【摘要】本文基于大量实验数据，探讨了植物工厂光质选择中的几个重要问题，包括光源选择、红光、蓝光和黄光的影响以及光谱范围的选择，旨在为植物工厂的光质选择提供参考。匹配策略的确定也为实际应用提供了一些可供参考的解决方案。
光源的选择

植物工厂通常采用LED灯。这是因为LED灯具有发光效率高、能耗低、发热量少、寿命长、光照强度和光谱可调等特点，不仅能够满足植物生长和有效物质积累的需求，还能节能、减少发热量和降低电力成本。LED植物生长灯可进一步分为通用型单芯片宽光谱LED灯、植物专用型单芯片宽光谱LED灯和多芯片组合可调光谱LED灯。后两种植物专用型LED灯的价格通常是普通LED灯的5倍以上，因此应根据不同的用途选择不同的光源。对于大型植物工厂而言，其种植的植物种类会随着市场需求而变化。为了降低建设成本且不显著影响生产效率，笔者建议采用通用型宽光谱LED芯片作为光源。对于小型植物工厂，如果植物种类相对固定，为了在不显著增加建设成本的前提下获得较高的生产效率和质量，可以使用植物专用或通用照明的宽光谱LED芯片作为光源。如果目的是研究光照对植物生长和有效物质积累的影响，从而为未来的大规模生产提供最佳光照方案，则可以使用可调光谱LED灯的多芯片组合，通过改变光照强度、光谱和光照时间等因素，为每种植物获得最佳光照方案，从而为大规模生产奠定基础。

红蓝光

就具体实验结果而言，当红光（R）含量高于蓝光（B）含量时（生菜 R:B = 6:2 和 7:3；菠菜 R:B = 4:1；葫芦幼苗 R:B = 7:3；黄瓜幼苗 R:B = 7:3），实验表明，生物量含量（包括地上部分株高、最大叶面积、鲜重和干重等）较高，但当蓝光含量高于红光时，植物的茎粗和健壮幼苗指数更大。就生化指标而言，红光含量高于蓝光通常有利于植物体内可溶性糖含量的增加。然而，对于植物体内维生素C、可溶性蛋白、叶绿素和类胡萝卜素的积累，使用蓝光含量高于红光的LED照明更为有利，且在这种照明条件下丙二醛含量也相对较低。

由于植物工厂主要用于叶菜类蔬菜的种植或工业化育苗，根据上述结果可以得出结论：在提高产量和保证品质的前提下，使用红光含量高于蓝光含量的LED芯片作为光源较为适宜。最佳红蓝光比例为7:3。此外，这种红蓝光比例基本适用于各类叶菜类蔬菜或幼苗，对不同植物没有特殊要求。

红色和蓝色波长选择

在光合作用过程中，光能主要被叶绿素a和叶绿素b吸收。下图显示了叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱，其中绿色谱线代表叶绿素a的吸收光谱，蓝色谱线代表叶绿素b的吸收光谱。从图中可以看出，叶绿素a和叶绿素b均有两个吸收峰，分别位于蓝光区和红光区。但叶绿素a和叶绿素b的两个吸收峰略有不同。具体来说，叶绿素a的两个吸收峰波长分别为430 nm和662 nm，叶绿素b的两个吸收峰波长分别为453 nm和642 nm。这四个波长值不会因植物种类而异，因此光源中红光和蓝光波长的选择也不会因植物种类而异。

叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱

普通的宽光谱LED灯即可作为植物工厂的光源，只要红光和蓝光能够覆盖叶绿素a和叶绿素b的两个峰值波长即可。一般来说，红光的波长范围为620~680纳米，蓝光的波长范围为400~480纳米。但是，红光和蓝光的波长范围不宜过宽，否则不仅会浪费光能，还可能产生其他影响。

如果使用由红色、黄色和蓝色芯片组成的 LED 灯作为植物工厂的光源，则应将红光的峰值波长设置为叶绿素 a 的峰值波长，即 660 nm，将蓝光的峰值波长设置为叶绿素 b 的峰值波长，即 450 nm。

黄光和绿光的作用

当红光、绿光和蓝光的比例为 R:G:B=6:1:3 时更为合适。至于绿光峰值波长的确定，由于它主要在植物生长过程中起调节作用，因此只需在 530 至 550 nm 之间即可。

概括

本文从理论和实践两个方面探讨了植物工厂中光质的选择策略，包括LED光源中红蓝光波长范围的选择以及黄绿光的作用和比例。在植物生长过程中，应综合考虑光照强度、光质和光照时间这三个因素的合理匹配，以及它们与营养、温度、湿度和二氧化碳浓度的关系。对于实际生产而言，无论计划使用宽光谱LED灯还是多芯片组合可调光谱LED灯，波长比例都是首要考虑因素，因为除了光质之外，其他因素都可以在运行过程中实时调整。因此，植物工厂设计阶段最重要的考虑因素应该是光质的选择。

作者：徐勇

文章来源：农业工程技术（温室园艺）微信公众号

参考文献：徐勇，植物工厂中的光质选择策略[J].农业工程技术,2022,42(4):22-25.