养成分比较
通过检验部门测量每个试验箱中的叶绿素a和b、类胡萝卜素以及多糖的含量，其检验结果见表3。从表3中可见，叶绿素a和b含量在各光质比例光照下有明显的增加趋势，增加量表现出先多后少，以光质2/1（R/B）比例下的叶绿素a和b含量最高，说明光质2/1（R/B）比例下有助于铁皮石斛叶绿素a和b的合成与积累。类胡萝卜素含量在光质2/1（R/B）比例下也表现出很大的增加，增加量最大为光质3/1（R/B）比例下的情况，略高于光质比2/1（R/B）的情况。
铁皮石斛多糖含量很多，能提高人体免疫能力，对人体眼、咽、肺、胃、肠、肾等器官疾病有特殊疗效，多糖是表征铁皮石斛品质的一个重要特征。通过测试表明不同试验箱里生长的铁皮石斛多糖含量存在较大差异。随着光质比（R/B）的增加，石斛多糖培育苗中的多糖含量呈现先增加后降低的趋势，说明光质比（R/B）对铁皮石斛多糖含量具有一定的合成与调节作用。光质比2/1（R/B）的多糖含量为2.23%，显著高于其他种情况，表明光质2/1（R/B）比例下有利于铁皮石斛培育苗体内多糖含量的合成与积累。
4、 结论
本文根据植物生长所需的光源及其各参数，制备了多种红光LED与多种蓝光LED所组成的LED植物生长灯，它们的光质比（R/B）为为1/1、2/1、3/1、4/1。用它们来照射相同种源、相同生长环境下的铁皮石斛实验箱，生长四个月。通过实验对比，证明红/蓝光源的波长确实定位于660/450nm、且红/蓝光源配比为2/1时为最佳，可以使铁皮石斛生长状况最佳。由此，我们选定适合铁皮石斛生长的植物生长灯的波长点及红蓝配比，最终确定了最适合于名贵中草药“铁皮石斛”培育的LED植物生长灯。用这种LED植物生长灯照射铁皮石斛，可使铁皮石斛培育苗综合生长状况良好，叶绿素a和b含量最高，且多糖含量显著提高。
