學習：植物照明的關鍵因素及其測量技術
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1 植物照明的關鍵因素
光是植物生長和發育最重要的環境因子之一，植物生長需要通過光合作用將光能轉換為自身生長所需要的能量，不同的植物對光的需求是不同的，則所需選擇的補光光源也各有差異，下面主要從光質、光密度和光均勻性3方面進行分析。
1.1
光質
研究表明，決定植物光合作用的葉綠素對藍光和紅光較為敏感，其峰值波長分別在450 nm和630 nm附近，同時其他顏色的光也顯著影響植物的生長，如細菌葉綠素還需要來自紫外和紅外的非可見光以對植物形態發生作用。如圖1所示，植物生長依賴體內多種葉綠素和其他色素的共同光合作用，McCree在1972年通過大量文獻調研[1]，基於22種植物，給出了植物相對量子效率曲線（RQE）在植物光度系統中，即圖1中所示的常用光譜響應曲線 。事實上，針對不同植物，以及同一植物的不同生長期的吸收光譜，需要確定所選組合植物照明光源的光譜範圍和峰值波長，植物照明的光譜可以通過實驗室的測量獲得，也可以對照明現場進行監測評價。
1.2
光密度
植物對光密度的要求有1個上限，即光飽和點，當光密度達到植物的光飽和點時，植物的光合作用達到頂峰，而當光密度繼續增強超過植物的光飽和點後，植物的光合作用不但不會提高，反而會下降，植物自身便會產生光抑制現象。根據光密度對植物影響程度的不同可將植物分為喜光植物、耐蔭植物、中性植物，這些植物都需要合適的光密度才能良好生長。光密度對應輻射照度或者光子通量密度（PPFD）。在植物照明的現場，可通過實時監測來評價其光密度是否符合植物生長需求。而在植物照明的設計時，則可以利用照明燈具的空間光強分布數據進行評價。
1.3
光均勻性
由於植物是不能移動的光合自養生物，而LED發光具有較強的方向性，且可能存在空間光色分布不均勻，若不針對植物生長環境中的光均勻性進行設計，就會使得光照系統中不同位置的植物接收到的光質和光強不同，從而容易形成同種植物在個體大小、生長速率和光合產量上的差異。因此，在進行光照系統設計時必須考慮光的均勻性，由所選光源的光色特性設置光源的排布。根據CSA（國家半導體照明工程研發及產業聯盟標準）最近發布的《植物生長用 LED 平板燈性能要求》[2]，植物照明產品光均勻性的評價包括輻射照度均勻性 和輻射光譜不一致性Uλ兩個方面。
2 植物照明的測量技術
在設計植物照明系統之前必須首先查閱某一特定植物所需要光的光質、光密度，在取得這些數據後對再進行光源的選擇和光均勻性的設計，而這些都需要依賴精確的光源性能評價方法和設備。
2.1
植物照明的量值計量系統
如圖2所示，植物與人眼對光譜的響應特性不同，人眼對光的感知在光度計量系統中表徵，波長範圍為380~780 nm，將光譜輻射量與人眼的光譜光視效率函數V(λ)加權積分以獲取相應的量值，如式（1）計算光通量。考慮到植物的光合作用主要是由於落到葉面上的光子數，因此過去常用光量子計量系統表徵植物照明的性能，波長範圍一般為 400~700 nm，即光合有效輻射（PAR）區間。因為光量子能量與其波長成反比，所以在相同輻射能量下，光量子數與波長則成正比關係，可用圖2中光譜響應曲線Q(λ)來表示，式（2）給出了植物光合通量（PPF）的計算公式。然而，根據植物對光質需求的分析，植物對光輻射敏感的區域實際為300~800 nm，而且Q(λ)與植物對光的吸收曲線RQE還是有差距的，常用的光量子計量體系並不能很好地表徵植物照明的性能。現在也有不少植物學家使用RQE即P(λ)作為波長敏感曲線的植物光合光度系統，其光合光通的計算方法如式（3）所示。
常用的光度系統中的其他參量，如光強I、光照E等，也可以按照上述光通量的方法類比到植物照明的計量體系中。
Φeλ：光譜輻射通量；
λ：波長；
Km=683 lm/W；
K：有效光合效率係數；
N=6.02×10（23次方）；（因無法標註次方，故作此標寫。下同）
h=6.63×10（-34次方）Js；
c=3.00×10（8次方）m/s；。
2.2
光譜測量對於植物照明的意義
在植物照明中，常使用光量子計或者光合光量子計，它們一般由濾色片和光敏元件組成，通過濾色片對光譜透過率的修正，使最終光敏器件對光輻射的響應與Q(λ)或其他波長敏感函數相匹配。這種光量子計使用很方便，但光譜的匹配實際很難做到完美匹配，甚至失匹配會相對嚴重，對測量精度影響非常大。更重要的是，如上所述，光量子計量系統本身的缺陷，常用光量子計並不能針對植物對照明光質的需求，客觀分析植物照明的真正效果。
隨著光譜測量技術的發展，基於光譜法的測量技術和設備也日趨成熟，並逐漸應用至植物照明檢測領域。通過測量植物照明產品的光譜絕對值，並進行相應的換算即可實現輻射度系統、光度系統、光量子系統及植物光度系統四大計量系統間的量值轉換。圖3所示為某植物生長燈的光譜圖，該光譜法測量不僅不存在任何失匹配問題，而且可以在全光譜範圍內對照明產品的光質、光密度及光均勻性各方面性能進行評價，測量精度較高，且操作智能便捷。但一般光譜測量都存在線性較差和雜散光影響等問題，從另外一方面限制了測試精度，也對測量設備提出新的要求。
2.3
植物照明現場的測量
對於一般精度要求的現場測量，需要體積小巧，測量速度快的測量儀器，據此可採用如圖4所示的攜帶型光譜光合輻照度計。該設備採用了遠方分光積分結合（SBCT）的專利技術，將積分法和光譜法相結合，通過對光譜測量絕對值的精確修正提升了光譜測量的線性。與光量子測量儀相比，其波長測量範圍更寬，測量精度更高，植物測量的適用性更廣，可廣泛應用於植物工廠、無土栽培、溫室等植物生長中光輻射的現場監控。
對於精度要求較高的現場測量，可採用如圖5所示的高精度光譜光合輻照度計。該輻照度計採用了優質光柵和高性能陣列探測器，具有良好的線性動態範圍（光度線性為±0.3%），同時通過引入先進的雜散光校正技術，大大降低了雜散光對測量的影響（雜散光＜0.01%），可用於校正攜帶型光譜光合照度計的測量結果，以保證攜帶型光譜光合輻照度計的測量準確度和長期穩定性。
為了方便實現四大計量系統的參數測量以及不同系統間的量值轉換，圖4、圖5所示的光譜光合輻照度計還可配置智能分析軟體，以準確獲得輻照度Ee，光照度E，光量子密度Eq以及光合輻照度Ep等參數，如圖6所示，在現場測量中快速地評價任意指定受照面的光照性能。
2.4
植物照明產品的實驗室測量技術
在實際實驗室測量中，評價單個植物照明產品的光色性能時，首先關注的是其光合輻射通量ФP、能量轉化效率、以及燈具的光譜分布等，可將高精度光譜光合輻照度計的光纖連接到積分球系統對被測照明產品進行測量。
為實現照明系統良好的均勻性，則需要測量植物照明產品的空間光、色分布特性，以進行科學的光學設計。普通照明用的分布光度計測量的是照明產品的空間光強分布，受制於探測器獲取的是光度量值，並不適用於植物照明。對於植物照明的測量，使用光譜光合輻照度計替代光度探頭，組成空間分布光譜輻射計來進行空間光色分布的測量是比較好的方案，如圖7所示。
3 總結
植物生長照明系統的設計必須以光照對植物的影響為依據，配合全面而客觀的照明產品性能評價方法，並針對不同的測試場合選擇合適的評價設備，從而選擇出合適的光源，確定好光源的數量及排布，以在合理的範圍內對特定的植物增加合適的光照，實現植物照明產品在增加糧食產量、縮短植物培育周期、延長花卉植物開花周期等方面的積極作用。
參考文獻
[1] Heidi Marie Wollaeger，Erik S. Runkle. Growth responses of ornamental annual seedlings under different wavelengths of red light provided by light-emitting diodes[J]. HortScience，2013，48（12）：1478-1483.
[2] 國家半導體照明工程研發及產業聯盟標準化委員會. CSA021-2013 植物生長用 LED 平板燈性能要求[S]. 2013.
本文作者：楊晰惟 潘敏敏 吳忠華 李倩
（遠方光電科學研究院，浙江 杭州 310053）
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