LED照明在植物生長方面的應(yīng)用

LED(LightingEmittingDiode)照明即是發(fā)光二極管照明，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過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(chǔ)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(tǒng)光源，應(yīng)用于農(nóng)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，以人工光植物工廠為例，光源能耗費用約占系統(tǒng)運行成本的40%～60%。相對于傳統(tǒng)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、無汞污染、精準波長、系統(tǒng)智能可控等優(yōu)點，系統(tǒng)節(jié)能達50%以上，在溫室補光、植物組培、植物工廠以及遺傳育種等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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

團體標準T/CSA 021-2013《植物生長用LED平板燈性能要求》

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

該標準定義了植物生長用LED平板燈的主輻射波長，是指輻射波長范圍為600～700nm的紅- 橙輻射波段和400～500nm的藍- 紫輻射波段，以此為基礎(chǔ)定義藍- 紫輻射照度、紅- 橙輻射照度，進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)]， 指是植物進行光合作用時單位時間內(nèi)單位面積上接收到的燈發(fā)射的一定波長范圍內(nèi)的光子數(shù)目，但因為植物進行光合作用接收到的光子數(shù)目不好計量，其技術(shù)要求并未體現(xiàn)在該標準中。

該標準提出了植物生長用LED平板燈應(yīng)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(guī)定了功率、功率因數(shù)要求;在輻射性能方面，規(guī)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(guī)范》

該項標準重點關(guān)注LED燈具產(chǎn)品通用的技術(shù)性能及其評價指標。由于應(yīng)用于植物光照產(chǎn)業(yè)的燈具產(chǎn)品種類繁多，規(guī)格型號各有不同，性能質(zhì)量良莠不齊，亟需建立相對統(tǒng)一的性能指標的判別和評價標準。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(dǎo)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)品定位，但因為有些技術(shù)性能的評價不夠成熟，有些參數(shù)(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)的要求有待進一步完善。

該標準根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的要求，補充了根據(jù)植物光合循環(huán)模式分類的C3植物、C4植物、CAM植物等術(shù)語。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燈具進行了分類。對植物生長用LED燈具的安全性能、結(jié)構(gòu)外觀、電學(xué)性能(功率、功率因數(shù))、光學(xué)性能、可靠性、電磁兼容性等進行了規(guī)范，對燈具的光子通量效能進行了分級，針對技術(shù)要求給出了檢測方法。

在結(jié)構(gòu)外觀要求中，對燈具表面的防腐(達到WF2)、抗紫外線老化等提出了要求;在光學(xué)性能要求中，規(guī)定了光子通量、光子通量效能[ 實測值不應(yīng)低于0.7μmol/(s·W)]、光譜分布、配光曲線等參數(shù)要求;可靠性部分主要針對光子通量維持率、環(huán)境適應(yīng)性做了要求;在燈具的能效分級中，首先對應(yīng)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， 將LED 光源的光子通量效能分為三類： 一類[ηP ≥ 1.9μmol/(s·W)]、二類[1.3μmol/(s·W) ≤ηP1.9μmol/(s·W)] 和三類[(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個類別或3個等級，能效等級的劃分同時考慮光源的光子通量效能和光譜分布的吻合程度2個因素，綜合上述2個因素，將能效分為3等3類共9級。

國家標準GB/T 32655-2016《植物生長用LED光照術(shù)語和定義》

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

輻射度量

(電磁)輻射能相關(guān)術(shù)語

為了描述輻射源的性能，引入了輻射能及相關(guān)術(shù)語。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)語都是為描寫輻射源性質(zhì)而引入的，為了描寫輻射能的時間特性就要增加“通量”定義，輻射通量即單位時間內(nèi)的輻射能量;為了描寫輻射通量的方向特性就要增加“強度”定義，強度是點輻射源的、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，這是一個很重要的物理量，也稱為通量密度，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(jù)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(shù)，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(nóng)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λ 處，包含λ 的波長間隔dλ 內(nèi)的輻射量或光度量或光子量dX(λ) 與該波長間隔之商：

單位：[X]/m， 例如W/m，lm/m 等。光譜響應(yīng)函數(shù)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。

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的輻射。光合有效輻射是植物輻射度的基礎(chǔ)。

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(shù)量通常用微摩爾(μmol)表示，1 μmol代6.023×1017 個光子，1mol代表6.023×1023個光子。

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， 單位時間內(nèi)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同時進行呼吸作用，所以光合速率又分總光合速率、表觀光合速率(凈光合速率)?？偣夂纤俾蕿楸碛^光合速率與呼吸速率的代數(shù)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(shù))。量子效率因計算方法的不同，可分為表觀量子效率和實際的量子效率。

相對量子效率曲線(光合作用的)

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

光合光譜響應(yīng)曲線(光合作用的)

光合光譜響應(yīng)曲線(光合作用的)定義為：在各個波長上，單位輻照度所產(chǎn)生的植物(凈)光合速率與波長的函數(shù)關(guān)系。

相對光合光譜響應(yīng)曲線(光合作用的)

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

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

上述量子效率曲線和光合響應(yīng)曲線很重要，是植物光照評價的基礎(chǔ)。

度量系統(tǒng)

輻射度量系統(tǒng)

輻射度量系統(tǒng)是與輻射能量有關(guān)量的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(qū)別分別加注下腳標e(能量)、v(視覺)、p(光子)、ph(光合)，例如：Φe，Φv，Φp，Φph。因為歷史原因，該度量系統(tǒng)用于植物光合作用輻射量的測量時，其光合有效輻射的波長范圍通常定為320～780nm。

光度量系統(tǒng)

光度量系統(tǒng)依據(jù)給定的光譜光視效率函數(shù)，如V(λ)(圖4)，評價輻射量的測量系統(tǒng)。以流明(lm)為單位， 波長范圍為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(tǒng)。

量子度量系統(tǒng)(光合輻射量的)

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

光合度量系統(tǒng)(光合輻射量的)

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

光合度量轉(zhuǎn)換因子(CVF)

各種光合度量系統(tǒng)之間可通過光合度量轉(zhuǎn)換因子進行換算。

式中，Qλ是輻射源發(fā)射的每單位波長間隔Δλ內(nèi)光譜輻射量;R(λ) 為對應(yīng)度量系統(tǒng)的相對光合光譜響應(yīng)。該公式也適用于同一度量系統(tǒng)不同響應(yīng)曲線之間的轉(zhuǎn)換。輻射量、光合輻射量(植物)、光合光子量(植物)之間的聯(lián)系可類比輻射量與光度量(人眼視覺)之間的關(guān)系，示意圖如圖5所示。輻射量和光度量可通過人眼視見函數(shù)V(λ)來進行轉(zhuǎn)化。(相對)光合光譜響應(yīng)曲線對于光合輻射量來說，相當(dāng)于光度量的人眼視見函數(shù)，通過它可以將輻射量和光合輻射量進行轉(zhuǎn)化。而輻射量與光合光子量則是通過相對量子效率曲線進行轉(zhuǎn)化。

植物生長LED光照領(lǐng)域具有多學(xué)科交叉、跨領(lǐng)域應(yīng)用的特點，在LED光源、光電參數(shù)、植物光生理反應(yīng)、使用環(huán)境、測量方法等方面以及定義、術(shù)語方面均不同于通用照明，存在混用、借用以至錯用現(xiàn)象，模糊不清，影響了LED在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用和推廣，本標準對LED照明在植物光照中應(yīng)用的基本名詞術(shù)語進行定義和規(guī)范，避免了定義混亂、術(shù)語不統(tǒng)一的情況，確保植物生長LED光照領(lǐng)域產(chǎn)品的生產(chǎn)、檢驗、驗收、測試的規(guī)范與統(tǒng)一，為LED在我國農(nóng)業(yè)中標準化應(yīng)用及推廣奠定基礎(chǔ)。

植物生長用LED光照標準體系探討

植物生長用LED光照應(yīng)用， 如設(shè)施種苗、葉菜、果菜等方面，具有跨領(lǐng)域、跨行業(yè)的特點，是當(dāng)前國際的研究熱點。在理論方面， 主要研究LED光環(huán)境對設(shè)施作物生長發(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(shù)優(yōu)化、光效率提升、智能管控技術(shù)等。標準化工作是促進科研成果產(chǎn)業(yè)化、支撐產(chǎn)業(yè)規(guī)范發(fā)展的重要手段。標準體系的編制是動態(tài)的，需要考慮近期和長遠的需求，隨著技術(shù)發(fā)展可以進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。圖6顯示了植物生長用LED光照的標準體系，標準的制定建議結(jié)合標準、技術(shù)報告等多種形式開展，綜合服務(wù)與科技成果的轉(zhuǎn)化。

結(jié)語

LED光照用于植物生長，如植物工廠、溫室補光、組培育苗等已經(jīng)在全國廣泛應(yīng)用，是隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù)。植物生長用LED 光照技術(shù)標準的研制和實施可以促進科技成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，發(fā)揮基礎(chǔ)保障和支撐引領(lǐng)作用，促進產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。