切入植物照明 必看十大重點

植物照明到底有多熱門?

在近期北京大學高安研究院研究人員的相關調研結果中就指出,首先可從LED照明在這個方面的應用領域極為廣泛:例如包括了植物組培、葉菜生產、溫室補光、植物工廠、育苗工廠、藥用植物栽培、食用菌工廠、藻類培養、植物保護、太空蔬果、花卉種植、驅殺蚊蟲等。

(圖片來源:LEDinside)

據悉,其中植物種苗培育、植物組培苗生產、食用菌菇生產、畜禽養殖業將有望成為先導領域,用LED光源取代傳統光源。植物工廠和溫室補光是發展最快的半導體照明領域,技術含量高,裝備智慧化系統性強,是農業半導體照明產業發展的重點。

而經由LED植物照明技術種植出來的果蔬、花卉、藥材等產品,則可以大幅滿足軍隊邊防哨所、高寒地區、水電資源匱乏地區、家庭辦公園藝、海洋太空人員、特殊病人等地區或人群的需要。

此外,該領域適用的LED植物照明裝置種類繁多,例如有目前在市場上已研發和生產出來的LED植物生長燈、植物生長箱、宅用LED植物生長檯燈、驅殺蚊蟲燈等。其中,LED植物生長燈常見的形態就有燈泡、燈條、面板燈、燈帶、筒燈、燈柵等。

根據統計,目前中國從事LED植物照明的企業超過150家,主要是分佈在長三角和珠三角地區。中國農科院預判,包括LED植物照明在內的農業半導體照明市場前景將非常廣闊,按照中國現有農業產業規模估算,未來的5年裡,農用LED照明燈具及其控制裝備的需求量將達到幾十億元,10年內將達到百億規模,年增長率達到20%~50%,農業半導體照明產業總規模更是可以達到上千億元。

儘管中國在LED植物照明技術的起步較晚,並且光生物學規律及LED光源裝置和照明智能控制系統的產業化還依然有不少障礙,還需進一步研究。然而,LED光源在植物工廠中的推廣應用將會呈現逐年廣泛。為此,中國農科院推測,未來10-20年後,中國將成為世界農業半導體照明技術裝備產業及其應用大國和強國。

由於LED可發射出植物生理有效輻射300~800nm範圍內的窄譜單色光,光質豐富、光源光譜可組合調製、光環境智慧可控,LED光源具有環保、節能、體積小、冷光源、低電壓、直流電等優勢,故此一直有著良好的口碑,被業界人士譽為設施農業的理想光源。

LED植物照明屬於農業半導體照明範疇,即採用半導體電光源及其智能化管控裝備,按照植物生長的光環境需求規律和生產目標要求,利用人工光創造適宜光環境或彌補自然光照的不足,調控植物的生長,以實現「優質、高產、穩產、高校、生態、安全」生產目標的一種農業工程措施。

LED植物照明屬於LED在農業領域的創新性應用,據透露,目前中國對《植物生長用LED照明術語和定義》正在緊鑼密鼓的編制中。

鑑於LED植物照明領域的未來發展前景,一切都被描述得切實而美好,也就是在這樣的聲浪之下,越來越多的企業前仆後繼投入LED植物照明應用。因此,北京大學高安研究院研究人員歸納出了進入該行業的6大基本點,以及詳細介紹了植物照明中光質對光合作用及光形態建成的影響,以供各企業單位學習參考之用。

 進入LED植物照明行業應知的6大基本點

1、最大的困難在哪?

LED植物照明是生物學、設施園藝學、蔬菜學、植物生理學、植物營養學、生物環境工程、LED照明、智能控制技術等多學科交叉和有機結合發展的產物。所以只擅長半導體、植物、智能化系統之一或兩者的都是不夠的,充分的協作和交叉研究應用至關重要。進入LED植物照明市場最大的難點是為了研發生產高產優質生態的LED植物光源或燈具,就需要同時解決光環境智能調控、植物光生物學、LED半導體技術三者如何融合與一體的發展問題。

2、植物光生物學指的是什麼?

研究植物光生物學規律是LED植物照明的重要基礎,包括研究光環境的數量屬性(光強和光週期)、質量屬性(光質和光譜)、電光源發光特性(佔空比、頻率)等。植物光生物學具有較高的複雜性和系統性。

光質是指對生物有作用的光質類型,包括可見光、UV和遠紅光。光質生物學方面,我們要搞清楚以下問題:
第一,光質的生物學功能,研究單一光質及復合光質對植物生長和產量品質影響的生理代謝,分子生物學及蛋白組學機理;
第二,植物種類及品種間光質適應性和利用差異性機理;
第三,光質與環境其他因子互動的生物學機制;
第四,照明設施的光質數量屬性有效閾值和基準值。

另外,逆境光質生物學的明確弱光、強光及連續光照下光合機構運轉效率的響應機理也需要研究。

3、不同企業但同一種植物的光照配方為何不同?

建立各種植物生長發育、優質高產所需要的光照配方是發展LED植物照明產業的基礎。

光照配方是以優質高產為目標,按照特點植物種類及品種生長發育各階段所需的光質種類及其數量屬性的參數集合。每種植物及不同生長階段所適宜的光照配方都是不同的。

不同企業針對同一種植物的光照配方會不一樣,甚至相差很大,主要和企業對植物生長目標有一定關係。簡單點說,企業根據市場需求和企業自身發展需要,可以降低要求,只需要超過植物生長的最低光照配方需求,對生物生長的其他環境也放寬要求的話,不僅光照配方會不一樣,對於環境控制系統也會很不一樣。

相反,企業也可以嚴格要求,儘量給植物創造最好的生長環境和條件,這樣所研發的光照配方就好。未來隨著我國LED植物照明領域相關標準和要求的陸續出台,光照配方講逐步統一或保持基本條件的一致性。

4、LED植物生長光源和燈具研發生產需要注意哪些原則?

LED植物生長光源及燈具是LED植物照明產業的核心,企業需要根據光照配方來研發植物生長所需要的光源及燈具。

以下四個原則要注意:
第一,高光能利用率原則,制定合理光譜組分最大程度增加LED光源的發光效率,減少光源與被照射植物距離,減少光損失,提高光能利用效率;
第二,低成本原則,成本是決定LED植物照明產業化發展的最重要因素之一;
第三,生態安全原則,在紅藍光譜中,增加微量或少量綠光成分,增加視覺健康;
第四,優先開發附加值高的植物專用的LED光源及燈具。

5、植物光環境控制是什麼,包括哪些方面?

光環境控制是以優質高產為目標,以植物工廠各生產系統所栽培的植物種類及品種生長各階段光照配方為基礎,通過計算機直接控制和切換光環境參數的時空管理。

例如,溫室補光需要考慮自然光日變化參數、環境參數、植物光合生理參數、植物生長階段和燈具屬性,實施經濟有效地補光方法,滿足光強、光質、光週期需求,節能高效。

植物光環境控制主要是指控制LED燈具的光質、光強、光週期、空間位置和移動速率等。光環境控制具有明顯的時空特徵,因此建立動態實時控制非常重要,實現LED植物照明光環境控制的自動化、智能化是大勢所趨。

6、LED植物照明燈具設計主要關注哪些指標和性能?

LED植物照明燈具設計師需要關注如下指標和性能:1.光照的均勻性;2.光質組配的合理性;3.散熱的可靠性;4.LED芯片功率的適宜性;5.發光面的高效性;6.視覺的舒適性。

  光品質對光合作用及光形態建成的影響

1、光對於植物的意義是什麼?

光是植物生長發育最重要的環境因子之一。太陽光到達地面的43%~52.5%波長為400~700nm,是人眼可以看到的可見光,這正是光合作用能量和環境信號,通過光合作用和光形態建成途徑影響植物的生長發育和產量品質。

第一,光合作用是植物生物量與產量形成的基礎,植物95%的干物質源於光合作用產生的碳水化合物。植物對光照條件存在複雜的反應,包括光響應、光抑制、光適應、避陰反應等。太陽的全色光譜中只有部分波段的光被植物吸收產生光合作用,植物的葉片形態、植物的生理反應、等都會影響光合作用。

第二,光形態建成是指光作為環境信號作用於植物,調節植物生長、分化和發育的過程。感受光的受體在植物細胞中含量微少,但對外界光環境的額變化很敏感。例如600~700nm的紅光領域促進萵苣種子萌發,而720~740nm遠紅光領域抑制萵苣種子萌發。

2、「光肥」是指什麼?

植物利用各種不同波長進行光合作用,也就是說植物對光譜具有選擇性,植物的光合作用在可見光光譜(380~760nm)範圍內所吸收的光能約在6成,其中以波長610~720nm(波峰為660nm)的紅橙光以及400~510nm(波峰為450nm)的藍紫光為吸收峰值區域,這兩個波段倍成為植物的「光肥」。

LED能夠發出植物生長所需要的單色光,單色光組合後能形成植物光合作用與形態建成所需要的光譜。LED植物生長光源能提高植物的光能利用率。

3、何謂光合機構,它受什麼影響?

光和機構廣義說就是能夠進行光合作用部分反應或全部反應的機構,小到葉綠體、類囊體,大到葉肉細胞、葉片器官,以致整個植物體。狹義就是葉綠體。

第一,光合機構受光逆境影響。過強過弱的光將導致植物光逆境發生,抑制光合作用,降低光合效率。弱光導致黃化現象發生,強光下植物產生活性氧自由基,產生光抑制。

第二,光合機構受溫度影響。溫度的週期性變化影響的是植物光合碳固定、還原、蔗糖合成,光合產物的運輸與分配和電子傳遞。

第三,光合機構受養分供應影響。氮素營養是植物的生命基礎。葉片光合能力與含氮量之間的相關係數平均為0.9.光飽和的光合速率隨著葉片含氮量增加而直線提高。因此保持氮營養及其他與葉綠素合成代謝相關元素供應對保障光合機構活性很重要。

第四,光合機構受二氧化碳的影響。二氧化碳是光合作用的主要原料,空氣中二氧化碳濃度在飽和點下的升高能提高植物光合速率,減少蒸騰作用,抑制植物呼吸,顯著提高植物水分利用效率。保持適宜二氧化碳濃度對促進二氧化碳至關重要。

第五,光合機構受濕度風速等的影響。過配的氣孔導度低或過高空氣相對濕度都會降低植物葉片的氣孔導度,增加二氧化碳進入葉片阻力,降低蒸騰速率,尤其在低水肥供應條件下,容易導致植物水分營養不足,降低增施二氧化碳的效果。風速大小會影響植物冠層與群落內部二氧化碳的均勻分佈,影響增施二氧化碳的效果。水供給充足情況下,高濃度二氧化碳增大了大豆葉片的氣孔導度,減少水分蒸發量。

  LED發出主要光對植物的影響有哪些?

紅光

在可見光中,被綠色植物吸收最多的是紅橙光(波長600~700nm)和藍紫光(波長400~500nm),對綠色光(500~600nm)只有微量吸收。

紅光是最早被用於作物栽培試驗的光質,是作物正常生長的必須光質,生物需求數量居於各種單色光質之首,人工光源中最重要的光質。紅光下所生成的物質使植物長高,而藍光下所生成的物質促進蛋白質與非碳水化合物的積累,給植物增重。

補遠紅外使花色速苷、類胡蘿蔔素和葉綠素濃度分別降低40%、11%和14%、而使得植株鮮重、干重、莖長、葉長和葉寬分別增加28%、15%、14%、44%和15%。

紅光通過光敏色素調控光形態建成;紅光通過光合色素吸收驅動光合作用;紅光促進莖伸長,促進碳水化合物合成,有利於蔬果VC和糖的合成;但抑制氮同化作用。但是單獨紅光想很好地栽培植物還是有點難度。

藍光

藍光是紅光用於作物栽培必要的補充光質,是作物正常生長的必需光質,光強生物用量僅次於紅光。藍光抑制莖伸長,促進葉綠素合成,有利於氮同化和蛋白質合成,有利於抗氧化物質合成。藍光影響植物的向光性、光形態發生、氣孔開放以及葉片的光合作用。

LED紅光補充LED藍光可提高小麥的干物質量、分薛數和種子產量,增加生菜的干物質量。藍光顯著抑制散葉萵苣莖的生長。白光中增加藍光可縮短節間、縮小葉面積、降低相對生長速率和提高N/C效率。

高等植物葉綠素合成和葉綠體形成以及具有高葉綠素a/b比與低葉綠體都需要藍光。過量藍光不利於植物生長發育。紅藍光組合光譜比紅光或藍光單色光更能促進蔬菜幼苗的生長發育,不同植物所需要的紅藍光組合比例不一樣。

綠光

綠光與紅藍光可以和諧調節適應植物的生長發育。一般在紅藍LED複合光下,植物略帶紫灰色,使得病害和失調症狀不易診斷,可以通過補充少量綠光來解決。綠光效應通常與紅藍光效應相對立,例如綠光可以逆轉藍光促進的氣孔開放等。

在強白光下上部位於近光照表面的葉綠體的光合作用量子產額比下部的葉綠體低。因為強白光下綠光比紅光、藍光更能穿透葉片,下部葉綠體吸收額外的綠光比額外吸收紅光和藍光能更大程度增加葉片光合作用。低光強栽培植物可不考慮綠光,低密度低冠層厚度設施植物不考慮綠光,高光強高密度高冠層厚度時綠光必須考慮。

黃光和橙光

黃光、橙光、綠光、紫光都是重要的光合有效輻射,但植物需求量較小。在紅藍光基礎上添加黃光可顯著提高菠菜苗的生長。黃光對提高葉用萵苣的營養品質效果最好,但藍光更有利於顯著提高萵苣礦質元素的含量。

添加黃光和紫光能夠提高櫻桃番茄幼苗的光合能力,緩解紅藍弱光脅迫。與白光相比,紫光和藍光提高了抗氧化酶的活性,延緩了植株的衰老,而紅光、綠光和黃光抑制了抗氧化酶的活性,加速了植株的衰老進程。

遠紅光

730nm的遠紅光雖然對光合作用意義不大,但其強弱及其與660nm紅光間的比例對作物株高、節間長等形態建成,具有重要作用。通過光質調節,R/FR比值來控制植株形態和植株高度。

比值變大時植物莖節間距變小,植株矮化,繁殖植物有伸長的傾向,比值的變化還對腋芽分化、葉綠素含量、氣孔指數及葉面積等產生不同程度的影響。植物對紅光的選擇性吸收和對遠紅光的選擇性透過使得位於遮蔭下的植物處於一個遠紅外富集的光環境中。

紫外光(UV)

波長小於380nm的波段稱為紫外光。根據紫外線的物理和生物學特性,波長320~380nm為長波紫外線(UV-A)、波長280~320nm的中波紫外線(UV-B)和波長100~280nm的短波紫外線(UV-C)。到達地面上的UV種95%為UV-A。在太陽光光譜中光合有效輻射、UV和遠紅光對植物生長發育具有調控功能。

紫外輻射減少植物葉面積、抑制下胚軸伸長、降低光合作用和生產力,使植物易受病原體攻擊,但是可以誘導類黃酮合成及防禦機制。低UV-B輻射的環境下造成植株徒長,還會阻礙植物色素的合成,不易用於覆蓋茄果類蔬菜。植物工廠的一個重要特徵是缺乏太陽光中的UV-A和UV-B輻射,完全缺失UV輻射會帶來生產負效應和影響植物生長發育,因此調控植物工廠內UV的輻射水平是十分必要的,需要注意以生產需求和植物耐受響應規律為依據。


 



來源:北京大學高安研究院

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