LED照明在植物生長(cháng)方面的應用

LED(LightingEmittingDiode)照明即是發(fā)光二極管照明，是一種半導體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料，在半導體中通過(guò)載流子發(fā)生復合放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍、綠色的光，在此基礎上，利用三基色原理，添加熒光粉，可以發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色等任意顏色的光。

白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、高壓汞燈等傳統光源，應用于農業(yè)和生物領(lǐng)域，存在低生物光效、高能耗和高運行成本的不足，以人工光植物工廠(chǎng)為例，光源能耗費用約占系統運行成本的40%～60%。相對于傳統照明，LED光源能形成與植物光合作用及其形態(tài)建成基本吻合的光譜吸收峰值，具有效率高、耗能小、無(wú)汞污染、精準波長(cháng)、系統智能可控等優(yōu)點(diǎn)，系統節能達50%以上，在溫室補光、植物組培、植物工廠(chǎng)以及遺傳育種等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

本文梳理了植物生長(cháng)用LED光照的標準進(jìn)展， 并探討植物生長(cháng)用LED照明標準體系框架。國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA)自2012年起開(kāi)始植物生長(cháng)用LED光照標準化工作，2013年發(fā)布第1項團體標準T/CSA021-2013《植物生長(cháng)用LED平板燈性能要求》;之后，推動(dòng)制定國家標準GB/T32655《植物生長(cháng)用LED 光照術(shù)語(yǔ)和定義》、團體標準T/CSA 032-2016《植物光照用LED燈具通用技術(shù)規范》等。

團體標準T/CSA 021-2013《植物生長(cháng)用LED平板燈性能要求》

植物生長(cháng)用LED照明產(chǎn)品形式眾多，如平板燈、雙端燈、柔性燈帶等，并將隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展而逐步變化。在2013年前后，LED平板燈主要應用在組培育苗。該標準規定了植物生長(cháng)用LED平板燈的術(shù)語(yǔ)和定義、分類(lèi)與命名、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸和貯存。標準內容上顯示出植物生長(cháng)用LED光源的基本衡量指標，與生活照明用光的參數差異較大。

該標準定義了植物生長(cháng)用LED平板燈的主輻射波長(cháng)，是指輻射波長(cháng)范圍為600～700nm的紅- 橙輻射波段和400～500nm的藍- 紫輻射波段，以此為基礎定義藍- 紫輻射照度、紅- 橙輻射照度，進(jìn)而定義了紅藍輻射照度比;該標準基于物理量定義了總輻射通量(單位：W)、總輻射照度( 單位：W/m2)， 以支撐植物生長(cháng)LED光照領(lǐng)域的生產(chǎn)、檢測、驗收等工作。標準定義了光合光子通量密度[ 單位：μmol/(m2·s)]， 指是植物進(jìn)行光合作用時(shí)單位時(shí)間內單位面積上接收到的燈發(fā)射的一定波長(cháng)范圍內的光子數目，但因為植物進(jìn)行光合作用接收到的光子數目不好計量，其技術(shù)要求并未體現在該標準中。

該標準提出了植物生長(cháng)用LED平板燈應該符合的GB7000基本安全要求， 控制裝置符合GB19510.14、GB/T 24825要求，電磁兼容性能要求;在電氣特性方面，規定了功率、功率因數要求;在輻射性能方面，規定了初始輻射通量/輻射效率、輻射強度分布、輻射照度和紅藍輻射照度比、輻射照度的均勻性;在輻射光譜特性、壽命特性等方面也作出了要求。

團體標準T/CSA 032-2016《植物光照用LED燈具通用技術(shù)規范》

該項標準重點(diǎn)關(guān)注LED燈具產(chǎn)品通用的技術(shù)性能及其評價(jià)指標。由于應用于植物光照產(chǎn)業(yè)的燈具產(chǎn)品種類(lèi)繁多，規格型號各有不同，性能質(zhì)量良莠不齊，亟需建立相對統一的性能指標的判別和評價(jià)標準。由于這一產(chǎn)業(yè)屬于新興產(chǎn)業(yè)，盡早推出相關(guān)標準，便于引導產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)品定位，但因為有些技術(shù)性能的評價(jià)不夠成熟，有些參數(如光子通量效能、光源的光譜分布與植物光譜的吻合程度分等)的要求有待進(jìn)一步完善。

該標準根據應用環(huán)境的要求，補充了根據植物光合循環(huán)模式分類(lèi)的C3植物、C4植物、CAM植物等術(shù)語(yǔ)。按照燈具用途、植物光合作用方式、控制方式對植物光照用LED燈具進(jìn)行了分類(lèi)。對植物生長(cháng)用LED燈具的安全性能、結構外觀(guān)、電學(xué)性能(功率、功率因數)、光學(xué)性能、可靠性、電磁兼容性等進(jìn)行了規范，對燈具的光子通量效能進(jìn)行了分級，針對技術(shù)要求給出了檢測方法。

在結構外觀(guān)要求中，對燈具表面的防腐(達到WF2)、抗紫外線(xiàn)老化等提出了要求;在光學(xué)性能要求中，規定了光子通量、光子通量效能[ 實(shí)測值不應低于0.7μmol/(s·W)]、光譜分布、配光曲線(xiàn)等參數要求;可靠性部分主要針對光子通量維持率、環(huán)境適應性做了要求;在燈具的能效分級中，首先對應高壓鈉燈[1.9μmol/(s·W)]和熒光燈[1.3μmol/(s·W)] 的光子通量效能關(guān)鍵點(diǎn)， 將LED 光源的光子通量效能分為三類(lèi)： 一類(lèi)[ηP ≥ 1.9μmol/(s·W)]、二類(lèi)[1.3μmol/(s·W) ≤ηP1.9μmol/(s·W)] 和三類(lèi)[(0.7μmol/(s·W) ≤ηP1.3μmol/(s·W)]。其次，按照光源光譜分布的吻合程度將光源按不同緯度可以分成3個(gè)類(lèi)別或3個(gè)等級，能效等級的劃分同時(shí)考慮光源的光子通量效能和光譜分布的吻合程度2個(gè)因素，綜合上述2個(gè)因素，將能效分為3等3類(lèi)共9級。

國家標準GB/T 32655-2016《植物生長(cháng)用LED光照術(shù)語(yǔ)和定義》

該項標準定義的術(shù)語(yǔ)內容大體上分2個(gè)部分：一部分是有關(guān)植物生長(cháng)方面的內容，主要來(lái)自我國生產(chǎn)、教學(xué)和科研中正在使用的術(shù)語(yǔ)， 這部分內容是國內外首次制定; 另一部分是有關(guān)LED產(chǎn)品和檢測涉及術(shù)語(yǔ)的內容，引用IEC 60050和GB/T 24826-2016(IDT IEC62504)標準中的部分術(shù)語(yǔ)，以保證標準系統的協(xié)調。標準中易混淆的術(shù)語(yǔ)解釋對比如下：

輻射度量

(電磁)輻射能相關(guān)術(shù)語(yǔ)

為了描述輻射源的性能，引入了輻射能及相關(guān)術(shù)語(yǔ)。輻射能定義是以電磁波形式的發(fā)射或傳播的能量Φe(單位：J)(圖1)。

上述術(shù)語(yǔ)都是為描寫(xiě)輻射源性質(zhì)而引入的，為了描寫(xiě)輻射能的時(shí)間特性就要增加“通量”定義，輻射通量即單位時(shí)間內的輻射能量;為了描寫(xiě)輻射通量的方向特性就要增加“強度”定義，強度是點(diǎn)輻射源的、有方向的、單位立體角的輻射通量;輻射出射度即單位面積發(fā)出的輻射通量;輻射亮度即單位立體角單位面積的輻射通量。

唯獨照度描述的是被照物接收到的輻射，輻射照度即為單位面積接收的輻射通量，對植物光照而言，這是一個(gè)很重要的物理量，也稱(chēng)為通量密度，其意義不亞于光照度對人眼的重要性。

光子量

光子量相關(guān)的物理量有很多，根據量子力學(xué)，光子具有波粒兩象性，光子的能量E為

h為普朗克常數，ν為電磁波頻率。因此只要將上述輻射度量改為光子量，所有關(guān)系式都成立。

光子量多用于研究，輻射量多用于工農業(yè)生產(chǎn)。相互可以換算，各有有利之處。

光譜量

光譜分布( 輻射量、光度量或光子量X(λ)的)/ 光質(zhì)/ 光譜密集度定義為：在波長(cháng)λ 處，包含λ 的波長(cháng)間隔dλ 內的輻射量或光度量或光子量dX(λ) 與該波長(cháng)間隔之商：

單位：[X]/m， 例如W/m，lm/m 等。光譜響應函數dR(λ) 意義相仿。從植物光合有關(guān)的輻射量可以擴展一系列的術(shù)語(yǔ)。

光合量

光合有效輻射

光合有效輻射定義為：能為植物光合作用所利用的特定波長(cháng)的輻射。光合有效輻射是植物輻射度的基礎。

光合光子通量

光合光子通量定義為：能為植物光合作用所利用的光子通量[ 單位：μmol/(m2·s)]。

在植物生理學(xué)范疇中，光子的數量通常用微摩爾(μmol)表示，1 μmol代6.023×1017 個(gè)光子，1mol代表6.023×1023個(gè)光子。

光合光子通量密度

光合光子通量密度定義為：能為植物光合作用所利用的光子通量密度。

光合速率

光合速率定義為： 植物光合作用中， 單位時(shí)間內單位葉面積上吸收CO?的量或放出O?的量， 或者光合產(chǎn)物的干物質(zhì)積累量， 單位有μmol/(m2·s)、μmol/(m2·h) 和g/(m2·h) 等。

由于植物光合作用時(shí)同時(shí)進(jìn)行呼吸作用，所以光合速率又分總光合速率、表觀(guān)光合速率(凈光合速率)?？偣夂纤俾蕿楸碛^(guān)光合速率與呼吸速率的代數和。

量子效率/ 量子產(chǎn)額

量子效率定義為：光合作用中每吸收一個(gè)光子所產(chǎn)生的光合產(chǎn)物量(即固定的CO?或釋放出的O?的分子數)。量子效率因計算方法的不同，可分為表觀(guān)量子效率和實(shí)際的量子效率。

相對量子效率曲線(xiàn)(光合作用的)

相對量子效率曲線(xiàn)(光合作用的)定義為：在各個(gè)波長(cháng)上，單位光子通量密度所產(chǎn)生的植物光合速率與波長(cháng)的函數關(guān)系。其輻射波長(cháng)范圍為400～700nm。相對量子效率曲線(xiàn)示意圖如圖2所示。

光合光譜響應曲線(xiàn)(光合作用的)

光合光譜響應曲線(xiàn)(光合作用的)定義為：在各個(gè)波長(cháng)上，單位輻照度所產(chǎn)生的植物(凈)光合速率與波長(cháng)的函數關(guān)系。

相對光合光譜響應曲線(xiàn)(光合作用的)

相對光合光譜響應曲線(xiàn)(光合作用的)即歸一化后的光合光譜響應曲線(xiàn)，其示意圖如圖3所示。

光合作用的響應曲線(xiàn)是植物輻射度學(xué)的基礎，有了它可以建立起植物光照的主要物理量。

上述量子效率曲線(xiàn)和光合響應曲線(xiàn)很重要，是植物光照評價(jià)的基礎。

度量系統

輻射度量系統

輻射度量系統是與輻射能量有關(guān)量的測量系統。該系統以輻射通量單位瓦(W) 為計量單位。輻射量、光度量、光子量和光合輻射量——這4種量都有相同的基本符號，為了區別分別加注下腳標e(能量)、v(視覺(jué))、p(光子)、ph(光合)，例如：Φe，Φv，Φp，Φph。因為歷史原因，該度量系統用于植物光合作用輻射量的測量時(shí)，其光合有效輻射的波長(cháng)范圍通常定為320～780nm。

光度量系統

光度量系統依據給定的光譜光視效率函數，如V(λ)(圖4)，評價(jià)輻射量的測量系統。以流明(lm)為單位， 波長(cháng)范圍為380～780nm。對于植物光合作用輻射量的測量，不宜采用該度量系統。

量子度量系統(光合輻射量的)

量子度量系統依據給定的光合作用的量子效率曲線(xiàn)RQE，評價(jià)有關(guān)的輻射量的測量系統。該系統以光子通量密度單位μmol/(m2·s) 為計量單位。

光合度量系統(光合輻射量的)

光合度量系統依據給定的光合光譜響應曲線(xiàn)，評價(jià)光合作用的有關(guān)的輻射量的測量系統。該系統以光子輻射通量單位為計量單位。

光合度量轉換因子(CVF)

各種光合度量系統之間可通過(guò)光合度量轉換因子進(jìn)行換算。

式中，Qλ是輻射源發(fā)射的每單位波長(cháng)間隔Δλ內光譜輻射量;R(λ) 為對應度量系統的相對光合光譜響應。該公式也適用于同一度量系統不同響應曲線(xiàn)之間的轉換。輻射量、光合輻射量(植物)、光合光子量(植物)之間的聯(lián)系可類(lèi)比輻射量與光度量(人眼視覺(jué))之間的關(guān)系，示意圖如圖5所示。輻射量和光度量可通過(guò)人眼視見(jiàn)函數V(λ)來(lái)進(jìn)行轉化。(相對)光合光譜響應曲線(xiàn)對于光合輻射量來(lái)說(shuō)，相當于光度量的人眼視見(jiàn)函數，通過(guò)它可以將輻射量和光合輻射量進(jìn)行轉化。而輻射量與光合光子量則是通過(guò)相對量子效率曲線(xiàn)進(jìn)行轉化。

植物生長(cháng)LED光照領(lǐng)域具有多學(xué)科交叉、跨領(lǐng)域應用的特點(diǎn)，在LED光源、光電參數、植物光生理反應、使用環(huán)境、測量方法等方面以及定義、術(shù)語(yǔ)方面均不同于通用照明，存在混用、借用以至錯用現象，模糊不清，影響了LED在設施農業(yè)中的應用和推廣，本標準對LED照明在植物光照中應用的基本名詞術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義和規范，避免了定義混亂、術(shù)語(yǔ)不統一的情況，確保植物生長(cháng)LED光照領(lǐng)域產(chǎn)品的生產(chǎn)、檢驗、驗收、測試的規范與統一，為L(cháng)ED在我國農業(yè)中標準化應用及推廣奠定基礎。

植物生長(cháng)用LED光照標準體系探討

植物生長(cháng)用LED光照應用， 如設施種苗、葉菜、果菜等方面，具有跨領(lǐng)域、跨行業(yè)的特點(diǎn)，是當前國際的研究熱點(diǎn)。在理論方面， 主要研究LED光環(huán)境對設施作物生長(cháng)發(fā)育的影響機制;在LED光源技術(shù)方面，主要研究工作在LED光配方參數優(yōu)化、光效率提升、智能管控技術(shù)等。標準化工作是促進(jìn)科研成果產(chǎn)業(yè)化、支撐產(chǎn)業(yè)規范發(fā)展的重要手段。標準體系的編制是動(dòng)態(tài)的，需要考慮近期和長(cháng)遠的需求，隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展可以進(jìn)行適當的調整。圖6顯示了植物生長(cháng)用LED光照的標準體系，標準的制定建議結合標準、技術(shù)報告等多種形式開(kāi)展，綜合服務(wù)與科技成果的轉化。

結語(yǔ)

LED光照用于植物生長(cháng)，如植物工廠(chǎng)、溫室補光、組培育苗等已經(jīng)在全國廣泛應用，是隨著(zhù)農業(yè)生產(chǎn)模式及半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展而出現的新技術(shù)。植物生長(cháng)用LED 光照技術(shù)標準的研制和實(shí)施可以促進(jìn)科技成果的轉化應用，發(fā)揮基礎保障和支撐引領(lǐng)作用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。