LED植物照明燈具技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

湯 雄，王 鵬，呂玲玲

（上海亮威照明科技股份有限公司, 上海 200127）

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)“光的世紀(jì)”已悄然而至[1]。通過(guò)植物照明等技術(shù)手段，可以有效地在促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)提升其品質(zhì)，植物照明已成為農(nóng)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向之一[1]。熒光燈、金屬鹵化物燈等是傳統(tǒng)的植物照明光源，但其難以滿(mǎn)足實(shí)際環(huán)境中大面積、高精準(zhǔn)度的植物照明應(yīng)用需求[2]。發(fā)光二極管（lightemitting diode，LED）具備高光效、易調(diào)控、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為植物照明領(lǐng)域的主流產(chǎn)品[3]。隨著LED燈具在植物照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，植物照明LED燈具的功能特性和評(píng)價(jià)指標(biāo)也越來(lái)越科學(xué)合理[4]?；诠馍飳W(xué)基本原理和植物光合響應(yīng)光譜，科研人員和相關(guān)從業(yè)人員也已提煉出適用于植物照明的植物光子度量學(xué)光學(xué)評(píng)價(jià)體系[4-6]。通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)，將多色LED芯片按一定規(guī)律封裝在一塊模板上，通過(guò)分塊或單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，結(jié)合一定的控制理念，可以實(shí)現(xiàn)LED燈具的光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期隨植物生產(chǎn)周期、外界光照變化等的精準(zhǔn)調(diào)控，從而滿(mǎn)足植物照明領(lǐng)域的多種需求[6]。目前，LED燈具已被廣泛應(yīng)用于家庭種植、溫室補(bǔ)光、大田補(bǔ)光和植物工廠(chǎng)等植物照明領(lǐng)域[7]。

1 植物照明燈具重要光生物學(xué)參數(shù)

植物照明燈具是一種能夠?yàn)橹参锾峁┧韫饽艿脑O(shè)備。在適用于植物照明的燈具設(shè)計(jì)中，光量子學(xué)參數(shù)比光度學(xué)以及色度學(xué)參數(shù)更加精準(zhǔn)，從而提供更加精準(zhǔn)的照明效果。植物照明燈具的重要光生物學(xué)參數(shù)主要包括光質(zhì)、光合光子通量和光合光子通量密度、光能利用效率、植物光周期響應(yīng)曲線(xiàn)、光合成速率和光子輻射效率。

1.1 光質(zhì)

通常將光源的光譜分布稱(chēng)為光質(zhì)[8]。在實(shí)際應(yīng)用中，植物照明燈具的光質(zhì)通常用其不同光譜的比例來(lái)表示，稱(chēng)為光質(zhì)比。不同光質(zhì)的光對(duì)植物生長(zhǎng)起到不同的作用。紅、橙光輻射主要通過(guò)光敏色素對(duì)其的應(yīng)答反應(yīng)來(lái)調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育[9]。藍(lán)、紫光輻射對(duì)植物的化學(xué)成分有較強(qiáng)的影響，并可調(diào)控植物葉片的光合作用和根系的生長(zhǎng)發(fā)育[10]。葉綠素對(duì)光有2個(gè)最強(qiáng)的吸收區(qū)：紅光部分（波長(zhǎng)范圍為640～660 nm）和藍(lán)紫光部分（波長(zhǎng)范圍為430～450 nm），另外在紅光區(qū)700～750 nm處也有1個(gè)吸收區(qū)。因此相較于單色光，組合光更適合植物的生長(zhǎng)發(fā)育。和普通照明燈相比，標(biāo)稱(chēng)植物光照燈的紅藍(lán)色波段輻射率更高[5，11]。類(lèi)太陽(yáng)光的全光譜光源很適合植物生長(zhǎng)，該類(lèi)燈具的研發(fā)也成為行業(yè)熱點(diǎn)之一[12]。

1.2 光合光子通量和光合光子通量密度

光合光子通量（photosynthetic photon flux，PPF）是一個(gè)描述照明裝置輸出能力的物理參數(shù)，記作Φp，單位為μmol/s。光合光子通量密度（photosynthetic photon flux density，PPFD）是指接受體單位面積接收到的光合光子通量，記作Ep，單位為μmol ·m-2s-1?？梢杂肞PF和PPFD衡量光源的強(qiáng)度和功率，在選擇合適光源和調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度時(shí)作為參考[11]。

1.3 光能利用效率

光能利用效率（photosynthetic use efficiency，PUE）是描述光能被植物利用效率的參數(shù)，代表植物吸收的可用光子數(shù)與植物生物量的增長(zhǎng)之間的比率，單位為g/mol。PUE是描述植物生長(zhǎng)速度和光利用效率的重要參數(shù)，可以用其評(píng)估光源的效率，從而更好地優(yōu)化光照策略，提高植物生產(chǎn)效率[13]。

1.4 植物光周期響應(yīng)曲線(xiàn)

植物光周期響應(yīng)曲線(xiàn)描述了植物對(duì)于不同光周期的反應(yīng)。一般而言，植物被分為長(zhǎng)日植物、短日植物和中性植物，其生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)應(yīng)著不同的光周期。長(zhǎng)日植物的生長(zhǎng)發(fā)育需要較長(zhǎng)的光周期，一般超過(guò)12 h，而短日植物則需要較短的光周期，一般在12 h以下，中性植物則在12 h左右。這個(gè)參數(shù)對(duì)于植物照明燈具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用非常重要，可以根據(jù)植物的種類(lèi)和所需生長(zhǎng)階段來(lái)選擇不同的光周期，以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和增產(chǎn)[14]。

1.5 光合成速率

光合成速率是指單位時(shí)間內(nèi)植物通過(guò)光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)的速率。光合作用是植物進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)生能量的重要途徑，光合成速率的高低直接影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量。因此，植物照明燈具的設(shè)計(jì)需要考慮如何提高光合作用的效率和光合成速率。一些研究表明，在紅光和藍(lán)光下光合成速率可能增強(qiáng)，而黃綠光則可能導(dǎo)致光合成速率降低[15]。

1.6 光子輻射效率/光子通量效率

光子輻射效率是評(píng)價(jià)植物光照燈具的重要指標(biāo)之一[11]。植物每天受到的輻射量決定著種植成本與種植品質(zhì)，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇符合要求的植物光照燈具[11]。

總的來(lái)說(shuō)，上述光生物學(xué)參數(shù)對(duì)于植物照明燈具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都具有重要的意義。在選擇光源時(shí)需要考慮光譜、光強(qiáng)、光周期等因素，并結(jié)合不同植物的需求進(jìn)行合理的燈具布設(shè)，以提高植物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量。

2 LED植物照明燈具技術(shù)發(fā)展

2.1 LED植物生長(zhǎng)光源及燈具

2.1.1 光源光質(zhì)調(diào)控類(lèi)別

LED光源光色種類(lèi)豐富，可根據(jù)植物生長(zhǎng)周期的變化對(duì)植物光環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)控制，以滿(mǎn)足植物在不同時(shí)期對(duì)光的不同需求。目前光源方案主要有2種。

（1） 多種單色光組合方案。常見(jiàn)的方案為可調(diào)控或不可調(diào)控的紅光[16]、藍(lán)光[17]、黃光[18]、綠光[19]、遠(yuǎn)紅外光、紫光與紫外光[20]等的組合，波長(zhǎng)約為450～730 nm。

（2） 全光譜方案。全光譜LED光源方案主要包括2種，分別是藍(lán)光/紫光芯片（單波長(zhǎng)）+熒光粉組合（單色、多色）[21]，以及使用多種芯片復(fù)合封裝的模式[22-23]。后者使用的芯片復(fù)合封裝方案包括紅+藍(lán)/紫外、紅+綠+藍(lán)、白光光源+其他單色光源等，可將常用的芯片按照實(shí)際需求進(jìn)行組合，便于調(diào)光調(diào)色，波長(zhǎng)約為400～800 nm。

2.1.2 LED光源特性

（1） 常用的LED光源封裝方式主要包括表面貼裝器件（surface mounted devices，SMD）封裝（中小功率）、單顆功率型封裝（中大功率）、板上芯片（chips on board，COB）封裝（多芯片、中大功率）和多芯片集成封裝（多芯片、全光譜、大功率）等。單顆封裝芯片具有普遍適用性，光譜配比方案簡(jiǎn)單，成本較低；但其用于線(xiàn)條狀的植物燈時(shí)，混光不均勻，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)人眼刺激大，光污染嚴(yán)重。COB封裝LED光源，光譜配比科學(xué)合理，效率較高；但其成本較高，電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。多芯片集成封裝光源，混光的均勻性好，效率較高，功率密度高，均勻性好；但是其光譜比例固定，不便調(diào)整。SMD封裝的LED芯片功率一般為0.2～3 W，目前大部分廠(chǎng)商提供的此類(lèi)商品，其功率多為0.2～0.9 W或1～3 W。COB和集成封裝的LED芯片功率最大可達(dá)100 W。中小功率LED芯片可通過(guò)鋁基板和燈體外殼進(jìn)行散熱，而COB和集成封裝的LED就需要專(zhuān)用的散熱設(shè)備，此設(shè)備一般是用鋁材制作的散熱翅片，翅片開(kāi)口方向沿豎直方向，便于空氣流動(dòng)，利于散熱。

2.1.3 LED植物照明燈具的結(jié)構(gòu)

LED植物照明燈具按結(jié)構(gòu)可分為整體式、分列式和組合式；按安裝方式可分為懸吊式、吸頂式和側(cè)照式；按形狀又可以分為條形、圓形和方形[24]。例如以直條燈管為代表的條形LED植物照明燈、以工礦燈為代表的圓形植物照明燈、以平面面板燈為代表的方形植物照明燈。其中，條形LED植物照明燈在狹長(zhǎng)區(qū)域可以獲得較高的光照度，根據(jù)受光面積和不同的植物光照需求可設(shè)置單排、雙排或多排燈珠，可進(jìn)行不同波長(zhǎng)燈珠的組合排列，目前光子輻射效率可達(dá)3 μmol/J，可用于頂部補(bǔ)光和株間補(bǔ)光。圓形LED植物照明燈一般為垂直安裝，可在較大區(qū)域內(nèi)獲得較高光照度，適用于較大空間的植物工廠(chǎng)等使用，可采用多種安裝方式，目前該類(lèi)燈具光子輻射效率可達(dá)2 μmol/J。方形LED植物燈可獲得較高的光強(qiáng)，適用于較大型植物，一般采用吸頂或吊裝方式，具有安裝方便、使用靈活等特點(diǎn)。方形LED植物照明燈包括2類(lèi)，1類(lèi)是單體方形燈，另1類(lèi)是組合式植物燈。單體方形燈主要包括面板燈和大功率模組燈，面板燈一般由SMD或大功率燈珠按一定的紅、藍(lán)配比組成的多色陣列；大功率模組燈一般由高功率芯片按一定比例和規(guī)律排布進(jìn)行集成封裝，可獲得較高的光強(qiáng)。組合式植物燈可由面板燈和大功率模組燈進(jìn)行進(jìn)一步組合，以滿(mǎn)足植物照明的需求。目前該類(lèi)燈具光子輻射效率可達(dá)2.7 μmol/J。

2.2 LED植物照明燈具設(shè)計(jì)

為了解決傳統(tǒng)的LED光學(xué)結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足多色LED燈珠混光混色均勻度的問(wèn)題，研究者進(jìn)行了大量的LED植物照明燈具配比排布和二次光學(xué)設(shè)計(jì)等工作。

LED燈珠的配比、距離和排布是影響LED植物照明燈具光照均勻度和強(qiáng)度分布的重要因素。梁依倩等[25]對(duì)紅、藍(lán)LED陣列型光源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)4種不同的LED陣列排布方式的比較，發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)分布的陣列有利于提高光源陣列光譜的均一性。焦飛宇等[26]提出了LED植物光源高照明均勻度的植物光源系統(tǒng)。明振興等[27]提出了方形矩陣等陣列排布方式，提高了光照均勻度。

僅對(duì)LED植物照明燈珠進(jìn)行陣列排布，光線(xiàn)沒(méi)有足夠的距離進(jìn)行耦合，會(huì)造成影響光照均勻性。如近距離受照面出現(xiàn)光斑，植物的均衡成長(zhǎng)情況會(huì)受到影響。因此對(duì)LED植物照明燈具進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)是非常必要的。靳肖林等[28]、張帥等[29]、賴(lài)麗萍等[30]分別設(shè)計(jì)了加裝多根燈管和光纖透鏡、棱錐狀混光元件、鱗甲透鏡等方案，使光照均勻度分別達(dá)到90%、91%、93%。近年來(lái)，研究者不斷通過(guò)設(shè)計(jì)LED植物照明燈具的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在保證系統(tǒng)光效時(shí)，也能提高系統(tǒng)的光照均勻度。陳浩偉等[31]設(shè)計(jì)了一種具備自由曲面底板結(jié)構(gòu)的LED植物組培燈，其光照均勻度約為80% 。盧允樂(lè)等[32]研究了一種倒置光源的植物培養(yǎng)架設(shè)計(jì)方案，將LED燈珠安置在曲面反射頂面，對(duì)LED發(fā)出的光線(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步均勻分配，照度均勻度為91.64%、混色均勻度為89.73%。

2.3 LED植物照明控制系統(tǒng)

行業(yè)內(nèi)把植物對(duì)光質(zhì)、光周期、光照強(qiáng)度、光照方式等需求的總和稱(chēng)為光配方[33]。簡(jiǎn)單的、固定式的紅藍(lán)LED燈珠組合，很難滿(mǎn)足不同植物生長(zhǎng)或同一植物不同生長(zhǎng)階段的多種光照需求，需要根據(jù)植物的生長(zhǎng)情況對(duì)光環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。鞠紅艷等[34]設(shè)計(jì)了一種微型植物工廠(chǎng)LED多光譜補(bǔ)光系統(tǒng)，該系統(tǒng)可控制25種不同波長(zhǎng)的燈，實(shí)現(xiàn)LED光譜自由擬合。程敏等[35]設(shè)計(jì)了一種可以動(dòng)態(tài)調(diào)配光照強(qiáng)度、光周期、光質(zhì)的LED植物燈，使LED植物燈的相關(guān)參數(shù)能夠依據(jù)植物不同的生長(zhǎng)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

大面積植物補(bǔ)光具有系統(tǒng)性，對(duì)植物的調(diào)整要根據(jù)植物自身以及其生長(zhǎng)環(huán)境的情況進(jìn)行。燈光補(bǔ)給系統(tǒng)需要搭配循環(huán)系統(tǒng)等其他控制系統(tǒng)共同發(fā)揮作用，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，智能調(diào)控系統(tǒng)逐漸成熟。劉翔[36]設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法模型可提高設(shè)施光環(huán)境檢測(cè)與智能調(diào)控系統(tǒng)效率。張海輝等[37]開(kāi)發(fā)了植物自適應(yīng)精準(zhǔn)補(bǔ)光系統(tǒng)，通過(guò)精確調(diào)控分波長(zhǎng)補(bǔ)光量，大大提高了光能利用率。鮑建宇等[38]設(shè)計(jì)了基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的LED植物照明系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，可對(duì)種植時(shí)的照明情況進(jìn)行智能調(diào)控。

3 應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 家庭栽培

家庭蔬菜栽培滿(mǎn)足了消費(fèi)者對(duì)蔬菜的新鮮度高、種類(lèi)多等需求[18]。其一般是無(wú)土栽培和水培的結(jié)合，在裝置設(shè)計(jì)上包括燈光補(bǔ)給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供給系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)等一系列自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)所需的整體外界環(huán)境的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證植物正常生長(zhǎng)[19]。

3.2 溫室大棚

利用智能化的LED補(bǔ)光系統(tǒng)，控制LED補(bǔ)光燈的光照強(qiáng)度和光照頻譜等相關(guān)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的精確補(bǔ)光[20]。通過(guò)監(jiān)控模塊和中央智能控制模塊，將現(xiàn)代信息通訊系統(tǒng)與補(bǔ)光系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，溫室大棚的智能補(bǔ)光系統(tǒng)通過(guò)對(duì)光照強(qiáng)度和光照頻譜的調(diào)整，能夠最大化地節(jié)約成本，獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益[21]。

3.3 植物工廠(chǎng)

植物工廠(chǎng)是現(xiàn)代新型高效農(nóng)業(yè)形式之一，可精確調(diào)控水、光、溫、氣和肥等，通過(guò)取代不穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)環(huán)境的方式提高作物種植效率和品質(zhì)?？赏ㄟ^(guò)對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)光配方、環(huán)境配方的標(biāo)準(zhǔn)模型，再利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立起集中化統(tǒng)一的服務(wù)模式[39]。

3.4 林下種植

林下光環(huán)境的異質(zhì)性，能夠有效地保護(hù)林下植物的多樣性。在云南的西雙版納，橡膠林下“植物補(bǔ)光系統(tǒng)”大大改善了當(dāng)?shù)叵鹉z質(zhì)量，提高了膠農(nóng)的收入，并將原本物種較為單一的西雙版納橡膠林變成了物種豐富的種植基地。通過(guò)對(duì)青海地區(qū)林內(nèi)光環(huán)境維持林下植被物種多樣性關(guān)鍵因素的研究，發(fā)現(xiàn)林內(nèi)光環(huán)境異質(zhì)性能夠直接影響林下植物的物種組成及其多樣性[40]。

4 結(jié)語(yǔ)

LED燈具可通過(guò)對(duì)光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期隨植物生產(chǎn)周期、外界光照變化等進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，滿(mǎn)足植物照明領(lǐng)域的多種需求。隨著光照技術(shù)的發(fā)展以及光生物學(xué)的不斷深入和拓展，植物照明技術(shù)有望與生態(tài)保護(hù)、生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)一步緊密結(jié)合，前景十分廣闊。