植物光生理与LED在植物照明优势-搜狐

　　「民以食为天」的观念源远流长，道出了食物对人类生存和发展的重要性，此观念放诸四海皆准。随着全球人口持续增长，在可耕作面积有限情况下，人类利用科技开发出各种农业与耕作技术，想办法解决粮食供给的问题，而”植物工厂”正是近年来热门话题，它解决了气候、地理、空间…等影响与限制因素，成为提供人们的植物食材来源之一，而稳定与高质量的特质更可以做到「食以安为先」，食安关乎每个人的健康和生命，能否保障食品安全，让人吃得健康、安全，对老百姓来说就是“天大的事”。

　　植物生长几个要素: 阳光、水、空气与温度，植物透过光合作用转化成生长发育所需的化学能，驱动植物各个部位组织的生长与发育，而这些生长要素正是植物工厂中所调控的重要参数。

　　植物光生理

　　本文由植物光生理的角度切入，针对人工光源部分，探讨LED在植照应用的利基。

　　所谓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.

　　植物经过数亿年的演化，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)

　　植物工厂必须根据以下使用状况，将光源做优化调配，以求得最佳生长曲线:

　　- 不同生长阶段:种子发芽/育苗/营养成长/生殖生理…阶段

　　- 不同目的:加速生长/花期调控…

　　- 不同功能:促进代谢物生成/加强特殊基因下游反应…

　　LED在植照优势

　　植物工厂依照射光源方式，可概分为:

　　1.太阳光并用型(人工补光)

　　2.全人工光源型。

　　传统人工光源照度强弱控制，通常使用灯具数量与照射距离做调整，而高压钠灯会产生高热，无法近距离照射，常见传统光源的波长分布也无法做任意变更。LED是指向性光源，发光原理是冷光，体积小可多波长放在同一灯具，更可以使用电流大小做调整强度，甚至可使用脉冲(pulse)方式控制，加上LED效率高(省电)，单色波长且颜色种类完整…等，可依上述不同植物种类、目的与需求，设计成各种样式的光源，精准控制所需的光质/光量，故适用于各种照射方式与型式的植物工厂，这些是传统光源所做不到的。

　　晶元光电LED产品波长分布图

　　依植物所需要的光源，选用不同波长的LED，依据各LED输出功率、灯具效率、出光角度与照射距离/面积，找到相关参数，使易于设计出最佳效率/需求的LED植物照明光源。

　　- 不同波长LED的光子计算: PPF=[ λ(nm) x Power(mW) ]/ 119500 μmol/s

　　随着LED的快速发展，透过外延与芯片技术的持续研发，发光效率逐年稳定的提升，在植照应用的LED芯片更是获得重大的突破，特别是660nm和730nm产品。

　　下图为晶元光电植照应用LED发展历程(660/730nm)，发光效率每年以稳定的幅度持续进步，660nm大功率产品已达60%以上，730nm也达到50%，2018年持续朝更高的目标前进，领先业界。植物工厂相较于传统农业，需要更高的能耗，更高的光效意谓着更少的电费支出，电费属于长期固定操作成本，使用LED除有效降低照明电费(成本)，寿命长也减少维修周期的问题，LED已成为植物照明最佳光源。