带你了解植物生长箱

植物生长箱和步入式植物生长室主要利用人工模拟光源、制冷、制热、加湿、除湿、CO2补充等设备，创造可控的、适宜于植物生长研究的气候条件。该气候环境为全天候的自动化管理，按照实验需求可设定光周期、温湿度、CO2浓度、昼夜切换时间、运行模式等。是高校、研究所和企业等机构广泛应用的实验室设备，主要用于组织培养、植物生长（水稻、玉米、油菜、烟草、土豆、番茄、藻类）和昆虫培养研究等，是植物遗传和基因工程、作物遗传育种改良、生理生态学、植物抗逆性研究等领域重要的研究工具。

植物生长箱及步入式植物生长室的多种用途

在选择植物生长箱和步入式植物生长室时，温度和光照基本上是首要考虑的必要条件，然后是湿度和CO2等。以下主要介绍植物生长箱和步入式植物生长室温度性能的选择，以及几种常见的植物生长灯光源。

植物光合作用和博安特简便人性化的参数控制面板

★ 温度：

不同植物自有其生长适宜的温度。想要在实验室植物生长箱中模拟植物生长所需的温度，是简单的又是复杂的。简单是因为植物有其最适宜的生长温度，将植物生长箱设定为这一温度值即可，会较快地促进植物生长。

复杂主要是因为:

（一）温度控制并不是线性的，当下比较主流的两种温度控制方式为比例积分微分和模糊逻辑控制原理。如果要真正精确地模拟自然的温度条件，温度的精确度及均匀性是必须要考虑的。例如在某一时间段设定温度为20℃，其温度值不可能会完全稳定在20℃，肯定会有一定的温度波动，而波动的大小则决定了温度的精度。比如波动±0.5℃，即温度的范围为19.5℃~20.5℃；和波动±1℃，即温度的范围为19℃~21℃，则代表了植物生长箱性能和控制能力的不同。又比如，在某一时间段设定温度为20℃和光照强度为250 μmoles/m2s。但是发现培养一段时间后，搁板不同位置的植物生长情况不一，可能是外面靠门的植株较高、枝叶很绿；而里面的植株较矮、枝叶发黄。当然这与光照的分布有很大关系，另外温度的不均匀性也会在一定程度上产生较大影响。比如均匀性±1℃，即某一时间点，搁板不同位置温度的范围为19℃~21℃；和均匀性±2℃，即温度的范围为18℃~22℃，则代表了植物生长箱性能和控制能力的不同。

（二）植物的生长环境都有一定的规律，除了春夏秋冬四季和各个气候带之分，每天24小时的温湿度也是在不断变化的，比如早上6点时5℃，中午12点时30℃，晚上8点时10℃。如何更准确地模拟一天24小时植物生长环境的温度变化呢？这需要植物生长箱具有较强大的控制能力，可以模拟不同时间段的温度。更强大的功能则是温度均匀增加或减少的功能，因为自然环境中温度的升高或降低是连续的、较均匀的。

★ 光照：

光作为环境信号作用于植物，是影响植物生长发育的众多外界环境（光、温度、水、CO2、矿物质等）中最为重要的条件。其重要性不仅表现为光合作用对植物体的建成的作用上，光还是植物整个生长和发育过程中的重要调节因子，是贯穿植物体后期生长发育整个过程的。

实验室植物生长箱中是通过不同的灯来模拟不同光照的，常见的有传统白炽灯、荧光灯、LED灯、金属卤素灯等。1868年，俄罗斯植物学家AndreiFamintsyn，是第一个将人造光用于植物生长和研究的人。

植物生长灯光照强度的衡量通常使用的单位是μmoles/m2/s，即光量子通量密度，一般是用来测量光合有效辐射的。太阳辐射中能被绿色植物用来进行光合作用的那部分能量称为光合有效辐射，即Photosynthetically Active Radiation，简称PAR。它是形成生物能量的基本能源,直接影响着植物的生长、发育、产量和产品质量。PAR有三种计量系统：

1）光学系统，用光照度(lux)来度量，这种系统是以人眼对亮度的响应特征为基础的；2）能量学系统，用某一特征波长范围内即光合有效波段内的辐射通量密度(Wm-2)来度量；3）量子学系统，用光量子通量密度(μmoles/m2/s)来度量，太阳直接辐射光量子通量的气候学计算方法。

所以一般照明灯具的光照度的单位使用的是Lux，而植物生长灯光照强度通常使用的是μmoles/m2/s这一单位。

以下介绍几种常见的植物生长灯种类：

1、白炽灯：白炽灯是一种热辐射光源，最接近于太阳光色，显色性好，光谱均匀而不突兀。白炽灯（包含卤素灯）的光谱是连续而且平均的。但在所有的照明灯中，白炽灯的效率几乎是最低的。它所消耗的电能只有约2%可转化为光能，而其余部分都以热能的形式散失了。至于使用寿命，通常不会超过1000小时，卤素灯就比一般的白炽灯要长很多。所以白炽灯作为植物生长灯并不算多。

2、LED灯：其中使用最广泛的是白色LED灯，用于模拟太阳光照。相对于荧光灯，白色LED灯具有更全的光谱范围，且发热量更小，光照强度也要高一些，组合可达到200~1000μmoles/m2s甚至更高的光照强度。此外，白色LED灯的能耗仅为白炽灯的1/10，寿命可达5万小时以上，抗震性也较好，而且不含铅汞等，绿色环保。

一种白色LED灯光谱图和应用

3、LED全光谱灯板：LED具有许多不同于其他电光源的特点，应用于植物培养领域的LED还表现在他的波长类型丰富、正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合，他可以设计成平面灯板集中特定波长的光均衡地照射作物;不仅可以调节作物开花与结实，而且还能控制株高和植物的营养成分;系统发热少，占用空间小，可用于多层栽培立体组合系统，实现了低热负荷和生产空间小型化，直流驱动，无需预热时间，瞬间再启动（响应时间100nS），电光转换率接近100%，亮度更高，相同照明效果比传统光源节能90%以上，节能效果十分明显。传统光源每平方米需要配备0.5千瓦的光源，而LED只需要0.27千瓦，这样就可以使耗电量下降约一半。省电是一方面，LED光源的应用，更加能还原植物生长的本来面貌，现在实验室种植拟南芥长不好，就有光照不规范的原因。我们经过长时间的对比，植物生长至一定阶段后，光谱成份便开始对其发育生长起作用：

紫光与紫外线 ( 波长 300—440nm) 是促进植物形成色素的主要光能。

蓝光 ( 波长 440—490nm) 可以活跃叶绿体的活动，促进光合作用。

绿色及黄色光 ( 波长 500—600nm) 抑制叶绿体的活动，使光合作用下降

橙红色光 ( 波长 600—700nm) 能大大增强植物的光合作用，有利于促进植物生长。

同时，植物对不同光谱的吸收也不同，吸收最多的是橙红色光，其次是蓝紫色光及紫外线 ( 波长 300 、 500nm) ，而对绿黄色光 ( 波长 500-600nm) 则吸收较少。

光线对植物的作用如下：

红光：波长610nm—720nm。促进光合作用，促进植物生长。

蓝光：波长400nm—520nm。增强叶绿体活动，促进植物光合作用。

紫光：波长300nm—440nm。促进植物形成色素和对磷、铝元素的吸收。

通过以上数据我们开发的全光谱光源采用红、蓝光通量是4：1至10：1之间为宜，通常为7：1至8：1。波长450nm,630和660nm 730nm左右对光合作用最有促进作用。红蓝光比适用于大部分植物，并且涵盖了450nm,630和660nm 730nm四种波长，对植物光合作用具有最强的促进作用。

光和植物的关系

★ 光照强度调节：

不同种类的植物生长灯，除了光源种类、色温和颜色不同之外，光照强度的调节能力也不同。现阶段灯管光照强度的调节，基本上可以达到1%的步调能力，像LED灯板可以在0-100%范围内调节光强，这样可以使一台植物生长箱满足不同的需求，实现一机多用和更高的使用率。例如，一台植物生长箱的最大光强为600 ±10% μmoles/m2s，光照强度可以按1%步调，当光照强度调节为30%-50%左右时，可以用于组织培养、拟南芥研究等；当光照强度调节为100%左右时，可以用于需要更高光照强度的植物的培养。当然这与植物生长箱的性能和控制能力有直接关系，有的植物生长箱光照控制只能开和关，有的只能进行3级或5级控制。

如果想要更加准确地模拟自然环境光照的变化，同温度控制类似，植物生长箱需要具备光照强度均匀增大或减小的功能，因为自然环境中温度的升高或降低是连续的、较均匀的。这种控制能力使得研究人员可以为植物生长箱设计更加复杂的程序，不仅可以模拟春夏秋冬四季和各个气候带，还可以模拟每天24小时不同时间点的光照强度。

★ 灯管安装位置：

关于植物生长灯，除了光源种类、光照强度大小及可调性、固定或可调光谱，灯管的安装位置也有所不同。步入式植物生长室的灯管安装位置基本上是两种：安装在植物生长室顶上和安装在货架上，前者是为了保证生长高度和光照强度，适合需要高光照强度的中大型植物；后者的灯管光照强度约200-600 μmoles/m2/s范围，适合组织培养、拟南芥研究和一些不需要高光照强度的植物的培养。

而对于植物生长箱，灯管的安装位置选择则更多，比较常见的是水平安装，即安装在搁板上。其次是竖直安装，即安装在门上或内腔。竖直安装的灯管光源，距灯管近则光照强度大，否则光照强度小，做相同条件的植物培养可能会造成培养结果参差不齐，做差异化培养则更加合适。

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