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一个综合因素，不仅与光有关，更离不开水土肥的配置、生长环境条件和综合技术控制。

近两三年，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。但仔细看完，总有一些不安的感觉。一般来说，对于光在植物生长中应该扮演什么角色，并没有真正的认识。

首先我们来了解一下太阳的光谱，如图1所示。可以看出，太阳光谱是一个连续的光谱，其中蓝色和绿色光谱比红色光谱强，可见光光谱范围从380 至 780 纳米。自然界中生物的生长与光谱的强度有关。例如，赤道附近地区的大部分植物生长速度都非常快，同时生长的体积也比较大。但太阳的照射强度并不总是越高越好，对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，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存在显着差异。因此，LED植物生长灯的应用不是一件简单的事情，而是非常有针对性的。这里有必要介绍一下光合植物生长最重要的两种元素的概念。

• 叶绿素

叶绿素是与光合作用有关的最重要的色素之一。它存在于所有能进行光合作用的生物体内，包括绿色植物、原核蓝绿藻（蓝细菌）和真核藻类。叶绿素从光中吸收能量，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主要吸收蓝紫光，主要用来区分阴生植物和阳生植物。荫生植物的叶绿素b与叶绿素a的比例小，因此荫生植物能强烈利用蓝光，适应阴凉生长。叶绿素a是蓝绿色，叶绿素b是黄绿色。叶绿素a和叶绿素b有两个强吸收区，一个在波长630-680nm的红色区，一个在波长400-460nm的蓝紫区。

• 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范围涵盖OD303~505 nm，提供食物的颜色，影响人体对食物的摄取。在藻类、植物和微生物中，它的颜色被叶绿素覆盖而无法显现。在植物细胞中，所产生的类胡萝卜素不仅吸收和传递能量以帮助光合作用，还具有保护细胞不被激发的单电子键氧分子破坏的作用。

一些概念上的误解

无论在节能效果、光的选择性、光的协调性等方面，半导体照明都显示出巨大的优势。但是，从这两年的飞速发展中，我们也看到了很多在光的设计和应用上存在的误区，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一定比例组合，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，都可以代替太阳光，比如日本广泛使用的三基色白光管等。利用这些光谱对植物的生长有一定的作用，但效果是不如LED做的光源。

③只要照度的重要参数PPFD（光量子通量密度）达到一定指标，如PPFD大于200μmol·m-2·s-1。但是在使用这个指标的时候一定要注意是阴生植物还是阳生植物。你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，经常会出现烧苗或枯苗的情况。因此，该参数的设计必须根据植物种类、生长环境和条件进行设计。

关于第一个方面，如前言所述，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。使用光谱非常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，植株容易偏黄，叶柄很轻，叶柄很细。

往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植物灯与三基色荧光光谱

PPFD是光量子通量密度，是指光在光合作用中的有效辐射光通量密度，表示单位时间、单位面积内入射到植物叶茎上的400～700nm波长范围内的光量子总数.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400～700nm范围内的太阳总辐射。它可以用光量子或辐射能来表示。

以往照度计反映的光强就是亮度，但植物生长的光谱会因为灯具离植物的高度、光照覆盖范围、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。

一般喜光植物的PPFD大于50μmol·m-2·s-1即可启动光合作用机制，而喜阴植物的PPFD仅需20μmol·m-2·s-1 .所以大家在选购LED植物灯的时候，可以根据这个参考值和自己种植的植物种类来选择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，室内种植模式在中国非常火热。这种模式有几个特点：

①LED灯的作用是为植物提供全光谱照明，需要照明系统提供所有的照明能量，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要有效控制光照时间和光照强度，比如让植物休息几个小时，照射强度不够或太强等；
④整个过程需要模拟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。

• 室外种植模式，具有良好的室外温室种植基础。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，比如苗期还是花果期。

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24h照明（室内）和植物生长补光（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，不可能将三基色芯片按一定比例封装。

图4、利用室内LED植物增光灯进行24h照明的设计思路

例如，对于育苗期的光谱，考虑到需要加强根茎的生长，加强叶片的分枝，光源在室内使用，光谱可以设计成如图5所示。

图5、适合LED室内育苗期的光谱结构

第二类LED植物生长灯的设计，主要是针对室外温室基地进行补光促进种植的设计方案。设计思路如图6所示。

图6、户外植物生长灯的设计思路 

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，我国室外温室栽培有几十年量大面广的经验，南北皆有。拥有良好的温室栽培技术基础，为周边城市提供大量上市的新鲜果蔬。特别是在水土肥料种植领域，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量消耗，同时可以有效提高果蔬的产量。此外，中国广阔的地理区域也非常便于推广。

作为LED植物照明的科学研究，也为其提供了更为广阔的实验基地。图7是本课题组研发的一种适合温室生长的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、一种LED植物生长灯光谱

根据以上设计思路，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的LED灯，将育苗周期缩短至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。出苗粗细、长短、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，补充光团PPFD：70-80 μmol·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，红蓝比值为0.6~1.2。可见上述各项指标均优于自然栽培苗。

结论

本文介绍了LED植物生长灯在植物栽培中应用的最新进展，指出了LED植物生长灯在植物栽培中应用的一些误区。最后介绍了用于植物栽培的LED植物生长灯的开发技术思路和方案。需要指出的是，在灯的安装和使用中还有一些需要考虑的因素，比如灯与植物的距离、灯的照射范围、如何用光来施光等。正常的水、肥料和土壤。

作者：王毅等。来源：中国知网