園藝照明的常見方法

　　接下來，我們要了解燈具設(shè)計(jì)的細(xì)微差別，以及園藝照明系統(tǒng)節(jié)能的原因。世界上最常用的園藝照明系統(tǒng)是基于高強(qiáng)度放電(HID)照明和高壓鈉燈(HPS)。高壓鈉燈本來不是專門設(shè)計(jì)用于種植植物的，是設(shè)計(jì)給輕軌和停車庫。但是，現(xiàn)成可用性和高輸出水平導(dǎo)致被廣泛應(yīng)用于園藝，原因是它們提供非常高的光強(qiáng)度，大部分發(fā)射的光在565-700 nm范圍內(nèi)，這一有效的波段可以加速光合作用。

　　使用高壓鈉燈進(jìn)行園藝照明的一個(gè)缺點(diǎn)是產(chǎn)生大量的輻射熱。高壓鈉燈的表面溫度可以達(dá)到高于800°F的溫度(約430 ℃)，因此植物冠層和高壓鈉燈之間必須有足夠的距離，以避免損壞植物組織。增加燈具的安裝高度時(shí)，反平方定律開始起作用，這可以降低照明率。隨著時(shí)間的推移，高壓鈉燈的能量效率增加，而雙端HPS燈具的出現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)1.7μmol/J的光子效能。

　　轉(zhuǎn)向LED

　　我們回顧一下LED在園藝照明使用的過程。在2014年，效率最高的LED園藝照明系統(tǒng)與雙端高壓鈉燈效率一樣。與高壓鈉燈相比，LED的使用壽命長(L70≥50,000小時(shí))令許多種植者轉(zhuǎn)而使用LED。然而，與高壓鈉燈相比，LED園藝照明系統(tǒng)的成本相對較高，限制了向LED燈的過渡。

　　LED芯片制造商在過去幾年中已經(jīng)提高了目前已有組件的功效，使得他們能夠顯著提高光子效能，并且每年都會(huì)持續(xù)改進(jìn)。事實(shí)上，基于LED的園藝照明系統(tǒng)現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)比雙端高壓鈉燈大45%的光子效率。雖然單個(gè)組件的效率提高了LED園藝照明的效率，但它也只是LED超過高壓鈉燈技術(shù)的一個(gè)變量。

　　LED系統(tǒng)熱量

　　談到LED照明產(chǎn)生的熱量時(shí)，有一個(gè)常見的誤解。許多種植者認(rèn)為LED比高壓鈉燈產(chǎn)生的熱量更少，這在LED燈具以較低瓦數(shù)驅(qū)動(dòng)時(shí)才是真的。如果有一個(gè)600W LED燈具和一個(gè)600W雙端高壓鈉燈，從宏觀角度來看，它們產(chǎn)生的熱量在相同的大致范圍內(nèi)。

　　LED和高壓鈉燈的主要區(qū)別在于這兩個(gè)600W產(chǎn)生的PAR能量有多少，熱量如何從燈具中散發(fā)的。來自高壓納氣燈的大多數(shù)熱量向下輻射到作物冠層，而LED的大部分熱量是在部件與印刷電路板(PCB)的連接部位產(chǎn)生的，熱量通常被傳導(dǎo)到PCB，也可能是散熱片，并通過向上對流去除。

　　因此，LED作為園藝照明系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以放置在植物附近而又可以讓植物免于熱輻射的損害。但是，假如熱量沒有通過適當(dāng)?shù)臒峁芾硐到y(tǒng)從PCB中有效去除的話，則LED組件的壽命將明顯縮減。

　　在商業(yè)園藝環(huán)境中冷卻照明系統(tǒng)有兩種方法。被動(dòng)冷卻的燈具利用散熱片從電路板散發(fā)熱量，而主動(dòng)冷卻的燈具依靠風(fēng)扇或水來散熱。用于冷卻燈具的風(fēng)扇會(huì)消耗能量，并會(huì)降低燈具的整體光子效能。另外，如果在燈具運(yùn)行期間風(fēng)扇出現(xiàn)故障，PCB上的LED可能會(huì)過熱并燒壞。即使它們沒有發(fā)生災(zāi)難性的故障，降低的功率輸出將大大降低LED燈具的使用壽命。這是種植者在比較園藝照明系統(tǒng)時(shí)需要考慮的一個(gè)非常重要的因素。

　　頻譜和功效

　　影響園藝照明系統(tǒng)光子功效的另一個(gè)重要因素是發(fā)光的光譜。用于園藝照明系統(tǒng)的最有效波長是紅色(660nm)和藍(lán)色(450nm)。傳統(tǒng)的LED園藝照明技術(shù)主要使用紅色帶較小比例的藍(lán)色LED來實(shí)現(xiàn)最高的光子效能。

　　雖然紅色LED具有最高的光子效能，但是植物在窄帶波長下本身并沒有生長。因此，在優(yōu)化植物生長和發(fā)育方面，單一的紅色LED不會(huì)產(chǎn)生最有效的光譜。與補(bǔ)充溫室照明(圖3)相比，在垂直農(nóng)場中使用單一源照明的情況尤其如此。

　　圖3. 惡劣和骯臟的環(huán)境(如溫室)可能會(huì)迅速導(dǎo)致主動(dòng)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致整個(gè)照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障。除了提高能源效率之外，被動(dòng)冷卻系統(tǒng)不需要容易斷裂和堵塞的運(yùn)動(dòng)部件。

　　多家園藝照明廠商根據(jù)葉綠素a和b的吸收峰而宣稱其產(chǎn)品有“特殊光譜”。但是，他們沒有提到這些葉綠素顏料是從植物葉中提取并在體外測量的。光質(zhì)量對 光合作用的作用光譜(圖2)是由McCREE和Inada在20世紀(jì)70年代進(jìn)行研究時(shí)提出的。研究顯示光合作用速率與葉綠素a和b的作用光譜之間有相關(guān)性，但它們并不是光合作用的唯一波長。在這項(xiàng)研究之前，存在一個(gè)常見的誤解：認(rèn)為葉綠素主要吸收可見光譜中的紅色和藍(lán)色部分，所以植物光合作用不使用綠光。

　　McCree和Inada進(jìn)行的研究是理解光譜光質(zhì)量對光合作用的影響的基礎(chǔ);但是，他們是基于低光強(qiáng)度下單葉測量光合作用而研究出了作用光譜。在過去30年中，對于光照強(qiáng)度較高下植物光合作用的研究有多次，表明光譜質(zhì)量對生長速度的影響遠(yuǎn)小于光照強(qiáng)度。

　　光譜光質(zhì)量對植物發(fā)育影響很大，如：種子發(fā)芽、莖伸長和開花以及次級(jí)代謝物和類黃酮，其影響植物的味道、外觀和氣味。因此，LED制造商需要在使用最具電效率的LED和種植者所希望的能促進(jìn)植物最佳生長和發(fā)育習(xí)慣的LED之間找到平衡。