用LED帮助植物生长

——CANNA研究中心

有些栽培者认为，LED迟早都会成为最常用的植物补充光源，只是早晚的问题。对于大多数种植者来说，最主要的问题是不确定LED生长灯是否真的有效，以及在多大程度上可以达到传统生长灯的使用寿命。为解答上述问题，需要对LED生长灯的实际应用有所了解。本文将带你了解一些关于LED的实际使用问题，并分析其优缺点。当然，首先我们要了解LED照明的原理，以便于知晓如何使用这种灯光。

什么是LED？

发光二极管（LED）是一种半导体结构，通过叫做"电发光"的过程来实现发光。LED由N型和P型两种材料制成。N型由带有负电荷的自由电子组成，P型则带有带正电荷的缝隙（叫做"空穴"）。当N型层与电路的负极（-）连接，P型层与电路的正极（+）连接时，自由电子可以在电流中移动。在P型材料中，自由电子会被带正点的空穴吸引，但是空穴的能量要小于电子。为了"适应"空穴，电子必须释放出一部分能量。在LED中，这些能量以光子的形式发射出来，也就是光。LED发光的强度取决于进行正极空穴中电子释放的能量多少。（如图1）

光子发出的颜色则取决于LED中半导体的材料。因此，生产LED时，可以使得光子发出的颜色与植物色素的吸收光谱相吻合，例如吸收红光和远红光的光敏色素，或者叶片光合作用需要的红光和蓝光。因此，LED可以只产生植物生长发育所需的颜色光，从而节省能源。

以上我们都是介绍的技术上的问题，这些与心爱的植物又有什么关联呢？如何选择合适的LED生长灯？

图1：上图是LED的简单示意图，表示的是当电子穿过P-N结构中的空穴时，以光子的形式将额外的能量释放出来。

用于植物生长的LED以及一些应用装置

我们从研究中得知，植物利用光进行光合作用，实现生长发育。用于光合作用的光用PAR（光合有效辐射）和PPFD（光合光子通量密度）两个单位来度量，它们表示的是光合作用的光量，通常在400-700nm之间。正常栽培需要至少50 ~ 200µmol/m2/s，当然也取决于植物的不同类型和需要的不同光照量。通常来说，提供的光照越多，植物生长越好。但是，当光量超过500 µmol/m2/s左右时，植物也无法进一步利用多余的光了。

选择LED光源时，需要记住，植物对于人眼所见的光谱有着不同的吸收峰。光合作用吸收蓝色和红色光，而人眼对黄光和绿光的敏感度最高（如图2）。这就意味着，光合作用的光不能简单地用lux（勒克斯）或者lumen（流明）等单位来度量，这些是适用于人眼的亮度测量单位。因此，对LED生长灯进行评估时，需要了解其PAR或者PPFD等光合作用生产规范。然而麻烦的是，这些度量规范并不适用于所有的LED生长灯。

图2：光的光谱和颜色分布，以及植物和人眼的常见吸收峰值。

PAR和lux是不同的物理单位（如图2），二者之间没有明显的一对一关系。根据不同的光源及其对应光谱，人们制定了基本的转换方式，从而可以适用于不同的光源（见表1）。

那么LED光源如何进行转换呢？一般来说，LED与其他光源不同，由不同的光谱组成，因此没有通用转换公式。

表1：不同光源中lux（lumen/m²）与PAR（µmol/m²/s）的转换

注：1. 光合作用的光谱
2. 光合作用和植物生长所需的远红光（700-800nm）

LED生长灯的评估

在不具备丰富的专业技术知识的情况下，仍然可以对LED生长灯的质量进行评估。

市面上出售的所有LED生长灯，都是由不同的LED灯组合而成的，种类可多达10种。每个单独的LED灯应消耗至少1瓦电力，以实现有效的植物照明。若低于这个水平，发出的光将不具备能够覆盖整个植物的穿透力。对LED灯质量进行评估的时候，应尽量选择那些高强度或者高亮度的1瓦LED灯，尺寸约为10毫米，也是目前常用的一代灯。

对大多数传统灯具来说，所耗电能越多，总流明和每瓦流明都越高。但这一点对LED并不适用。输入功率水平越高，每个单独的LED会越亮，但是效率会更低（发出的每瓦流明越小）。在园艺应用中，1瓦LED和3瓦LED的穿透能力并没有显著的差异。这是LED照明系统和传统种植照明系统的根本区别。含有90个1瓦LED的电路比含有30个3瓦LED的电路照明效果更强，也更有效率。因此，不能简单地用传统照明系统的方法去比较总的瓦数。

此外还有一个需要考虑的因素。3瓦的LED灯通常会被限制在2.2瓦到2.8瓦之间。因此，弄清楚各个LED的最佳发光效率、热损耗以及寿命将具有十分重要的意义。请注意，LED灯也需要电源来支持其照明，并且需要风扇来帮助冷却和散热。例如，一个135W的LED照明系统，实际上只能提供110瓦的光能。

LED生长灯有许多不同的形状。例如UFO生长灯、生长灯板以及单一射灯等。应当选择最少有90瓦功率的LED照明系统，当然这也取决于具体的要求和情况。

实际应用过程中，存在这样一个困难：对于LED灯，当与光源的距离增加一倍时，接收到的光量不是减少一半，而是减少了2的平方，即减少了4倍（如图3）。

图3：光量分布遵循平方反比定律。在开放环境中，光的数量是植物与光源之间距离的函数。

LED生长灯的潜力

LED灯最重要的优势之一，就在于能源效率高，因为它们产生的无用光子和热量更少。白炽灯和放电灯虽然能够产生对植物有益的光，但并不经济。表2显示，LED灯只需白炽灯25%的功率，就能产生同等流明的光。这使得LED与传统灯泡相比，具有巨大的经济优势。

表2：同等光产量下不同光源的电效率

将LED灯与最常见的植物照明光源高压钠灯（HPS）进行比较时，一般认为最新的LED灯更为节能。高压钠灯每焦耳能量输入可以产生1.8 µmol的光，而最新的LED灯每焦耳能量输入可以产生2.3 µmol的光。

此外，LED灯产生的废热更少，因此可以放置在离植物更近的位置，不会给植物带去过多热量或者热压力。相比之下，高强度放电灯（HID）需要和植物之间保持相当大的距离，以确保光线均匀分布，并减少灯具产生的热压力。借助这一优势，LED照明系统可以设计得更加灵活，实现水平、垂直或者作物间照明。LED灯也适用于多层栽培系统。

LED照明系统的另一大优势在于，它比传统的灯丝、电极或者充气和压力灯光源都更加耐用、寿命更长。LED等具备即时照明的能力，即不需要预热，便可达到最大亮度。

存在的障碍......

LED的优势使其成为目前常用的植物照明系统（例如HPS和金属卤化灯）的有趣替代品。然而，LED灯作为园艺栽培中的光源，尚未得到广泛的接受。使用LED系统，初始投资较高，并且LED灯泡的成本通常比固定与安装费用还要高。这些成本会让种植者望而却步。幸运的是，LED灯的前景十分光明，每十年，LED灯的价格就会下降10倍，而性能则会提高20倍。未来，LED照明系统的大规模生产也有可能使成本下降，并有望使销售价格也同步下降。

近日，人们发现LED灯的一大缺点在于，其对植物可能产生负面的影响。与传统光源相比，一些种植者在使用了LED照明后，发生了作物减产或者生长状态下降的现象。事实上，某些研究也表明，LED照明可能会导致产量下降、作物状态不佳，这可能是受到LED产生的热量低的影响。HPS或者MH灯所产生的的热量，可以显著改善植物的生长状态。将这些植物与缺乏额外热量补给的"LED植物"进行比较时，可以清楚地看到，HPS或者MH照明下的植物，要比LED照明的植物长得更好。

重要的是要记住，只提供红光或者蓝光，或者同时提供这两种光都是不够的。大部分第一代LED生长灯都是双波段的，只发出红光和蓝光，实践证明这对于大多数植物来说都不够。虽然这两种光线对于光合作用来说已经足够，但大多数植物仍然需要少量光谱中的其他光线。为确保尽可能有效地刺激到植物的不同生长过程，应为植物提供与阳光相当的较宽光谱。

大多数制造商将LED灯产生的确切光谱视作商业机密。他们通常会使用一个更加常见的方式来描述光的颜色组成，即"色温"。通常，色温在2700K（2700开尔文，暖白光）以及6500K（冷白光）之间的光线，均可用于植物栽培。请记住，越"冷"、越"蓝"的光线，可能对开花或者开花诱导产生抑制效果。

目前，人们还需要开展更多的研究，来确定最佳的照明光谱，从而使LED灯能够符合特定的植物栽培要求。由于LED照明系统尚未实现最佳效果，因此，HPS或者MH灯等照明系统，仍然是目前作物栽培的最佳光源。

图4：一台LED灯

LED生长灯——结论

那么LED生长灯究竟只是昙花一现，还是真的值得尝试呢？LED等当然可以用于植物栽培，但种植者应当对灯的潜力进行全面评估。如果您正在考虑购置一台新的LED灯，首先应该了解它的LED部件、光合光、光谱以及功耗。

请记住：

• 用于植物照明的LED灯应不低于90W
• 单个LED灯应不低于1W，最好为10mm最新一代
• 选用高强度或者高亮度的LED灯
• 与想象相反，输入功率越高，LED效率越低。（因此3个1W灯要比1个3W灯效率更高）
• 灯和植物之间距离增加一倍，接收的光量会减少4倍（2的平方）
• 大多数植物的光合光照在50到200 µmol/m²/s ，最高可达500 µmol/m²/s
• 选择较宽的光谱（含3-5个波段），且其中含有红光以及有助于植物开花的远红光
• 若制造商未标明生产规格，可以选择色温在2700K至6500K之间的灯。

LED灯在植物栽培中的应用技术还没有达到现有的普通照明系统那样完善。随着人们对植物需求以及LED灯工作方式的了解不断加深，未来LED灯可能会广泛作为植物照明光源。LED的未来当然也将会一片光明！