如何選擇和設計LED植物照明植物生長燈

   作為現(xiàn)代農業(yè)的重要分枝，植物工廠的概念變得炙手可熱。在室內種植環(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，必將成為垂直農場、溫室大棚等大型商業(yè)應用中主光或補光的shou選。

   植物是這顆星球上最復雜的生命形式之一。植物的種植即簡單無比，又困難復雜。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。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鍵吸收要素，影響植物生長的幾個關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。植物細胞中產生的類胡蘿卜素除了吸收并轉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部進行補光

在LED植物燈的設計和選擇過程中，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性，而不同生長階段也有不同的光照側重需求。植物生長所需要的光譜應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：光質量、光數(shù)量和持續(xù)時間。簡單地理解，光質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。荷蘭農業(yè)學家研究發(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。

在實際應用中需要通過測試積累經(jīng)驗，選擇最佳組合。