生命科學(xué)應(yīng)用中，大功率LED帶來了革命性的優(yōu)勢(shì)，例如在園藝領(lǐng)域，LED優(yōu)勢(shì)明顯，表現(xiàn)在能量效率、低/無維護(hù)、光譜控制和光束控制。但是，植物需要從光中獲得不同的東西，同時(shí)一些度量標(biāo)準(zhǔn)，例如功效（流明/瓦/ W）或CRI，可能或不能提供給植物和花卉想要的結(jié)果。此外，植物與人類不同，它們有晝夜循環(huán)，并且各植物之間差異很大。

盡管如此，在溫室中，特別是在城市室內(nèi)或垂直農(nóng)場(chǎng)，種植者正在快速轉(zhuǎn)向使用固態(tài)照明，園藝行業(yè)從業(yè)者也正在研究植物的需求，希望可以開出不同的“光配方”，從而獲得最佳的植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量。

1 固態(tài)照明在園藝中的角色

LED在水果和蔬菜農(nóng)業(yè)中的用途主要是延長(zhǎng)了生長(zhǎng)季節(jié)，特別是在夏季較短的寒冷地區(qū)。過去，用于植物生長(zhǎng)的人造照明主要是高壓鈉燈（HPS）。但是，基于LED的固態(tài)照明的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)就是照明不產(chǎn)生熱量，種植者可以使用交互式照明，就是說把光放在植物中間或者旁邊，在垂直或水平方向上把光照射到植物的低層部分。

然而，LED產(chǎn)生最大影響的地方就是在生長(zhǎng)綠葉蔬菜和藥草上，因?yàn)檫@些只能生長(zhǎng)到以英寸衡量的高度，并且可以在架子上生長(zhǎng)，每層架子都有專用的一組LED燈具靠近植物。這種分層的架子在所謂的城市或垂直農(nóng)場(chǎng)十分普遍，它們?cè)谌丝谥行母浇慕ㄖ飪?nèi)只占據(jù)相對(duì)較小的生長(zhǎng)空間，而最佳的照明和技術(shù)，包括水耕栽培，可以比室外實(shí)現(xiàn)更短的生長(zhǎng)周期。

圖1 美國芝加哥的Green Sense Farms在其垂直農(nóng)場(chǎng)里
種植微型蔬菜、萵苣、甜菜等

2 城市農(nóng)場(chǎng)

事實(shí)上，LED照明可能對(duì)園藝影響最大的是城市農(nóng)場(chǎng)。種植者在城市的大批量垂直農(nóng)場(chǎng)種植，意味著運(yùn)輸成本會(huì)降低，消費(fèi)者在某些情況下收割的當(dāng)天就可以吃到，而且產(chǎn)品的保質(zhì)期會(huì)更長(zhǎng)。由于交通運(yùn)輸縮短，而且也不需要傳統(tǒng)耕作所需的機(jī)械設(shè)備，農(nóng)業(yè)碳排放將大大減少。

LED園藝對(duì)消費(fèi)者的好處也是越來越多。消費(fèi)者可以獲得更新鮮的產(chǎn)品，所以味道也更甜美。此外，城市農(nóng)場(chǎng)一般也不含農(nóng)藥，產(chǎn)量可能甚至不需要洗，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ窃诟蓛舻慕橘|(zhì)中以水栽培的方式生長(zhǎng)而不是在污垢中生長(zhǎng)。以后，種植的方法趨向于節(jié)水，尤其是像干旱地區(qū)或者是地下水和/或土壤被污染的地區(qū)。

3 園藝照明方面的挑戰(zhàn)

當(dāng)然，任何新興技術(shù)方面都存在挑戰(zhàn)，基于LED的園藝照明方面也存在挑戰(zhàn)。目前，固態(tài)照明技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)仍然很淺，甚至是從事多年的園藝科學(xué)家們?nèi)匀辉谘芯恐参锏摹肮馀浞健?，目前這些新“配方”中的一些是不可行的。

Canoga Park照明制造公司的總經(jīng)理Rami Vardi表示，亞洲的照明制造商定位的市場(chǎng)通常是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠但低端的產(chǎn)品，市場(chǎng)上許多低端產(chǎn)品缺乏相關(guān)認(rèn)證，如UL等級(jí)，以及LM-79燈具報(bào)告和LM-80 LED報(bào)告。Vardi說，許多種植者早期嘗試部署LED照明，但是由于燈具性能差，感到很受挫，因此高壓鈉燈仍然是該行業(yè)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)然，市場(chǎng)上還有許多高品質(zhì)的照明產(chǎn)品，包括飛利浦、歐司朗和哈勃照明等。 歐司朗和飛利浦花了多年時(shí)間與大學(xué)的和專門的研究組織團(tuán)隊(duì)一起進(jìn)行園藝研究。

然而，園藝和花藝種植者仍然需要與應(yīng)用相關(guān)的更好的度量標(biāo)準(zhǔn)。比如，美國農(nóng)業(yè)和生物工程師學(xué)會(huì)（ASABE）農(nóng)業(yè)照明委員會(huì)于2015年開始制定標(biāo)準(zhǔn)化度量標(biāo)準(zhǔn)問題。這項(xiàng)工作正在考慮與PAR（光合有效輻射）頻譜相關(guān)的度量標(biāo)準(zhǔn)。PAR范圍通常定義為400-700 nm的光譜帶，其中光子主動(dòng)驅(qū)動(dòng)光合作用。與PAR相關(guān)的常見度量包括光合光子通量（PPF）和光合光子通量密度（PPFD）。

4 “配方”和度量標(biāo)準(zhǔn)

“配方”和度量標(biāo)準(zhǔn)之間相互交錯(cuò)，因?yàn)榉N植者需要度量標(biāo)準(zhǔn)，這樣能夠識(shí)別燈具是否提供強(qiáng)度和光譜功率分布（SPD），這里面就包括了“配方”。

早期的研究集中在葉綠素吸收于光譜功率的關(guān)系，因?yàn)槿~綠素是光合作用過程的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)室研究表明，藍(lán)色和紅色光譜中的能量峰值匹配吸收峰，而綠色能量顯示不會(huì)影響吸收。早期的研究結(jié)果導(dǎo)致市場(chǎng)上粉紅色或紫色光的燈具過剩。

然而，目前的想法集中在可以在藍(lán)色和紅色光譜中提供峰值能量的照明，但同時(shí)也能發(fā)出像太陽光一樣廣泛光譜的照明。Cree LED產(chǎn)品開發(fā)負(fù)責(zé)人Paul Scheidt表示：“行業(yè)似乎正在向白光邁進(jìn)?！?/p>

5 白光很重要

生物創(chuàng)新與優(yōu)化系統(tǒng)（BIOS）副總裁Neil Yorio評(píng)論說，“只使用紅色和藍(lán)色LED相當(dāng)過時(shí)了，當(dāng)你看到有該頻譜的產(chǎn)品時(shí)，它是基于較舊的科學(xué)，經(jīng)常被誤解”，“人們選擇藍(lán)色和紅色的原因是因?yàn)檫@些波長(zhǎng)峰與在試管中分離的葉綠素a和b的吸收曲線相一致，我們今天知道PAR范圍所有波長(zhǎng)的光對(duì)于驅(qū)動(dòng)光合作用是有用的。毫無疑問，光譜很重要，但它與植物形態(tài)如大小和形狀有關(guān)?！?/p>

Yorio的觀點(diǎn)是研究表明，我們可以通過改變光譜來影響植物的高度和開花結(jié)果。一些種植者不斷調(diào)整光強(qiáng)度和SPD，因?yàn)橹参锎_實(shí)有類似于晝夜節(jié)律的東西，大多數(shù)植物都有獨(dú)特的節(jié)奏和“配方”要求。

Spectrum King的Vardi表示，主要的紅色和藍(lán)色組合可能對(duì)于諸如萵苣等葉菜類來說相對(duì)較好。但他還說，對(duì)于開花類植物，包括西紅柿等，其強(qiáng)度要比專門的光譜強(qiáng)。Vardi表示，高壓鈉燈中90％的能量在黃色區(qū)域，而開花植物園藝燈具中的流明（lm），lux（lx）和功效可能比以PAR為中心的指標(biāo)更準(zhǔn)確。

Spectrum King在其燈具中使用90％的磷光體轉(zhuǎn)換白光LED，其余為紅色或遠(yuǎn)紅色LED。 Vardi說，以白色LED為基礎(chǔ)的藍(lán)色照明提供了最佳生產(chǎn)所需的所有藍(lán)色能量。

圖2 高壓鈉燈的傳統(tǒng)形式

6 “配方”和影響

除了綠葉蔬菜的基本生產(chǎn)條件之外，白光很重要。接受采訪的多個(gè)人表示說，假如沒有綠色光譜帶的一些光，生菜可能不成熟，看起來不綠。另一方面，有時(shí)種植者可以控制光譜以產(chǎn)生新的顏色。例如，飛利浦照明公司全球農(nóng)業(yè)總監(jiān)Gus van der Feltz表示，種植戶可能希望長(zhǎng)出紅色的特色生菜，白色LED中的藍(lán)色能量峰值是一個(gè)有利因素。

顯然，目前對(duì)“光配方”還沒有共識(shí)，研究人員和種植者也不斷努力推進(jìn)科學(xué)發(fā)展。Colangelo說：“我們正在不斷研究每個(gè)品種的光配方?！?飛利浦的van der Feltz表示，每種植物的配方總是不一樣，但補(bǔ)充說：“你可以調(diào)整生長(zhǎng)過程?！?在植物的生長(zhǎng)階段，改變光線可能會(huì)對(duì)同一植物產(chǎn)生顯著的差異。Local Roots的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運(yùn)營(yíng)官M(fèi)att Vail說：“我們每小時(shí)改變一下光?！?/p>

圖3 Local Roots的集裝箱農(nóng)場(chǎng)，里面裝有LED照明系統(tǒng)

“光配方”的開發(fā)過程很艱苦。飛利浦的van der Feltz表示，該公司的研究團(tuán)隊(duì)在近一年時(shí)間內(nèi)研究了各種草莓，使用了不同的紅、深紅、藍(lán)光和白光混合。 但是經(jīng)過漫長(zhǎng)的努力，最終團(tuán)隊(duì)找到了一個(gè)“配方”，在更好的品味和多汁性方面達(dá)到了20％的差距。

7 種植者想要什么？

隨著商業(yè)LED照明園藝設(shè)備的逐漸成熟，制造商對(duì)于種植者的需求將會(huì)更加明確。Green Sense公司的Robert Colangelo認(rèn)為有4點(diǎn)。首先，Colangelo想要優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，最大限度地提高能源效率。第二，他想要一個(gè)照明產(chǎn)品，對(duì)于每個(gè)品種能使用不同的光組合。Colangelo表示，Green Sense公司發(fā)現(xiàn)在植物生長(zhǎng)周期中動(dòng)態(tài)地改變照明并不能獲益，但是對(duì)于每個(gè)物種需要不同的“配方”。第三，燈具易于安裝。第四，Colangelo認(rèn)為經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)能力和融資很重要，因?yàn)樗f燈是垂直農(nóng)場(chǎng)中最昂貴的元素。

并不是所有的商業(yè)種植者都能從商業(yè)LED照明廠商那里找到他們所需要的。例如，Local Roots公司設(shè)計(jì)并開始制造矩形尺寸的定制LED燈具。該公司正在裝備一個(gè)用過的運(yùn)輸集裝箱，使其可以容納一個(gè)完整的農(nóng)場(chǎng)，其生產(chǎn)能力相當(dāng)于5英畝的傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)。Local Roots公司用DC為其燈具供電，依靠單個(gè)交流電路。 Vail表示，該設(shè)計(jì)混合了單色和白色LED，并且定制的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)0-100％控制每個(gè)LED的強(qiáng)度。

當(dāng)然，許多城市農(nóng)民都強(qiáng)調(diào)，園藝問題需要一種超越照明的系統(tǒng)級(jí)方法。這些大型城市農(nóng)場(chǎng)通常通過計(jì)算機(jī)測(cè)量溫度和濕度實(shí)現(xiàn)完全的環(huán)境控制，并且控制水培給料以及燈光。

而且，這些業(yè)務(wù)開發(fā)了新領(lǐng)域。例如，Green Sense使用一種由椰殼制成的獨(dú)特的生長(zhǎng)介質(zhì)。一家名叫AeroFarms的紐約地區(qū)農(nóng)場(chǎng)（圖4）制作了一種由循環(huán)水瓶制成的定制基材或生長(zhǎng)介質(zhì)。并且，AeroFarms使用了所謂的噴氣霧系統(tǒng)，該公司表示使用的水比水培系統(tǒng)少40％。

圖4 紐約地區(qū)的AeroFarms農(nóng)場(chǎng)

圖5 飛利浦照明的GreenPower LED生產(chǎn)模塊

▲公司表示，該模塊包括紅色、遠(yuǎn)紅色、藍(lán)色和白色LED，動(dòng)態(tài)地為植物提供植物需要的主要顏色

圖6 位于日本富士地區(qū)的Innovatus農(nóng)場(chǎng)
每天可生產(chǎn)12000顆萵苣

圖7

▲一家法國番茄農(nóng)場(chǎng)在一排排的植物之間使用飛利浦燈具，以便向每顆植物的下部葉子提供所需的光譜能量。（編譯：LEDinside James）

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