植物光生理與LED在植物照明優(yōu)勢

　　前言

　　「民以食為天」的觀念源遠(yuǎn)流長，道出了食物對人類生存和發(fā)展的重要性，此觀念放諸四海皆準(zhǔn)。隨著全球人口持續(xù)增長，在可耕作面積有限情況下，人類利用科技開發(fā)出各種農(nóng)業(yè)與耕作技術(shù)，想辦法解決糧食供給的問題，而”植物工廠”正是近年來熱門話題，它解決了氣候、地理、空間…等影響與限制因素，成為提供人們的植物食材來源之一，而穩(wěn)定與高質(zhì)量的特質(zhì)更可以做到「食以安為先」，食安關(guān)乎每個人的健康和生命，能否保障食品安全，讓人吃得健康、安全，對老百姓來說就是“天大的事”。

　　植物生長幾個要素: 陽光、水、空氣與溫度，植物透過光合作用轉(zhuǎn)化成生長發(fā)育所需的化學(xué)能，驅(qū)動植物各個部位組織的生長與發(fā)育，而這些生長要素正是植物工廠中所調(diào)控的重要參數(shù)。

　　植物光生理

　　本文由植物光生理的角度切入，針對人工光源部分，探討LED在植照應(yīng)用的利基。

　　所謂植物照明需要的光質(zhì)、光量分別指光的顏色(波長)、照射強(qiáng)度、給光周期與累積總光量，植物體內(nèi)不同色素分子吸收不同的波長，例如大家熟知的葉綠素吸收光子進(jìn)行光合作用，形成ATP和NADPH化學(xué)能，其他尚有受到紅光與遠(yuǎn)紅光影響的光敏素(Phytochrome)，受藍(lán)光影響的隱花色素(Cyrptochrome)與向光素(Phototropin)……等，調(diào)控著植物種子的發(fā)芽、生長與分化、葉綠素的移動與發(fā)育、氣孔開合、開花的誘導(dǎo)、色素的合成、酵素的活化、蛋白質(zhì)的合成…等各種生理現(xiàn)象。

　　Source: Sullivan and Deng(2003) Developmental Biology 260: 289-297.

　　植物經(jīng)過數(shù)億年的演化，發(fā)展出眾多物種，對于光照特性主要分成長日植物(Long-day plant)、短日植物(Short-day plant)、日中性植物(Day-neutral plant)三種，另外還有雙重日長型、長短日型、短長日型。下圖解釋照光周期的長短對開花影響，可以得知臨界暗期的影響比臨界日長更重要，也就是長夜植物開花由暗期長度決定，非照光時(shí)間長度。

　　除了光周期的影響外，上圖也說明不同波長的影響，無論是抑制短日照植物開花，還是促進(jìn)長短日照植物開花，可利用660nm紅光(R)處理。如果紅光處理后再以730nm遠(yuǎn)紅光(FR)照射，紅光夜中斷作用就被遠(yuǎn)紅光抵消，由此可知光敏素亦參與了植物開花的誘導(dǎo)。

　　另一個光周期概念是日總光量(DLI, Daily Light Integral)，就是每日照光強(qiáng)度乘以時(shí)間，得到每日累積的總光量，就像人每天吃三餐，光照需平均分配而不能過度集中，總光量的調(diào)控超過與不及都會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生不良影響。

　　- DLI單位: mol/m2

　　- DLI=PPFD x time(sec)

　　植物工廠必須根據(jù)以下使用狀況，將光源做優(yōu)化調(diào)配，以求得最佳生長曲線:

　　- 不同生長階段:種子發(fā)芽/育苗/營養(yǎng)成長/生殖生理…階段

　　- 不同目的:加速生長/花期調(diào)控…

　　- 不同功能:促進(jìn)代謝物生成/加強(qiáng)特殊基因下游反應(yīng)…

　　LED在植照優(yōu)勢

　　植物工廠依照射光源方式，可概分為:

　　1、太陽光并用型(人工補(bǔ)光)

　　2、全人工光源型。

　　傳統(tǒng)人工光源照度強(qiáng)弱控制，通常使用燈具數(shù)量與照射距離做調(diào)整，而高壓鈉燈會產(chǎn)生高熱，無法近距離照射，常見傳統(tǒng)光源的波長分布也無法做任意變更。LED是指向性光源，發(fā)光原理是冷光，體積小可多波長放在同一燈具，更可以使用電流大小做調(diào)整強(qiáng)度，甚至可使用脈沖(pulse)方式控制，加上LED效率高(省電)，單色波長且顏色種類完整…等，可依上述不同植物種類、目的與需求，設(shè)計(jì)成各種樣式的光源，精準(zhǔn)控制所需的光質(zhì)/光量，故適用于各種照射方式與型式的植物工廠，這些是傳統(tǒng)光源所做不到的。

　　晶元光電LED產(chǎn)品波長分布圖

　　依植物所需要的光源，選用不同波長的LED，依據(jù)各LED輸出功率、燈具效率、出光角度與照射距離/面積，找到相關(guān)參數(shù)，使易于設(shè)計(jì)出最佳效率/需求的LED植物照明光源。

　　- 不同波長LED的光子計(jì)算: PPF=[ λ(nm) x Power(mW) ]/ 119500 μmol/s

　　隨著LED的快速發(fā)展，透過外延與芯片技術(shù)的持續(xù)研發(fā)，發(fā)光效率逐年穩(wěn)定的提升，在植照應(yīng)用的LED芯片更是獲得重大的突破，特別是660nm和730nm產(chǎn)品。

　　下圖為晶元光電植照應(yīng)用LED發(fā)展歷程(660/730nm)，發(fā)光效率每年以穩(wěn)定的幅度持續(xù)進(jìn)步，660nm大功率產(chǎn)品已達(dá)60%以上，730nm也達(dá)到50%，2018年持續(xù)朝更高的目標(biāo)前進(jìn)，領(lǐng)先業(yè)界。植物工廠相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，需要更高的能耗，更高的光效意謂著更少的電費(fèi)支出，電費(fèi)屬于長期固定操作成本，使用LED除有效降低照明電費(fèi)(成本)，壽命長也減少維修周期的問題，LED已成為植物照明最佳光源。

　　晶元光電為業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)品牌，穩(wěn)定的質(zhì)量與技術(shù)，加上專利保護(hù)，已獲得國際品牌大廠指定使用與長期合作?？萍嫉倪M(jìn)步帶給人們的更好的生活質(zhì)量，植物照明應(yīng)用除了工業(yè)界的研發(fā)外，亦需要更多的農(nóng)業(yè)專業(yè)人員的投入與研究，提升相關(guān)專業(yè)知識與技術(shù)，蓬勃植物照明產(chǎn)業(yè)與市場，達(dá)到雙贏的目的。