生命科学运用中,大功率LED带来了革命性的优势,例如在园艺范畴,LED优势明显,表现在能量功率、低/无保护、光谱操控和光束操控。可是,植物需求从光中取得不同的东西,一同一些衡量规范,例如成效(流明/瓦/ W)或CRI,可能或不能供给给植物和花卉想要的成果。此外,植物与人类不同,它们有昼夜循环,而且各植物之间差异很大。

尽管如此,在温室中,特别是在城市室内或笔直农场,培养者正在快速转向运用固态照明,园艺职业从业者也正在研讨植物的需求,期望能够开出不同的“光配方”,然后取得最佳的植物成长和产值。

1 固态照明在园艺中的人物

LED在生果和蔬菜农业中的用处首要是延长了成长时节,特别是在夏日较短的冰冷区域。曩昔,用于植物成长的人工照明首要是高压钠灯(HPS)。可是,根据LED的固态照明的一个明显优势就是照明不发生热量,培养者能够运用交互式照明,就是说把光放在植物中心或许周围,在笔直或水平方向上把光照射到植物的低层部分。

可是,LED发生最大影响的当地就是在成长绿叶蔬菜和药草上,由于这些只能成长到以英寸衡量的高度,而且能够在架子上成长,每层架子都有专用的一组LED灯具接近植物。这种分层的架子在所谓的城市或笔直农场非常遍及,它们在人口中心邻近的建筑物内只占有相对较小的成长空间,而最佳的照明和技能,包含水耕培养,能够比室外完成更短的成长周期。

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图1 美国芝加哥的Green Sense Farms在其笔直农场里
培养微型蔬菜、莴苣、甜菜等

2 城市农场

事实上,LED照明可能对园艺影响最大的是城市农场。培养者在城市的大批量笔直农场培养,意味着运送成本会下降,消费者在某些情况下收割的当天就能够吃到,而且产品的保质期会更长。由于交通运送缩短,而且也不需求传统耕耘所需的机械设备,农业碳排放将大大削减。

LED园艺对消费者的优点也是越来越多。消费者能够取得更新鲜的产品,所以滋味也更香甜。此外,城市农场一般也不含农药,产值可能乃至不需求洗,由于它们一般是在洁净的介质中以水培养的办法成长而不是在尘垢中成长。今后,培养的办法趋向于节水,尤其是像干旱区域或许是地下水和/或土壤被污染的区域。

3 园艺照明方面的应战

当然,任何新式技能方面都存在应战,根据LED的园艺照明方面也存在应战。现在,固态照明技能的经历依然很浅,乃至是从事多年的园艺科学家们依然在研讨植物的“光配方”,现在这些新“配方”中的一些是不可行的。

Canoga Park照明制作公司的总经理Rami Vardi标明,亚洲的照明制作商定位的商场一般是经济实惠但低端的产品,商场上许多低端产品缺少相关认证,如UL等级,以及LM-79灯具陈述和LM-80 LED陈述。Vardi说,许多培养者前期测验布置LED照明,可是由于灯具功能差,感到很受挫,因而高压钠灯依然是该职业的黄金规范。

当然,商场上还有许多高品质的照明产品,包含飞利浦、欧司朗和哈勃照明等。 欧司朗和飞利浦花了多年时刻与大学的和专门的研讨安排团队一同进行园艺研讨。

可是,园艺和花艺培养者依然需求与运用相关的更好的衡量规范。比方,美国农业和生物工程师学会(ASABE)农业照明委员会于2015年开端拟定规范化衡量规范问题。这项作业正在考虑与PAR(光合有效辐射)频谱相关的衡量规范。PAR规模一般界说为400-700 nm的光谱带,其间光子自动驱动光合作用。与PAR相关的常见衡量包含光合光子通量(PPF)和光合光子通量密度(PPFD)。

4 “配方”和衡量规范

“配方”和衡量规范之间彼此交织,由于培养者需求衡量规范,这样能够辨认灯具是否供给强度和光谱功率散布(SPD),这里边就包含了“配方”。

前期的研讨会集在叶绿素吸收于光谱功率的联系,由于叶绿素是光合作用进程的要害。实验室研讨标明,蓝色和赤色光谱中的能量峰值匹配吸收峰,而绿色能量显现不会影响吸收。前期的研讨成果导致商场上粉赤色或紫色光的灯具过剩。

可是,现在的主意会集在能够在蓝色和赤色光谱中供给峰值能量的照明,但一同也能宣布像太阳光一样广泛光谱的照明。Cree LED产品开发负责人Paul Scheidt标明:“职业好像正在向白光跨进。”

5 白光很重要

生物立异与优化体系(BIOS)副总裁Neil Yorio评论说,“只运用赤色和蓝色LED适当过期了,当你看到有该频谱的产品时,它是根据较旧的科学,经常被误解”,“人们挑选蓝色和赤色的原因是由于这些波长峰与在试管中别离的叶绿素a和b的吸收曲线相一致,我们今日知道PAR规模一切波长的光关于驱动光合作用是有用的。毫无疑问,光谱很重要,但它与植物形状如巨细和形状有关。”

Yorio的观念是研讨标明,我们能够经过改动光谱来影响植物的高度和开花成果。一些培养者不断调整光强度和SPD,由于植物的确有类似于昼夜节律的东西,大多数植物都有共同的节奏和“配方”要求。

Spectrum King的Vardi标明,首要的赤色和蓝色组合可能关于比如莴苣等叶菜类来说相对较好。但他还说,关于开花类植物,包含西红柿等,其强度要比专门的光谱强。Vardi标明,高压钠灯中90%的能量在黄色区域,而开花植物园艺灯具中的流明(lm),lux(lx)和成效可能比以PAR为中心的目标更精确。

Spectrum King在其灯具中运用90%的磷光体变换白光LED,其他为赤色或远赤色LED。 Vardi说,以白色LED为根底的蓝色照明供给了最佳出产所需的一切蓝色能量。

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图2 高压钠灯的传统方式

6 “配方”和影响

除了绿叶蔬菜的根本出产条件之外,白光很重要。承受采访的多个人标明说,假设没有绿色光谱带的一些光,生菜可能不老练,看起来不绿。另一方面,有时培养者能够操控光谱以发生新的色彩。例如,飞利浦照明公司全球农业总监Gus van der Feltz标明,培养户可能期望长出赤色的特征生菜,白色LED中的蓝色能量峰值是一个有利要素。

明显,现在对“光配方”还没有一致,研讨人员和培养者也不断尽力推动科学发展。Colangelo说:“我们正在不断研讨每个种类的光配方。” 飞利浦的van der Feltz标明,每培养物的配方总是不一样,但弥补说:“你能够调整成长进程。” 在植物的成长阶段,改动光线可能会对同一植物发生明显的差异。Local Roots的联合创始人兼首席运营官Matt Vail说:“我们每小时改动一下光。”

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图3 Local Roots的集装箱农场,里边装有LED照明体系

“光配方”的开发进程很艰苦。飞利浦的van der Feltz标明,该公司的研讨团队在近一年时刻内研讨了各种草莓,运用了不同的红、深红、蓝光和白光混合。 可是经过绵长的尽力,终究团队找到了一个“配方”,在更好的品尝和多汁性方面达到了20%的距离。

7 培养者想要什么?

跟着商业LED照明园艺设备的逐步老练,制作商关于培养者的需求将会愈加清晰。Green Sense公司的Robert Colangelo以为有4点。首要,Colangelo想要优质的产品,最大极限地进步动力功率。第二,他想要一个照明产品,关于每个种类能运用不同的光组合。Colangelo标明,Green Sense公司发现在植物成长周期中动态地改动照明并不能获益,可是关于每个物种需求不同的“配方”。第三,灯具易于装置。第四,Colangelo以为经济负担才能和融资很重要,由于他说灯是笔直农场中最贵重的元素。

并不是一切的商业培养者都能从商业LED照明厂商那里找到他们所需求的。例如,Local Roots公司规划并开端制作矩形尺度的定制LED灯具。该公司正在配备一个用过的运送集装箱,使其能够包容一个完好的农场,其出产才能适当于5英亩的传统农场。Local Roots公司用DC为其灯具供电,依托单个交流电路。 Vail标明,该规划混合了单色和白色LED,而且定制的操控体系能够完成0-100%操控每个LED的强度。

当然,许多城市农人都着重,园艺问题需求一种逾越照明的体系级办法。这些大型城市农场一般经过计算机丈量温度和湿度完成彻底的环境操控,而且操控水培给料以及灯火。

而且,这些事务开发了新范畴。例如,Green Sense运用一种由椰壳制成的共同的成长介质。一家名叫AeroFarms的纽约区域农场(图4)制作了一种由循环水瓶制成的定制基材或成长介质。而且,AeroFarms运用了所谓的喷气雾体系,该公司标明运用的水比水培体系少40%。

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图4 纽约区域的AeroFarms农场

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图5 飞利浦照明的GreenPower LED出产模块

▲公司标明,该模块包含赤色、远赤色、蓝色和白色LED,动态地为植物供给植物需求的首要色彩

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图6 坐落日本富士区域的Innovatus农场
每天可出产12000颗莴苣

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▲一家法国西红柿农场在一排排的植物之间运用飞利浦灯具,以便向每颗植物的下部叶子供给所需的光谱能量。(编译:LEDinside James)