介绍

光在植物生长过程中起关键作用。它是促进植物叶绿素吸收和吸收各种植物生长品质（如胡萝卜素）的最佳肥料。但是，决定植物生长的决定性因素是一个综合因素，不仅与光有关，而且与水，土壤和肥料的配置，增长环境条件和全面的技术控制有关。

在过去的两三年中，关于三维植物工厂或植物生长的半导体照明技术的应用无休止的报道。但是仔细阅读后，总会有一些不安的感觉。一般而言，对光在植物生长中应扮演的角色应扮演什么角色没有真正的了解。

首先，让我们了解太阳的光谱，如图1所示。可以看出，太阳谱是连续的光谱，其中蓝色和绿色光谱比红色光谱强，并且可见光光谱范围从380至780 nm。自然界中生物的生长与光谱的强度有关。例如，赤道附近地区的大多数植物生长非常快，与此同时，它们的生长大小相对较大。但是，太阳照射的高强度并不总是越好，并且对动物和植物的生长具有一定程度的选择性。

图1，太阳光谱的特性及其可见光光谱

其次，植物生长的几个关键吸收元件的第二频谱图如图2所示。

图2，植物生长中几种生长素的吸收光谱

从图2可以看出，影响植物生长的几种关键生长素的光吸收光谱显着差异。因此，LED植物生长灯的应用不是一个简单的问题，而是非常有针对性的。在这里，有必要介绍两个最重要的光合植物生长元素的概念。

•叶绿素

叶绿素是与光合作用相关的最重要的色素之一。它存在于所有可以产生光合作用的生物中，包括绿色植物，原核生物蓝绿色藻类（蓝细菌）和真核藻类。叶绿素吸收了光中的能量，然后将其用于将二氧化碳转化为碳水化合物。

叶绿素A主要吸收红光，叶绿素B主要吸收蓝紫色的光，主要是为了区分阳光植物和太阳植物。叶绿素B与阴影植物的叶绿素A的比率很小，因此遮阳植物可以强烈使用蓝光并适应在阴影中生长。叶绿素A为蓝绿色，叶绿素B为黄绿色。叶绿素A和叶绿素B有两种强吸收，一个在红色区域，波长为630-680 nm，另一个在蓝紫色区域，波长为400-460 nm。

•类胡萝卜素

类胡萝卜素是一类重要天然色素的一般术语，这些术语通常在动物，较高植物，真菌和藻类的黄色，橙红色或红色颜料中发现。到目前为止，已经发现了600多种天然类胡萝卜素。

类胡萝卜素的光吸收涵盖了OD303〜505 nm的范围，它提供了食物的颜色并影响人体的食物摄入量。在藻类，植物和微生物中，其颜色被叶绿素覆盖，无法出现。在植物细胞中，类胡萝卜素不仅吸收和转移能量来帮助光合作用，而且还具有保护细胞免于被激发的单电子键氧分子破坏的功能。

一些概念上的误解

无论节能效果如何，光的选择性和光的协调性，半导体照明都显示出很大的优势。但是，从过去两年的迅速发展开始，我们还看到了光线的设计和应用中的许多误解，这些误解主要反映在以下方面。

①长期以某个波长的红色和蓝色芯片结合了一定比例，可以将它们用于植物培养，例如，红色与蓝色的比例为4：1，6：1，6：1，9：1，因此在。

②只要它是白光，它就可以替代太阳的光，例如日本广泛使用的三个主要白光管，等等。这些光谱的使用对植物的生长有一定的影响，但效果是不如LED制作的光源好。

③长期以来，PPFD（光量子通量密度）（一个重要的照明参数）达到某个指数，例如，PPFD大于200μmol·M-2·S-1。但是，使用此指标时，您必须注意它是阴影植物还是阳光植物。您需要查询或找到这些植物的光补偿饱和点，这也称为光补偿点。在实际应用中，幼苗通常被燃烧或枯萎。因此，必须根据植物物种，生长环境和条件设计此参数的设计。

关于第一个方面，如引言中引入的那样，植物生长所需的光谱应为具有一定分布宽度的连续光谱。使用两个特定的红色和蓝色波长芯片制成的光源显然是不合适的（如图3（a）所示）。在实验中，发现植物倾向于淡黄色，叶茎非常轻，叶茎很薄。

对于前几年常用的三种原色的荧光管，尽管合成了白色，但分离了红色，绿色和蓝色光谱（如图3（b）所示），光谱的宽度非常狭窄。以下连续部分的光谱强度相对较弱，与LED相比，功率仍然相对较大，是能耗的1.5至3倍。因此，使用效果不如LED灯。

图3，红色和蓝色芯片LED植物光和三副色荧光光谱

PPFD是光量磁通密度，它是指光合作用中光线的有效辐射光密度，它代表了在植物叶茎上的光量子总数在每单位时间和单位时间400至700 nm的波长范围内。它的单位为μE·M-2·S-1（μmol·M-2·S-1）。光合作用的活动辐射（PAR）是指在400至700 nm范围内波长的总太阳辐射。它可以通过光量子或辐射能来表示。

过去，照明仪反射的光强度是亮度，但是由于植物的灯光灯具的高度，光覆盖范围以及光线是否可以穿过叶子，植物生长的范围会发生变化。因此，在光合作用研究中使用PAR作为光强度的指标并不准确。

通常，当热爱阳光的植物的PPFD大于50μmol·M-2·S-1时，可以启动光合作用机制，而阴暗植物的PPFD仅需要20μmol·M-2·S-1 。因此，在购买LED生长灯时，您可以根据该参考值和种植的植物类型选择LED生长灯的数量。例如，如果单个LED LGHT的PPFD为20μmol·M-2·S-1，则需要3个以上的LED植物灯泡来种植热爱阳光的植物。

半导体照明的几种设计解决方案

半导体照明用于植物生长或种植，有两种基本参考方法。

•目前，室内种植模型在中国非常热。该模型具有多种特征：

①LED灯的作用是提供各种植物照明，并且需要照明系统来提供所有照明能量，并且生产成本相对较高；
②LED生长灯的设计需要考虑光谱的连续性和完整性；
这是有效控制照明时间和照明强度的必要条件，例如让植物休息几个小时，辐射的强度不足或太强等等。
④整个过程需要模仿室外植物的实际最佳生长环境所需的条件，例如湿度，温度和二氧化碳浓度。

•室外种植模式，具有良好的室外温室种植基金会。该模型的特征是：

①LED灯的作用是补充光。一种是在白天在阳光照射下增强蓝色和红色区域的光强度，以促进植物的光合作用，而另一种是在晚上没有阳光以促进植物生长速度时进行补偿
②补充光需要考虑植物所在的生长阶段，例如幼苗期或开花和成果期。

因此，LED植物生长灯的设计首先应具有两种基本设计模式，即24H照明（室内）和植物生长补充剂照明（室外）。对于室内植物种植，LED种植灯的设计需要考虑三个方面，如图4所示。不可能在一定比例的情况下包装三种原色的芯片。

图4，使用室内LED植物助推灯进行24H照明的设计思想

例如，对于托儿所阶段的光谱，考虑到它需要增强根和茎的生长，增强叶子的分支，并且在室内使用了光源，因此可以设计光谱，如图5所示。

图5，适用于LED室内托儿所的光谱结构

为了设计第二类LED生长光，它主要针对补充光线以促进室外温室底部种植的设计解决方案。设计思想如图6所示。

图6，室外种植灯的设计思想 

作者建议，越来越多的种植公司采用第二种选择LED灯来促进工厂生长。

首先，中国的户外温室种植在南部和北部拥有数十年的大量和广泛的经验。它具有良好的温室种植技术的基础，并为周围城市提供了大量新鲜水果和蔬菜。特别是在土壤，水和肥料种植领域，已经做出了丰富的研究结果。

其次，这种补充光解决方案可以大大减少不必要的能源消耗，同时可以有效地增加水果和蔬菜的产量。此外，中国广阔的地理区域非常方便促进。

作为LED植物照明的科学研究，它还为其提供了更广泛的实验基础。图7是该研究团队开发的一种LED生长光，适合在温室中生长，其频谱如图8所示。

图7，一种LED生长光

图8，一种LED生长光的光谱

根据上述设计思想，研究团队进行了一系列实验，实验结果非常重要。例如，对于托儿所期间的生长灯，使用的原始灯是荧光灯，其功率为32 W，托儿所周期为40天。我们提供12 W LED的光线，将幼苗周期缩短到30天，有效地降低了幼苗车间中灯的温度的影响，并节省了空调的功耗。幼苗的厚度，长度和颜色比原始的幼苗饲养溶液更好。对于普通蔬菜的幼苗，还获得了良好的验证结论，下表中总结了这一点。

其中，补充光组PPFD：70-80μmol·M-2·S-1，红蓝色比率：0.6-0.7。天然组的白天PPFD值范围为40〜800μmol·M-2·S-1，红色与蓝色的比率为0.6〜1.2。可以看出，上述指标比自然种植的幼苗要好。

结论

本文介绍了在植物种植中应用LED生长灯光的最新发展，并指出了在植物种植中使用LED的一些误解。最后，引入了用于开发用于植物种植的LED种植灯的技术思想和方案。应该指出的是，在灯光的安装和使用中还需要考虑一些因素，例如光与植物之间的距离，灯的照射范围正常水，肥料和土壤。

作者：Yi Wang等。资料来源：CNKI