植物生長(zhǎng)箱和步入式植物生長(zhǎng)室是高校、研究所和企業(yè)等機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，主要用于組織培養(yǎng)、植物生長(zhǎng)和昆蟲(chóng)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(xué)、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(zhǎng)箱指的是Reach-In Plant Growth Chamber，步入式植物生長(zhǎng)室指的是Walk-In Plant Growth Chamber。

 

▲ 植物生長(zhǎng)箱及步入式植物生長(zhǎng)室的多種用途

 

在選擇植物生長(zhǎng)箱和步入式植物生長(zhǎng)室時(shí)，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(zhǎng)箱和步入式植物生長(zhǎng)室溫度性能的選擇，以及幾種常見(jiàn)的植物生長(zhǎng)燈光源。

 

▲ 植物光合作用和Aralab簡(jiǎn)便人性化的參數(shù)控制面板

 

▌ 溫度：

 

不同植物自有其生長(zhǎng)適宜的溫度。想要在實(shí)驗(yàn)室植物生長(zhǎng)箱中模擬植物生長(zhǎng)所需的溫度，是簡(jiǎn)單的又是復(fù)雜的。簡(jiǎn)單是因?yàn)橹参镉衅渥钸m宜的生長(zhǎng)溫度，將植物生長(zhǎng)箱設(shè)定為這一溫度值即可，會(huì)較快的促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

 

復(fù)雜主要是因?yàn)?

 

（一）溫度控制并不是線性的，當(dāng)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(shí)間段設(shè)定溫度為20℃，其溫度值不可能會(huì)完全穩(wěn)定在20℃，肯定會(huì)有一定的溫度波動(dòng)，而波動(dòng)的大小則決定了溫度的精度。比如波動(dòng)+/-0.5℃，即溫度的范圍為19.5℃~20.5℃；和波動(dòng)+/-1℃，即溫度的范圍為19℃~21℃，則代表了植物生長(zhǎng)箱性能和控制能力的不同。又比如，在某一時(shí)間段設(shè)定溫度為20℃和光照強(qiáng)度為250 µmoles/m²s。但是發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)一段時(shí)間后，擱板不同位置的植物生長(zhǎng)情況不一，可能是外面靠門(mén)的植株較高、枝葉很綠；而里面的植株較矮、枝葉發(fā)黃。當(dāng)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(huì)在一定程度上產(chǎn)生較大影響。比如均勻性+/-1℃，即某一時(shí)間點(diǎn)，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(zhǎng)箱性能和控制能力的不同。

 

（二）植物的生長(zhǎng)環(huán)境都有一定的規(guī)律，除了春夏秋冬四季和各個(gè)氣候帶之分，每天24小時(shí)的溫濕度也是在不斷變化的，比如早上6點(diǎn)時(shí)5℃，中午12點(diǎn)時(shí)30℃，晚上8點(diǎn)時(shí)10℃。如何更準(zhǔn)確地模擬一天24小時(shí)植物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度變化呢？這需要植物生長(zhǎng)箱具有較強(qiáng)大的控制能力，可以模擬不同時(shí)間段的溫度。更強(qiáng)大的功能則是溫度均勻增加或減少的功能，因?yàn)樽匀画h(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(cè)試

 

▌ 光照：

 

光作為環(huán)境信號(hào)作用于植物，是影響植物生長(zhǎng)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(duì)植物體的建成的作用上，光還是植物整個(gè)生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中的重要調(diào)節(jié)因子，是貫穿植物體后期生長(zhǎng)發(fā)育整個(gè)過(guò)程的。

 

實(shí)驗(yàn)室植物生長(zhǎng)箱中是通過(guò)不同的燈來(lái)模擬不同光照的，常見(jiàn)的有傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈、LED燈、金屬鹵素?zé)舻取?868年，俄羅斯植物學(xué)家AndreiFamintsyn，是第一個(gè)將人造光用于植物生長(zhǎng)和研究的人。

 

植物生長(zhǎng)燈光照強(qiáng)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(lái)測(cè)量光合有效輻射的。太陽(yáng)輻射中能被綠色植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的那部分能量稱為光合有效輻射，即Photosynthetically Active Radiation，簡(jiǎn)稱PAR。它是形成生物量的基本能源,直接影響著植物的生長(zhǎng)、發(fā)育、產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。PAR有三種計(jì)量系統(tǒng)：

1）光學(xué)系統(tǒng)，用光照度(lux)來(lái)度量，這種系統(tǒng)是以人眼對(duì)亮度的響應(yīng)特征為基礎(chǔ)的；
2）能量學(xué)系統(tǒng)，用某一特征波長(zhǎng)范圍內(nèi)即光合有效波段內(nèi)的輻射通量密度(Wm-2)來(lái)度量；
3）量子學(xué)系統(tǒng)，用光量子通量密度(µmoles/m²/s)來(lái)度量，太陽(yáng)直接輻射光量子通量的氣候?qū)W計(jì)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(zhǎng)燈光照強(qiáng)度通常使用的是µmoles/m²/s這一單位。

 

以下介紹幾種常見(jiàn)的植物生長(zhǎng)燈種類：

 

1、白熾燈：白熾燈是一種熱輻射光源，最接近于太陽(yáng)光色，顯色性好，光譜均勻而不突兀。白熾燈（包含鹵素?zé)簦┑墓庾V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(huì)超過(guò)1000小時(shí)，鹵素?zé)艟捅纫话愕陌谉霟粢�長(zhǎng)很多。所以白熾燈作為植物生長(zhǎng)燈并不算多。

 

2、熒光燈：也叫日光燈，是一種較常見(jiàn)的植物生長(zhǎng)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(jiàn)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?zé)晒夥�，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(shí)；但是熒光燈管顯色性能較低，光譜分布非常不均，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太陽(yáng)光，不屬于高效節(jié)能電光源。熒光燈的光照強(qiáng)度組合可以達(dá)到200~450µmoles/m²/s，適合組織培養(yǎng)、擬南芥研究等應(yīng)用。

 

▲ 一種冷白熒光燈的光譜圖和應(yīng)用

 

3、LED燈：其中使用最廣泛的是白色LED燈，用于模擬太陽(yáng)光照。相對(duì)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(qiáng)度也要高一些，組合可達(dá)到200~1000µmoles/m²s甚至更高的光照強(qiáng)度。此外，白色LED燈的能耗僅為白熾燈的1/10，壽命可達(dá)5萬(wàn)小時(shí)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(yīng)用

 

當(dāng)前的技術(shù)可以使LED燈發(fā)出白、紅、黃、藍(lán)、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(lán)和遠(yuǎn)紅等LED光源。其中：

• 藍(lán)光（400~500 nm），可增強(qiáng)光合作用和葉綠素的合成，防止植物徒長(zhǎng)，另一方面抑制植物根莖細(xì)胞和器官的伸長(zhǎng)，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(jìn)植物生長(zhǎng)、發(fā)芽、開(kāi)花、結(jié)果，在植物增色中起著主導(dǎo)作用，促進(jìn)植物光和作用，更適合花卉、果實(shí)、菜溫室補(bǔ)光。

• 遠(yuǎn)紅光（700~800 nm），用LEDs補(bǔ)充遠(yuǎn)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(zhǎng)、葉長(zhǎng)和葉寬增加。補(bǔ)加FR對(duì)生長(zhǎng)的促進(jìn)作用可能是由于葉面積增加而導(dǎo)致的對(duì)光吸收的增加。低R/FR條件下生長(zhǎng)的擬南芥比高R/FR下生長(zhǎng)的植物葉片大而厚、生物質(zhì)數(shù)量大，冷適應(yīng)能力強(qiáng)。不同比例的R/FR還可以改變植物的抗鹽性。

 

▲ 白、紅、藍(lán)三色光植物生長(zhǎng)箱

 

▲ 藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光光譜圖

 

4、高性能LED燈：高性能LED燈的光照強(qiáng)度相對(duì)于一般白色管狀LED燈要更高。國(guó)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(xué)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(shí)現(xiàn)不同的光照強(qiáng)度，從300、600、800~1200µmoles/m²/s，甚至更高的光照強(qiáng)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(zhǎng)應(yīng)用。如AP67光譜配方：促進(jìn)植物成長(zhǎng)與開(kāi)花；AP673L：促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育；G2/NS1/NS12：增進(jìn)春化作用過(guò)程；Valoya BIOMASS：用來(lái)促進(jìn)大麻種植時(shí)生物質(zhì)的產(chǎn)出；Valoya Canna+：增加大麻種植時(shí)THC的產(chǎn)能。

 

▲ 部分Valoya LED光譜選項(xiàng)

 

▲ 一種Valoya LED燈及其光譜圖

 

5、陶瓷金鹵燈：比傳統(tǒng)鹵素?zé)艄庑Ц?0%以上，壽命可達(dá)20000小時(shí)，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?zé)艄?jié)能70%，比汞燈節(jié)能150%。具有更高的光照強(qiáng)度600~1100 µmoles/m²s，發(fā)熱量也較大，需安裝在單獨(dú)冷卻的玻璃燈罩內(nèi)，由獨(dú)立通風(fēng)口排除熱量，以保證生長(zhǎng)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(jiàn)的需要高光強(qiáng)的大型植物。

 

▲ 陶瓷金鹵燈的光譜圖和應(yīng)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(shí)現(xiàn)可調(diào)光譜的植物生長(zhǎng)燈。

 

6、可調(diào)光譜LED燈：瑞典的Heliospectra公司以植物科學(xué)與園藝方面的智慧LED照明系統(tǒng)而聞名。以Heliospectra RX30型號(hào)為例，其具有9通道波長(zhǎng)控制，距光源500mm處光照強(qiáng)度最高可達(dá)600μmoles/m2/s，同時(shí)可以在10% ~ 100%范圍內(nèi)按1%步調(diào)�？蓡为�(dú)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(lái)管理LED燈。

 

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

 

▌ 光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)：

 

不同種類的植物生長(zhǎng)燈，除了光源種類、色溫和顏色不同之外，光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)能力也不同。現(xiàn)階段燈管光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，基本上可以達(dá)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(qiáng)，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(tái)植物生長(zhǎng)箱滿足不同的需求，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用和更高的使用率。例如，一臺(tái)植物生長(zhǎng)箱的最大光強(qiáng)為600 +/-10% µmoles/m²s，光照強(qiáng)度可以按1%步調(diào)，當(dāng)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)為30%~50%左右時(shí)，可以用于組織培養(yǎng)、擬南芥研究等；當(dāng)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)為100%左右時(shí)，可以用于需要更高光照強(qiáng)度的植物的培養(yǎng)。當(dāng)然這與植物生長(zhǎng)箱的性能和控制能力有直接關(guān)系，有的植物生長(zhǎng)箱光照控制只能開(kāi)和關(guān)，有的只能進(jìn)行3級(jí)或5級(jí)控制。

 

如果想要更加準(zhǔn)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(zhǎng)箱需要具備光照強(qiáng)度均勻增大或減小的功能，因?yàn)樽匀画h(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(zhǎng)箱設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的程序，不僅可以模擬春夏秋冬四季和各個(gè)氣候帶，還可以模擬每天24小時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)的光照強(qiáng)度。

 

 

▌ 燈管安裝位置：

 

關(guān)于植物生長(zhǎng)燈，除了光源種類、光照強(qiáng)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(zhǎng)室的燈管安裝位置基本上是兩種：安裝在植物生長(zhǎng)室頂上和安裝在貨架上，前者是為了保證生長(zhǎng)高度和光照強(qiáng)度，適合需要高光照強(qiáng)度的中大型植物；后者的燈管光照強(qiáng)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(qiáng)度的植物的培養(yǎng)。

 

 

而對(duì)于植物生長(zhǎng)箱，燈管的安裝位置選擇則更多，比較常見(jiàn)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(mén)上或內(nèi)腔。豎直安裝的燈管光源，距燈管近則光照強(qiáng)度大，否則光照強(qiáng)度小，做相同條件的植物培養(yǎng)可能會(huì)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(zhǎng)燈	▲ 側(cè)面植物生長(zhǎng)燈	▲ 門(mén)上植物生長(zhǎng)燈

 

About Aralab

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(jì)、研發(fā)和制造恒溫恒濕箱、人工氣候室、穩(wěn)定性測(cè)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(yīng)用最新科技完善產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)精確模擬和控制溫度、濕度、光照、壓力、風(fēng)速以及許多其它環(huán)境條件。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)氣候控制設(shè)備、藥物穩(wěn)定測(cè)試設(shè)備和特殊測(cè)試設(shè)備的最大供應(yīng)商之一，為全世界范圍內(nèi)的伙伴和用戶提供先進(jìn)的設(shè)備與技術(shù)，提升科研與測(cè)試水平。

Aralab及其光源供應(yīng)商對(duì)于植物光照研究有著幾十年的豐富經(jīng)驗(yàn)和大量技術(shù)資料積累，能夠?yàn)榭蛻舳ㄖ苹�設(shè)計(jì)專業(yè)資深的光源等相關(guān)的解決方案。

艾力特生命科學(xué)作為Aralab在中國(guó)區(qū)的唯一合作伙伴，由我們的技術(shù)應(yīng)用專家，銷售工程師和售后服務(wù)人員組成的團(tuán)隊(duì)，將為我們的客戶提供優(yōu)質(zhì)專業(yè)高效的售前技術(shù)咨詢、方案設(shè)計(jì)和售后服務(wù)。

 

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