Selection of Culture Conditions for Plant Growth Box

植物生长箱和步入式植物生长室是高校、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。

本文中植物生长箱指的是Reach-In Plant Growth Chamber，步入式植物生长室指的是Walk-In Plant Growth Chamber。

▲ 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Aralab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，会较快的促进植物生长。

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。

▲ 温度均一性和均匀性变化测试

▌ 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、荧光灯：也叫日光灯，是一种较常见的植物生长灯，其中使用最多的是冷白荧光灯。传统型荧光灯即低压汞灯，是利用低气压的汞蒸气在通电后释放紫外线，从而使荧光粉发出可见光的原理发光，因此它属于低气压弧光放电光源。普通荧光灯管涂卤素荧光粉，填充氩气、氪氩混合气体。相比白炽灯，发热量小很多，发光效率高很多，使用寿命高于白炽灯、低于LED灯，约15000小时；但是荧光灯管显色性能较低，光谱分布非常不均，远远小于太阳光，不属于高效节能电光源。荧光灯的光照强度组合可以达到200~450µmoles/m²/s，适合组织培养、拟南芥研究等应用。

▲ 一种冷白荧光灯的光谱图和应用

3、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

当前的技术可以使LED灯发出白、红、黄、蓝、绿、青、橙、紫等多种颜色。而在植物培养领域使用的除了白色，还有红、绿、蓝和远红等LED光源。其中：

• 蓝光（400~500 nm），可增强光合作用和叶绿素的合成，防止植物徒长，另一方面抑制植物根茎细胞和器官的伸长，比较适合多肉植物、茎叶类，所有植物小苗育苗，铁皮石斛植物使用。

• 红光（600~700 nm），促进植物生长、发芽、开花、结果，在植物增色中起着主导作用，促进植物光和作用，更适合花卉、果实、菜温室补光。

• 远红光（700~800 nm），用LEDs补充远红辐射（发射峰734nm）使花色素苷、类胡萝卜素和叶绿素含量降低，而使植株鲜重、干重、茎长、叶长和叶宽增加。补加FR对生长的促进作用可能是由于叶面积增加而导致的对光吸收的增加。低R/FR条件下生长的拟南芥比高R/FR下生长的植物叶片大而厚、生物质数量大，冷适应能力强。不同比例的R/FR还可以改变植物的抗盐性。

▲ 白、红、蓝三色光植物生长箱

▲ 蓝光、红光、远红光光谱图

4、高性能LED灯：高性能LED灯的光照强度相对于一般白色管状LED灯要更高。国际上高性能LED灯使用较多的是芬兰的Valoya，专注于植物生物学研究，世界上最大的10家农业公司中有8家已經在使用Valoya的光源方案。不同的数量的Valoya LED灯组合方案可实现不同的光照强度，从300、600、800~1200µmoles/m²/s，甚至更高的光照强度。

▲ 白色Valoya LED灯

Valoya LED研发了不同的光谱配方种类，适用于不同的植物生长应用。如AP67光谱配方：促进植物成长与开花；AP673L：促进植物生长发育；G2/NS1/NS12：增进春化作用过程；Valoya BIOMASS：用来促进大麻种植时生物质的产出；Valoya Canna+：增加大麻种植时THC的产能。

▲ 部分Valoya LED光谱选项

▲ 一种Valoya LED灯及其光谱图

5、陶瓷金卤灯：比传统卤素灯光效高30%以上，寿命可达20000小时，光衰慢，照明效果持久。与高压钠灯相比节能10%，比传统卤素灯节能70%，比汞灯节能150%。具有更高的光照强度600~1100 µmoles/m²s，发热量也较大，需安装在单独冷却的玻璃灯罩内，由独立通风口排除热量，以保证生长区域气候条件稳定。适合小麦、玉米、水稻、棉花、大豆、咖啡、软木等各种常见的需要高光强的大型植物。

▲ 陶瓷金卤灯的光谱图和应用

以上介绍的荧光灯和LED灯等都是固定光谱光源，现在的技术还能实现可调光谱的植物生长灯。

6、可调光谱LED灯：瑞典的Heliospectra公司以植物科学与园艺方面的智慧LED照明系统而闻名。以Heliospectra RX30型号为例，其具有9通道波长控制，距光源500mm处光照强度最高可达600μmoles/m2/s，同时可以在10% ~ 100%范围内按1%步调。可单独控制9种光谱: 380nm, 400, 420, 450, 520, 630, 660, 735nm和5700K白色；Heliospectra还可发出了系统辅助软件来管理LED灯。

▲ HeliospectraRX30 可调光谱LED灯及其光谱图

▌ 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，像荧光灯和LED灯可以在10%~100%范围内调节光强，陶瓷金卤灯可以在30%~100%范围内调节。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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