热点专题 | LED植物照明最新光配方

导语

由于太阳辐射量减弱、气候暖化、大气污染等因素的影响，导致补光成为植物生长的刚性需求，植物对于灯光的需求引爆市场，突破地域、气候、光照限制的植物工厂在全球范围内遍地开花。LED产热低、节能，可获得更好的作物品质，成为了现代植物照明的首选光源，预计到2018年，LED植物照明领域将达到数十亿元的产业规模。

全球植物照明光源器件大PK

由于太阳辐射量减弱、气候暖化、大气污染等因素的影响，导致补光成为植物生长的刚性需求，植物对于灯光的需求引爆市场，突破地域、气候、光照限制的植物工厂在全球范围内遍地开花。但传统光源发热多、耗电、不环保，而LED产热低、节能，可获得更好的作物品质，成为了现代植物照明的首选光源，预计到2018年，LED植物照明领域将达到数十亿元的产业规模。

虽然植物工厂仍面对生产成本高昂的窘况，但其巨大的商业潜力仍让市场对此项目的投资热度日益增长。目前全球不少LED封装企业都逐步涉足植物照明这一蓝海领域，相继推出重磅植物照明光源器件，抢占市场份额。

成为市场新热点的植物照明蓝海正迎百花齐放阶段，然而谁能研发出最适合植物生长光配方的产品，便能赢得市场青睐？并不然，专利是敲开全球化植物照明市场的另一关键钥匙。

植物照明虽是新兴市场，但国外巨头已开发得较为成熟，并早已在专利方面进行严密的布局，尤其是上游芯片领域的核心专利。在开发模式上，则基本是LED光源公司与植物工厂相配合的模式进行。

据数据统计，全球关于LED在植物光作用应用领域的专利检索结果为664件。其中日本申请的专利为180件，专利数量排名第一位，占总量的27.1%；中国专利共141件，专利数量排名第二位，占总量的21.2%；韩国和美国排名第三和第四，专利申请量分别为89件和67件，占总量的13.4%和10.1%。

易美芯光研发工程师罗铁分析，从分布情况来看，日本是最主要的专利技术持有国，这是因为日本的LED技术在国际上处于领先地位，且拥有完善的LED产业链，同时，日本的生物技术水平较高，因此在结合LED和生物的应用领域，日本拥有其他国家和地区无法比拟的优势。

中国是全球的农业大国，国内的农业、生物水平较高，LED植物光作用技术应用市场广阔。随着近10年来国内LED产业的快速发展，国内LED植物光作用领域的专利申请数量也在快速地上升，申请量仅次于日本。

对于国内植物照明的发展现状，鸿利智汇高级工程师张强直言，“国内植物照明领域的发展可以说是刚刚开始，植物工厂概念在近几年才逐渐被人们接受，国内一些大厂虽然均已开发植物照明产品，但由于缺少技术人才、投入成本高、核心专利缺失、产品出口难度大等因素制约，进度缓慢。”

他强调，国内大多LED厂开发的植物照明产品仅仅是制作光源，植物所需的光谱配比并没有真正掌握，这也对产品的推广有所局限。

众所周知植物照明技术门槛颇高，因为植物生长的影响因素非常复杂，包括光环境中的PPFD光合光通量光密度、光照的方向和光的周期，叶片的温度、二氧化碳的浓度或者湿度，其他肥料的组成、植物灌装等，并且不同的植物所需的光谱配比各异……

企业需要结合传统的植物学和农业知识，才能研发出切合具体植物需求的光谱，同时利用自身专利布局，真正将植物照明、植物工厂普及化。

植物照明的光谱配比难题如何解

植物工厂里，植物在蓬勃生长：他们的叶绿素在忙着光合作用，类胡萝卜素从旁协助，光敏素在努力伸直下胚轴“钩”、调节茎叶生长……植物的这些色素在其生长发育过程中起到了至关重要的作用。

据了解，植物种类不同，所含的色素也不一样，而不同的色素分子吸收不同的波长，例如叶绿素主要受红光和蓝紫光影响，隐花色素与向光素主要受蓝光影响等。色素分子的这个特性，要求企业在光谱配比时需要有更强的针对性，根据植物的种类及生长需要制定相应的光配方。

图片来源：晶元光电

不同植物种类对光谱的要求不同

植物色素对光的波长要求不同，单一的光谱控制显然不能完全满足各类植物的生长需要。但囿于时间，资源等因素，现在无法为各种植物一一匹配完美的光谱，幸运的是光谱的配比是有规律可循的。

Luminus(朗明纳斯)中国区市场总监朱明认为，针对植物生长的不同阶段，有一些基础光谱配比可以满足不同植物种类的生长需要，比如植物生长和开花阶段，通常可以使用1：3：1或1：4：1(450nm：660nm：730nm)的光配方。而对于绿叶蔬菜(例如生菜)来说，简单的450nm：660nm组合(1：4或更多)就已足够。针对全球种植的开花植物，他认为配光时可以考虑将白光也加入其中。

“要求很高，需要精确优化的通常可以采用可调节光谱的智能植物灯或者对光源进行谱图精准匹配。”易美芯光(北京)科技有限公司研发工程师罗铁对光谱配比方法进行了补充。

近年植物照明讨论热度高居不下，大量企业涌入，各种植物生长灯层出不穷。我国在LED植物照明技术的起步较晚，核心技术掌握不够，光生物学规律及LED光源装置和照明智能控制系统产业化存在不少障碍，高精确度的光谱配对方法还需进一步研究推广。

“对植物生长影响较大的光照条件既有光谱配比、还有光照强度和光照时间等，需要综合考虑。”罗铁最后说道。

诚然，植物生长要素除了光，温度、水、空气等也缺一不可，但光要素的解决，无疑是重中之重。

植物的不同部位对光谱的要求不同

鸿利智汇高级工程师张强认为在光谱配比时，除了注意植物种类的区分，还应该考虑植物不同部位对光的要求，例如根、茎、叶等部位。

植物生长时缺少蓝光会不利于根部的发育。如果人们需要的是叶类植物，缺少蓝光虽然会导致根部发育不良，但叶子在光的作用下仍会生长，只是这棵植物就会出现“营养不良”的样子；如果需要的是根茎类植物，光谱配比时缺少蓝光则是致命的。

另外，在红色段光谱的选择上，根茎类植物要更多的补充红光以及适当补充红外光。如果红外光照射过量，植物的根茎就会长得比较细。

LED封装体积小，波长种类多，在植物照明应用可以发挥完全之优势，依不同植物种类、目的与需求，设计成各种样式的光源，满足不同植栽技术，除光谱配比调整容易外，透过LED数量或是电控设计，光照强度和总光量也能精准控制。加上发光效率高(省电)，操作寿命长，这些都是传统灯具所缺乏的。

如今越来越多不同种类的植物被迁进植物工厂，常见的除了蔬菜瓜果、花卉等还有各种药材。植物种类的增多为企业的光谱配比工作带来更大挑战，同时为光谱配比研究工作的进步带来良好机遇。

掌握核心技术，配比出满足不同植物生长的光谱是企业在这场植物照明抢滩战中的制胜法宝。

植物生长密码：不同光谱对生长的影响

随着LED植物照明的火热发展，人们对LED光谱的研究也日渐深入，通过改变光谱来控制植物的生长从而改善农作物的品质，已成为植物工厂的新方向。

科学试验证明，不同波长的光对植物生长有不同的影响。如可见光中的蓝紫光与青光对植物生长及幼芽的形成有很大作用，这类光能抑制植物的伸长而使其形成矮而粗的形态；同时蓝紫光也是支配细胞分化最重要的光线；蓝紫光还能影响植物的向光性。

紫外线是使植物体内某些生长激素的形成受到抑制，从而也就抑制了茎的伸长；紫外线也能引起向光性的敏感，并和可见光中的蓝、紫和青光一样，促进花青素的形成。可见光中的红光和不可见光中的红外线，都能促进种子或者孢子的萌发和茎的伸长。红光还可以促进二氧化碳的分解和叶绿素的形成。

那么，不同波段的光对植物生长有哪些影响？在植物照明中如何设计最好的光配方？阿拉丁新闻中心通过采访代表性的植物照明厂家，分析不同光谱对植物生长的影响，从数据上解读植物生长密码。

不同波段光谱对植物生长的影响

专业的植物照明LED芯片供应商晶元光电市场营销中心专案处长陈新纲从植物生理的角度分析了不同光谱对植物生长的影响。他指出，植物照明需要的光质、光量分别指光的颜色(波长)、照射强度、给光周期与累积总光量，植物体内不同色素分子吸收不同的波长。

例如大家熟知的叶绿素吸收光子进行光合作用，形成ATP和NADPH化学能，其他尚有受到红光与远红光影响的光敏素(Phytochrome)，受蓝光影响的隐花色素(Cyrptochrome)与向光素(Phototropin)……等，调控着植物种子的发芽、生长与分化、叶绿素的移动与发育、气孔开合、开花的诱导、色素的合成、酵素的活化、蛋白质的合成…等各种生理现象。

Source： Sullivan and Deng(2003) Developmental Biology 260： 289-297.

而鸿利智汇高级工程师张强指出，从植物育苗阶段开始，光谱一直在变化。所以现在封装厂开发的单色光植物照明产品并不仅仅是红蓝光，绿光、紫外、红外也有相应的产品。例如，种子在发育期蓝光相对要多一些。绿光照射量较高时会抑制植物生长，而适当的补充20%左右绿光是会促进植物生长。

相应的红外光对促进植物光合作用意义并不大，但会影响植物的“身高”。为了更好的匹配植物的生长阶段，LED封装厂开发的产品光波段也是相当丰富，从紫外—蓝—绿—红—红外，可以说是全波段覆盖，更有些产品配合了荧光粉，做到照明、补光两不误。

易美芯光(北京)科技有限公司研发工程师罗铁从植物生长的阶段发育理论，讲到了照明对植物生长的影响。他指出，植物生长分为以下几个阶段：

1)春化阶段。这个阶段的植物处于萌芽期，外界条件中温度和湿度在起主要作用，照明影响很小。

2)光照阶段。植物发芽并长出最初的几片绿叶之后，这个阶段就开始了，叶绿素通过光合作用把水和二氧化碳转化成有机物质。在这个阶段，光照时间的长短会直接影响植物的生长与植物形态的形成，特别是对植物的性器官---花的发育形成，起着关键的作用。

3)光谱阶段。植物生长至一定阶段后，光谱成分开始对植物的发育成长起主要作用，在此阶段光谱对植物生长的作用如下：

同时，植物对不同光谱的吸收也不同，吸收最多的是橙红色光，其次是波长300-500nm的蓝紫色光及紫外线，而对波长500-600nm绿黄色光吸收较少。不同地区不同习性的植物对光照的吸收能力也不一致，喜阳性植物一般可吸收落在其叶面上80%以上的光线，而喜阴性植物一般只吸收60%左右的光线。

4)照度阶段。在这个阶段，光照强度是影响植物生长的关键性因素。光线中的光谱含量对植物生长的作用逐渐退居次席。其作用多是促进果实的发育成熟，如玉莲、番茄等植物，必须保证有足够强度的光线照晒，才能开花结实。

光周期和光总量对植物开花的影响

同时，晶元光电市场营销中心专案处长陈新纲还从光周期的角度分析植物开花的原理及如何利用特定的光谱来影响植物的花期。

他谈道，经过数亿年的演化，发展出众多物种，对于光照特性主要分成长日植物(Long-day plant)、短日植物(Short-day plant)、日中性植物(Day-neutral plant)三种，另外还有双重日长型、长短日型、短长日型。下图解释照光周期的长短对开花影响，可以得知临界暗期的影响比临界日长更重要，也就是长夜植物开花由暗期长度决定，非照光时间长度。

除了光周期的影响外，上图也说明不同波长的影响，无论是抑制短日照植物开花，还是促进长短日照植物开花，可利用660nm红光(R)处理。如果红光处理后再以730nm远红光(FR)照射，红光夜中断作用就被远红光抵消，由此可知光敏素亦参与了植物开花的诱导。

另一个光周期概念是日总光量(DLI， Daily Light Integral)，就是每日照光强度乘以时间，得到每日累积的总光量，就像人每天吃三餐，光照需平均分配而不能过度集中，总光量的调控超过与不及都会对植物的生长发育产生不良影响。

>DLI单位： mol/m2

>DLI=PPFD x time(sec)

Luminus(朗明纳斯)中国区市场总监朱明最后指出，目前因为各种时间和资源的因素，尚未能实现所谓完美匹配方案和产品，只是在部分领域有所突破和提升，如越来越多的客户开始将UVA增加到“传统”的植物照明光谱中(450nm、660nm，730nm以及白光)，以形成一个新的更为丰富的功能性光谱。

因为多种研究都表明UVA可以影响植物生长的颜色、抗虫性灯，因此使用适当强度的UV-A也是有利于植物的生长的。更为全面和多种功能俱全的光谱和产品，还需要更多的企业持续研究与开发。

不同波段对植物照明生长的影响是显而易见的，目前众多厂家也在完善不同波段的植物照明产品线，但如何利用这种影响来设计完美的光配方解决方案，或许这才是未来LED植物照明攻坚所在。

来源 | 阿拉丁新闻中心

统筹 | 黄燕燕