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LED照明与园艺需求相匹配的科学进展

：2018-03-09 ：333

基于LED的SSL产品带来革命性进步的室内和温室种植操作，说明莫里莱特，但是仍然有很多需要了解不同植物类型的不同甚至是需要改变一个生长周期内光的需求。

大功率LED在生命科学应用方面也带来了类似的革命性好处，例如，固态照明（SSL）光源在普通照明领域提供能源效率、低/无维护、光谱控制和光束控制。但植物需要不同的东西，从光相对于人，以人为本的指标，如功效（流明每瓦特/瓦特）或CRI可能或不提供任何迹象表明是否LED灯具将提供结果的蔬菜和花卉种植者。此外，植物的生物周期与人类不同，而且植物种类与物种差异很大。尽管如此，种植者们很快在温室里，特别是在室内城市或垂直农场里种植SSL，而园艺界正加班加点地根据最佳生长和产量的最佳配方来解读植物的需求。

图1。绿色意识的农场发展微型蔬菜，莴苣，小绿色蔬菜如甘蓝和豆瓣，和一个能提供新鲜农产品的买家，一天的收获芝加哥地区垂直农场的草药。

SSL能真正改变全球园艺产业包括食用农产品和类似的花卉或花为中心的产业。以LED为基础的照明也将在大麻的生长中发挥关键作用，尤其是在合法的医疗和/或娱乐大麻的使用方面。事实上，LED在园艺方面的重要性日益增加，促使我们计划在10月12日举办的LED杂志《园艺照明会议》。

园艺中的SSL角色

在水果和蔬菜种植中心，LED的使用范围是延长生长季节，特别是在寒冷的地区。过去，人工照明，主要是高压钠灯（照明），长期以来一直被用于温室，延长番茄的季节，例如。我们将探讨LED照明增加了本文中的故事，但SSL的一个明显优势是，照明不产生热量和种植者使用该配置的彩灯/植物之间，运行横向或纵向传递光下的叶子，没有收到太多的直接的光从上面作为植物生长。

LED的温室使用情况主要是作为太阳的补充光源，尽管人工照明在冬天越来越短的日子里越来越重要。大麻还需要像温室一样的空间，植物可以垂直生长。但是大多数合法的大麻种植业务目前都在室内，并且需要电气设备作为主要光源。

然而，LED最大的影响是生长在绿叶和草本植物中，它们只能达到英寸高度，而且可以在层或架子上生长，每层都有一组相对靠近植物的LED灯具，再由LED发出的小到不发光的热量使其发光。分层使所谓的城市或垂直农场占据相对小的增长的空间，靠近人口稠密区内的建筑，而最佳的照明技术包括水培支持更快的植物/收获周期比可以实现户外。

这种行动的范围和规模是惊人的。我们的封面照片显示这个问题的地方根垂直农场设在一个二手集装箱。该公司是一家以洛杉矶为基地的种植绿叶蔬菜和草本植物的公司。图1同时描绘了一个工业建筑规模的垂直农场，由印第安娜的绿色感觉农场经营，距芝加哥，伊尔地铁区有一段很短的车程。

图2。光谱王LED灯具主要使用白光LED，并定期销售到合法的药用或休闲大麻种植业务室内。

城市农场

事实上，也许LED照明对园艺业影响最大的城市农场，并说这一影响扩展到全球社会和环境将不是什么大不了的事。种植者在任何城市大批量的垂直农场经营能力意味着运输成本将削减相对与偏远地区如Cali农业相关的成本加州的中央山谷。消费者将在某些情况下获得产品，在收获的那一天，产品将有更大的保质期。而且，由于农业运输的短缺和传统耕作所需的户外生产设备的减少，与农业相关的碳足迹将有不可估量的减少。

LED园艺的好处给消费者更深层次、更美味。稍后我们将讨论许多在LED照明下更好的产品的质量意见。这可能是一个判断要求，但新鲜的产品几乎总是味道更好。此外，城市农场为消费者提供了微绿色和草药的使用机会，否则可能无法获得。例如，种植植物的绿色意识，如婴儿羽衣甘蓝，豆瓣菜，芝麻菜，更随着中药罗勒、百里香。城市农场也通常无农药，产量甚至可能不需要冲洗，因为它往往是水培中的媒体和不干净的污垢。

日益增长的方法非常有效，这是加利福尼亚等地区的一个主要问题，在那里，以农业为中心的中央河谷相对靠近洛杉矶和三藩，但该州正处于持续干旱期。如中国在全球其他地区，地下水或土壤污染，很少有其他的方式生产出安全、美味的产品。

图3。当地的根不断地调整其LED灯在集装箱运输的农场，以优化绿叶蔬菜的生产。

园艺照明面临的挑战

有，当然，任何一个新兴技术的挑战，也许更是如此，基于LED的园艺照明在SSL技术经验尚浅，甚至只要涉及园艺科学家仍为植物发展轻食谱研究和一些新的食谱不可行之前，LED光源光谱进入控制图片。

照明制造商在亚洲有针对性的市场往往是负担得起的低端产品，但许多低端产品在市场上缺乏相关的认证，如UL额定值，以及lm-79报道夹具、LM-80用于灯具，LED的报道说，Rami Vardi，首席执行官卡诺加帕克，基于CA的照明制造商谱王。Vardi说，许多种植者，尤其是在大麻行业，已被早期尝试部署LED照明由于夹具性能差，HPS仍然是行业的黄金标准。

当然，有许多高质量的照明产品市场一样，包括那些中坚如飞利浦照明，欧司朗，哈贝尔照明。欧司朗和飞利浦花了数年时间从事园艺研究，并与大学和专门研究组织团队合作。

图4。在纽约地区aerofarms采用雾化方法种植绿叶蔬菜的根暴露在只有雾更节水农业比水培。

不过，在园艺和花卉空间的种植者需要更好的指标，是对光的食谱数据的应用和访问相关。我们覆盖在去年的一篇文章，美国农业与生物工程师学会（ASABE）农业照明委员会开始在2015的工作指标的规范化问题。工作是考虑到票面相关指标（光合有效辐射谱等）。PAR范围一般定义为400-700-nm光谱波段的光子积极驱动光合作用。共同的标准，相关标准包括光合光子通量（PPF）在微摩尔每二测量（μ摩尔/秒）和光合光子通量密度（PPFD）测量μ克分子／平方米/秒，鼹鼠可以直接转换数学上的光子。

食谱和度量

让我们考虑一下配方和度量之间固有的相互交织的问题，因为种植者显然需要能够辨别灯具是否提供强度和光谱功率分布（SPD）混合的指标，其中包括优化产量的配方。

当我们在2011的时候介绍了LED照明技术的时候，关键的信息集中在记录叶绿素吸收相对于光谱功率的研究上，因为叶绿素是光合作用过程的关键。实验室研究表明，蓝色和红色光谱中的能量峰与吸收峰相匹配，而绿色能量显示不影响吸收。

早期的研究导致市场上有大量的粉红色或紫色的固定装置。

基于单色红色和蓝色发光二极管的光。这些产品背后普遍存在的理论集中在能源效率和这个问题上：为什么灯具设计会在这些频段之外产生能量，如果这种能量会被浪费在工厂上呢？

然而，当前的想法集中在能够在蓝色和红色光谱中提供峰值能量的照明上，但它也提供了一个像阳光一样的宽光谱。Paul Scheidt，LED产品开发的领导者在Cree说，“行业似乎将更多的白光。”

图5。飞利浦照明的GreenPower LED生产模块包括混合红色，远红，蓝，白色LED动态交付该公司所说的植物的原色。

白光的事项

其他人则发表了更有力的声明。Neil Yorio，副总统的生物创新与优化系统（BIOS），关于这个话题的评论；他的公司是致力于LED灯具的大麻和其他行业。”只有红色和蓝色发光二极管是非常过时的使用，当你看到产品的频谱，它是基于旧的科学经常被曲解，“Yorio说。”人们选择蓝色和红色的原因是因为这些波长峰与试管中叶绿素a和b的吸收谱相一致。这并不是完整的叶子所发生的。我们今天知道，在PAR范围内的所有波长的光都有助于驱动光合作用。毫无疑问，光谱是重要的，但它与植物形态，如大小和形状，而不是生长，产量或生物量。

Yorio的观点是，我们的研究表明，影响株高、开花谱的改变。我们稍后会讨论，一些种植者不断调节光强度和SPD混合到植物，因为植物确实有类似于昼夜节律，虽然大多数植物物种有一个独特的节奏和配方要求的最佳产量。

频谱Vardi国王表示主要的红色和蓝色的组合可能工作比较好的绿叶蔬菜如生菜。但他也说，以生物量为目标的开花植物，包括番茄和大麻等，需要强度大于专门光谱。Vardi说，90%的能量在HPS灯是黄色的区域，和流明（LM）、力士（LX），疗效可能比开花植物在园艺灯具标准为中心的指标更准确。光谱王在其灯具中使用了90%个磷光体转换的白色LED，其余的是红色或远红光LED。Vardi说，对白光LED的基础上提供所有所需的蓝色能量最优生产的蓝光。图2所示的产品是HPS灯的传统形状因子。

即使在垂直农场的焦点是莴苣之类的产品，似乎也有一些白光是必要的，虽然你可以通过本文中的照片看到，大部分LED灯的颜色仍然是粉色至紫色的。Robert Colangelo说，绿色农场的创始人和首席执行官，不愿意分享他的公司光食谱细节作为食谱是关键的知识产权（IP）的业务操作。但他说，该农场在种植生菜、小青菜、小绿叶蔬菜和草本植物中使用了各种红色、蓝色和白色光的混合物。绿色意识在一些主流媒体文章中被形容为最大的室内商业生产者。Colangelo表示量化的规模是很困难的，但该公司在印第安娜的第一场有8000为线性LED灯具在中国最新的农场有3500个8英尺的夹具。

食谱和影响

白光对于绿叶蔬菜超出基线产量的原因是很重要的。我们采访过的几篇文章说生菜没有绿色光谱带的光线就不会成熟。另一方面，有时种植者可以控制光谱以产生新的颜色。格斯van der费尔兹，例如城市经营飞利浦照明，全球总监，说你可能需要用红色长专业生菜。而且，我们以前提到的园艺照明功能有时也会要求工人使用白光，正如前面所说，白光LED中的蓝色能量峰是一个加分。

图6。的innovatus农场位于日本Fuji地区生产的12000头一天莴苣。

显然，关于光的配方没有共识，研究人员和种植者不断努力推进科学。科兰杰洛说，“我们做光方每品种不断研究。“飞利浦”van der费尔茨说配方都必须为每个厂卜是不同的补充说，“你可以调节生长过程”，关键是在生长阶段改变光可以在同一物种中产生显著的差异。在以上参考文献中，我们对利用远红光光谱对开花的影响进行了研究。Matt Vail，联合创始人、COO扎根本土，说，“我们改变光线的每小时基础。”图3显示本地根容器LED照明明显通过门口。

食谱的开发过程是艰苦的。飞利浦Van der费尔茨说公司的研究团队研究了单一品种的草莓近一年，使用红，不同的组合远红，蓝，白色的光。但经过漫长的努力，最终发现团队的食谱，交付更好的口感和风味差20%。

种植者想要什么

随着商业LED照明园艺设施的成熟，人们将更加确定种植者想要从SSL制造商那里得到什么，尽管今天这个话题仍然有点神秘。从绿色意识Robert Colangelo确定了四个关键的东西。首先，科兰杰洛想要高质量的产品，最大限度地提高美元每焦耳的比值（能量单位或工作）每μ摩尔。第二，他想要一个能让农场使用异光书店混合品种的照明产品。科兰杰洛说，绿色的感觉一直没有找到有利于动态改变照明的生长周期内但需要为每一个物种不同的食谱。第三，他引用了易于安装和指出，公司已迁至8英尺灯具灯具安装的努力从为因为本质上是减少一半的相对覆盖的区域。第四、“引支付能力和融资作为重要的因为他说灯是在一个垂直农场最贵的元件。

并非所有的商业种植者都从商业LED照明制造商那里找到了他们需要的东西。例如，当地的根公司已经设计并开始生产一种定制的LED灯具，它的外形是矩形的。本公司为二手集装箱房屋完整的农场与一个容器的生产能力相当于什么5英亩的传统农业生产。当地的根把它的灯具与DC联系在一起，依靠一个单一的交流电路来控制容器。尔说，设计混合色光和白光LED，和定制的控制系统可以使每个强度0-100%控制LED。正如我们在直流电源分配的文章中所涵盖的那样，体系结构也应该提供额外的能量效率相对于每个夹具供电交流电。

图7。一个法国的番茄农场采用飞利浦灯具该行提供所需的植物之间的光谱能量每个厂的低树叶。

当然，我们采访过的所有城市农民都强调，园艺问题需要一种超越照明的系统级方法。这些大型的城市农场通常通过计算机来测量环境，例如温度和湿度，并控制光照下的营养供给。

此外，业务发展伙伴关系通常受知识产权保护管理。例如，绿色感是用椰子壳制成的独特的培养基。纽约地区的农场被称为aerofarms（图4）创建了一个自定义的衬底或生长由回收瓶水布中。和aerofarms使用所谓的雾化系统，喷出雾状的根，该公司表示，使用水比水培系统少40%。

LED使垂直农业

然而，正是LED技术真正使垂直农业得到了回报。绿色意识的科兰杰洛说，LED灯使垂直概念去从试点到商业。他说，种植者可以从七到八层，用线性荧光灯到12至14层的LED在一个大楼，例如，25英尺高的天花板。LED发光效率和散热不足是关键。

与此同时，照明和LED制造商正努力工作，提供能使种植者成功的产品。Cree，例如，最近宣布了所谓的远红外光谱可能是有用的在鼓励开花照片红色LED。频谱王显然使用的LED在其装置。

飞利浦照明最近宣布它所谓的GreenPower LED生产模块，尽管这个名字意味着一个模块，是一个完成线性夹具已被添加到GreenPower系列产品。新产品（图5）集成了红色，远红，蓝，白LED混合，并配有编程轻食谱软件。红色，蓝色，白色，和远红光是植物主要的颜色，”van der Feltz说。和新的灯具可以混合这些颜色就像一个RGB夹具提供全光谱人眼。

的GreenPower LED生产模块的目的是种植者工作光食谱和种植者使用在商业农场当动态照明被认为是有益的。例如，飞利浦刚刚宣布在日本的两个主要城市农场使用新的灯具。在富士山地区的innovatus农场每天生产12000头生菜用夹具（图6）。但van der Feltz也说，其他种植者可能使用可调谐的产品开发的最佳处方，然后在一个商业农场部署固定颜色的混合装置。

欧司朗还宣布在其赛昂家庭园艺设备一套新最近。该系列包括可调光的光谱调谐模型。这些欧司朗产品还包括PC软件来控制夹具的输出。

园艺革命

最终，LED照明有望改变所有类型的园艺。把西红柿。在先前的一篇专题文章中，我们报道了一个叫做帕特森温室的北卡罗莱纳番茄农民，即使在全球相对温暖的地区，也能显著延长生长季节。我们还包括一个飞利浦照明番茄项目在Francewhere显然是更美味的水果在LED（图7）。该项目采用上述该LED灯具从飞利浦，你可以看到照片中植物间的横向运行。

当然，品味永远是一个定性的问题。在英国科学技术中心是一个行业和政府资助的研究机构从事园艺和作了重大的番茄研究。应用光生物学家Phillip Davis讨论组织工作的西红柿说他们四照明情景HPS灯光从上面测试的西红柿，惠普从以上领导该公司，从上面和从上面领导该公司。戴维斯说，收益率是相似的但试验者暴露于该在这两种情况下的西红柿。

事实上，该可以改变番茄的种植方式。斯托克让植物生长高度一般不实用的维护、收获、或照明。但该继续的下叶和收获的能量供应发生总是在植物的下部。作为植物的一1-2-ft部分耗尽自己的生产力，斯托克队降低植物系垂直，休闲的茎是平行于地面但仍到其他植物提供营养，使植物的一部分成容易收获到。该技术生产出美味的果实，延长了植物的生产寿命。

在垂直农场，LED的影响仍然很大，而且会完全改变农民的经营方式。例如，绿色意识不种植生菜或罗勒植物，除非它有一个订单的植物和承诺的交货日期。精确控制的成长环境提供了非常可预测的增长周期，是室外周期的两倍或更多。科兰杰洛说，微型蔬菜需要8-10天，生菜需要35-40天。与买方签订总产量的绿色合同。关于模型，科兰杰洛说，“这需要从农业市场风险。”

绿色意识有其业务的全球视野，因此其最近在中国开一个农场。科兰杰洛表示，公司将寻求扩大在任何区域的经济将维持需求的高端产品，无论是生长季节短、土地和水资源约束。他说，中国人口越来越要求包括粮食在内的优质产品，水资源和土地资源的污染限制了种植面积，使垂直农业成为一项伟大的产业。“有一些与接下来的商业运作是与常春藤技术社区学院在南弯连接印第安娜的另一个运行在规划阶段的其他农场，在。

与此同时，本土企业也有不同的服务全球市场的计划。尔说，公司的宗旨是“更好的食物的人和更好的实践环境。”这一使命贯穿作为一个成长的容器，否则可能会扔掉使城市运行靠近人口中心的集装箱的选择。该公司在洛杉矶市中心运营，并在该地区供应餐馆和农贸市场，只收获了一些蔬菜和草药。

但是，当地人对走向全球有着不同的看法。公司本身可以扩大经营，Vail说，“我们永远都是农民种植的食物。但公司现在正朝着销售功能齐全的农场给其他种植者。当地的根将完全装备船运集装箱，包括有自己的IP在轻食谱和软件控制，并船舶集装箱选择成长的行动。韦尔说它真的会销售的农业经营与销售设备。

当然，还有一个问题，那就是为什么要装一个非常重的集装箱，预装有LED照明、司机、水泵、电脑等等，而不是仅仅提供设备。尔说，它的重复性和成熟的形式因素，随着当地根帮助潜在客户提供精确的已知的环境是什么样的能力。韦尔说公司已经把这样的农场，但有数百户接近他们的话题，是活跃在几十组讨论。

毫无疑问，LED照明不适用于所有类型的园艺。很难想象什么取代维达利亚洋葱在一个特定类型的格鲁吉亚东南部土壤种植西瓜，或从德克萨斯，和更多的。但是，如果LED能使一年四季都是美味的西红柿，并且使人们能够获得不需要清洗的无农药的绿色蔬菜，那么这种情况将是一大进步。

当然，还有其他需要解决的问题。真菌在室内是没有紫外线照射的问题。植物的昼夜节律还不为人所知。但新的LED技术也可能在这些领域发挥作用。事实上，这个问题将在全会闭幕在我们前面提到的园艺照明会议的重点.

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