植物照明是很火，但你真的懂嗎？
種植工藝？植物燈？兩者有何關係？
文 許東
編輯手記：
坐飛機降落廣州之前幾分鐘，經過佛山上空，天黑時往下看，會見到一個個光點「矩陣」。初始還很疑惑：那是幹嘛的？後來才知道：是花農給花圃提供補充照明催長的……
圖：植物照明還不簡單？掛個燈泡就好了嘛！科學家和設計師哭暈在廁所……
其實，真心沒那麼簡單。本期照明微課堂特約了佛山好亮固體光源研究所 許東老師來為我們一一解析：種植工藝和植物燈，兩者到底有何關係?
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植物燈的設計依據是種植工藝，如生菜的日輻射量過大，會導致生理障礙性鈣缺乏，也有可能會發生光抑制，合理的日光合量設定很重要。
種植工藝包括：植物光合作用的日輻射量和種植周期的輻射總量、植物品種與種源以及是否 LDP 或 SDP，種植方法與基質、種植環境與控制等。
對於與種植緊密聯繫的植物燈光譜形態和日輻射量首先是由種植品種的種植工藝確定，好亮固體光源研究所的設計規範中，我們採用的是種植工藝專家系統，系統中的植物種植的日輻射量決定 PPFD 與光周期，PPFD 決定 PPF，PPF 決定植物燈設計與工藝，PPFD 決定燈具安裝高度與數量，PPDF 還決定通風量與二氧化碳的補充，這些參數都可以通過計算得出，通過輻射總量可以推算出種植成本。
圖：植物燈種植生菜
這裡可以看出，光譜形態與輻射量（光質）首先需要確定在什麼環境下用什麼方法來種植什麼品種才能正確設計 LED 植物燈的光譜，植物種植工藝是把農業種植與工業控制緊密聯繫的內在因素，因此，植物燈的光譜設計依據只能來源於種植工藝要求。
混合式的溫室補光
對於採用太陽光與補光燈結合方式的溫室種植和混合式的植物工廠，準確的做法是需要做自然光的輻射場光譜分析，確定補光量，對於沒有條件進行光譜分析的場地，可以測試照度值的平均值，把照度的平均值除以 55，就可以得出太陽光下種植面的 PPFD 值，用這個值確定植物燈的補光量，這個簡單方法對於項目規劃和成本核算非常有用，混合式的溫室補光可以減少或者不用綠光波段，是否需要綠光輻射補充需要通過測試太陽直射和散射光的綠光輻射量來決定。
圖：計算公式
圖：採用太陽光與補光燈結合方式的溫室種植和混合式的植物工廠
完全人工環境下的光譜
在完全人工環境下的種植，儘管紅藍波段的光照對葉菜類的種植有明顯的效果，但水培蔬菜的口感仍然是提高蔬菜品質的關鍵，我們建議採用白光加紅光的光譜，完全人工環境下的光譜設計，需要綜合考慮二氧化碳濃度，通風量，環境溫度，基質或營養液的控制，層架結構設計等因素，許多層架式立體種植為了增加種植層數，盡量降低營養液槽高度，這種方法會降低營養液的均衡性，影響光譜的吸收效率，完全人工環境下的光譜設計重要目標是種植的品質控制，只是完成植物生長過程的種植是沒有市場競爭力的。
圖：完全採用人工光的植物工廠
關於全光譜
有些 LED 植物燈標稱是全光譜，可能是想表述其光譜成分豐富，這裡有一個關鍵的概念，那就是全光譜的「全」是如何定義的，是由誰來定義的，波長範圍到底多寬才能稱之為「全」？
儘管太陽光的光譜是最全的，在研究太陽光照下植物光合作用的時候，PAR 值也只是在 400nm-700nm 範圍來描述，許多標稱全光譜的 LED 植物燈加有 UV 和 IR 部分波段，但還是用PPFD表達參數，由於 PPFD 並不描述 UV 與 IR 的輻射量，這種全光譜植物燈的參數描述表現出低級錯誤。
我們認為，植物燈的波長範圍只是光譜吸收效率函數的定義域，而不是吸收效率函數的值域，光譜的吸收效率才是衡量光合作用效果的指標，把寬波段範圍或者多波段的光譜稱為全光譜，不能代表植物燈的有效性和兼容性，用全光譜表述植物燈不嚴謹，往往會誤導種植者的應用；
光譜的波長定義域範圍的設定仍然與種植工藝相關，是種植工藝決定光譜設計的定義域，而不是基於光譜下的種植，植物燈與植物工廠是跨界產品，有些現象是工業人忙著研究種植，農業人忙著研究光譜，知識延伸只是為了溝通和理解，光譜設計的專業合作與專業分工更加有助於產業快速提升。
圖:太陽光光譜
圖：植物色素吸收光譜
植物燈光譜研究的複雜性
就 LED 光源來說，相同的 PPFD 值，光譜形態可以不同；相同的 PPFD，二次光學設計需要的光源 ppf 值也不同；相同的ppf 值，燈具的效率不同，PPFD 值也不同；ppfd 相同，光譜的形態沒有做對，種植效率也不同……
即便上面的條件相同，植物的種源不同，生長環境與基質不同，種植效果也不同。
此外，相同的 LED 植物燈還受到二氧化碳濃度、通風量、溫度控制等環境因素影響種植效果，在種植效率與品質符合種植工藝要求下，植物燈最需要製造工藝來保證能耗指標降到最低，這一點是非常重要的，光譜研究的複雜性表現出目前植物燈的多樣性，由於目前沒有評估標準，市場上的植物燈才百花齊放，百家爭名。
提升產業的最好方式——通過與專業技術合作
植物燈涉及的技術範疇很廣，屬於跨界產品，無論資金多麼雄厚，從開發成本考量，也難於集多學科人才為一體，企業需要從自身的條件出發，解決技術與成本問題，更重要的是解決產品售後技術支持問題，對於跨界產品，成熟的經驗是走合作開發的道路；農業人研究好種植工藝，這個是植物燈與植物工廠成敗的關鍵，工業人做好符合種植工藝要求的設備，這個影響種植成本與經濟效益，專業合作才能推動人工環境可控的新型農業種植的快速發展；思路正確才有機遇。
圖：光輻射分布的計算分析圖
植物燈與照明燈不同，照明產品的應用對象是終端客戶，可以用概念與前瞻去營銷，而植物燈僅僅是農業種植的工具，是否有效果不是靠宣傳可以描述的，需要實際應用才能檢驗，植物燈的應用是否能達到預期的效果，不僅是植物燈本身的問題，還關聯其他技術因素很多，需要提供合理的技術解決方案，植物燈的營銷屬於技術支持為主要手段的產品營銷，成功的案例往往體現的是成功的技術服務，在沒有技術標準的現在，提供技術解決方案至關重要，企業需要認真面對。
許東
佛山好亮固體光源研究所 所長
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