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如何選擇和設(shè)計(jì)LED植物照明植物生長(zhǎng)燈
如何選擇和設(shè)計(jì)LED植物照明植物生長(zhǎng)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(lái)源。LED植物燈具備傳統(tǒng)補(bǔ)光燈未有的壓倒性優(yōu)勢(shì)，必將成為垂直農(nóng)場(chǎng)、溫室大棚等大型商業(yè)應(yīng)用中主光或補(bǔ)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(jiǎn)單無(wú)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(rèn)真考量。
首先來(lái)認(rèn)識(shí)一下太陽(yáng)的光譜以及植物對(duì)光譜的吸收。從下圖可以看到，太陽(yáng)光譜是一個(gè)連續(xù)譜，其中藍(lán)色與綠色光譜相對(duì)于紅色光譜而言要強(qiáng)，其可見(jiàn)光光譜范圍在380~780 nm左右。而植物生長(zhǎng)有幾個(gè)關(guān)鍵吸收要素，影響植物生長(zhǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵生長(zhǎng)素對(duì)于光的吸收光譜是有顯著區(qū)別的。因此，LED 植物生長(zhǎng)燈的應(yīng)用不是件簡(jiǎn)單的事，而是非常有針對(duì)性的。在這里有必要介紹兩個(gè)最主要的光合作用植物生長(zhǎng)要素的概念。
太陽(yáng)光譜與植物吸收?qǐng)D
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(yíng)造光合作用的生物體，包括綠色植物、原核的藍(lán)綠藻（藍(lán)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(lán)綠色，主要吸收紅光；葉綠素b呈黃綠色，主要吸收藍(lán)紫光。主要是為了區(qū)別陰生植物與陽(yáng)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(qiáng)烈地利用藍(lán)光，適應(yīng)于遮陰處生長(zhǎng)。葉綠素a、葉綠素b的強(qiáng)吸收帶有兩個(gè)：波長(zhǎng)為630~680 nm 的紅光區(qū)，波長(zhǎng)為400~460 nm的藍(lán)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(dòng)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(dá)600多種。植物細(xì)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(jìn)行，同時(shí)還具有保護(hù)細(xì)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(duì)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(wú)法呈現(xiàn)。
LED株間燈用于在植物內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)光
在LED植物燈的設(shè)計(jì)和選擇過(guò)程中，需要避免幾個(gè)誤區(qū)主要有以下幾個(gè)方面。
1.光線波長(zhǎng)的紅藍(lán)波長(zhǎng)比
作為兩個(gè)植物光合作用兩個(gè)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(lán)光為主。但是不能簡(jiǎn)單地用紅藍(lán)比例進(jìn)行衡量，比如紅藍(lán)比為4：1，6：1，9：1等等。
植物種類千差萬(wàn)別具備不同習(xí)性，而不同生長(zhǎng)階段也有不同的光照側(cè)重需求。植物生長(zhǎng)所需要的光譜應(yīng)該是一個(gè)有一定分布寬度的連續(xù)譜，使用光譜很窄的紅、藍(lán)兩個(gè)特定波長(zhǎng)芯片制成的光源很顯然是不合適的。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，植物會(huì)發(fā)生偏黃，葉莖很輕，葉莖很單薄等等現(xiàn)象。國(guó)外已有植物對(duì)不同光譜響應(yīng)的大量研究，比如紅外部分對(duì)光周期的作用，黃綠光部分對(duì)遮蔽效應(yīng)的作用，紫光部分對(duì)抗病蟲(chóng)害、營(yíng)養(yǎng)成分等方面的作用等等。
在實(shí)際的應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)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(jì)上一定要根據(jù)植物種類、生長(zhǎng)的環(huán)境和條件來(lái)進(jìn)行有針對(duì)性地設(shè)計(jì)。
2. 普通白光和全光譜
植物所“看見(jiàn)"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(yáng)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(duì)于植物的生長(zhǎng)是有一定的作用，但是效果不如LED做出的光源好。
對(duì)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(lán) 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(qiáng)度相對(duì)比較弱，同時(shí)功率相對(duì)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(jì)的LED全光譜則對(duì)光譜進(jìn)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(qiáng)度參數(shù)PPFD
光量子通量密度（photosynthesis flux density, PPFD）是衡量植物光照強(qiáng)度的重要參數(shù)。它既可用光量子來(lái)表示，也可用輻射能量來(lái)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(shí)間、單位面積上在400~700 nm波長(zhǎng)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(zhǎng)在400~700 nm范圍內(nèi)的太陽(yáng)總輻射。
植物的光補(bǔ)償飽點(diǎn)，又叫光補(bǔ)償點(diǎn)，就是指PPFD需要高于這個(gè)點(diǎn)，其光合作用才能大于呼吸作用，植物的生長(zhǎng)大于消耗，植物才能生長(zhǎng)。不同植物有不同的光補(bǔ)償點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為達(dá)到某一個(gè)指標(biāo)就可以了，比如PPFD大于200μmol·m-2·s-1。
以往使用的照度計(jì)所反應(yīng)的光強(qiáng)是亮度，但由于植物生長(zhǎng)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(guò)葉片等而發(fā)生變化等，因此在研究光合作用時(shí)作為光強(qiáng)的指標(biāo)是不夠確切的，現(xiàn)大多采用PAR。
一般陽(yáng)性植物PPFD＞ 50 μmol·m-2·s-1即可啟動(dòng)光合作用機(jī)制；而陰生植物 PPFD僅需20 μmol·m-2·s-1。所以安裝LED植物燈時(shí)，可根據(jù)這一參考值進(jìn)行安裝和設(shè)置，選擇合適的安裝高度，在葉面上實(shí)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(gè)新概念，主要包含三個(gè)方面的因素：光質(zhì)量、光數(shù)量和持續(xù)時(shí)間。簡(jiǎn)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(shí)間則是照射的累計(jì)值、晝夜時(shí)間比。荷蘭農(nóng)業(yè)學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，植物通過(guò)紅外與紅光的比例來(lái)判斷晝夜更替，在日落時(shí)紅外比例大幅增加，植物作出響應(yīng)很快進(jìn)入睡眠。如果缺乏這個(gè)過(guò)程，植物則需要數(shù)小時(shí)才能完成這個(gè)過(guò)程。
在實(shí)際應(yīng)用中需要通過(guò)測(cè)試積累經(jīng)驗(yàn)，選擇最佳組合。