LED照明技術為商業種植者提供了強有力的理由，使其可以從通常採用高壓鈉（HPS）燈的傳統園藝照明設備升級。基於LED的替代方案消耗的功率更少，因此可以大大降低公用事業成本。輻射熱量大大降低，這使種植者可以更好地控制溫室內的氣候，並防止植物燃燒和乾燥。這還允許將燈放置在植物附近，這不僅可以提高溫室空間的利用率，還可以靈活地使用多餘的燈來填充陰影區域。

似乎這些優勢不足以使任何類型的農作物（從花卉到食物）都無法滿足LED照明革命的需要，但其優越的可控性還具有其他優勢，可調節LED光源以適應在光合有效輻射（PAR）波長下的最大發射。此外，隨著LED技術的不斷發展，以及我們對植物生物學和對各種波長的光的響應的理解不斷發展，可以更精確地設計發射通量的特性，以潛在地優化外觀，市場價值和增長率。種植，進一步提高了種植者的回報。

改善光譜含量

已知紅色和藍色波長會促進光合作用，並且很容易使用LED產生。早期的園藝用LED光引擎已趨向於集中在這些波長上。但是，已知其他幾種波長可以促進植物生長。包括適當數量的這些附加波長的下一代照明產品可以進一步加速增長並改善工廠質量。

要了解如何進行，我們將首先研究與光照有關的植物生長的多個方面。

然後，我們將評估單個波長如何刺激這些響應，以了解除純紅色和藍色以外，還需要更大範圍的波長以最大化植物的生長，質量和健康。

最後，我們將分析構成光配方的另一個重要因素：入射在植物表面的每個波長的強度。必須優化強度，以確保最終產品具有所需的質量：確保用於裝飾目的的植物之間具有最佳外觀；糧食作物的味道，質地和營養含量更高；以及用於生產乳膠的高產植物，例如蘆薈…

了解植物創造更好的照明

光合作用是利用光能將水和二氧化碳轉化為複雜的碳水化合物（即糖）和氧氣的過程。但是，儘管太陽輻射到地球表面的能量由可見光的全部光譜組成（甚至更多），但是植物利用有限波長范圍內的光進行光合作用。

圖1：用於光合作用的不同顏料的特徵吸收光譜[1]

所使用的波長與存在於稱為葉綠體的細胞器中的不同色素的吸收特性有關，這些色素負責光合作用的不同功能。這些顏料大多數吸收與藍色和紅色相對應的波長的光。這就解釋了為什麼大多數葉子會因未吸收這些波長而顯示為綠色，以及為什麼胡蘿蔔會因包含很少的葉綠素而顯示為橙色。最常見的色素是葉綠素A，葉綠素B和類胡蘿蔔素。

植物吸收的波長范圍稱為光合有效輻射（PAR）。它對應於400–700 nm範圍內的波長。葉綠素A是主要的光色素，約佔光合作用活性的75％，吸收峰在約435 nm和約675 nm處。葉綠素B曾經被認為是一種輔助光色素，它的吸收峰在460 nm和約640 nm範圍內擴展了可用於光合作用的波長范圍。這些波長的能量被葉綠素B捕獲，然後通過電子自旋共振傳遞給葉綠素A。所有高等植物都含有這兩種顏料，這就是它們的綠色。

類胡蘿蔔素具有比葉綠素大得多的波長吸收範圍，其吸收範圍為約400–510nm。除了它們的輔助光收集功能外，最近的研究還揭示了類胡蘿蔔素的進一步作用：例如，當短波高光強度高時，它們的吸收波長與葉綠素的吸收波長重疊，因為它們保護葉綠素免受光氧化。 -能量範圍[2]。

另外，植物具有多種對植物發育至關重要的感光體，但其吸收波長大多位於PAR區域之外。這些包括植物色素，其調節諸如葉綠素合成的過程。

其他幾種響應與到達植物表面的光的強度和光譜含量有關。這些包括對樹蔭下生長，晝夜節律，晝夜節律和天氣變化的響應，並且可能對光合作用速率，光形態發生（植物解剖），光致性（生長方向）和光暈（無方向性變化，例如花朵）產生強烈影響。開幕）。所有這些都依賴於各種各樣的感光體，並且可能特定於植物的特定順序，科和屬[3]。

增進我們對光影響植物發育的多種方式的理解，可以凸顯進一步改善人工照明的機會，旨在協調和優化生長，以獲得更大更好的農作物和更高的商業業績。

更豐富的光譜調色板

為了確定改善園藝LED照明的方法，讓我們首先確認630–660 nm範圍內的紅光是光合作用的主要驅動力。它不僅對莖的生長至關重要，而且還調節開花，休眠和種子發芽。400–520nm的藍光是光合作用的另一個主要驅動力。它還與葉綠素濃度，側芽生長和葉片厚度的調節有關。但是，過度曝光會抑制生長，因此必須仔細控制藍光並將其與其他波長混合。

除了紅色和藍色波長以外，很明顯，還需要綠色，遠紅色，深藍色和紫外線波長來激發更多種類的有益響應。

曾經忽略了綠光（500–600 nm）對植物發育不重要，但是最近的調查顯示，處於其他陰影下的植物會受到綠色波長的影響，這是鼓勵更快生長的“避光反應”的一部分。人工誘導這種反應對商業種植者俱有明顯的價值。

引入遠紅外光（在720–740 nm的光譜的紅外範圍內），還會增強避光響應，從而導致更長的莖長。另外，已知增強發芽並可以減少植物的開花時間。

280–400 nm範圍內的紫外線在植物栽培中仍處於高度試驗階段。研究表明，它可以為抵抗其誘變特性的植物（如生菜和西紅柿）提供抗真菌生長的保護。此外，紫外線可能會促進某些保護性次級代謝產物的生成，這些分子對於人體營養很重要，例如抗氧化劑和酚類。

將光合作用響應疊加在LED發射器波長上作為一個統一的圖像，可以說明如何調整人工照明以為植物生長提供優化的波長。許多文章提出了簡化圖，將紅色和藍色波長與光合作用的子集聯繫起來。圖2給出了更完整的概覽，顯示了其他波長如何驅動其他基本響應。

圖2：植物對PAR範圍內外的光照的響應

有了更豐富的光譜調色板，照明設計師可以特別注意各種類型植物的不同需求。這包括不僅針對植物的特定物種甚至栽培品種（亞種）優化光照配方，而且還可以更好地滿足種植某些農作物（例如花卉，裝飾性盆栽植物，烹飪植物或植物）的種植者的需求。可以生產用於工業生產的天然產品。

除了快速增長（總是希望減少收入時間）外，還可以調整工廠特性以滿足不同的市場期望。例如，最理想的沙拉蔬菜的葉子薄而輕，可以在進食時改善質地。另一方面，蘆薈植物中最理想的品質之一是具有厚實的葉子以產生大量的乳膠。關於開花，裝飾植物需要保持其花朵盡可能長的持續時間。相反，在種植菠蘿時，抑制開花過程可增強對收穫期的控制。

為了幫助設計人員創建更複雜的園藝照明產品，特別需要450 nm（深藍色），660 nm（超紅色）和730 nm（遠紅色）的波長。這些波長可實現多種組合，可根據目標品種的需要進行定制。

完成光食譜

當然，光譜含量只是光配方的一個方面。存在的每個可用波長的強度也很關鍵。

與用於街道或建築物的LED照明不同，它可以根據人眼的響應進行調整，並且可以以流明（lm）為單位進行測量，而園藝照明則以以μmol表示的光合光子通量（PPF）進行量化/ s。

在《植物科學》中表示研究結果的參考文獻將PPF定義為光源每秒產生的光合作用活性光子的總量[4]。這是最合適的度量標準，因為光合作用是一種生化過程，即使不同波長的光子具有不同的能級，其光生化過程也可以通過每光子數量產生的糖分子數量來量化。從電能到PPF的轉換是使用Plank-Einstein關係和Avogadro數進行的，並且是在波長范圍內生成的所有光子的總和。

從PPF中可以得出兩個另外的指標，這些指標在設計園藝照明應用時很重要。以μmol/ J表示的光子功效可量化LED每產生一焦耳電能產生PPF的效率。園藝照明產品的數據表中經常引用此指標作為一項功績。

另外，光合光子通量密度（PPFD，μmol/m²/ s）量化每秒到達目標區域的光合活性光子的總量。此參數高度依賴於與光源的距離和角度，通常使用對PAR波長具有選擇性的量子儀進行測量。圖3說明了給定光源的PPF如何與照明應用中的PPFD相關。請注意，PPF和PPFD指標是基於PAR的，也就是說，存在於光合有效區域（400 nm至700 nm）中的輻射總量。儘管這為指導LED園藝照明的早期開發提供了良好的基礎，但它不足以作為評估下一代產品的唯一指標。

圖3： lm & mW是與產品相關的參數，會影響目標應用中的PPFD

首先，它賦予PAR範圍內的所有波長相同的權重，而所有波長對於光合作用並不重要。而且，正如本文所觀察到的，現在發現PAR區域以外的波長對植物的生長和發育有相當大的影響。

優化實施

顯然，有範圍可以完善用於描述園藝照明產品的指標。現在，由於LED技術的不斷發展使得對照明配方的控制更加精確，因此現在需要這樣做。美國農業和生物工程學會（ASABE）等機構的工作旨在使測量和測試園藝照明的能耗和性能特徵的方法標準化。ASABE已經發布了一些標準和指南，這些標準和指南應有助於識別和協調使用LED促進植物生長。

儘管一些試點計劃開始就產品選擇，投資回報以及對農作物性能的影響提供指導，但適銷對路的LED園藝燈具的開發尚處於起步階段。

正在出現指導方針，以幫助準買家評估照明系統，精明的安裝人員和產品設計師可以從調查結果中學習，以為客戶提供更好的結果。倫斯勒理工學院照明研究中心（LRC）針對照明能源聯盟成員和加拿大自然資源公司的一份報告[5]發現，提供相同的光合作用光子通量密度（PPFD）所需的LED照明器多達四倍。作為傳統的HPS燈。因此，LED產品設計人員需要謹慎，以確保其照明設備在整個安裝過程中確實消耗較少的功率。此外，當安裝大量照明設備以維持PPFD時，會產生更大的陰影，從而減少了到達植物表面的自然日照量，因此需要更大的照明設備輸出。這可能會破壞LED燈具的更高功效。但是，隨著LED性能的不斷提高，這個問題將得到緩解並最終消除。

另外，已知不同類型的植物對不同的光配方有不同的響應。這可以使設計人員提供易於選擇的預設（例如在智能手機或平板電腦應用的菜單中），這些預設針對特定作物進行了優化，儘管這樣做的性能優勢值得商bat。

引用關於產量最終影響的可靠數據還為時過早。一家LED製造商建議，根據對水果和花卉種植者的一小部分試驗，通過將現有的HPS照明與可調LED照明“疊加”，可以使農作物的產量提高近10％。