LED植物照明3個常見誤區及設計建議

引言

光照在植物生長的過程中起關鍵的作用，它是促進植物葉綠素的吸收和胡蘿蔔等多種植物生長質 素吸收的最好肥料。然而，決定植物生長好壞的決定因素是一個綜合因素，不僅與光有關，而且與水土肥料的配置、生長環境條件和綜合技術管控都有著密不可分的關係。

最近兩三年，有關半導體照明技術在立體式植物工廠或植物生長方面的應用報道層出不窮。但仔細讀下來，總有一些不安的感覺。總體上說是沒有能夠真正認識到光應用到植物生長上應該起到什麼作用的問題.

首先來認識一下太陽的光譜，如圖1所示。可以看到，太陽光譜是一個連續譜，其中藍色與綠色光譜相對於紅色光譜而言要強，其可見光光譜範圍在380~780 nm左右。自然界的生物的生長是與光譜的強度有關的，比如在赤道附近區域大多數植物的生長速度是非常快的，同時生長的尺寸也比較大。但太陽的照射強度不是越高越好，對於動植物的生長是有一定選擇性的。

圖1 太陽光譜及其可見光光譜的特性

其次，第2個關於植物生長的幾個關鍵吸收要素的光譜簡圖，如圖2所示。

圖2 植物生長几種生長素吸收光譜簡圖

從圖2可以看到，影響植物生長的幾個關鍵生長素對於光的吸收光譜是有顯著區別的。因此，LED 植物生長燈的應用不是件簡單的事，而是非常有針對性的。在這裡有必要介紹兩個最主要的光合作用植物生長要素的概念。

• 葉綠素

葉綠素（chlorophyll）是一類與光合作用（photosynthesis）有關的最重要的色素，存在於所有能營造光合作用的生物體，包括綠色植物、原核的藍綠藻（藍菌）和真核的藻類。葉綠素從光中吸收能量，然後能量被用來將二氧化碳轉變為碳水化合物。

葉綠素a主要吸收紅光，葉綠素b主要吸收藍紫光，主要是為了區別陰生植物與陽生植物。陰生植物的葉綠素b和葉綠素a的比值小，所以陰生植物能強烈地利用藍光，適應於遮陰處生長。 葉綠素a呈藍綠色，葉綠素b呈黃綠色。葉綠素a、葉綠素b的強吸收帶有兩個，1個在波長為630~680 nm 的紅光區，另1個在波長為400~460 nm的藍紫光區。

• 類胡蘿蔔素

類胡蘿蔔素（carotenoids） 是一類重要的天然色素的總稱，普遍存在於動物、 高等植物、真菌、藻類中的黃色、橙紅色或紅色的色素之中。迄今被發現的天然類胡蘿蔔素已達600多種。

類胡蘿蔔素吸收光涵蓋範圍在OD303~505 nm，它提供食物的顏色並影響人體對食物的攝取；在藻類、植物以及微生物中，因其顏色被葉綠素覆蓋而無法呈現。在植物細胞中，產生的類胡蘿蔔素除了吸收並轉移能量幫助光合作用的進行，同時還具有保護細胞免於被激態的單電子鍵氧分子破壞的功能。

一些概念誤區

無論從節能效果還是光的可選擇性以及光的配合方面，半導體照明已顯示出巨大的優勢。然而從這兩年的快速發展中也看到很多光的設計以及應用 上存在的一些誤區，主要有以下幾個方面的體現。

①只要把一定波長的紅、藍晶元按照一定的比例進行組合就可以運用到植物的培養中去，比如紅藍比為4:1，6:1，9:1等等。

②只要是白光的燈就可以代替太陽的光照，比如日本廣泛使用的三基色白光燈管等等，這些光譜的使用對於植物的生長是有一定的作用，但是效果不如LED做出的光源好。

③只要是把光照的一個重要參數 PPFD（光量子通量密度）達到某一個指標就可以了，比如 PPFD大於200 μmol·m-2·s-1，但是在使用這個指標的時候一定要注意是陰生植物還是陽生植物，要去查詢或者找到這些植物的光補償飽點，又叫光補償點。在實際的應用中經常會出現苗被燒傷或者枯萎的情況，因此在此參數的設計上一定要根據植物種類、生長的環境和條件來進行有針對性地設計。

關於第1個方面，在引言部分中已經介紹，對於植物生長所需要的光譜應該是一個有一定分佈寬度的連續譜，使用光譜很窄（如圖3(a)）的紅、藍兩個特定波長晶元製成的光源很顯然是不合適的，在實驗中發現，植物會發生偏黃，葉莖很輕，葉莖很單薄等等現象。

對於前些年被普遍使用的以三基色為主的熒光燈管，雖然合成了白色，但其紅、綠、藍 光譜都是分立的（如圖3(b)），而且光譜的寬度很窄，下面連續部分的光譜強度相對比較弱，同時功率相對於LED等而言還是偏大的，1.5~3倍的能耗。 因此，在使用效果上是不如LED燈的。

圖3 紅藍晶元LED植物燈和三基色熒光燈光譜

PPFD即光量子通量密度，它是指在光合作用中光的有效輻射光通量密度，表示單位時間、單位面積上在400~700 nm波長範圍內入射到植物葉莖上的光量子總數。其單位是μE·m-2·s-1-2·s-1）。而光合有效輻射（PAR）是指波長在400~700 nm範圍內 的太陽總輻射。它既可用光量子來表示，也可用輻射能量來表示。

以往使用的照度計所反應的光強是亮度，但由於植物生長的光譜因其光源離植物的高度、光的覆蓋面以及光線能否通過葉片等而發生變化等，因此在研究光合作用時作為光強的指標是不夠確切的，現大多採用PAR。

一般陽性植物PPFD＞ 50

-2

-1即可啟動光合作用機制；而陰生植物 PPFD僅需20

-2

-1。所以選購LED植物燈時，可根據這一參考值和自己栽種的植物類型來選購LED 植物燈的數量。比如，單顆LED植物燈泡PPFD若為 20

-2

-1，則若種植陽性植物需要3顆以上的 LED植物燈泡。

幾種半導體照明的設計方案

半導體照明用於植物生長或種植，主要有兩種基本參考方法。

• 目前國內炒得很熱的室內種植模式。這種模式有幾個特點：

①LED燈的作用是提供植物照明的全光譜，需要燈具提供全部的照明的能量，生產成本比較高；

②LED植物生長燈的設計需要考慮光譜的連續性和完整性；

③需要對照明的時間和照明的強度進行有效地控制，比如要讓植物休息幾個小時，照射的強度不夠還是過強等因素；

2

• 具有較好的戶外大棚種植基礎的戶外種植模式。此種模式的特點為：

①LED燈的作用是用來補光的，一是加強在白天有日照的情況下藍光區域和紅光區域的光強，促進植物的光合作用，二是在夜間沒有日照的時候進行補償，促進植物生長速度；

②補光燈需要考慮植物處在哪個生長階段，比如是育苗期，還是開花結果期等。

因此LED植物助長燈的設計首先就應該有兩種最基本的設計模式，即全天候照明使用（室內）和植物生長補光使用（戶外）。 對於室內植物種植，LED植物助長燈的設計需要考慮3個方面，如圖4所示。不可以直接拿三基色的晶元按照一定的比例來封裝。

圖4 全天候照明使用室內LED植物助長燈的設計思路

比如，一種育苗階段的光譜，考慮其需要加強根和莖的生長，加強分葉分叉，其光源的使用又是在室內，因此光譜可以設計成圖5的形式。

圖5 種適用於LED室內育苗期的光譜結構

對於第2類LED植物助長燈的設計，主要是針對在室外大棚種植的基地進行補光助長的設計方案。 其設計思路如圖6所示。

圖6 戶外植物助長燈的設計思路

作者建議更多的種植企業採用第2種方案利用 LED燈具促進植物生長。

首先的戶外大棚種植已經有幾十年的經驗，量大面廣，南方、北方都有，有良好的大棚種植技術基礎，為周邊城市提供了大量新鮮上市蔬果，尤其是在有土和水肥種植方面取得了豐富的研究成果。

其次，這種補光方案可以大大減少能源的不必要消耗，同時能夠有效地提高蔬果產率，加上地緣遼闊，十分方便推廣。

作為LED植物照明的科學研究，也為其提供了更廣闊的實驗基地。圖7是本研究團隊開發出的1種適合於大棚種植補光的LED助長燈，其光譜如圖8所示。

圖7 一種LED植物生長助長燈

圖8 一種LED植物生長助長燈光譜

根據上述設計思路，研究團隊進行了一系列的實驗，實驗效果十分顯著。比如，育苗助長燈，原來使用的燈管是熒光燈，功率為32 W，育苗周期為40天。我們提供了一款12 W的LED燈，育苗周期縮短為30天，並有效地降低了育苗車間燈具溫度的影響，節省了空調耗電量。苗的粗壯度、長度和顏色都好於原有的育苗方案。對於普通蔬菜的育苗，也獲得了很好的驗證結論，其總結如下表所示。

-2

-1，紅藍比：0.6~0.7；自然組白天PPFD值變動範圍為40~800

-2

-1，紅藍比：0.6~1.2。可以看出，上述指標都比自然生長的苗情要好。

結論

本文對LED植物助長燈在植物培育和種植中應用的最新進展進行了介紹，指出了在LED植物生長燈在植物種植和培養中的應用存在的一些誤區。最後介紹了作為植物培育和種植所使用LED助長燈開發的技術思路和方案。應該指出，在燈的安裝和使用中也存在一些需要考慮的因素，比如燈離植物的距離，燈光的輻照範圍以及如何與正常的水、肥、 土的配合等等。

■來源/知網 作者王憶等

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