LED高效节能环保照明灯具在水草养殖上的应用

天狼晓月

LED（Light Emitting Diode），即半导体发光二极管，LED节能灯是使用高亮度发光二极管的光源，在灯具使用领域已经很广泛了，它具有光效高、耗电少、寿命长、易控制、免维护、安全环保等优点，是新一代固体冷光源，比管形节能灯省电，亮度高。最近已经有水草爱好者试验用LED来作为水草灯，但效果如何仍没有定论。
这种新的光源让我产生了很大的兴趣，为此我搜索了相关的各种论文和资料，收集整理于此，希望起到抛砖引玉之效。
一些关于植物光照需求方面的资料，基本的，以下的观点被广泛认可：
1、植物光合作用需要的光线，波长在400 - 700nm左右。
2、不同波长的光线对于光合作用的影响是不同的，400 -520nm(蓝色)的光线以及610 -720nm(红色)对于光合作用贡献最大。
3、520 - 610nm（绿色）的光线，被植物色素吸收的比率很低。
这些观点源自一篇名为“Photo morphogenesis in Plant”的论文，作者是R. E. Kendrick 和G. H. M. Kronenberg (1986年,Martinus Nijhoff Publishers)。
按照这些原理，市面上销售的专业植物灯管，都提供红兰两种波长的光线，覆盖光合作用所需的波长范围。视觉效果上，植物灯都呈现粉红色。而现有白光LED，最普遍的是使用蓝色核心，激发黄色荧光粉，由此复合产生视觉上的白光效果。能量分布上，在445nm的蓝色区和550nm的黄绿色区存在两个峰值。而植物所需的610 - 720nm红光，则非常缺乏。这就解释了为什么在白光LED照射下，植物生长不利。为了能够有效促进植物生长，光源必须提供恰当波长的光线，以下是不同颜色LED所发射光线的波长表：
royal blue 品蓝：445nm 440nm-460nm
blue 蓝色：470nm 460-490nm
cyan 青色：505nm 490-520nm
green 绿色 :530nm 520-550nm
red 红色：627nm 620-645nm
red-orange橘红: 617nm 613-620nm
amber:琥珀色 590nm 585-597nm
从这个表中，我们不难发现，蓝色(470nm)和红色(627nm)的LED，刚好可以提供植物所需的光线，因此，LED植物灯，比较理想的选择就是使用这两种颜色组合。但为了照顾水草的观赏，配合一些白色LED灯是必要的。
从事电子部件业务的日本锅清公司在2009年4月15～17日于东京举行的展会上，展示了接受3种不同颜色LED照明的植物成长情况。利用波长630nm的红色LED、430nm蓝色的LED以及以对半组合红色和蓝色LED后形成粉红色LED照明对大小相同的幼苗持续3周照射后，比较了每株幼苗的成长状况。植物生长并不需要可视光中的所有波长，而只是吸收特定波长的光。例如，进行光合作用和开花时，叶绿素的吸收峰值—660nm附近的红色光能促进生长。而形成花蕊时，450nm付近的蓝色光能够促进生长。将采用3种不同照明的幼苗进行比较后发现，采用红色LED照明的幼苗较其它两株幼苗生长最慢，整体最小。采用蓝色LED照明的幼苗，叶子较少，整体呈细长状。而采用粉红色LED照明的幼苗，叶子较大，植物整体生长均衡。不过，不同种类的植物，影响其生长的光波长领域多少会有些不同。因此，今后需要在农业试验场地等进行包括调整照射时间在内的实验。结果显示，粉红色LED照明最有助于促进植物生长。这也证明了上面的观点，蓝色配合红色使用是合适的。
其实不单国外在做这方面的研究，国内也在做，2007年由南京农大的徐志刚副教授和崔瑾博士承担的863计划新材料领域“半导体照明工程”重大项目“半导体照明光源在植物组培中的应用研究”课题在植物专用LED光源系统研制方面就取得大的进展，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LEDplant，同时提出了红色LED灯泡和蓝色灯泡的配合比例，按照9：1的比例配置，专家对冬青幼苗、蝴蝶兰、文心兰、草莓、西红柿进行了光照试验。结果证明，9：1的红蓝光对植物生长最有利，经过这种光源照射，草莓和西红柿果实饱满，糖分和维生素C的含量明显增加，而且不会出现空心的现象。养殖水草用多少比例配制呢？试验吧！cnfish的大大们。
实际上，国外和国内仅用于陆生植物照明的相关的产品已经上市，只是国外产品的价格贵的有点离谱，而近年我们国内也已经出产很多植物照明LED灯，价格也便宜得多，但实际使用例子都只用于植物培育室、花卉农场及种植大棚等需要充足光照的地方，用于水草养殖上则没有看到例子，不知道有没有哪个资深的水草爱好者能够给大家做个“白老鼠”

载录一个国内厂家提供的资料供大家分析研究：

LED灯与我们通常用于水草养殖的低压荧光灯管相比，LED的稳定性和长寿命有上明显优势：采用电子镇流器的荧光灯管的连续工作时间可超过8000小时；但LED可以无故障工作30000小时以上。但现在的价格优势如何有待调查。
把从我直接淘宝搜索的结果也附上吧，让cnfish的大大们去试验吧，造福大家，为避免说我是广告托，我只把情况说说吧，不发链接了。有一家定制LED植物灯，60珠的才25，红蓝比例可以自己搭配定制，尺寸（mm）灯珠间距1CM，各种规格可订制。红蓝3:1时每100灯珠5W左右的耗能。看到各种规格的，可以为长条形，类似我们的灯盘，也可以是方形的、圆形的等各种形状，甚至还有厂家直接做成了T8灯管，可以直接用于T8灯架上，非常适合我们水草养殖，但现在唯一的就剩下大大们的实验了。

摘录国立宜兰大学生物机电学系张明毅和国立台湾大学生物产业机电工程学系 方炜,朱元南写的一篇论文如下：
高亮度发光二极体(LED)拥有多项优点:亮度高,耗能低,单一波长,近年来技术突破,已进入商业化规模生产,广泛使用于许多照明的场合,组织培养苗栽培,甚至进入生物医疗产业.本研究的目的即在于探讨利用高亮度LED做为观赏水草生长所需光源之可行性.
1.
实验设备
本研究主要比较两种光源对观赏水草生长的影响—萤光灯管及高亮度LED.在110×40×40cm的玻璃水槽中,左半部以20W植物萤光灯管(AZOO 三波段太阳卤素灯管,主要三段波长峰值,约在435,535,610nm).右半部以LED灯做为光源,灯具上共有32颗LED元件,每个元件由4个红色(620nm)及2个蓝色(460nm)所组成,总功率为10W.中间以黑网隔开,防止相互干扰.以沈水泵造成水流,让左右两边水体能充分混合,原则上左右两边除了光质不同外,其余条件均应一致.光源距水面约20cm,照度约为650 lux,水温控制於27℃,定期加入追肥.以定时器设定光周期为於6hr亮/6hr暗,并於照光期间利用电磁阀控制CO2的供应.
2.
实验方法

水草选用两种不同颜色的水草,绿色的虎耳及红色的红蝴蝶.每个处理,红,绿色各10枝扦插.每周纪录每枝株高,叶片数,茎节数,(养殖期间只能计算露在外面的根).

实验结果显示,在株高,叶片数,茎节数方面,两种光源对於两种水草的生长都有助益,但效果没有显著差异.然而在侧芽数(图1左,图2左)和发根数(图1右,图2右)上,

LED比萤光灯效果显著,尤其在红色的红蝴蝶上特别明显(图2),推测应是目前使用的波长组合对於分生组织的刺激有较显著的效果,值得后续进一步探讨.实验亦发现,红蝴蝶水草对於光照的条件十分敏感,不论使用哪一种灯具,在养成期间红蝴蝶叶片的颜色都会慢慢由红色转成绿色,转成绿色的红色水草在众多绿色的水草的水族缸中,因显现不出独特性,观赏价值将大幅降低.所以找出最佳的栽培方式以维持其呈色,有助於解决业界长久以来的困扰.此处所谓栽培方式不一定只涉及光质,或许肥料浓度与比例或者水中酸碱度等都有可能.这可能是另一个独立的研究题目.
四,结论

本实验用的高亮度LED功率(耗电)只有萤光灯管的一半,但不论其亮度或对水草的成长均与传统萤光灯管无甚大差异.而红蓝光强度4:2的比例,对於分生组织的刺激更有显著的贡献,以高亮度LED作为下一代的水族灯具应该极具发展潜力.针对红蝴蝶栽培能维持叶片颜色的栽培模式仍需进一步探讨.