介绍

光照在植物生长过程中起着关键作用。它是促进植物吸收叶绿素和胡萝卜素等各种生长营养物质的最佳肥料。然而，决定植物生长的决定性因素是一个综合因素，不仅与光照有关，还与水、土壤和肥料的配置、生长环境条件以及综合技术控制密不可分。

过去两三年里，关于半导体照明技术在三维植物工厂或植物生长方面的应用报道层出不穷。但仔细阅读之后，总感觉有些不对劲。总的来说，人们对光在植物生长中究竟扮演着怎样的角色，并没有真正理解。

首先，我们来了解一下太阳光谱，如图1所示。可以看出，太阳光谱是一个连续光谱，其中蓝光和绿光强度高于红光，可见光光谱的范围在380纳米到780纳米之间。自然界中生物的生长与光谱强度密切相关。例如，赤道附近的大多数植物生长速度非常快，同时植株也相对较大。但是，太阳辐射强度并非越高越好，动植物的生长也存在一定的选择性。

图1，太阳光谱及其可见光谱的特征

其次，图 2 显示了植物生长几个关键吸收元素的第二个光谱图。

图2，几种生长素在植物生长过程中的吸收光谱

从图2可以看出，几种影响植物生长的关键生长素的光吸收光谱存在显著差异。因此，LED植物生长灯的应用并非易事，而需要精准定位。这里有必要介绍两种最重要的植物光合作用生长元素的概念。

• 叶绿素

叶绿素是与光合作用相关的最重要的色素之一。它存在于所有能够进行光合作用的生物体中，包括绿色植物、原核蓝藻（蓝细菌）和真核藻类。叶绿素吸收光能，然后利用这些能量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主要吸收蓝紫光，这主要用于区分喜阴植物和喜阳植物。喜阴植物中叶绿素b与叶绿素a的比例较小，因此它们能更有效地利用蓝光，从而适应阴凉环境。叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色。叶绿素a和叶绿素b均有两个强吸收带，一个位于波长为630-680 nm的红光区域，另一个位于波长为400-460 nm的蓝紫光区域。

• 类胡萝卜素

类胡萝卜素是一类重要的天然色素的总称，常见于动物、高等植物、真菌和藻类中，呈现黄色、橙红色或红色。迄今为止，已发现600多种天然类胡萝卜素。

类胡萝卜素的光吸收范围为 OD303~505 nm，它赋予食物颜色，并影响人体对食物的吸收。在藻类、植物和微生物中，其颜色被叶绿素覆盖而无法显现。在植物细胞中，类胡萝卜素不仅吸收和传递能量以辅助光合作用，还具有保护细胞免受激发态单电子键氧分子破坏的功能。

一些概念上的误解

撇开节能效果、光选择性和光协调性不谈，半导体照明展现出了巨大的优势。然而，在过去两年的快速发展中，我们也看到了在照明设计和应用方面存在的诸多误解，这些误解主要体现在以下几个方面。

①只要将一定波长的红色和蓝色芯片按一定比例组合，就可以用于植物栽培，例如，红色与蓝色的比例为 4:1、6:1、9:1 等。

②只要是白光，就可以代替太阳光，例如日本广泛使用的三原色白光灯管等。使用这些光谱对植物生长有一定的作用，但效果不如LED光源好。

③只要光合有效辐射（PPFD，光量子通量密度）这一重要的光照参数达到一定值，例如PPFD大于200 μmol·m⁻²·s⁻¹，就可以进行光照补偿。但是，在使用该指标时，必须注意植物是喜阴植物还是喜阳植物。需要查询或找到这些植物的光补偿饱和点，也称为光补偿点。在实际应用中，幼苗常常会被灼伤或枯萎。因此，该参数的设计必须根据植物种类、生长环境和条件进行调整。

关于第一方面，正如引言中所述，植物生长所需的光谱应该是具有一定分布宽度的连续光谱。显然，使用由两种特定波长的红蓝芯片组成的光谱非常窄的光源（如图3(a)所示）是不合适的。实验发现，植物往往呈黄色，叶柄颜色很浅，而且叶柄很细。

对于前几年常用的三原色荧光灯管，虽然能合成白光，但红、绿、蓝三原色光谱是分离的（如图3(b)所示），且光谱宽度很窄。后续连续部分的强度相对较弱，而功率却比LED灯大得多，能耗是LED灯的1.5到3倍。因此，其使用效果不如LED灯。

图3，红蓝芯片LED植物灯和三原色荧光灯光谱

光合有效辐射（PPFD）是指光量子通量密度，指的是光合作用中有效辐射的光通量密度，表示单位时间和单位面积上入射到植物叶柄上的波长范围为400至700纳米的光量子总数。其单位为μE·m⁻²·s⁻¹（μmol·m⁻²·s⁻¹）。光合有效辐射（PAR）是指波长范围为400至700纳米的太阳总辐射量。PAR可以用光量子数或辐射能量来表示。

过去，照度计反射的光强度被用作亮度指标，但植物生长光谱会因灯具与植物之间的距离、光照覆盖范围以及光线是否能穿过叶片等因素而变化。因此，在光合作用的研究中，使用光合有效辐射（PAR）作为光强度的指标并不准确。

通常情况下，喜阳植物的光合作用机制在光合有效辐射（PPFD）大于50 μmol·m⁻²·s⁻¹时即可启动，而喜阴植物仅需20 μmol·m⁻²·s⁻¹的PPFD即可启动。因此，在选购LED植物生长灯时，您可以根据此参考值和种植的植物种类来选择所需的灯管数量。例如，如果单个LED灯的PPFD为20 μmol·m⁻²·s⁻¹，则种植喜阳植物需要3个以上的LED植物生长灯。

半导体照明的几种设计方案

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，室内种植模式在中国非常流行。这种模式具有以下几个特点：

①LED灯的作用是提供植物所需的全光谱照明，照明系统需要提供全部照明能量，生产成本相对较高；
②LED植物生长灯的设计需要考虑光谱的连续性和完整性；
③需要有效控制光照时间和光照强度，例如让植物休息几个小时，光照强度不足或过强等等；
④整个过程需要模拟植物在户外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。

• 采用户外种植模式，具备良好的户外温室种植基础。该型号的特点是：

①LED灯的作用是补充光照。一方面，白天在阳光照射下增强蓝光和红光区域的光照强度，促进植物光合作用；另一方面，夜间在没有阳光照射时进行补偿，促进植物生长。
②补充光照需要考虑植物所处的生长阶段，例如幼苗期或开花结果期。

因此，LED植物生长灯的设计首先应包含两种基本设计模式，即24小时照明（室内）和植物生长补充照明（室外）。对于室内植物栽培，LED植物生长灯的设计需要考虑三个方面，如图4所示。将三种原色芯片按一定比例封装是不可能的。

图 4，室内 LED 植物增亮灯 24 小时照明的设计理念

例如，对于育苗阶段的光谱，考虑到需要增强根茎的生长，增强叶片的分枝，并且光源在室内使用，可以设计如图 5 所示的光谱。

图 5，适用于 LED 室内育婴室的光谱结构

第二类LED植物生长灯的设计主要针对室外温室底部植物生长提供补充光照的解决方案。设计思路如图6所示。

图 6，户外植物生长灯的设计理念 

作者建议更多种植公司采用第二种方案，即使用 LED 灯来促进植物生长。

首先，我国露天大棚种植已有数十年历史，积累了丰富的经验，南北各地均有涉猎。大棚种植技术基础扎实，为周边城市市场提供了大量新鲜果蔬。尤其在土壤、水肥管理等领域，已取得丰硕的研究成果。

其次，这种补光方案可以大幅减少不必要的能源消耗，同时有效提高果蔬产量。此外，中国幅员辽阔，非常有利于推广应用。

作为LED植物照明科学研究的一部分，它也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适用于温室种植的LED植物生长灯，其光谱如图8所示。

图7，一种LED植物生长灯

图 8，某 LED 植物生长灯的光谱

根据上述设计思路，研究团队进行了一系列实验，实验结果意义重大。例如，育苗期间的生长灯，原先使用的是功率为32W的荧光灯，育苗周期为40天。我们改用12W的LED灯，将育苗周期缩短至30天，有效降低了育苗车间内灯具温度的影响，并节省了空调的能耗。与原育苗方案相比，幼苗的粗度、长度和颜色均有所改善。对于常见蔬菜的幼苗，我们也获得了良好的验证结论，具体总结如下表。

其中，补光组的PPFD值为70-80 μmol·m-2·s-1，红蓝光比为0.6-0.7；自然组的日间PPFD值范围为40~800 μmol·m-2·s-1，红蓝光比为0.6~1.2。可以看出，上述指标均优于自然生长的幼苗。

结论

本文介绍了LED植物生长灯在植物栽培中的最新应用进展，并指出了LED植物生长灯应用中存在的一些误解。最后，介绍了用于植物栽培的LED植物生长灯的技术思路和发展方案。需要指出的是，在灯具的安装和使用过程中，还需要考虑一些因素，例如灯具与植物之间的距离、灯具的照射范围，以及如何在常规浇水、施肥和土壤条件下进行光照。

作者：王毅等来源：中国知网