引言
光照在植物生長的過程中起關(guān)鍵的作用，它是促進植物葉綠素的吸收和胡蘿卜等多種植物生長質(zhì) 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(guān)，而且與水土肥料的配置、生長環(huán)境條件和綜合技術(shù)管控都有著密不可分的關(guān)系。
最近兩三年，有關(guān)半導體照明技術(shù)在立體式植物工廠或植物生長方面的應(yīng)用報道層出不窮。但仔細讀下來，總有一些不安的感覺?？傮w上說是沒有能夠真正認識到光應(yīng)用到植物生長上應(yīng)該起到什么作用的問題.
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(xù)譜，其中藍色與綠色光譜相對于紅色光譜而言要強，其可見光光譜范圍在380~780 nm左右。自然界的生物的生長是與光譜的強度有關(guān)的，比如在赤道附近區(qū)域大多數(shù)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，對于動植物的生長是有一定選擇性的。
其次，第2個關(guān)于植物生長的幾個關(guān)鍵吸收要素的光譜簡圖，如圖2所示。
從圖2可以看到，影響植物生長的幾個關(guān)鍵生長素對于光的吸收光譜是有顯著區(qū)別的。因此，LED 植物生長燈的應(yīng)用不是件簡單的事，而是非常有針對性的。在這里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(guān)的最重要的色素，存在于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，然后能量被用來將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔铩?/p>
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(qū)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(yīng)于遮陰處生長。 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(qū)，另1個在波長為400~460 nm的藍紫光區(qū)。
類胡蘿卜素
類胡蘿卜素(carotenoids) 是一類重要的天然色素的總稱，普遍存在于動物、 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(fā)現(xiàn)的天然類胡蘿卜素已達600多種。
類胡蘿卜素吸收光涵蓋范圍在OD303~505 nm，它提供食物的顏色并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(xiàn)。在植物細胞中，產(chǎn)生的類胡蘿卜素除了吸收并轉(zhuǎn)移能量幫助光合作用的進行，同時還具有保護細胞免于被激態(tài)的單電子鍵氧分子破壞的功能。
一些概念誤區(qū)
無論從節(jié)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(yōu)勢。然而從這兩年的快速發(fā)展中也看到很多光的設(shè)計以及應(yīng)用 上存在的一些誤區(qū)，主要有以下幾個方面的體現(xiàn)。
①只要把一定波長的紅、藍芯片按照一定的比例進行組合就可以運用到植物的培養(yǎng)中去，比如紅藍比為4:1，6:1，9:1等等。
?、谥灰前坠獾臒艟涂梢源嫣柕墓庹?，比如日本廣泛使用的三基色白光燈管等等，這些光譜的使用對于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。
?、壑灰前压庹盏囊粋€重要參數(shù) PPFD(光量子通量密度)達到某一個指標就可以了，比如 PPFD大于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(yīng)用中經(jīng)常會出現(xiàn)苗被燒傷或者枯萎的情況，因此在此參數(shù)的設(shè)計上一定要根據(jù)植物種類、生長的環(huán)境和條件來進行有針對性地設(shè)計。
關(guān)于第1個方面，在引言部分中已經(jīng)介紹，對于植物生長所需要的光譜應(yīng)該是一個有一定分布寬度的連續(xù)譜，使用光譜很窄(如圖3(a))的紅、藍兩個特定波長芯片制成的光源很顯然是不合適的，在實驗中發(fā)現(xiàn)，植物會發(fā)生偏黃，葉莖很輕，葉莖很單薄等等現(xiàn)象。
對于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(xù)部分的光譜強度相對比較弱，同時功率相對于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。
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波長范圍內(nèi)入射到植物葉莖上的光量子總數(shù)。其單位是μE·m-2·s-1(μmol·m-2·s-1)。而光合有效輻射(PAR)是指波長在400~700 nm范圍內(nèi) 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(yīng)的光強是亮度，但由于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(fā)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(xiàn)大多采用PAR。
一般陽性植物PPFD> 50 μmol·m-2·s-1即可啟動光合作用機制;而陰生植物 PPFD僅需20 μmol·m-2·s-1。所以選購LED植物燈時，可根據(jù)這一參考值和自己栽種的植物類型來選購LED 植物燈的數(shù)量。比如，單顆LED植物燈泡PPFD若為 20 μmol·m-2·s-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(shè)計方案
半導體照明用于植物生長或種植，主要有兩種基本參考方法。
目前國內(nèi)炒得很熱的室內(nèi)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(chǎn)成本比較高;
?、贚ED植物生長燈的設(shè)計需要考慮光譜的連續(xù)性和完整性;
?、坌枰獙φ彰鞯臅r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;
?、苋绦枰７轮参镌趹敉鈱嶋H最佳生長環(huán)境所需要的條件，如濕度、溫度和CO2的濃度等。
具有較好的戶外大棚種植基礎(chǔ)的戶外種植模式。此種模式的特點為：
?、貺ED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(qū)域和紅光區(qū)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;
?、谘a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(jié)果期等。
因此LED植物助長燈的設(shè)計首先就應(yīng)該有兩種最基本的設(shè)計模式，即全天候照明使用(室內(nèi))和植物生長補光使用(戶外)。 對于室內(nèi)植物種植，LED植物助長燈的設(shè)計需要考慮3個方面，如圖4所示。不可以直接拿三基色的芯片按照一定的比例來封裝。
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(nèi)，因此光譜可以設(shè)計成圖5的形式。
對于第2類LED植物助長燈的設(shè)計，主要是針對在室外大棚種植的基地進行補光助長的設(shè)計方案。 其設(shè)計思路如圖6所示。
作者建議更多的種植企業(yè)采用第2種方案利用 LED燈具促進植物生長。
首先中國的戶外大棚種植已經(jīng)有幾十年的經(jīng)驗，量大面廣，南方、北方都有，有良好的大棚種植技術(shù)基礎(chǔ)，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(chǎn)率，加上我國地緣遼闊，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(fā)出的1種適合于大棚種植補光的LED助長燈，其光譜如圖8所示。
根據(jù)上述設(shè)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，并有效地降低了育苗車間燈具溫度的影響，節(jié)省了空調(diào)耗電量。苗的粗壯度、長度和顏色都好于原有的育苗方案。對于普通蔬菜的育苗，也獲得了很好的驗證結(jié)論，其總結(jié)如下表所示。
其中，補光組PPFD：70~80 μmol·m-2·s-1，紅藍比：0.6~0.7;自然組白天PPFD值變動范圍為40~800 μmol·m-2·s-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(jié)論
本文對LED植物助長燈在植物培育和種植中應(yīng)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(yǎng)中的應(yīng)用存在的一些誤區(qū)。最后介紹了作為植物培育和種植所使用LED助長燈開發(fā)的技術(shù)思路和方案。應(yīng)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，燈光的輻照范圍以及如何與正常的水、肥、 土的配合等等。
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