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植物工厂的LED与PPFD：从光合作用基础到光环境设计

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植物工厂的LED管理，并不是”亮度越高越好”这么简单。光能促进生长，但同时也会带来电费增加、光抑制、CO2不足以及温湿度失衡等问题。

需要关注的，既不是单纯的光质，也不是单纯的PPFD，而是作物接收的光量、明暗节律、CO2、温度、湿度和气流，是否能作为一个整体系统协调运转。

本文将依次整理光合作用基础知识、LED选型思路、PPFD的理解方式、照明计划设计，以及如何打造不浪费光的环境。

种植作物之前，先了解光合作用

在植物工厂中，要想种好作物，关键在于理解驱动生长的引擎——光合作用。

LED选型和PPFD（光量子束密度）设定都服务于光环境的构建，如果不掌握光合作用这一基本过程，就很难做到有效栽培。

简单来说，光合作用就是植物利用光来自行制造”食物”（糖）的机制。 理解这一机制，“给作物什么样的光、给多少才能长得好”这个实践问题的答案就会浮现出来。

光合作用大体分为两个阶段进行。

1. 光化学反应（明反应）

这是字面意义上”利用光”的阶段。

作物叶片中的叶绿素吸收光，利用其能量分解水。 此时，氧气作为副产物被释放出来，同时生成ATP（三磷酸腺苷）和NADPH——即光合作用所需的”能量物质”。

2. 卡尔文循环（暗反应）

在这一步中，利用刚才生成的能量物质（ATP和NADPH），从空气中的二氧化碳合成糖。“暗反应”这个名称并不是指在没有光的地方进行，而是指不直接利用光也能进行的反应。

植物工厂中的CO2施用（追加二氧化碳）正是为了促进这一阶段。 无论光环境多么优化，没有CO2，光合作用就无从进行。

理解这两阶段过程，“不仅要管理LED光照，还必须同时管理CO2浓度”这一点就会清晰呈现。

要最大化作物的生长，关键在于构建能支撑整个光合作用过程的环境。

光会改变蔬菜的形态：可以活用的要点

种植作物的目的不仅仅是”长得大”，还要在外观、口感、营养价值等方面生产出”高品质作物”。

光不只是生长的能量来源，它还决定着作物的形态和品质。理解光质，就能针对栽培目的进行精准管理。

蓝光多的环境中，叶片会长得厚实紧凑，颜色也更深。红光多的环境中，茎容易伸长，叶片展开也会被促进。应用这一原理，可以给红叶生菜增加蓝光让叶色更鲜艳，也可以通过特定的波长比例让罗勒的香气更浓郁。

但是，优先色泽或香气的光照条件，代价是作物的体量增长会受到抑制。无法同时将所有指标最大化。

光太多反而适得其反？了解光合作用的极限，高效种植

“光越多，作物长得越好”——这种想法并不准确，事情没这么简单。

权衡照明成本与生长收益，光有一个”适量”。理解再增加光照生长也会触及天花板这一极限，就能在减少无谓成本的同时获得最大产量。

光太多会发生什么：光抑制

持续给作物照射过强的光，光合作用系统会受损，这种现象称为”光抑制”。

症状包括：叶片变黄或呈褐色灼伤状（叶缘尤其容易受损）、生长速度低于预期、电费高却产量不增。这些情况叠加出现时，请考虑光抑制的可能性。

例如，生菜等叶菜在200～300 μmol/m²/s的PPFD（光强）下就能充分生长。 超出这一范围继续增加光照，生长几乎没有变化，只是浪费电力并提高光抑制的风险。

了解每种作物的”光饱和点”（超过该点后增加光照也不会增加光合速率），就能设计出没有浪费的照明方案。

另一个陷阱：光呼吸

光呼吸是强光下CO2不足时发生的现象。

本应与CO2结合的酶转而与氧气反应，好不容易通过光合作用获得的能量就此浪费。

要防止这一点，在施加强光时，必须同时提高CO2浓度（约800～1,200 ppm）。 不追加施用CO2只是单纯加强光照，无法获得与投入相称的产量增加。

高效种植的要点

要避免光抑制和光呼吸，最高效地种植作物：

1. 了解适合每种作物的光强度：
   • 叶菜在相对较弱的光照（200～300 μmol/m²/s）下也能充分生长。
   • 番茄、草莓等果菜类在更强的光照（400～600 μmol/m²/s）下生产力更高。
   • 选择适合作物的”恰当光强度”，是节省电费的第一步。
2. 平衡CO2浓度与光强度：
   • 施加强光时，务必同时提高CO2浓度。
   • 可以防止”强光→CO2消耗增加→CO2不足→光呼吸发生”这一恶性循环。
3. 适当的温度管理：
   • 一般而言，20～25℃是光合作用的最适温度范围。
   • 温度过高会促进光呼吸，导致光合效率下降。
4. 让幼苗逐步适应光环境：
   • 突然暴露在强光下容易引发光抑制，因此逐步提高光强度非常重要。
   • 尤其是在从育苗阶段移植至定植时，需注意光环境的骤然变化。

基于这些知识设计光环境，就能实现既”对植物最优”又”经营上高效”的栽培。

结合植物特性，选择LED

理解了光合作用机制之后，下一步是”该选择什么样的LED”。下面说明如何将植物的生理特性运用到实际的LED选型中。

首先要了解的：光的波长——“光质”

对植物光合作用有效的光波长范围是400nm～700nm。 这被称为光合有效辐射（PAR: Photosynthetically Active Radiation）。

在PAR中，光合效率特别高的波长如下：

• 红光（600～700nm）： 促进光合作用的明反应，对糖的生成贡献很大。
• 蓝光（400～500nm）： 通过气孔开闭和叶绿体发育辅助光合作用，同时影响植物的形态建成（株高、叶片厚度等）。

LED可以通过改变所用材料的组成，发出各种波长的光。LED能够精确提供对光合作用最有效的波长范围，这是其相比传统人工光源的优势所在。

• 绿光（500～600nm）： 与红光或蓝光相比光合效率较低，但更容易穿透叶层到达下层叶片，起到辅助光合作用的作用。此外，绿光对人眼识别度高，有助于提升作业效率。
• 远红光（700～750nm）： 参与植物的形态建成（茎的伸长等）和花芽形成。
• 紫外线（UV-A：315～400nm）： 促进植物色素合成，赋予植物鲜艳的色泽，并有提升香气和风味的效果。UV-B（280～315nm）据说有增强抗病性的效果。

使用LED，可以按需要的比例混合这些波长范围的光，调整光色平衡。

过去，红蓝两波长组合的LED被广泛使用，但近年来其他波长同样重要的认识已成为主流。本文推荐选择接近太阳光光谱的LED或白色LED植物照明。

光的强度 = PPFD是什么

前文说明的PAR（光合有效辐射）表示植物可利用的光的波长范围。 而表示该光以多强的强度到达植物的指标，就是PPFD（光量子束密度：Photosynthetic Photon Flux Density）。

PPFD表示单位面积、单位时间内到达植物的对光合作用有效的光子（光的粒子）数量。

简单来说，就是”到达植物的光的强度”的数值化指标。

在选择照明时，PPFD（光量）与波长（光质）同样是重要的判断依据。

如前所述，超过光饱和点的PPFD会被浪费，每种作物的最适PPFD值也各不相同。

• 叶菜用LED植物照明
  • 叶菜在300～400 μmol/m²/s左右光饱和，超出该值的照明设计容易造成电费浪费
• 果菜类用LED植物照明
  • 需要400～600 μmol/m²/s左右的高PPFD，需要选择高输出功率类型

另外，与其选择单个LED的输出功率，不如通过安装数量和布置来调整PPFD。请结合栽培作物综合考量。

植物工厂光环境优化：实践篇

基于光合作用机制以及光质、光量的基础知识，下面说明在实际植物工厂运营中的实践方法。

光照期与暗期的设定及植物反应

植物在光照期（有光照的时间）和暗期（没有光照的时间）分别进行不同的生理活动。植物工厂可以自由设定光照时机，理解这一节律是管理的重要依据。

植物在光照期进行的活动

• 光合作用活化：叶绿体吸收光能，从CO2和水合成糖
• 蒸腾作用促进：气孔打开，水分连同养分从根部吸收并输送到植株体内
• 光形态建成：茎和叶的伸长方向、厚度等根据光的方向和强度进行调节

植物在暗期进行的活动

• 呼吸作用活化：利用光照期制造的糖进行能量生产
• 细胞分裂促进：特别是在植物的生长点发生活跃的细胞分裂
• 次生代谢产物合成：香气成分、抗氧化物质等功能性成分被合成
• 植物激素调节：调控生长的激素水平得到调节
• 碳水化合物的转运与储存：光照期制造的糖转移到根和茎等部位，以淀粉形式储存

这些生理活动构成植物的”生物钟”。生物钟一旦被打乱，可能导致生长异常和对病虫害抵抗力下降。这就是不应频繁更改照明计划的原因。

照明计划的设计思路

理解明暗节律的重要性之后，进入实际照明计划的设计。在植物工厂中，计划制定需要同时兼顾植物的生理特性和经济效益。

基本计划设计要点

• 明暗比例的基本原则
  • 叶菜（生菜、日本水菜（Mizuna，日本原产叶菜）等）：16小时光照期/8小时暗期为一般设定
  • 根据栽培目的，也可改为14小时光照期/10小时暗期，以抑制生理障碍或提升风味
• 光照期开始时间的设定要点
  • 对植物来说，“明暗的时长”比”何时开始光照期”更重要
  • 因此，可以设计充分利用电价较低时段的计划
  • 具体示例：将22时至次日14时设定为光照期，就能最大限度利用夜间电力（日本电力公司提供的夜间低价电费方案）

考虑经济效益的照明计划设计要点

• 活用电费的分时电价
  • 日本许多电力公司夜间（22时至次日8时）电价较低
  • 将光照期的大部分设定在这一时段，可以降低照明成本
  • 示例：光照期16小时的情况下，设定22时至次日14时可降低电费
• 分散点灯（通过分时开灯控制最大需量，降低基本电费）
  • 大型设施中，不同时点亮所有照明，而是错时依次点亮
  • 由此抑制最大电力（需量值），可以降低基本费用
  • 例如，若光照期为16小时，可将区域划分为3个区，各区光照期开始时间错开8小时，从而分散点灯负荷

照明计划不仅仅是设定开关时间，更是同时实现电费削减和品质提升的重要管理要点。进一步考虑作物的生长速度和生理障碍的抑制，设计要素因现场而异。

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光效率化的各种技术

下面介绍在抑制电费的同时提升产量的光效率化技术。

通过反射板提高光利用效率

这是充分利用LED光照、避免浪费的措施。

• 反射材料的选择：
  • 高反射率铝板：初期费用较高，但能反射95%以上的光，且长期保持该性能
  • 白色涂装面：相对低廉，反射率约80～90%，但随时间推移可能变黄
  • 特殊反射膜：薄且轻量，安装方便，但容易划伤
• 有效的布置方法：
  • 安装在栽培架的侧面和顶部，减少光线散失
  • 光线也能照射到被叶片遮挡的区域
  • 栽培区域的边缘尤其难以受光，可将反射板倾斜以聚集光线

适当引入反射板，相同的LED耗电量可使产量增加10～15%。相对于设备成本，这是性价比很高的改善措施。

使光分布均匀

向整个栽培区域输送均匀的光，可以减少生长差异。

生长差异大时，不符合出货标准的植株增加，收益性随之下降。

• 使用扩散板：
  • 在LED和植物之间安装半透明扩散板，柔化直射光
  • 特别是使用高亮度LED时有效
  • 容易积热，需要注意通风性
• LED布置技巧：
  • 格状配置：可获得更均匀的光分布（PPFD偏差可控制在5%以内）
  • 边缘强化配置：在栽培区域边缘安装额外的LED以消除光照不均
  • 分层配置：根据植物高度在多个高度安装LED（特别适合高茎作物）

综合运用这些技术，收获量的差异也会大幅减少。

作为近期的降成本趋势，提高照明器具输出功率、减少安装台数、加大间距的设计在业界日益普及。虽然在成本上有优势，但间距越大，“植物上方”与”列间（栽培架侧面）“的光照均匀性越容易下降恶化。成本削减幅度越大，均匀性管理就越严苛——通过安装高度、角度与反射板的组合来确保均匀照射的设计，在现场至关重要。

先整备好光之外的其他环境

即便光照设计得再完美，其他环境要素不足，也不过是在浪费电力。

要最大化植物工厂的生产性，不只是”光”，还需要综合管理”温度”、“湿度”、“CO2浓度”、“气流”等环境要素。这些要素相互影响，任何一个不足，优化其他要素的效果也会受限。

温度、湿度与光的协调

光强度与温度密切相关。光合作用是化学反应，反应速率随温度变化。

• 维持适当的温度范围：
  • 多数作物的光合作用最适温度为20～25℃
  • 光强度高时，略高的温度（23～26℃）可提升光合效率
  • 温度过低会导致酶活性降低，过高则会增加光呼吸，效率下降
• 湿度管理要点：
  • 相对湿度60～70%一般为最适
  • 湿度过高会抑制蒸腾作用，妨碍养分的吸收和输送
  • 光照强时蒸腾作用也活跃，湿度管理尤为重要

没有CO2，光就是浪费

CO2是光合作用的原料，即便有光能，CO2不足时光合作用也无法进行。

• CO2浓度与光强度的平衡：
  • 在普通大气CO2浓度（约400 ppm）下，即便提高光强度，光合作用上限也很快到来
  • 光强度高时，理想的CO2浓度约为800～1,200 ppm
  • 不施用CO2就设定高PPFD，纯粹是在浪费电力
• CO2施用的时机：
  • 从光照期开始后立即提高CO2浓度
  • 密闭型植物工厂在光照期中植物CO2消耗剧烈，需要持续监测并调整供给
  • 暗期停止CO2供给也没有问题（植物反而会通过呼吸作用释放CO2）

气流同样重要

• 维持适当的气流：
  • 叶片周围形成称为”叶面边界层”的静止空气层时，CO2扩散受阻
  • 施加轻微的风（约0.3～0.7 m/s）可破坏该边界层，提高CO2摄取效率
  • 结果是在相同光强度下光合作用得以更高效进行
• 气流循环的设计：
  • 优化风扇的安装位置和角度，形成均匀气流
  • 考虑种植密度和布局，使空气也能在植株间流通

总结

植物工厂的光管理，并非”光照越强，产量越高”这样简单的逻辑。超过光饱和点的PPFD是电费的浪费，CO2不足时强光会引发光呼吸。

实践上的优先顺序很明确：首先掌握每种作物的光饱和点并确定PPFD上限，确保与该PPFD相匹配的CO2浓度。选择白色LED或接近太阳光光谱的LED植物照明，通过反射板和均匀布置提高光利用效率。照明计划在利用夜间电力和分散点灯控制成本的同时，设计成不破坏明暗节律的方式。

光的话题，最终与温度、湿度、CO2、气流不可分割。整备好这整个系统，才是让LED投资发挥价值的前提条件。