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植物光生理与LED在植物照明优势

阅读次数:47 添加时间:2017-8-29 10:05:28  作者:dgyadmin

阿拉丁照明网

    前言

  「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:

  太阳光并用型(人工补光)

  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。

  晶元光电为业界的领导品牌,稳定的质量与技术,加上专利保护,已获得国际品牌大厂指定使用与长期合作。科技的进步带给人们的更好的生活质量,植物照明应用除了工业界的研发外,亦需要更多的农业专业人员的投入与研究,提升相关专业知识与技术,蓬勃植物照明产业与市场,达到双赢的目的。

 





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