LED在园艺照明领域的应用正在“不断增长”

在人类长达约12,000年的悠久农业历史中，我们可以肯定的一点是，人类很快就发现植物所接收的阳光量对其生长和特性具有直接影响。当电灯泡于19世纪60年代诞生之后不久，我们几乎立即就开始利用人工照明来帮助促进植物生长。¹ 

当自然光照不足时，例如在阴天或冬季的温室环境中，电气照明可以填补这一不足。合适的灯具还可以实现室内大规模种植。通过提供光能，人工照明开辟了在许多以前不可能进行种植的条件下种植农作物的机会。

植物与光线

光合作用当然是使地球变得适宜居住的基本过程。植物（包括藻类，甚至一些细菌）从土壤中吸收水分(H₂O)和营养物质，从空气中吸收二氧化碳 (CO₂)，然后利用来自阳光的能量（光子）将这些成分转化为葡萄糖，这是维持动物和人类生命所必需的一种糖类。在这个过程中，植物会将氧气(O₂)释放回到空气中，以使其可以呼吸。

光合作用是植物利用阳光产生葡萄糖的过程，葡萄糖是地球食物链的重要基础。（图片：National Geographic）

然而，就植物生长而言，并非所有的光都具有相同的作用。太阳光的可见光谱从一端的深紫色延伸到另一端的红色（波长范围约为380-750纳米），植物对不同波长的光能具有不同的反应。数十年来，科学家们已经了解，红波可以优化光合作用，特别是660纳米左右的红色波长。（植物在我们眼中看起来是绿色的，这是因为它们能够最高效地吸收红光用于光合作用，同时所反射的大部分光线都是绿光。）在萌芽期间，植物也需要光谱中蓝色部分的光波来增强根部强度，除此之外还有其他益处。红波以外几乎不可见的波长范围（称为“远红波”）可以促进叶片生长、发枝和开花。²

园艺照明的发展

随着各种照明技术的发展，业界对农业照明应用和植物反应的研究也一直在继续。从20世纪初的碳弧灯和白炽灯灯具，到20世纪30年代汞灯和荧光灯的发展，再到今天最新型的可调色LED灯，研究人员、种植者和农民都在寻找能够提供“像阳光一样”的光线的人工光源，同时还确保经济实惠且高效节能。

在过去的数十年里，一些技术在园艺照明应用领域已经变得很常见。这些灯具被称为“高强度放电（HID）”灯，相比较早期的技术，它们能够提供更高的每瓦流明强度。然而，它们通常也会产生大量的辐射热，但这并不有助于光合作用，因此会损失一些效率。此外，它们也没有针对植物生长进行光谱优化，但足以满足多种一般应用的需求。HID灯包括汞蒸气、金属卤化物、陶瓷金属卤化物、高压钠灯和转换灯泡。

园艺照明应用类型

正如各种类型的植物对营养物质、水分和光的需求可能有所不同一样，每种园艺照明应用的具体情况也提出了广泛的要求。从广义上讲，我们可以将其分为光周期照明、补充照明和单光源照明情形。³ 

• 光周期照明。许多观赏作物（比如：用于园林绿化的作物）会根据昼夜交替循环调节开花时间。为了促进这些植物在需要时开花，光周期照明可以通过提供低强度光来模拟光照与黑暗循环。它可以促进植株高度，但不会促进光合作用，因此不会促进植物生长。
• 补充照明。 补充照明是指在夜间和阴天提供中等强度的照明，以促进植物生长并提高质量。举例来说，这种技术可用于需要大量光照的作物，比如在黑暗的冬季期间在温室中种植的西红柿。目前，高压钠灯是这些应用中最常见的光源。
• 单光源照明。现在，在完全属于室内环境而非温室中种植一些作物的做法正变得越来越普遍。举例来说，垂直农场在高密度农业经营中越来越受欢迎。通过将人工照明作为唯一的能源，室内种植者正越来越多地转向LED，LED现在可为园艺应用提供多种优点。

园艺作物种植中使用的主要照明应用及特性：光周期照明、补充照明和单光源照明。（图片来源）

LED技术的进步提供了新的园艺照明能力

最早出现的LED发明于1962年，其提供的亮度相对较低，并且仅提供一种光色：红光LED。自那时起，开发人员就能够使用各种材料和方法创造出彩虹光色的LED，包括高强度白光LED。这些较新型的LED产品提供改进的性能和效率，并且可以拥有广泛的光谱特性。它们能够实现精确调整为不同颜色光谱的照明方案，并且产生特定的照明属性，以促进植物的发育。凭借低功耗、低热辐射、耐久性等额外优势，LED已开始成为越来越多应用的首选园艺照明解决方案。

“LED为设计人员和研究人员创造了一个全新的技术平台，进而为种植者提供了不断扩展的选择范围。LED 技术正在推动围绕光谱、能源效率和先进控制系统以及可以提高业务绩效和作物生长绩效的功能进行的重要对话。”4事实上，据预计，到2027年，业界面向全球各地种植者的 LED灯出货量将以32%的年均增长率持续增长。⁵
 

新兴的垂直农业实践在室内将多层植物托盘堆叠起来，并使用LED照明进行优化，以促进植物的生长周期。在土地稀缺或土地价格昂贵的地区（比如：城市地区），该技术可以最大限度地提高可用土地的作物产量。

对于园艺种植者而言，LED 令人兴奋的方面之一在于，其能够精确地控制 LED 的光色和输出，即相关色温(CCT)和光谱功率分布（SPD）。一门称为照明“配方”的全新农业学科已经出现：“随着LED技术的进步，我们可以针对每种作物甚至作物生命的每个阶段对照明配方进行细微调整，以确定照明时数、照射植物的光子强度和光色混合。”⁶

园艺照明配方

植物照明旨在优化两个关键要素：光合作用速率和生长形态（这指的是植物各结构部分的生长，比如茎部、根部、叶片和果实）。这两种元素都取决于入射光子的数量和植物的各结构部分所吸收的光波长。

面向人类的光源通常使用流明、照度和光通量等指标来进行表征；这些术语有助于量化人眼如何感知光源发出的光线。业界采用一组不同的指标对园艺照明进行表征，即植物如何“感知”光线和对光线作出反应：

• 光合有效辐射（PAR） – 400 nm-700 nm的波长范围称为PAR区域。这是由于光子吸收而发生光合作用的波长区域，大致相当于人眼可见光的范围（波长约为380 nm-750 nm）。

光线的光合有效区域（PAR）是指波长为400 nm - 700 nm的区域。PAR包含植物可用于光合作用的光波。（图片： BIOS Lighting）

• 光合光子通量（PPF）– 是指对照明系统每秒钟在PAR波长范围内发射的光合有效光子数量进行的测量值。以每秒微摩尔（μmol/s）为单位表示，PPF是针对植物的流明当量（光通量单位）。
• 光子功效 – 电气照明系统通过将能量（电力）转换为光子（光）来进行工作。园艺照明系统的效率是指其光子效率，也称为每瓦特PPF（PPF/W）。它以微摩尔/焦耳（μmol/J）为单位表示。
• 光合光子通量密度（PPFD） – 每秒钟从光源落到给定表面上的光合有效光子的数量就是该光照的PPFD。PPFD以每平方米每秒的微摩尔数 (μmol/m²/s)为单位表示，是针对植物的勒克斯（照度单位）当量。
• 日累积光照量（DLI） – 这是一个累积测量值，计算在一天的光周期期间到达给定表面的光子总数（在PAR区域中）。DLI以 mol/m²/天为单位表示。通过确定温室的自然DLI，将使种植者能够计算出所需的补充照明量，以达到预期的作物产量。

照明配方可用于优化植物生长四个阶段的活动，包括：发芽、生长、开花和结果。不同波长的光线被光色素吸收，以控制和促进植物的生长。不同的照明配方（波长和强度组合）可用于获取更多的生物量，缩短生长周期，改进农作物的味道或颜色，并实现最佳的植株大小。

示例：不同的照明配方如何能够用于改变植物生长及特性。（图片来源）

LED的测量和表征

不仅不同的植物对各种光组合的反应不同，而且每种植物在其生长的不同阶段对光的反应也不相同。要确定各种作物的正确照明配方以在每种独特的设置中实现特定的效果，可能需要进行自定义计算，充分考虑光谱因子、光束角度、PPFD、DLI等因素。所使用的每种照明组件（LED 灯泡或灯具）都需要仔细考虑，以了解其如何能够满足整个农业照明计划的需求。

为了帮助LED制造商和照明设计工程师测量和验证照明组件的输出，瑞淀提供一系列集成式解决方案，可用于在研发阶段和生产线上对各种光源的强度、照度、亮度、主波长和 相关色温（CCT）进行测试。在研发环境中，将紧凑型测角仪系统（将光作为角度因素进行测量）与成像技术和应用软件搭配使用，可确保以经济实惠的方式为3D照明建模快速提供全面的数据。

瑞淀的测量系统使照明工程师们能够优化他们的产品设计，并轻松生成标准输出文件，包括IES、EULUMDAT或瑞淀光源模型™ (RSM) 格式。在生产线上，瑞淀的ProMetric^®成像色度计和亮度计解决方案可实时确保产品质量和一致性，优化照明测量过程的效率，并提高作物产量。

基于LED照明的日益普及、使用LED改造农业照明系统的发展趋势、全球园艺照明市场据预计到2025年将以21.4%的复合年增长率持续增长⁷等因素，我们可以肯定的是，LED在农业应用中的使用将会继续“生根发芽”。

 

引用文献

1. Wheeler, R., “A Historical Background of Plant Lighting: An Introduction to the Workshop.” HortScience, Vol 23:7(1942-1943), December 2008. DOI: https://doi.org/10.21273/HORTSCI.43.7.1942 
2. Higgins, A., “Growing the future.” Washington Post, November 6, 2018. 
3. Runkle, E., “Horticultural Lighting Applications.” Greenhouse Product News, June, 2018.
4. Alex Bodell, as quoted in Konjoian, P. and Bodell, A., “Horticulture’s History with Disruptive Technology; LED Lighting Takes Its Turn.” Greenhouse Product News, June 2019.
5. Marshall, C. and Maxwell, K., LED Lighting for Horticultural Applications. Research Report by Navigant, Q1 2018
6. Higgins, A., “Growing the future.” Washington Post, November 6, 2018. 
7. Horticultural Lighting Market…Global Forecast to 2025. Markets and Markets, 2020