植物灯对农作物的作用原理及LED植物灯与其他植物灯效果对比

2014-09-16

提高農作物產量的辦法有多種，一種是生物技術，比如雜交水稻；一種是化學方法，比如化肥、農藥和激素等等。另一種物理方式，試圖通過光的調控來促進植物的生長，逐步減輕現代農業對化學技術的過度依賴。

光有神奇的力量，對植物的光合作用、生長發育、形態建成和物質代謝等都有調控作用，而目前在溫室、大棚種植中，彌補太陽光缺失所用的光源一般是螢光燈、高壓鈉燈和白熾燈等，這些光源的光譜能量分佈是依據人眼對光的需求設計的，而植物生長所需要的光譜與人眼的需求是不一樣的。如何補光、提高補光均勻度、調整光質與研發更高效率的人工光源一直是學界研究的重點。LED具有高光電轉換效率、使用直流電、體積小、壽命長、波長固定與低發熱等幾項優點，相較於目前使用螢光燈或高壓鈉燈為人工光源的系統而言具有光量 (LightIntensity) 可調整、光質 (Light Quality，紅/藍光比例或紅/遠紅光比例) 可調整、冷卻負荷低與允許提高單位面積栽培量等優點，因此對封閉有環控的農業生產環境 (如植物組織培養室、植物生長箱等) 是一種非常適合的人工光源。

近年來光電技術的進步大幅提昇了發光二極體 (Light-Emitting Diode, LED)的亮度與效率，使得利用此種光源在農業生產上變得可行。發光二極體具有高光電轉換效率、使用直流電、體積小、壽命長、波長固定與低發熱等幾項優點，相較於目前使用螢光燈或高壓鈉燈為人工光源的系統而言具有光量 (LightIntensity) 可調整、光質 (Light Quality，紅/藍光比例或紅/遠紅光比例) 可調整、冷卻負荷低與允許提高單位面積栽培量等優點，因此對封閉有環控的農業生產環境 (如植物組織培養室、植物生長箱等) 是一種非常適合的人工光源。

各種人工光源比效
人工光源類型	Radiant Efficiency mW/W	Luminous Efficacy lm/W	壽命 lifetime
Incandescent 白熾燈	62 (6.2%)	14.8	1,000 hrs
Metal halide金屬鹵素燈	227	78	6,000 hrs
Compact gas-discharge緊湊型氣體放電燈泡	138-170	50 – 67	6,000 - 8,000 hrs
Fluorescent 日光燈	220-270 (25%)	64 – 93	8,000 - 9,000 hrs
High-pressure mercury高壓汞燈	124-166	40 – 57	8,000 - 10,000 hrs
High-pressure Sodium高壓納燈	313-316 (31%)	125-137	16,000 hrs
LEDs發光二極管	100-350	80-150	100,000 hrs = 11.4 years

植物工廠是給植物提供合適生長環境的系統設備，以節能植物生長燈和LED為人工光源，採用製冷—加熱雙向調溫控濕、光照—二氧化碳耦聯光合與氣肥調控、營養液在線檢測與控制等13個相互關聯的控制子系統，可實時對植物工廠的溫度、濕度、光照、氣流、二氧化碳濃度以及營養液等環境要素進行自動監控，實現智慧化管理。通過對工廠內環境的高精度控制，植物的生長在這裡幾乎不受自然條件的制約，生長週期加快。

植物工廠是國際上公認的設施農業最高級發展階段，是一種技術高度密集、不受或很少受自然條件制約的全新生產方式。目前，僅有日本、美國、荷蘭等少數發達國家掌握這項技術。植物工廠將來肯定會走向普及，但由於其需要一定的投入，因此全部使用它來供應糧食蔬菜並不現實，但在一些特殊環境下，比如極地或太空中，它作為主要供應方式還是有可能的。另外，由於植物工廠的成本原因，它的主要培育對像是以經濟和園藝作物等附加值高的植物為主體。水稻、小麥等糧食作物由於產值低、週期長等原因，一般不會成為植物工廠的主要生產對象，但可以利用其生產週期短的優勢，推動育種方面的研究。畢竟植物工廠內50天收一茬水稻的速度比大田的120天要快一倍還多。

針對LED植物燈的研究方向還有很多延伸的空間，不僅可以實現集體化的植物生產，減少植物激素或其他化學品的使用，因為LED發光光譜偏離蟲子的視覺曲線，也可以用於農業害蟲的物理防治，採用特定波長的LED光源滅殺害蟲；還可以用於動物的養殖，採用特定波長的LED實施光照促進動物生產，減少病害發生，減少飼料添加劑及激素的使用等等。