如何選擇和設(shè)計LED植物照明植物生長燈

   作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要分枝，植物工廠的概念變得炙手可熱。在室內(nèi)種植環(huán)境中，植物照明是光合作用bi不可少的能量來源。LED植物燈具備傳統(tǒng)補光燈未有的壓倒性優(yōu)勢，必將成為垂直農(nóng)場、溫室大棚等大型商業(yè)應(yīng)用中主光或補光的shou選。

   植物是這顆星球上最復(fù)雜的生命形式之一。植物的種植即簡單無比，又困難復(fù)雜。除了植物照明以外，諸多變量彼此影響，平衡這些變量是種植商需要了解和掌握的高超藝術(shù)。但就植物照明光線而言，仍有諸多要素需要認真考量。

   首先來認識一下太陽的光譜以及植物對光譜的吸收。從下圖可以看到，太陽光譜是一個連續(xù)譜，其中藍色與綠色光譜相對于紅色光譜而言要強，其可見光光譜范圍在380~780 nm左右。而植物生長有幾個關(guān)鍵吸收要素，影響植物生長的幾個關(guān)鍵生長素對于光的吸收光譜是有顯著區(qū)別的。因此，LED 植物生長燈的應(yīng)用不是件簡單的事，而是非常有針對性的。在這里有必要介紹兩個最主要的光合作用植物生長要素的概念。

                                      太陽光譜與植物吸收圖

    植物的光合作用依靠葉片葉綠體（chloroplast）中的葉綠素（chlorophyll），是一類與光合作用（photosynthesis）有關(guān)的最重要的色素，存在于所有能營造光合作用的生物體，包括綠色植物、原核的藍綠藻（藍菌）和真核的藻類。葉綠素吸收光的能量，將二氧化碳和水合成為碳水化合物（hydrocarbon）。

葉綠素a呈藍綠色，主要吸收紅光；葉綠素b呈黃綠色，主要吸收藍紫光。主要是為了區(qū)別陰生植物與陽生植物。陰生植物的葉綠素b和葉綠素a的比值小，所以陰生植物能強烈地利用藍光，適應(yīng)于遮陰處生長。葉綠素a、葉綠素b的強吸收帶有兩個：波長為630~680 nm 的紅光區(qū)，波長為400~460 nm的藍紫光區(qū)。

類胡蘿卜素（carotenoids）是一類重要的天然色素的總稱，普遍存在于動物、高等植物、真菌、藻類中的黃色、橙紅色或紅色的色素之中。迄今被發(fā)現(xiàn)的天然類胡蘿卜素已達600多種。植物細胞中產(chǎn)生的類胡蘿卜素除了吸收并轉(zhuǎn)移能量幫助光合作用的進行，同時還具有保護細胞免于被激態(tài)的單電子鍵氧分子破壞的功能。類胡蘿卜素吸收光涵蓋范圍在303~505 nm，它提供食物的顏色并影響人體對食物的攝??；在藻類、植物以及微生物中，因其顏色被葉綠素覆蓋而無法呈現(xiàn)。

LED株間燈用于在植物內(nèi)部進行補光

在LED植物燈的設(shè)計和選擇過程中，需要避免幾個誤區(qū)主要有以下幾個方面。

1.光線波長的紅藍波長比

    作為兩個植物光合作用兩個主要吸收區(qū)域，LED植物燈發(fā)出的光譜應(yīng)該以紅光和藍光為主。但是不能簡單地用紅藍比例進行衡量，比如紅藍比為4：1，6：1，9：1等等。

植物種類千差萬別具備不同習(xí)性，而不同生長階段也有不同的光照側(cè)重需求。植物生長所需要的光譜應(yīng)該是一個有一定分布寬度的連續(xù)譜，使用光譜很窄的紅、藍兩個特定波長芯片制成的光源很顯然是不合適的。在實驗中發(fā)現(xiàn)，植物會發(fā)生偏黃，葉莖很輕，葉莖很單薄等等現(xiàn)象。國外已有植物對不同光譜響應(yīng)的大量研究，比如紅外部分對光周期的作用，黃綠光部分對遮蔽效應(yīng)的作用，紫光部分對抗病蟲害、營養(yǎng)成分等方面的作用等等。

在實際的應(yīng)用中經(jīng)常會出現(xiàn)苗被燒傷或者枯萎的情況，因此在此參數(shù)的設(shè)計上一定要根據(jù)植物種類、生長的環(huán)境和條件來進行有針對性地設(shè)計。

2. 普通白光和全光譜

    植物所“看見”的光線效果不同于人的肉眼。我們常用的白光的燈就并非能夠代替太陽的光照，比如日本廣泛使用的三基色白光燈管等等，這些光譜的使用對于植物的生長是有一定的作用，但是效果不如LED做出的光源好。

對于前些年被普遍使用的以三基色為主的熒光燈管，雖然合成了白色，但其紅、綠、藍 光譜都是分立的，而且光譜的寬度很窄，連續(xù)部分的光譜強度相對比較弱，同時功率相對于LED等而言還是偏大的，1.5~3倍的能耗。專為植物照明設(shè)計的LED全光譜則對光譜進行優(yōu)化，雖然目視效果仍為白光，卻包含了植物光合作用所需的重要光線部分。

3. 光照強度參數(shù)PPFD

     光量子通量密度（photosynthesis flux density, PPFD）是衡量植物光照強度的重要參數(shù)。它既可用光量子來表示，也可用輻射能量來表示。它是指在光合作用中光的有效輻射光通量密度，表示單位時間、單位面積上在400~700 nm波長范圍內(nèi)入射到植物葉莖上的光量子總數(shù)。其單位是μE·m-2·s-1（μmol·m-2·s-1）。而光合有效輻射（PAR）是指波長在400~700 nm范圍內(nèi)的太陽總輻射。

     植物的光補償飽點，又叫光補償點，就是指PPFD需要高于這個點，其光合作用才能大于呼吸作用，植物的生長大于消耗，植物才能生長。不同植物有不同的光補償點，不能簡單認為達到某一個指標就可以了，比如PPFD大于200μmol·m-2·s-1。

    以往使用的照度計所反應(yīng)的光強是亮度，但由于植物生長的光譜因其光源離植物的高度、光的覆蓋面以及光線能否通過葉片等而發(fā)生變化等，因此在研究光合作用時作為光強的指標是不夠確切的，現(xiàn)大多采用PAR。

    一般陽性植物PPFD＞ 50 μmol·m-2·s-1即可啟動光合作用機制；而陰生植物 PPFD僅需20 μmol·m-2·s-1。所以安裝LED植物燈時，可根據(jù)這一參考值進行安裝和設(shè)置，選擇合適的安裝高度，在葉面上實現(xiàn)理想的PPFD值以及均勻度。

4. 光配方

    光配方是最近提出的一個新概念，主要包含三個方面的因素：光質(zhì)量、光數(shù)量和持續(xù)時間。簡單地理解，光質(zhì)量就是適合植物光合作用的光譜；光數(shù)量就是合適的PPFD值和均勻度；持續(xù)時間則是照射的累計值、晝夜時間比。荷蘭農(nóng)業(yè)學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，植物通過紅外與紅光的比例來判斷晝夜更替，在日落時紅外比例大幅增加，植物作出響應(yīng)很快進入睡眠。如果缺乏這個過程，植物則需要數(shù)小時才能完成這個過程。

在實際應(yīng)用中需要通過測試積累經(jīng)驗，選擇最佳組合。