发光二极管(light emitting diode, LED)作为一种冷光源，可选择的中心波长广、光谱半波宽度窄，较荧光灯可节能83%，较白炽灯可节能54%，具有节能、环保、寿命长和高光效等优点^[1-2]，可以实现各种不同波谱的精准科学控制，是现代物理农业采纳用于改善生产中光环境以及开展植物特征光谱研究的首选人工光源^[3]。

茶叶加工过程紧密依赖“光、温、湿、风”等环境因子^[4]。基于LED光源存在的诸多优越性，近年来许多学者开展了针对阴雨天气的乌龙茶补光萎凋技术以及花果香型红茶人工光萎凋创新技术的相关研究^[5-7]；但大部分研究仅仅围绕着光质、光强等因子开展试验，而在生产实际中如何更加有效地降低能耗、提高光效方面研究尚未见报道。为了进一步探讨在茶叶生产实践中应用LED补光萎凋的节能性和经济性，本研究基于不同波长的LED灯源，分析不同照射距离对各受光点和受光面的光辐射通量密度、光照度和光量子通量密度的影响，探究其光均匀性、光能利用效率以及在制叶的失水速率变化，以期为未来人工光源萎凋试验研究和投产建设提供依据。

1 材料与方法 1.1 LED光源基本性能参数

根据茶叶萎凋工艺需求，设计定制了5种茶叶萎凋专用LED灯具(红光、橙光、黄光、绿光、蓝光，深圳拓邦股份有限公司)。LED灯具的光谱波长基本覆盖和代表了可见光中的不同波谱范围。每台LED光源镶嵌36颗大灯珠(图 1)，功率1 W，按横竖等间距矩形网络阵列，发光面积40 000 mm²。5种不同波长的LED灯具基本性能参数见表 1。

1.2 其他仪器设备 1.2.1 TBQ-D1太阳辐射仪

用于测定受光面光合有效波段内的辐射通量密度，由锦州阳光科技开发有限公司生产。其工作原理以热电偶为感应元件，检测器置于相应距离LED正下方，热接点在感应面上，而冷接点则位于机体内。冷热接点产生温差电势并根据仪器灵敏度系数统一换算为辐射通量密度，测量范围：0~2 000 W·m^-2。

1.2.2 TES-1332A照度计

由广州仪弘电子有限公司生产。主要用于测定受光表面单位面积的光通量，表示受光表面被照亮程度。测定前选择适合测量档位，将光检测器置于相应距离LED正下方，锁定脉冲峰值获得光通量数值，测量范围：0~200 000 lx。

1.2.3 GLZ-B托普仪

由浙江托普仪器有限公司生产，用于测定单位面积所接收到400~700 nm波长光谱范围内的光合作用光量子数量。将光量子传感器置于相应距离LED正下方采集光照，选用双通道记录, 分别获得光量子通量密度和光照度，测量范围：0~2 700 μmol·m^-2·s^-1。

1.3 试验设计 1.3.1 不同照射距离的受光均匀性和光能利用效率

设计5个不同照射距离(图 2A)：100、200、300、400、500 mm，依次编号为：H₁~H₅，并在受光面上统一选取9个测量点(图 2B)。受光面积取200 mm×200 mm，与LED的发光面面积一致，分别测定和分析不同波长LED光源在不同照射距离条件下，发光面投影到受光面和不同受光点的光辐射通量密度、光照度和光量子通量密度。试验重复4次。

1.3.2 不同照射距离在制叶萎凋过程的失水速率

采摘福建农林大学南区茶园的一芽三叶铁观音，将离体茶鲜叶在5个照射距离(H₁~H₅)下，采用LED红光持续照射1.0 h，控制环境温度为25 ℃、相对湿度50%。按照文献[8]检测在制叶的含水率，并换算为在制叶的失水速率。失水速率/%=(光照前含水率-光照后含水率)×100/光照前含水率。

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel进行数据分析，主要计算平均值(Mean)、标准差(SD)以及变异系数(CV)。其中，CV代表组内数据的离散程度，CV值越低，数值差异越小。另外，采用SPSS 19.0统计软件进行组间的显著性差异分析。

2 结果与分析 2.1 照射距离对茶叶受光点光强均匀分布的影响

预备试验结果表明，5种LED光不同照射距离的光辐射通量密度、光照度和光量子通量密度变化规律相同。以LED红光(R)为例，不同照射距离各点辐射通量密度、光照度和光量子通量密度如表 2~4所示。

由表 2~4可知，不同照射距离条件下，LED发光面投影到受光面9个测试点的组内辐射通量密度、光照度和光量子通量密度分别表现出一定的数值差异。通过比较不同处理的CV可知：H₅＜H₄＜H₃＜H₂＜H₁。根据CV越低，数值离散程度越小，可知同一受光面各点受到的光辐射均匀性越好。因此，照射距离越大，CV越低，受光面各点受到的光辐射均匀度越好。

2.2 照射距离对茶叶受光面综合平均光强的影响

不同波长LED在不同照射距离下，受光面的辐射通量密度、光照度和光量子通量密度如表 5~7所示。

由表 5~7可知，随着照射距离的加大，5种不同LED光源的综合平均辐射通量密度、光照度和光量子通量密度都呈现先升高后不断降低的变化趋势。同一波长LED在不同照射距离条件下, 处理组内的辐射通量密度、光照度和光量子通量密度存在极显著差异。

不同波长LED光在200~300 mm照射距离(H₂~H₃)，受光面综合平均辐射通量密度、光照度和光量子通量密度都达到了最大值。当照射距离继续加大，光束投射下来的受光面积也不断扩大造成生产过程部分光源零作业浪费，并且发射出来的光线在传播过程中由于传播介质和距离加大的影响，光强度发生衰减，导致同样受光面积接收到光的能量数值减小。综上所述, 不同LED(发光面积：200 mm×200 mm)在照射距离为200~300 mm时，光能利用效率最高。

2.3 照射距离对茶叶萎凋过程失水速率的影响

茶鲜叶采摘后，特别是乌龙茶数十分钟的光萎凋是必不可少的第一道工序。鲜叶通过光辐射提供能量和热量，从而加快物理失水作用，并伴随着青草气味散发，萎凋程度以叶态柔软、叶色由鲜绿转为暗绿色、在制叶含水率降低4.0%~6.0%为宜^[9-10]。不同照射距离对茶叶萎凋过程失水速率的变化规律一致，以LED红光(R)为例，见图 3。

由图 3可知，离体鲜叶分别在5个不同距离LED红光下照射，其在光萎凋过程中失水速率差异显著。随着照射距离的加大，在制叶的失水速率不断降低，依次为：500 mm＜400 mm＜300 mm＜200 mm＜100 mm。在100 mm(H₁)照射距离条件下，由于茶叶散热空间小，叶温偏高，失水速率最快，但该条件下部分在制叶出现红变现象，不利于后期摇青工序的开展，并且照射距离过小，受光面各点受到的光辐射均匀性差，不利于茶叶规模化生产作业。

3 结论

通过不同照射距离与光能均匀性、光能利用效率以及在制叶失水速率等研究表明，发光面与受光面的照射距离(100~500 mm)越大，不同受光点在同一受光面受到的光辐射通量密度、光照度和光量子通量密度CV越小，即受光面各点受到光能的均匀性越好，有利于同一批次茶叶能够均匀光萎凋，品质控制较一致；不同照射距离的受光面综合平均辐射通量密度、光照度和光量子通量密度呈先升高后降低变化，同时随着照射距离的加大，在制叶萎凋过程中的失水速率不断降低。综合得出, 萎凋茶叶在5种LED光源(发光面积：200 mm×200 mm)光照射距离为200~300 mm条件下效果最优，光能利用效率最高。

尽管目前LED技术存在光质配比与功率无法精确协调、生产成本较高、LED灯源标准化生产体系不完善等问题，但从长远角度考虑，应用LED补光萎凋的能源成本和维护成本较热光源低。因此，在开展茶叶加工补光萎凋研究及生产建设方案中应充分综合考虑光照的均匀性和光能利用效率，通过研究不同发光板灯珠和灯芯排列分布方式、增加反光膜匀光、间歇式的动态改变在制叶光萎凋状态等技术改良方式，对于未来茶产业转型升级和茶叶节能环保型技术推广应用意义重大。