介绍

光在植物生长过程中起着关键作用。是促进植物叶绿素吸收和胡萝卜素等多种植物生长品质吸收的最佳肥料。但决定植物生长的决定性因素是综合因素，不仅与光照有关，还与水土肥的配置、生长环境条件和综合技术控制密不可分。

近两三年来，关于半导体照明技术应用于三维植物工厂或植物生长的报道层出不穷。但仔细读完，总有一些不安的感觉。一般来说，对于光在植物生长中应发挥什么作用还没有真正的了解。

首先我们来了解一下太阳的光谱，如图1所示。可以看出，太阳光谱是连续光谱，其中蓝色和绿色光谱比红色光谱更强，可见光光谱范围从380 至 780 纳米。自然界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速度都非常快，同时其生长的规模也比较大。但太阳的照射强度并不总是越高越好，对于动植物的生长有一定的选择性。

图1、太阳光谱及其可见光光谱的特征

其次，植物生长的几个关键吸收元素的第二个光谱图如图2所示。

图2、几种植物生长素在植物生长过程中的吸收光谱

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存在显着差异。因此，LED植物生长灯的应用并不是一件简单的事情，而是很有针对性的。这里有必要介绍一下植物光合生长最重要的两个要素的概念。

• 叶绿素

叶绿素是与光合作用相关的最重要的色素之一。它存在于所有能够产生光合作用的生物体中，包括绿色植物、原核蓝绿藻（蓝藻）和真核藻类。叶绿素吸收光能，然后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，主要是为了区分阴生植物和阳生植物。遮荫植物的叶绿素b与叶绿素a的比例较小，因此遮荫植物对蓝光的利用能力较强，适应阴凉生长。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有两个强吸收，一个在波长630-680nm的红色区域，另一个在波长400-460nm的蓝紫色区域。

• 类胡萝卜素

类胡萝卜素是一类重要天然色素的总称，常见于动物、高等植物、真菌、藻类的黄色、橙红色或红色色素中。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覆盖OD303~505 nm范围，提供了食物的颜色并影响人体对食物的摄入。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，产生的类胡萝卜素不仅吸收和转移能量以帮助光合作用，而且具有保护细胞不被激发的单电子键氧分子破坏的功能。

一些概念上的误解

无论是节能效果、光的选择性以及光的协调性，半导体照明都表现出了巨大的优势。然而，从这两年的快速发展来看，我们也看到了很多在光的设计和应用上的误区，主要体现在以下几个方面。

①只要将一定波长的红、蓝芯片按照一定的比例组合起来，就可以用于植物栽培，例如红蓝比例为4:1、6:1、9:1等在。

②只要是白光，就可以代替太阳光，如日本广泛使用的三基色白光管等，这些光谱的利用对植物的生长有一定的作用，但效果是不如LED制成的光源。

③只要照明的重要参数PPFD（光量子通量密度）达到一定指标，例如PPFD大于200μmol·m-2·s-1。但使用该指标时，必须注意它是喜荫植物还是喜阳植物。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，经常会出现苗木被烧毁或枯死的情况。因此，该参数的设计必须根据植物种类、生长环境和条件来设计。

关于第一方面，正如引言中所介绍的，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。采用光谱很窄的红、蓝两种特定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，植物往往呈淡黄色，叶茎很轻，叶茎很细。

对于前几年常用的三基色荧光灯管，虽然合成了白色，但红、绿、蓝光谱是分离的（如图3（b）所示），光谱宽度很窄。下面连续部分的光谱强度比较弱，功率相对于LED来说还是比较大的，是能耗的1.5到3倍。因此，使用效果不如LED灯。

图3、红蓝芯片LED植物灯和三基色荧光灯光谱

PPFD是光量子通量密度，是指光合作用中光的有效辐射光通量密度，代表单位时间、单位面积入射到植物叶茎上的400～700 nm波长范围内的光量子总数。其单位为μE·m-2·s-1（μmol·m-2·s-1）。光合有效辐射（PAR）是指波长在400~700 nm范围内的太阳辐射总量。它可以用光量子或辐射能来表示。

过去，照度计反映的光强度是亮度，但植物生长的光谱会因为灯具距离植物的高度、光线覆盖范围以及光线是否能穿过叶子而发生变化。因此，在光合作用的研究中用par作为光强的指标是不准确的。

一般来说，喜阳植物的PPFD大于50 μmol·m-2·s-1即可启动光合作用机制，而喜阴植物的PPFD仅需20 μmol·m-2·s-1 。因此，在购买LED植物灯时，您可以根据这个参考值和您种植的植物类型来选择LED植物灯的数量。例如，如果单个LED灯的PPFD为20μmol·m-2·s-1，则需要3个以上的LED植物灯泡才能种植喜光植物。

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，有两种基本的参考方法。

• 目前，室内种植模式在国内十分火热。该模型有几个特点：

①LED灯的作用是提供全光谱植物照明，需要照明系统提供全部照明能量，生产成本相对较高；
②LED植物灯的设计需要考虑光谱的连续性和完整性；
③要有效控制光照时间和光照强度，如让植物休息几个小时、照射强度不够或太强等；
④整个过程需要模仿室外植物实际最佳生长环境所需的条件，如湿度、温度、CO2浓度等。

• 户外种植模式，具有良好的户外温室种植基础。该模型的特点是：

①LED灯的作用是补光。一是白天在阳光照射下增强蓝色和红色区域的光照强度，促进植物的光合作用，二是在夜间没有阳光时进行补偿，促进植物生长速度
②补光需要考虑植物处于哪个生长阶段，如苗期还是花果期。

因此，LED植物生长灯的设计首先应该有两种基本的设计模式，即24小时照明（室内）和植物生长补充照明（室外）。对于室内植物栽培来说，LED植物灯的设计需要考虑三个方面，如图4所示。不可能以一定比例封装三基色的芯片。

图4、采用室内LED植物补强灯24小时照明的设计思路

例如，对于苗圃阶段的光谱，考虑到需要加强根和茎的生长，加强叶片的分枝，并且光源在室内使用，可以将光谱设计为如图5所示。

图5、适合LED室内育苗期的光谱结构

对于第二种LED植物生长灯的设计，主要是针对室外温室基地补光促进种植的设计方案。设计思路如图6所示。

图6、户外植物灯设计思路 

笔者建议更多的种植企业采用第二种方案，使用LED灯来促进植物生长。

首先，我国的户外温室种植，无论南方还是北方，都有几十年量大面广的经验。拥有良好的温室栽培技术基础，为周边城市提供市场上大量的新鲜果蔬。特别是在土壤和水肥种植领域，取得了丰富的研究成果。

其次，这种补光方案可以大大减少不必要的能源消耗，同时可以有效提高果蔬的产量。另外，中国幅员辽阔，推广起来非常方便。

作为LED植物照明的科学研究，也为其提供了更广阔的实验基础。图7为本课题组研发的一种LED植物生长灯，适合温室种植，其光谱如图8所示。

图7、一种LED植物生长灯

图8、一种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，实验结果非常显着。例如育苗期间的生长灯，原来使用的灯是荧光灯，功率为32W，育苗周期为40天。我们提供12W LED灯，使育苗周期缩短至30天，有效降低育苗车间灯具温度的影响，节省空调的耗电量。出苗的粗细、长度、色泽均优于原育苗液。对于常见蔬菜的幼苗，也得到了很好的验证结论，总结如下表。

其中，补光组PPFD：70-80μmol·m-2·s-1，红蓝比：0.6-0.7。自然组白天PPFD值范围为40~800 μmol·m-2·s-1，红蓝比为0.6~1.2。可见，上述指标均优于自然生长的苗。

结论

本文介绍了LED植物灯在植物栽培中应用的最新进展，并指出了LED植物灯在植物栽培中应用的一些误区。最后介绍了植物栽培用LED植物生长灯的开发技术思路和方案。需要指出的是，灯具的安装和使用还需要考虑一些因素，如灯具与植物的距离、灯具的照射范围、如何应用灯光等。正常的水、肥料和土壤。

作者：王毅等来源：中国知网