陈佳佳 胡炜钢

【摘 要】通過介绍植物生长的光环境控制照明技术，比较不同波长的光对植物生长过程的影响。研究表明，植物的补充照明、诱导照明，对植物光合作用和植物光周期及光形态的形成有着显著的作用。通过比较不同光源特点发现，LED补光灯在植物照明中具有更好的优势，利用其光谱可调的特点，针对不同植物对光质的需求各异进行定制化补光照明，为农作物增产增收提供强有力的技术支持。

【关键词】LED补光灯；植物照明；光谱可调

一、前言

近几十年来，随着工业化、城市化节奏加快，汽车尾气排放、工业废气、垃圾焚烧导致雾霾严重，大气透明度不断下降，致使地球表面接收到的阳光辐射日趋减少，严重影响了植物生长所需。光照不足，植物的生长就会受到抑制，其原因是植物在光补偿点以下无净光合作用的累积。所以大力推广科学种粮、科技种粮，切实提高种植效益，研究开发出更有利于植物生长的种植手段刻不容缓。

至此，一种通过人工干预方式研发的人工光源控制系统应运而生，它极大的解决了植物生长过程中关键影响因素之一光源---植物工厂。这是一种高科技、高成本、智能化的生产体系，通过计算机和电子传感技术，精密控制植物光照，保证植物连续生长的高效生产方式。

近年来，随着LED应用普及和技术发展，传统光源与之相比相形见绌。LED有着明显的优势：低功耗、寿命长、安装灵活、安全可靠、光谱可调等特点。在农业种植、空间栽培等领域应用具有良好的发展前景。

二、植物生长和光

光照对植物的诱导形态建成、代谢生理、光合作用都有重要影响。太阳光谱不能全被植物吸收。植物吸收光谱主要为波长为595-760nm的红橙光和波长为370-435nm的蓝紫光如（图2.1所示）。它们在光合作用的光反应和暗反应中起到了至关重要的作用。

三、植物补光灯（植物灯）传统光源和LED光源比较

3.1植物补光灯传统光源特点

传统的植物补光领域主要采用白炽灯、高压水银灯、荧光灯及金属卤化物灯作为人工光源。传统光源因其发光原理原因，光谱基本固定，如图3.1所示，这就导致了使用的局限性。不能够满足不同作物或者作物不同阶段对各种光照的需要，更不能满足例如空间环境等特殊领域的科研需求。所以它们的补光效果一般，适用范围窄。

3.2 LED光源特点

3.2.1 LED使用灵活，节能、低功耗

LED光源有体积小的特点，可以考虑将不同光谱的LED集成在一个补光灯具内，通过控制技术实现在不同时间段选用最佳的光谱对植物进行补光。这样既节约资源，同时由于补光效率的提高，还可以使用较小功率的LED光源，从而降低了环境的总热量，使环境使用的空调功率下降，进一步降低了补光的耗电，节约了成本，这也使其成为节能环保光源的首选。

3.2.2 LED光谱的灵活性

LED光源作为第四代新型照明。这是一种光谱非常灵活的光源，理论上通过多个LED的组合快于产生任何需要的光谱，使其可以有优针对性地对植物进行补光。通过定制化的光配方，根据植物的要求选择最佳光谱进行补光。最终达到增产增收、提高作物品质的目的。

3.2.3 LED灯具寿命长

理论上LED寿命长达10万小时，实际已经超过3万小时，是传统光源3倍以上。因此，采用LED补光可以节约维护成本。

四、LED植物补光灯原理

光质对植物生长发育有很重要的影响，尤其是波长370-435nm的蓝紫光和波长595-760nm的红橙光。而根据发光学和色度学原理，实现不同光谱的植物灯可由紫外光、蓝光和红光混合，也可以由蓝、绿、红三基色光混合，根据LED发光原理有如下几类：

（1）蓝光LED芯片与荧光粉组合

利用蓝光芯片和可被蓝光芯片有效激发的荧光体（有机或无机）混合发出特定光谱光源。

硫化物系列红色荧光粉：作为传统LED红光发射光转换材料，二价铕掺杂的CaS及SrS。因为Sr2+和Ca2+的半径接近，因此（Ca1-xSrx）S：Eu2+可以形成固溶体。通过改变基质的组份，Eu2+的发射峰可表现出蓝移。胡运生等人通过固相反应制备的（Ca1-xSrx）S：Eu2+激发光带位于430-490nm。这与目前白光技术广泛使用的蓝色芯片波长450-470nm可以较好的匹配使用，组合后可以得到蓝色+红色为主的混合光谱。

由于硫化物系列荧光粉稳定性差等缺陷，逐渐被氮化物系列荧光粉替代。

（2）紫外光、近紫外光LED芯片和荧光粉组合

将紫外光LED芯片和蓝色荧光粉、红色荧光粉组合。例如利用382nm紫外LED激发蓝色荧光粉（Sr，Ca，Ba，Mg）10（PO4）6Cl：Eu2+，红色荧光粉La2O2S：Eu3+；可以获得对应蓝色荧光粉发射波长447nm，红色荧光粉发射波长626nm。组合后也可以得到蓝色+红色为主的混合光源。

但紫外光、近紫外芯片技术不成熟，光转化效率低，目前还未全面推广。

（3）多基色LED组合

将发蓝色、红色、绿色单一芯片或者多种芯片组装成一个LED；可以组成任意光谱组合； 缺点：由于电流、工作温度、工作响应时间不同，存在一定的技术难点。

（4）有机LED（OLED）

技术不成熟，尚处于发展阶段。

五、LED补光灯（植物灯）应用现状

LED的上述特点，已经在多种植物补光中获得了应用，如菠菜、萝卜、生菜、番茄、黄瓜、铁皮石斛等。

魏灵玲等对黄瓜的育苗补光试验研究时，利用波长660nm红光LED和波长450nm的蓝光LED组合照明进行实验比对，当LED的红蓝光质比为7：1时，黄瓜苗的生长最佳。

2010年，周国泉等对生菜补光研究时发现，利用红、蓝和远红外3种不同光质的LED组合灯作为补光条件，研究最佳补光条件时得出R：B：FR=5：1：0.15时，各项指标可以达到最佳状态。利用该补光照射，生菜品质得到了提高。

LED补光灯在除了在植物生长过程中的促进作用大放光彩。其对于农业害虫的物理防治，也可起到独树一帜的作用。研究发现，动植物生长都有病虫或者某些细菌伴随，而这些病虫细菌可在某种光照下会被一定程度抑制。

六、结语

基于LED光源这些显著的特征，LED补光灯在植物组织培养、植物工厂等智慧农业以及畜牧业、空间栽培、科研等领域有着较好的应用前景。

纵观国内外LED植物照明市场，欧美、日韩等发达国家企业与科研机构相关技术研究相对深入。农业生产机械化、自动化程度高，已经有更好的基础。所以目前LED植物照明市场更多的以出口为主。国内LED植物照明的应用普及善不成熟，LED补光灯照明的国内市场拓展阻力重重。主要困难点在于一些基础性设施不齐套，植物工厂及相关概念还未普及，暂不具备快速发展的市场土壤。因此对国内企业而言，显得势单力薄，任重而道远。

【参考文献】

[1] 刘木清. LED及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2013 ，216-219.

[2] Li Y X， Li Y Y，Min Y L， Cheng C M，Zhou X Z，Gu Z Y.[J] Rare Earths，20015，23（5）：517.