如何选择和设计LED植物照明植物生长灯

   作为现代农业的重要分枝，植物工厂的概念变得炙手可热。在室内种植环境中，植物照明是光合作用bi不可少的能量来源。LED植物灯具备传统补光灯未有的压倒性优势，必将成为垂直农场、温室大棚等大型商业应用中主光或补光的shou选。

   植物是这颗星球上最复杂的生命形式之一。植物的种植即简单无比，又困难复杂。除了植物照明以外，诸多变量彼此影响，平衡这些变量是种植商需要了解和掌握的高超艺术。但就植物照明光线而言，仍有诸多要素需要认真考量。

   首先来认识一下太阳的光谱以及植物对光谱的吸收。从下图可以看到，太阳光谱是一个连续谱，其中蓝色与绿色光谱相对于红色光谱而言要强，其可见光光谱范围在380~780 nm左右。而植物生长有几个关键吸收要素，影响植物生长的几个关键生长素对于光的吸收光谱是有显著区别的。因此，LED 植物生长灯的应用不是件简单的事，而是非常有针对性的。在这里有必要介绍两个最主要的光合作用植物生长要素的概念。

                                      太阳光谱与植物吸收图

    植物的光合作用依靠叶片叶绿体（chloroplast）中的叶绿素（chlorophyll），是一类与光合作用（photosynthesis）有关的最重要的色素，存在于所有能营造光合作用的生物体，包括绿色植物、原核的蓝绿藻（蓝菌）和真核的藻类。叶绿素吸收光的能量，将二氧化碳和水合成为碳水化合物（hydrocarbon）。

叶绿素a呈蓝绿色，主要吸收红光；叶绿素b呈黄绿色，主要吸收蓝紫光。主要是为了区别阴生植物与阳生植物。阴生植物的叶绿素b和叶绿素a的比值小，所以阴生植物能强烈地利用蓝光，适应于遮阴处生长。叶绿素a、叶绿素b的强吸收带有两个：波长为630~680 nm 的红光区，波长为400~460 nm的蓝紫光区。

类胡萝卜素（carotenoids）是一类重要的天然色素的总称，普遍存在于动物、高等植物、真菌、藻类中的黄色、橙红色或红色的色素之中。迄今被发现的天然类胡萝卜素已达600多种。植物细胞中产生的类胡萝卜素除了吸收并转移能量帮助光合作用的进行，同时还具有保护细胞免于被激态的单电子键氧分子破坏的功能。类胡萝卜素吸收光涵盖范围在303~505 nm，它提供食物的颜色并影响人体对食物的摄取；在藻类、植物以及微生物中，因其颜色被叶绿素覆盖而无法呈现。

LED株间灯用于在植物内部进行补光

在LED植物灯的设计和选择过程中，需要避免几个误区主要有以下几个方面。

1.光线波长的红蓝波长比

    作为两个植物光合作用两个主要吸收区域，LED植物灯发出的光谱应该以红光和蓝光为主。但是不能简单地用红蓝比例进行衡量，比如红蓝比为4：1，6：1，9：1等等。

植物种类千差万别具备不同习性，而不同生长阶段也有不同的光照侧重需求。植物生长所需要的光谱应该是一个有一定分布宽度的连续谱，使用光谱很窄的红、蓝两个特定波长芯片制成的光源很显然是不合适的。在实验中发现，植物会发生偏黄，叶茎很轻，叶茎很单薄等等现象。国外已有植物对不同光谱响应的大量研究，比如红外部分对光周期的作用，黄绿光部分对遮蔽效应的作用，紫光部分对抗病虫害、营养成分等方面的作用等等。

在实际的应用中经常会出现苗被烧伤或者枯萎的情况，因此在此参数的设计上一定要根据植物种类、生长的环境和条件来进行有针对性地设计。

2. 普通白光和全光谱

    植物所“看见”的光线效果不同于人的肉眼。我们常用的白光的灯就并非能够代替太阳的光照，比如日本广泛使用的三基色白光灯管等等，这些光谱的使用对于植物的生长是有一定的作用，但是效果不如LED做出的光源好。

对于前些年被普遍使用的以三基色为主的荧光灯管，虽然合成了白色，但其红、绿、蓝 光谱都是分立的，而且光谱的宽度很窄，连续部分的光谱强度相对比较弱，同时功率相对于LED等而言还是偏大的，1.5~3倍的能耗。专为植物照明设计的LED全光谱则对光谱进行优化，虽然目视效果仍为白光，却包含了植物光合作用所需的重要光线部分。

3. 光照强度参数PPFD

     光量子通量密度（photosynthesis flux density, PPFD）是衡量植物光照强度的重要参数。它既可用光量子来表示，也可用辐射能量来表示。它是指在光合作用中光的有效辐射光通量密度，表示单位时间、单位面积上在400~700 nm波长范围内入射到植物叶茎上的光量子总数。其单位是μE·m-2·s-1（μmol·m-2·s-1）。而光合有效辐射（PAR）是指波长在400~700 nm范围内的太阳总辐射。

     植物的光补偿饱点，又叫光补偿点，就是指PPFD需要高于这个点，其光合作用才能大于呼吸作用，植物的生长大于消耗，植物才能生长。不同植物有不同的光补偿点，不能简单认为达到某一个指标就可以了，比如PPFD大于200μmol·m-2·s-1。

    以往使用的照度计所反应的光强是亮度，但由于植物生长的光谱因其光源离植物的高度、光的覆盖面以及光线能否通过叶片等而发生变化等，因此在研究光合作用时作为光强的指标是不够确切的，现大多采用PAR。

    一般阳性植物PPFD＞ 50 μmol·m-2·s-1即可启动光合作用机制；而阴生植物 PPFD仅需20 μmol·m-2·s-1。所以安装LED植物灯时，可根据这一参考值进行安装和设置，选择合适的安装高度，在叶面上实现理想的PPFD值以及均匀度。

4. 光配方

    光配方是最近提出的一个新概念，主要包含三个方面的因素：光质量、光数量和持续时间。简单地理解，光质量就是适合植物光合作用的光谱；光数量就是合适的PPFD值和均匀度；持续时间则是照射的累计值、昼夜时间比。荷兰农业学家研究发现，植物通过红外与红光的比例来判断昼夜更替，在日落时红外比例大幅增加，植物作出响应很快进入睡眠。如果缺乏这个过程，植物则需要数小时才能完成这个过程。

在实际应用中需要通过测试积累经验，选择最佳组合。