植物生長箱和步入式植物生長室是高校、研究所和企業(yè)等機構(gòu)廣泛應用的實驗室設(shè)備，主要用于組織培養(yǎng)、植物生長和昆蟲培養(yǎng)研究等，是植物遺傳和基因工程、作物遺傳育種改良、生理生態(tài)學、植物抗逆性研究等領(lǐng)域重要的研究工具。

 

本文中植物生長箱指的是Reach-In Plant Growth Chamber，步入式植物生長室指的是Walk-In Plant Growth Chamber。

 

▲ 植物生長箱及步入式植物生長室的多種用途

 

在選擇植物生長箱和步入式植物生長室時，溫度和光照基本上是首要考慮的必要條件，然后是濕度和CO2等。以下主要介紹植物生長箱和步入式植物生長室溫度性能的選擇，以及幾種常見的植物生長燈光源。

 

▲ 植物光合作用和Aralab簡便人性化的參數(shù)控制面板

 

▌ 溫度：

 

不同植物自有其生長適宜的溫度。想要在實驗室植物生長箱中模擬植物生長所需的溫度，是簡單的又是復雜的。簡單是因為植物有其最適宜的生長溫度，將植物生長箱設(shè)定為這一溫度值即可，會較快的促進植物生長。

 

復雜主要是因為:

 

（一）溫度控制并不是線性的，當下比較主流的兩種溫度控制方式為比例積分微分和模糊邏輯控制原理。如果要真正精確地模擬自然的溫度條件，溫度的精度及均勻性是必須要考慮的。例如在某一時間段設(shè)定溫度為20℃，其溫度值不可能會完全穩(wěn)定在20℃，肯定會有一定的溫度波動，而波動的大小則決定了溫度的精度。比如波動+/-0.5℃，即溫度的范圍為19.5℃~20.5℃；和波動+/-1℃，即溫度的范圍為19℃~21℃，則代表了植物生長箱性能和控制能力的不同。又比如，在某一時間段設(shè)定溫度為20℃和光照強度為250 µmoles/m²s。但是發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)一段時間后，擱板不同位置的植物生長情況不一，可能是外面靠門的植株較高、枝葉很綠；而里面的植株較矮、枝葉發(fā)黃。當然這與光照的分布有很大關(guān)系，另外溫度的不均勻性也會在一定程度上產(chǎn)生較大影響。比如均勻性+/-1℃，即某一時間點，擱板不同位置溫度的范圍為19℃~21℃；和均勻性+/-2℃，即溫度的范圍為18℃~22℃，則代表了植物生長箱性能和控制能力的不同。

 

（二）植物的生長環(huán)境都有一定的規(guī)律，除了春夏秋冬四季和各個氣候帶之分，每天24小時的溫濕度也是在不斷變化的，比如早上6點時5℃，中午12點時30℃，晚上8點時10℃。如何更準確地模擬一天24小時植物生長環(huán)境的溫度變化呢？這需要植物生長箱具有較強大的控制能力，可以模擬不同時間段的溫度。更強大的功能則是溫度均勻增加或減少的功能，因為自然環(huán)境中溫度的升高或降低是連續(xù)的、較均勻的。

 

▲ 溫度均一性和均勻性變化測試

 

▌ 光照：

 

光作為環(huán)境信號作用于植物，是影響植物生長發(fā)育的眾多外界環(huán)境（光、溫度、水、CO2、礦物質(zhì)等）中最為重要的條件。其重要性不僅表現(xiàn)為光合作用對植物體的建成的作用上，光還是植物整個生長和發(fā)育過程中的重要調(diào)節(jié)因子，是貫穿植物體后期生長發(fā)育整個過程的。

 

實驗室植物生長箱中是通過不同的燈來模擬不同光照的，常見的有傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈、LED燈、金屬鹵素燈等。1868年，俄羅斯植物學家AndreiFamintsyn，是第一個將人造光用于植物生長和研究的人。

 

植物生長燈光照強度的衡量通常使用的單位是µmoles/m²/s，即光量子通量密度，一般是用來測量光合有效輻射的。太陽輻射中能被綠色植物用來進行光合作用的那部分能量稱為光合有效輻射，即Photosynthetically Active Radiation，簡稱PAR。它是形成生物量的基本能源,直接影響著植物的生長、發(fā)育、產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。PAR有三種計量系統(tǒng)：

1）光學系統(tǒng)，用光照度(lux)來度量，這種系統(tǒng)是以人眼對亮度的響應特征為基礎(chǔ)的；
2）能量學系統(tǒng)，用某一特征波長范圍內(nèi)即光合有效波段內(nèi)的輻射通量密度(Wm-2)來度量；
3）量子學系統(tǒng)，用光量子通量密度(µmoles/m²/s)來度量，太陽直接輻射光量子通量的氣候?qū)W計算方法。

 

所以一般照明燈具的光照度的單位使用的是Lux，而植物生長燈光照強度通常使用的是µmoles/m²/s這一單位。

 

以下介紹幾種常見的植物生長燈種類：

 

1、白熾燈：白熾燈是一種熱輻射光源，最接近于太陽光色，顯色性好，光譜均勻而不突兀。白熾燈（包含鹵素燈）的光譜是連續(xù)而且平均的。但在所有的照明燈中，白熾燈的效率幾乎是最低的。它所消耗的電能只有約2%可轉(zhuǎn)化為光能，而其余部分都以熱能的形式散失了。至于使用壽命，通常不會超過1000小時，鹵素燈就比一般的白熾燈要長很多。所以白熾燈作為植物生長燈并不算多。

 

2、熒光燈：也叫日光燈，是一種較常見的植物生長燈，其中使用最多的是冷白熒光燈。傳統(tǒng)型熒光燈即低壓汞燈，是利用低氣壓的汞蒸氣在通電后釋放紫外線，從而使熒光粉發(fā)出可見光的原理發(fā)光，因此它屬于低氣壓弧光放電光源。普通熒光燈管涂鹵素熒光粉，填充氬氣、氪氬混合氣體。相比白熾燈，發(fā)熱量小很多，發(fā)光效率高很多，使用壽命高于白熾燈、低于LED燈，約15000小時；但是熒光燈管顯色性能較低，光譜分布非常不均，遠遠小于太陽光，不屬于高效節(jié)能電光源。熒光燈的光照強度組合可以達到200~450µmoles/m²/s，適合組織培養(yǎng)、擬南芥研究等應用。

 

▲ 一種冷白熒光燈的光譜圖和應用

 

3、LED燈：其中使用最廣泛的是白色LED燈，用于模擬太陽光照。相對于熒光燈，白色LED燈具有更全的光譜范圍，且發(fā)熱量更小，光照強度也要高一些，組合可達到200~1000µmoles/m²s甚至更高的光照強度。此外，白色LED燈的能耗僅為白熾燈的1/10，壽命可達5萬小時以上，抗震性也較好，而且不含鉛汞等，綠色環(huán)保。

 

▲ 一種白色LED燈光譜圖和應用

 

當前的技術(shù)可以使LED燈發(fā)出白、紅、黃、藍、綠、青、橙、紫等多種顏色。而在植物培養(yǎng)領(lǐng)域使用的除了白色，還有紅、綠、藍和遠紅等LED光源。其中：

• 藍光（400~500 nm），可增強光合作用和葉綠素的合成，防止植物徒長，另一方面抑制植物根莖細胞和器官的伸長，比較適合多肉植物、莖葉類，所有植物小苗育苗，鐵皮石斛植物使用。

• 紅光（600~700 nm），促進植物生長、發(fā)芽、開花、結(jié)果，在植物增色中起著主導作用，促進植物光和作用，更適合花卉、果實、菜溫室補光。

• 遠紅光（700~800 nm），用LEDs補充遠紅輻射（發(fā)射峰734nm）使花色素苷、類胡蘿卜素和葉綠素含量降低，而使植株鮮重、干重、莖長、葉長和葉寬增加。補加FR對生長的促進作用可能是由于葉面積增加而導致的對光吸收的增加。低R/FR條件下生長的擬南芥比高R/FR下生長的植物葉片大而厚、生物質(zhì)數(shù)量大，冷適應能力強。不同比例的R/FR還可以改變植物的抗鹽性。

 

▲ 白、紅、藍三色光植物生長箱

 

▲ 藍光、紅光、遠紅光光譜圖

 

4、高性能LED燈：高性能LED燈的光照強度相對于一般白色管狀LED燈要更高。國際上高性能LED燈使用較多的是芬蘭的Valoya，專注于植物生物學研究，世界上最大的10家農(nóng)業(yè)公司中有8家已經(jīng)在使用Valoya的光源方案。不同的數(shù)量的Valoya LED燈組合方案可實現(xiàn)不同的光照強度，從300、600、800~1200µmoles/m²/s，甚至更高的光照強度。

 

▲ 白色Valoya LED燈

 

Valoya LED研發(fā)了不同的光譜配方種類，適用于不同的植物生長應用。如AP67光譜配方：促進植物成長與開花；AP673L：促進植物生長發(fā)育；G2/NS1/NS12：增進春化作用過程；Valoya BIOMASS：用來促進大麻種植時生物質(zhì)的產(chǎn)出；Valoya Canna+：增加大麻種植時THC的產(chǎn)能。

 

▲ 部分Valoya LED光譜選項

 

▲ 一種Valoya LED燈及其光譜圖

 

5、陶瓷金鹵燈：比傳統(tǒng)鹵素燈光效高30%以上，壽命可達20000小時，光衰慢，照明效果持久。與高壓鈉燈相比節(jié)能10%，比傳統(tǒng)鹵素燈節(jié)能70%，比汞燈節(jié)能150%。具有更高的光照強度600~1100 µmoles/m²s，發(fā)熱量也較大，需安裝在單獨冷卻的玻璃燈罩內(nèi)，由獨立通風口排除熱量，以保證生長區(qū)域氣候條件穩(wěn)定。適合小麥、玉米、水稻、棉花、大豆、咖啡、軟木等各種常見的需要高光強的大型植物。

 

▲ 陶瓷金鹵燈的光譜圖和應用

 

以上介紹的熒光燈和LED燈等都是固定光譜光源，現(xiàn)在的技術(shù)還能實現(xiàn)可調(diào)光譜的植物生長燈。

 

6、可調(diào)光譜LED燈：瑞典的Heliospectra公司以植物科學與園藝方面的智慧LED照明系統(tǒng)而聞名。以Heliospectra RX30型號為例，其具有9通道波長控制，距光源500mm處光照強度最高可達600μmoles/m2/s，同時可以在10% ~ 100%范圍內(nèi)按1%步調(diào)。可單獨控制9種光譜: 380nm, 400, 420, 450, 520, 630, 660, 735nm和5700K白色；Heliospectra還可發(fā)出了系統(tǒng)輔助軟件來管理LED燈。

 

▲ HeliospectraRX30 可調(diào)光譜LED燈及其光譜圖

 

▌ 光照強度調(diào)節(jié)：

 

不同種類的植物生長燈，除了光源種類、色溫和顏色不同之外，光照強度的調(diào)節(jié)能力也不同。現(xiàn)階段燈管光照強度的調(diào)節(jié)，基本上可以達到1%的步調(diào)能力，像熒光燈和LED燈可以在10%~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光強，陶瓷金鹵燈可以在30%~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這樣可以使一臺植物生長箱滿足不同的需求，實現(xiàn)一機多用和更高的使用率。例如，一臺植物生長箱的最大光強為600 +/-10% µmoles/m²s，光照強度可以按1%步調(diào)，當光照強度調(diào)節(jié)為30%~50%左右時，可以用于組織培養(yǎng)、擬南芥研究等；當光照強度調(diào)節(jié)為100%左右時，可以用于需要更高光照強度的植物的培養(yǎng)。當然這與植物生長箱的性能和控制能力有直接關(guān)系，有的植物生長箱光照控制只能開和關(guān)，有的只能進行3級或5級控制。

 

如果想要更加準確地模擬自然環(huán)境光照的變化，同溫度控制類似，植物生長箱需要具備光照強度均勻增大或減小的功能，因為自然環(huán)境中溫度的升高或降低是連續(xù)的、較均勻的。這種控制能力使得研究人員可以為植物生長箱設(shè)計更加復雜的程序，不僅可以模擬春夏秋冬四季和各個氣候帶，還可以模擬每天24小時不同時間點的光照強度。

 

 

▌ 燈管安裝位置：

 

關(guān)于植物生長燈，除了光源種類、光照強度大小及可調(diào)性、固定或可調(diào)光譜，燈管的安裝位置也有所不同。步入式植物生長室的燈管安裝位置基本上是兩種：安裝在植物生長室頂上和安裝在貨架上，前者是為了保證生長高度和光照強度，適合需要高光照強度的中大型植物；后者的燈管光照強度約200~600 µmoles/m²/s范圍，適合組織培養(yǎng)、擬南芥研究和一些不需要高光照強度的植物的培養(yǎng)。

 

 

而對于植物生長箱，燈管的安裝位置選擇則更多，比較常見的是水平安裝，即安裝在擱板上。其次是豎直安裝，即安裝在門上或內(nèi)腔。豎直安裝的燈管光源，距燈管近則光照強度大，否則光照強度小，做相同條件的植物培養(yǎng)可能會造成培養(yǎng)結(jié)果參差不齊，做差異化培養(yǎng)則更加合適。

 

▲ 隔板式植物生長燈	▲ 側(cè)面植物生長燈	▲ 門上植物生長燈

 

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Aralab 公司成立于1985 年，位于葡萄牙首都里斯本。是一家專注于設(shè)計、研發(fā)和制造恒溫恒濕箱、人工氣候室、穩(wěn)定性測試室等高質(zhì)量高精度氣候控制設(shè)備的公司。從創(chuàng)立至今，Aralab一直致力于不斷應用最新科技完善產(chǎn)品，實現(xiàn)精確模擬和控制溫度、濕度、光照、壓力、風速以及許多其它環(huán)境條件。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為歐洲標準氣候控制設(shè)備、藥物穩(wěn)定測試設(shè)備和特殊測試設(shè)備的最大供應商之一，為全世界范圍內(nèi)的伙伴和用戶提供先進的設(shè)備與技術(shù)，提升科研與測試水平。

Aralab及其光源供應商對于植物光照研究有著幾十年的豐富經(jīng)驗和大量技術(shù)資料積累，能夠為客戶定制化設(shè)計專業(yè)資深的光源等相關(guān)的解決方案。

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