LED植物照明知识：植物光质生物学

太阳光谱中300～800mm波段的光辐射被称为植物生理有效辐射( Physio- logically active radiation)，400～700mm波段的光辐射被称为植物光合有效辐射(PAR)。前者包含了近紫外和远红光，而红外辐射不属于生理有效辐射。380～780nm为可见光，部分紫外光与远红光不属于可见光。

生理有效辐射中的非光合有效辐射的部分为近紫外光辐射( Near ultraviolet radiation，波长280~400mm)和远红光辐射(far-red radiation波长700～800mm)，直接影响植物的光形态建成和二次代谢产物生产。波长800mm以上的近红外辐射(near infrared)与红外辐射对植物的光合作用等生理过程无影响，但被植物吸收后会转换为热能，从而对植物有加温的作用，光合有效辐射占地球海平面上的太阳辐射的比例为45％～50％。

在设施园艺照明中，光强采用光量子数表示(mol)。植物光化学反应并不取决于光量子所具有的能量，而是取决于光量子的数量。因此，红光能量虽然小于蓝光，但相对光合效率却高。设施园艺中，常用光合有效光量子通量(PPF)和光合有效光量子通量密度(PPFD)作为衡量光照强度的单位。

而在视觉照明中，常用光通量( luminous flux)表示可见光范围内各波长的光能与光视觉效能的乘积的积分，单位流明(lm)。光通量与耗电量的比值是评价灯具发光效率的指标(lm/W)。照度( illuminance)是光通量除以受照面积之商，单位为lx。

实际上，1lm的光照射到1m2的面积上的照度即为1k。照度的单位换算成PPF的折算系数依存于光源的种类(光谱分布)波长种类等因素。长期的研究表明，植物光合作用在可见光光谱(380~760nm)范围内所吸收的光能占其生理辐射光能的60％～65％，其中主要以波长610～720nm(波峰为660nm)的红、橙光(占生理辐射的55％左右)以及波长400~510nm(波峰为450m)的蓝、紫光(占生理辐射的8％左右)为吸收峰值区域。

因此，开发出以这两个波段(特别是波峰)为主体的植物人工光源将会大大提高其光能利用效率。近年来，随着LED技术的不断进步，为实现这一目标提供了可能。LED能够发出植物生长所需要的单色光(如波峰为450nm的蓝光、波峰为660nm的红光等)，光谱域宽仅为±20m，而且红、蓝光LED组合后，还能形成与植物光合作用与形态建成基本吻合的光谱，光能利用效率达80％~90％，节能效果极为显著。

人眼视网膜能感觉到的辐射(波长为380～780m)称为可见光，人眼的分光视觉敏感度以黄绿光(波长555m)最高，蓝光和红光较低，尤其是波长400mm以下和700mm以上的光的视觉敏感度最低。比如若波长555nm视觉敏感度为1，则430mm和720nm光的视觉敏感度仅为0.001。

虽然可见光与植物生理有效辐射的波长范围大致相同，但植物叶片光受体的分光敏感度与人眼视网膜的分光敏感度有很大差别。太阳光辐射光谱范围为320～3200nm，波长550mm附近的辐射强度最大，与人眼对可见光的视觉敏感度最大的波长基本一致。

基于LED手段的植物光质生物学研究始于20世纪90年代(Bula等，1991)，仅有20余年时间，研究取得可喜进展。前期研究着重对植物个体水平生物学规律进行了揭示，相关研究为设施园艺LED光源设计和光环境智能控制提供了依据。