以 隔 絕 外 來 光 源 種 植 方 式 使 用 LED 培 育 植 物 之 研 究
王 士 瑋 1*、 甘 廣 宙 2、 張 培 華 1 1私 立 崑 山 科 技 大 學 光 電 工 程 所
2國 立 嘉 義 大 學 電 機 工 程 系 710 台 南 縣 永 康 市 大 灣 路 949 號
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摘 要
本 篇 論 文 是 以 白 光 表 面 黏 著 式 (surface mount device， SMD) 發 光 二 極 體 (Light-Emitting Diode， LED)與 紅 、 藍 、 綠 三 色 5Φ LED作 為 培 養 植 物 之 光 源 ， 探 討 LED的 光 波 長 是 否 會 促 進 或 抑 制 植 物 之 生 長 。 本 次 實 驗 架 構 使 用 綠 豆 苗 為 觀 察 對 象 ， 以 定 電 流 電 路 驅 動 LED矩 陣 ， 採 用 封 閉 的 木 箱 隔 絕 其 他 光 源 之 影 響 ， 使 植 物 只 能 夠 受 到 LED所 照 射 到 之 光 源 生 長 ， 藉 此 測 量 LED對 植 物 生 長 所 產 生 的 影 響 ， 結 果 顯 示 照 射 過 SMD白 光 LED之 後 的 綠 豆 苗 ， 無 論 是 高 度 、 葉 片 數 、 分 支 數 都 優 於 日 光 燈 與 5Φ LED照 射 過 後 之 豆 苗 ， 存 活 率 也 較 其 他 組 高 ， 並 且 可 在 不 支 撐 的 狀 態 下 持 續 生 長 。
關 鍵 字 ： 人 工 光 源 、 表 面 黏 著 式 元 件 、 發 光 二 極 體
1. 前 言
傳 統 培 育 植 物 ， 多 半 使 用 人 工 光 源 照 射 植 物 ， 藉 此 改 變 植 物 的 生 長 狀 況 。 近 幾 年 ， 由 於 LED製 程 技 術 提 升 ， 使 LED之 亮 度 、 色 溫 大 幅 改 善 ， 國 內 外 開 始 使 用 LED作 為 植 物 培 育 的 人 工 光 源 ， 在 1997年 ， 日 本 就 提 出 了 用 LED作 為 植 物 工 廠 培 育 之 概 念 [1]， 在 近 幾 年 ， 日 本 也 開 發 出 專 為 植 物 生 長 所 使 用 的 LED燈 具 商 品 。 LED具 有 高 亮 度 、 直 流 電 流 驅 動 、 體 積 小 、 熱 度 低 、 波 長 區 段 固 定 等 優 點 ， 所 以 LED的 使 用 已 成 為 農 業 照 明 的 新 選 擇 。 [2]
本 篇 論 文 使 用 SMD白 光 LED作 為 實 驗 架 構 之 一 ， SMD LED面 積 較 5Φ LED與 食 人 魚 LED 小 ， 運 用 在 植 物 照 明 上 ， 可 以 有 效 將 縮 減 光 源 與 植 物 之 間 距 離 ， 希 望 在 本 次 實 驗 當 中 ， 觀 察 SMD LED是 否 能 促 進 或 抑 制 植 物 生 長 。 本 實 驗 配 合 一 直 流 驅 動 電 路 ， 使 LED不 閃 爍 、 亮 度 均 一 。
2. 實 驗 器 材 與 方 法
本 次 實 驗 器 材 由 定 電 流 電 路 、 光 源 與 培 育 箱 三 部 分 組 成 ， 圖 1為 驅 動 電 路 之 電 路 圖 ， 參 考 文 獻 [3]中 之 定 電 流 電 路 ， 使 用 電 晶 體 作 為 主 要 電 路 架 構 ， 在 直 流 電 壓 先 流 過 LED矩 陣 ， 再 流 入 電 晶 體 電 路 ， 當 電 流 經 過 電 路 中 的 限 流 電 阻 ， 使 限 流 電 阻 上 的 電 壓 大 於 0.6伏 特 ， 則 限 流 電 晶 體 會 導 通 ， 進 而 使 開 關 電 晶 體 截 止 ， 達 到 LED定 電 流 驅 動 之 效 果 。
圖 2為 光 源 部 份 ， 參 考 文 獻 [4]中 使 用 串 並 聯 之 LED矩 陣 ， 本 次 實 驗 以 五 顆 LED串 聯 為 一 組 ， 共 二 十 組 並 聯 為 共 一 百 顆 之 LED矩 陣 照 明 板 。
不 受 外 在 光 源 影 響 。
圖 1. 定 電 流 驅 動 電 路 圖
圖 2. LED照 明 板 圖 (左 ： SMD白 光 LED， 右 ： 5Φ LED)
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圖 3. 植 物 培 育 箱 圖 4. 培 育 箱 內 部 架 構
使 用 綠 豆 作 為 實 驗 對 象 ， 選 用 培 養 土 作 為 種 植 土 壤 ， 每 組 25顆 ， 對 照 組 與 實 驗 組 均 放 於 室 內 ， 對 照 組 以 日 光 燈 照 射 ， 以 一 般 室 內 光 源 作 為 比 較 重 點 。 以 全 日 照 方 式 進 行 實 驗 ， 總 計 21天 ， 每 日 進 行 測 量 ： 植 物 株 高 (紀 錄 最 高 株 高 與 平 均 株 高 )、 豆 苗 分 支 數 、 豆 苗 最 多 葉 片 數 。
3. 結 果 與 討 論
經 過 21天 的 種 植 之 後 ， 表 1為 種 植 後 結 果 ， 發 現 SMD白 光 LED照 射 過 後 的 綠 豆 苗 ， 無 論 是 高 度 (圖 5)、 葉 片 的 數 量 (圖 6)、 分 支 數 目 (圖 7)都 較 其 他 LED突 出 。 實 驗 中 也 發 現 ， 綠 光 組 一 開 始 的 生 長 較 其 他 四 組 快 ， 但 是 從 實 驗 第 四 天 起 豆 苗 開 始 死 亡 ， 實 驗 第 十 一 天 豆 苗 完 全 死 亡 ， 可 見 綠 光 組 並 沒 有 辦 法 維 持 豆 芽 的 生 長 。 而 藍 光 組 與 白 光 組 都 能 夠 有 效 使 豆 苗 生 長 出 分 支 ， 但 是 藍 光 組 仍 有 豆 苗 死 亡 ， 可 能 是 豆 苗 無 法 完 全 單 靠 藍 光 LED波 長 生 長 。 比 照 參 考 文 獻 [3]中 的 結 果 ， 紅 光 LED的 成 長 效 果 會 比 白 光 LED與 藍 光 LED顯 著 ， 此 次 實 驗 當 中 ， 使 用 SMD白 光 LED作 為 實 驗 照 射 光 源 ， 成 長 效 果 較 紅 光 LED顯 著 ， 原 因 可 能 是 SMD白 光 LED亮 度 較 5Φ 紅 光 LED高 ， 所 以 有 較 顯 著 之 結 果 、 或 是 紅 光 LED波 長 對 綠 豆 苗 生 長 沒 有 較 顯 著 之 影 響 。
綠 豆 的 莖 相 當 脆 弱 ， 在 成 長 之 後 多 半 會 因 為 外 力 影 響 (如 風 力 )造 成 斷 裂 ， 所 以 必 須 另 外 支 撐 ， 本 次 實 驗 中 並 無 加 以 支 撐 ， 白 光 組 之 豆 莖 非 但 沒 有 彎 曲 ， 反 而 不 需 支 撐 也 能 生 長 ， 對 照 組 則 沒 有 這 個 效 果 ， 儘 管 沒 有 風 力 與 外 力 干 擾 ， 莖 的 生 長 依 然 彎 曲 需 要 支 撐 ， 顯 示 SMD白 光 LED 的 亮 度 足 以 使 綠 豆 苗 成 長 ， 莖 部 不 需 要 支 撐 (圖 8)。
表 1. 實 驗 結 果 比 較 表
組 別 SMD白 光 組 紅 光 組 綠 光 組 藍 光 組 對 照 組
最 高 高 度 35.2 cm 29.2 cm 32.4 cm 30.0 cm 27.3 cm
圖 5.綠 豆 苗 高 度 生 長 曲 線 圖 圖 6.綠 豆 苗 葉 片 數 量 比 較 曲 線 圖
圖 7.綠 豆 苗 分 支 數 量 比 較 曲 線 圖 圖 8.綠 豆 苗 成 長 比 較
4. 結 論
在 本 次 的 實 驗 中 ， 經 過 SMD白 光 LED 21天 的 照 射 之 後 ， 業 片 與 分 支 持 續 成 長 ， 期 間 沒 有 任 何 綠 豆 苗 死 亡 ， 豆 莖 無 軟 化 ， 不 需 支 撐 仍 持 續 生 長 ， 顯 示 SMD白 光 LED用 於 培 育 綠 豆 苗 為 可 行 的 。 而 實 驗 當 中 ， 綠 光 組 在 實 驗 第 十 一 天 時 死 亡 ， 未 達 到 21天 的 觀 察 期 ， 但 在 實 驗 前 五 日 內 ， 其 豆 莖 的 成 長 速 度 較 其 他 組 別 為 快 (圖 9)， 是 否 有 促 進 莖 成 長 的 功 效 ， 值 得 後 續 探 討 。
藍 光 組 、 紅 光 組 與 對 照 組 都 維 持 生 長 ， 其 中 藍 光 組 之 豆 苗 有 生 長 出 分 支 ， 仍 有 綠 豆 苗 死 亡 ， 可 判 斷 單 一 波 長 光 源 不 足 以 促 進 與 維 持 綠 豆 苗 之 生 長 ， 必 須 有 其 他 波 長 之 光 線 輔 助 照 射 才 有 辦 法 提 供 綠 豆 苗 足 夠 的 生 長 條 件 。
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圖 9.前 五 日 之 綠 豆 高 度 生 長 曲 線 圖
5. 致 謝
此 論 文 相 關 研 究 工 作 獲 國 科 會 計 畫 補 助 經 費 (NSC97-2221-E-168-045)， 在 此 致 上 感 謝 。
參 考 文 獻
1. Hiroyuki WATANABE; “ Light Emitting Diodes as the Irradiation Source for Plant Factories,”
レ ー ザ ー 研 究 :25 (12) 836-840, 1997
2. 張 明 毅 、 方 煒 、 朱 元 南 ， “ 高 亮 度 LED 在 觀 賞 水 草 養 殖 之 應 用 ” ， 2005 農 機 /生 機 論 文 發 表 會 ， 屏 東 ， 屏 東 科 技 大 學 ， 94/10/14 - 94/10/15。
3. 高 望 佾 、 方 景 平 、 周 弘 恩 、 王 文 壽 ， “ LED 定 電 流 電 路 之 探 討 ” ， 第 四 屆 智 慧 生 活 科 技 研 討 會 ， 國 立 勤 益 科 技 大 學 ， 台 中 ， 98/6/5。
4. 侯 智 耀 ， “ 以 紅 光 與 藍 光 LED 做 為 人 工 光 源 探 討 其 對 白 化 豌 豆 苗 生 長 之 影 響 ” ， 國 立 屏 東 科 技 大 學 食 品 科 學 系 ， 2004， 屏 東 。
