LED照明與園藝需求相匹配的科學進展
：2018-03-09
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基于LED的SSL產(chǎn)品帶來革命性進步的室內和溫室種植操作，說明莫里萊特，但是仍然有很多需要了解不同植物類型的不同甚至是需要改變一個生長周期內光的需求。
大功率LED在生命科學應用方面也帶來了類似的革命性好處，例如，固態(tài)照明（SSL）光源在普通照明領域提供能源效率、低/無維護、光譜控制和光束控制。但植物需要不同的東西，從光相對于人，以人為本的指標，如功效（流明每瓦特/瓦特）或CRI可能或不提供任何跡象表明是否LED燈具將提供結果的蔬菜和花卉種植者。此外，植物的生物周期與人類不同，而且植物種類與物種差異很大。盡管如此，種植者們很快在溫室里，特別是在室內城市或垂直農場里種植SSL，而園藝界正加班加點地根據(jù)最佳生長和產(chǎn)量的最佳配方來解讀植物的需求。
圖1。綠色意識的農場發(fā)展微型蔬菜，萵苣，小綠色蔬菜如甘藍和豆瓣，和一個能提供新鮮農產(chǎn)品的買家，一天的收獲芝加哥地區(qū)垂直農場的草藥。
圖1。綠色意識的農場發(fā)展微型蔬菜，萵苣，小綠色蔬菜如甘藍和豆瓣，和一個能提供新鮮農產(chǎn)品的買家，一天的收獲芝加哥地區(qū)垂直農場的草藥。
SSL能真正改變全球園藝產(chǎn)業(yè)包括食用農產(chǎn)品和類似的花卉或花為中心的產(chǎn)業(yè)。以LED為基礎的照明也將在大麻的生長中發(fā)揮關鍵作用，尤其是在合法的醫(yī)療和/或娛樂大麻的使用方面。事實上，LED在園藝方面的重要性日益增加，促使我們計劃在10月12日舉辦的LED雜志《園藝照明會議》。
園藝中的SSL角色
在水果和蔬菜種植中心，LED的使用范圍是延長生長季節(jié)，特別是在寒冷的地區(qū)。過去，人工照明，主要是高壓鈉燈（照明），長期以來一直被用于溫室，延長番茄的季節(jié)，例如。我們將探討LED照明增加了本文中的故事，但SSL的一個明顯優(yōu)勢是，照明不產(chǎn)生熱量和種植者使用該配置的彩燈/植物之間，運行橫向或縱向傳遞光下的葉子，沒有收到太多的直接的光從上面作為植物生長。
LED的溫室使用情況主要是作為太陽的補充光源，盡管人工照明在冬天越來越短的日子里越來越重要。大麻還需要像溫室一樣的空間，植物可以垂直生長。但是大多數(shù)合法的大麻種植業(yè)務目前都在室內，并且需要電氣設備作為主要光源。
然而，LED最大的影響是生長在綠葉和草本植物中，它們只能達到英寸高度，而且可以在層或架子上生長，每層都有一組相對靠近植物的LED燈具，再由LED發(fā)出的小到不發(fā)光的熱量使其發(fā)光。分層使所謂的城市或垂直農場占據(jù)相對小的增長的空間，靠近人口稠密區(qū)內的建筑，而最佳的照明技術包括水培支持更快的植物/收獲周期比可以實現(xiàn)戶外。
這種行動的范圍和規(guī)模是驚人的。我們的封面照片顯示這個問題的地方根垂直農場設在一個二手集裝箱。該公司是一家以洛杉磯為基地的種植綠葉蔬菜和草本植物的公司。圖1同時描繪了一個工業(yè)建筑規(guī)模的垂直農場，由印第安娜的綠色感覺農場經(jīng)營，距芝加哥，伊爾地鐵區(qū)有一段很短的車程。
圖2。光譜王LED燈具主要使用白光LED，并定期銷售到合法的藥用或休閑大麻種植業(yè)務室內。
圖2。光譜王LED燈具主要使用白光LED，并定期銷售到合法的藥用或休閑大麻種植業(yè)務室內。
城市農場
事實上，也許LED照明對園藝業(yè)影響最大的城市農場，并說這一影響擴展到全球社會和環(huán)境將不是什么大不了的事。種植者在任何城市大批量的垂直農場經(jīng)營能力意味著運輸成本將削減相對與偏遠地區(qū)如Cali農業(yè)相關的成本加州的中央山谷。消費者將在某些情況下獲得產(chǎn)品，在收獲的那一天，產(chǎn)品將有更大的保質期。而且，由于農業(yè)運輸?shù)亩倘焙蛡鹘y(tǒng)耕作所需的戶外生產(chǎn)設備的減少，與農業(yè)相關的碳足跡將有不可估量的減少。
LED園藝的好處給消費者更深層次、更美味。稍后我們將討論許多在LED照明下更好的產(chǎn)品的質量意見。這可能是一個判斷要求，但新鮮的產(chǎn)品幾乎總是味道更好。此外，城市農場為消費者提供了微綠色和草藥的使用機會，否則可能無法獲得。例如，種植植物的綠色意識，如嬰兒羽衣甘藍，豆瓣菜，芝麻菜，更隨著中藥羅勒、百里香。城市農場也通常無農藥，產(chǎn)量甚至可能不需要沖洗，因為它往往是水培中的媒體和不干凈的污垢。
日益增長的方法非常有效，這是加利福尼亞等地區(qū)的一個主要問題，在那里，以農業(yè)為中心的中央河谷相對靠近洛杉磯和三藩，但該州正處于持續(xù)干旱期。如中國在全球其他地區(qū)，地下水或土壤污染，很少有其他的方式生產(chǎn)出安全、美味的產(chǎn)品。
圖3。當?shù)氐母粩嗟卣{整其LED燈在集裝箱運輸?shù)霓r場，以優(yōu)化綠葉蔬菜的生產(chǎn)。
圖3。當?shù)氐母粩嗟卣{整其LED燈在集裝箱運輸?shù)霓r場，以優(yōu)化綠葉蔬菜的生產(chǎn)。
園藝照明面臨的挑戰(zhàn)
有，當然，任何一個新興技術的挑戰(zhàn)，也許更是如此，基于LED的園藝照明在SSL技術經(jīng)驗尚淺，甚至只要涉及園藝科學家仍為植物發(fā)展輕食譜研究和一些新的食譜不可行之前，LED光源光譜進入控制圖片。
照明制造商在亞洲有針對性的市場往往是負擔得起的低端產(chǎn)品，但許多低端產(chǎn)品在市場上缺乏相關的認證，如UL額定值，以及l(fā)m-79報道夾具、LM-80用于燈具，LED的報道說，Rami Vardi，首席執(zhí)行官卡諾加帕克，基于CA的照明制造商譜王。Vardi說，許多種植者，尤其是在大麻行業(yè)，已被早期嘗試部署LED照明由于夾具性能差，HPS仍然是行業(yè)的黃金標準。
當然，有許多高質量的照明產(chǎn)品市場一樣，包括那些中堅如飛利浦照明，歐司朗，哈貝爾照明。歐司朗和飛利浦花了數(shù)年時間從事園藝研究，并與大學和專門研究組織團隊合作。
圖4。在紐約地區(qū)aerofarms采用霧化方法種植綠葉蔬菜的根暴露在只有霧更節(jié)水農業(yè)比水培。
圖4。在紐約地區(qū)aerofarms采用霧化方法種植綠葉蔬菜的根暴露在只有霧更節(jié)水農業(yè)比水培。
不過，在園藝和花卉空間的種植者需要更好的指標，是對光的食譜數(shù)據(jù)的應用和訪問相關。我們覆蓋在去年的一篇文章，美國農業(yè)與生物工程師學會（ASABE）農業(yè)照明委員會開始在2015的工作指標的規(guī)范化問題。工作是考慮到票面相關指標（光合有效輻射譜等）。PAR范圍一般定義為400-700-nm光譜波段的光子積極驅動光合作用。共同的標準，相關標準包括光合光子通量（PPF）在微摩爾每二測量（μ摩爾/秒）和光合光子通量密度（PPFD）測量μ克分子／平方米/秒，鼴鼠可以直接轉換數(shù)學上的光子。
食譜和度量
讓我們考慮一下配方和度量之間固有的相互交織的問題，因為種植者顯然需要能夠辨別燈具是否提供強度和光譜功率分布（SPD）混合的指標，其中包括優(yōu)化產(chǎn)量的配方。
當我們在2011的時候介紹了LED照明技術的時候，關鍵的信息集中在記錄葉綠素吸收相對于光譜功率的研究上，因為葉綠素是光合作用過程的關鍵。實驗室研究表明，藍色和紅色光譜中的能量峰與吸收峰相匹配，而綠色能量顯示不影響吸收。
早期的研究導致市場上有大量的粉紅色或紫色的固定裝置。
基于單色紅色和藍色發(fā)光二極管的光。這些產(chǎn)品背后普遍存在的理論集中在能源效率和這個問題上：為什么燈具設計會在這些頻段之外產(chǎn)生能量，如果這種能量會被浪費在工廠上呢？
然而，當前的想法集中在能夠在藍色和紅色光譜中提供峰值能量的照明上，但它也提供了一個像陽光一樣的寬光譜。Paul Scheidt，LED產(chǎn)品開發(fā)的領導者在Cree說，“行業(yè)似乎將更多的白光。”
圖5。飛利浦照明的GreenPower LED生產(chǎn)模塊包括混合紅色，遠紅，藍，白色LED動態(tài)交付該公司所說的植物的原色。
圖5。飛利浦照明的GreenPower LED生產(chǎn)模塊包括混合紅色，遠紅，藍，白色LED動態(tài)交付該公司所說的植物的原色。
白光的事項
其他人則發(fā)表了更有力的聲明。Neil Yorio，副總統(tǒng)的生物創(chuàng)新與優(yōu)化系統(tǒng)（BIOS），關于這個話題的評論；他的公司是致力于LED燈具的大麻和其他行業(yè)。”只有紅色和藍色發(fā)光二極管是非常過時的使用，當你看到產(chǎn)品的頻譜，它是基于舊的科學經(jīng)常被曲解，“Yorio說。”人們選擇藍色和紅色的原因是因為這些波長峰與試管中葉綠素a和b的吸收譜相一致。這并不是完整的葉子所發(fā)生的。我們今天知道，在PAR范圍內的所有波長的光都有助于驅動光合作用。毫無疑問，光譜是重要的，但它與植物形態(tài)，如大小和形狀，而不是生長，產(chǎn)量或生物量。
Yorio的觀點是，我們的研究表明，影響株高、開花譜的改變。我們稍后會討論，一些種植者不斷調節(jié)光強度和SPD混合到植物，因為植物確實有類似于晝夜節(jié)律，雖然大多數(shù)植物物種有一個獨特的節(jié)奏和配方要求的最佳產(chǎn)量。
頻譜Vardi國王表示主要的紅色和藍色的組合可能工作比較好的綠葉蔬菜如生菜。但他也說，以生物量為目標的開花植物，包括番茄和大麻等，需要強度大于專門光譜。Vardi說，90%的能量在HPS燈是黃色的區(qū)域，和流明（LM）、力士（LX），療效可能比開花植物在園藝燈具標準為中心的指標更準確。光譜王在其燈具中使用了90%個磷光體轉換的白色LED，其余的是紅色或遠紅光LED。Vardi說，對白光LED的基礎上提供所有所需的藍色能量最優(yōu)生產(chǎn)的藍光。圖2所示的產(chǎn)品是HPS燈的傳統(tǒng)形狀因子。
即使在垂直農場的焦點是萵苣之類的產(chǎn)品，似乎也有一些白光是必要的，雖然你可以通過本文中的照片看到，大部分LED燈的顏色仍然是粉色至紫色的。Robert Colangelo說，綠色農場的創(chuàng)始人和首席執(zhí)行官，不愿意分享他的公司光食譜細節(jié)作為食譜是關鍵的知識產(chǎn)權（IP）的業(yè)務操作。但他說，該農場在種植生菜、小青菜、小綠葉蔬菜和草本植物中使用了各種紅色、藍色和白色光的混合物。綠色意識在一些主流媒體文章中被形容為最大的室內商業(yè)生產(chǎn)者。Colangelo表示量化的規(guī)模是很困難的，但該公司在印第安娜的第一場有8000為線性LED燈具在中國最新的農場有3500個8英尺的夾具。
食譜和影響
白光對于綠葉蔬菜超出基線產(chǎn)量的原因是很重要的。我們采訪過的幾篇文章說生菜沒有綠色光譜帶的光線就不會成熟。另一方面，有時種植者可以控制光譜以產(chǎn)生新的顏色。格斯van der費爾茲，例如城市經(jīng)營飛利浦照明，全球總監(jiān)，說你可能需要用紅色長專業(yè)生菜。而且，我們以前提到的園藝照明功能有時也會要求工人使用白光，正如前面所說，白光LED中的藍色能量峰是一個加分。
圖6。的innovatus農場位于日本Fuji地區(qū)生產(chǎn)的12000頭一天萵苣。
圖6。的innovatus農場位于日本Fuji地區(qū)生產(chǎn)的12000頭一天萵苣。
顯然，關于光的配方?jīng)]有共識，研究人員和種植者不斷努力推進科學?？铺m杰洛說，“我們做光方每品種不斷研究。“飛利浦”van der費爾茨說配方都必須為每個廠卜是不同的補充說，“你可以調節(jié)生長過程”，關鍵是在生長階段改變光可以在同一物種中產(chǎn)生顯著的差異。在以上參考文獻中，我們對利用遠紅光光譜對開花的影響進行了研究。Matt Vail，聯(lián)合創(chuàng)始人、COO扎根本土，說，“我們改變光線的每小時基礎。”圖3顯示本地根容器LED照明明顯通過門口。
食譜的開發(fā)過程是艱苦的。飛利浦Van der費爾茨說公司的研究團隊研究了單一品種的草莓近一年，使用紅，不同的組合遠紅，藍，白色的光。但經(jīng)過漫長的努力，最終發(fā)現(xiàn)團隊的食譜，交付更好的口感和風味差20%。
種植者想要什么
隨著商業(yè)LED照明園藝設施的成熟，人們將更加確定種植者想要從SSL制造商那里得到什么，盡管今天這個話題仍然有點神秘。從綠色意識Robert Colangelo確定了四個關鍵的東西。首先，科蘭杰洛想要高質量的產(chǎn)品，最大限度地提高美元每焦耳的比值（能量單位或工作）每μ摩爾。第二，他想要一個能讓農場使用異光書店混合品種的照明產(chǎn)品。科蘭杰洛說，綠色的感覺一直沒有找到有利于動態(tài)改變照明的生長周期內但需要為每一個物種不同的食譜。第三，他引用了易于安裝和指出，公司已遷至8英尺燈具燈具安裝的努力從為因為本質上是減少一半的相對覆蓋的區(qū)域。第四、“引支付能力和融資作為重要的因為他說燈是在一個垂直農場最貴的元件。
并非所有的商業(yè)種植者都從商業(yè)LED照明制造商那里找到了他們需要的東西。例如，當?shù)氐母疽呀?jīng)設計并開始生產(chǎn)一種定制的LED燈具，它的外形是矩形的。本公司為二手集裝箱房屋完整的農場與一個容器的生產(chǎn)能力相當于什么5英畝的傳統(tǒng)農業(yè)生產(chǎn)。當?shù)氐母阉臒艟吲cDC聯(lián)系在一起，依靠一個單一的交流電路來控制容器。爾說，設計混合色光和白光LED，和定制的控制系統(tǒng)可以使每個強度0-100%控制LED。正如我們在直流電源分配的文章中所涵蓋的那樣，體系結構也應該提供額外的能量效率相對于每個夾具供電交流電。
圖7。一個法國的番茄農場采用飛利浦燈具該行提供所需的植物之間的光譜能量每個廠的低樹葉。
圖7。一個法國的番茄農場采用飛利浦燈具該行提供所需的植物之間的光譜能量每個廠的低樹葉。
當然，我們采訪過的所有城市農民都強調，園藝問題需要一種超越照明的系統(tǒng)級方法。這些大型的城市農場通常通過計算機來測量環(huán)境，例如溫度和濕度，并控制光照下的營養(yǎng)供給。
此外，業(yè)務發(fā)展伙伴關系通常受知識產(chǎn)權保護管理。例如，綠色感是用椰子殼制成的獨特的培養(yǎng)基。紐約地區(qū)的農場被稱為aerofarms（圖4）創(chuàng)建了一個自定義的襯底或生長由回收瓶水布中。和aerofarms使用所謂的霧化系統(tǒng)，噴出霧狀的根，該公司表示，使用水比水培系統(tǒng)少40%。
LED使垂直農業(yè)
然而，正是LED技術真正使垂直農業(yè)得到了回報。綠色意識的科蘭杰洛說，LED燈使垂直概念去從試點到商業(yè)。他說，種植者可以從七到八層，用線性熒光燈到12至14層的LED在一個大樓，例如，25英尺高的天花板。LED發(fā)光效率和散熱不足是關鍵。
與此同時，照明和LED制造商正努力工作，提供能使種植者成功的產(chǎn)品。Cree，例如，最近宣布了所謂的遠紅外光譜可能是有用的在鼓勵開花照片紅色LED。頻譜王顯然使用的LED在其裝置。
飛利浦照明最近宣布它所謂的GreenPower LED生產(chǎn)模塊，盡管這個名字意味著一個模塊，是一個完成線性夾具已被添加到GreenPower系列產(chǎn)品。新產(chǎn)品（圖5）集成了紅色，遠紅，藍，白LED混合，并配有編程輕食譜軟件。紅色，藍色，白色，和遠紅光是植物主要的顏色，”van der Feltz說。和新的燈具可以混合這些顏色就像一個RGB夾具提供全光譜人眼。
的GreenPower LED生產(chǎn)模塊的目的是種植者工作光食譜和種植者使用在商業(yè)農場當動態(tài)照明被認為是有益的。例如，飛利浦剛剛宣布在日本的兩個主要城市農場使用新的燈具。在富士山地區(qū)的innovatus農場每天生產(chǎn)12000頭生菜用夾具（圖6）。但van der Feltz也說，其他種植者可能使用可調諧的產(chǎn)品開發(fā)的最佳處方，然后在一個商業(yè)農場部署固定顏色的混合裝置。
歐司朗還宣布在其賽昂家庭園藝設備一套新最近。該系列包括可調光的光譜調諧模型。這些歐司朗產(chǎn)品還包括PC軟件來控制夾具的輸出。
園藝革命
最終，LED照明有望改變所有類型的園藝。把西紅柿。在先前的一篇專題文章中，我們報道了一個叫做帕特森溫室的北卡羅萊納番茄農民，即使在全球相對溫暖的地區(qū)，也能顯著延長生長季節(jié)。我們還包括一個飛利浦照明番茄項目在Francewhere顯然是更美味的水果在LED（圖7）。該項目采用上述該LED燈具從飛利浦，你可以看到照片中植物間的橫向運行。
當然，品味永遠是一個定性的問題。在英國科學技術中心是一個行業(yè)和政府資助的研究機構從事園藝和作了重大的番茄研究。應用光生物學家Phillip Davis討論組織工作的西紅柿說他們四照明情景HPS燈光從上面測試的西紅柿，惠普從以上領導該公司，從上面和從上面領導該公司。戴維斯說，收益率是相似的但試驗者暴露于該在這兩種情況下的西紅柿。
事實上，該可以改變番茄的種植方式。斯托克讓植物生長高度一般不實用的維護、收獲、或照明。但該繼續(xù)的下葉和收獲的能量供應發(fā)生總是在植物的下部。作為植物的一1-2-ft部分耗盡自己的生產(chǎn)力，斯托克隊降低植物系垂直，休閑的莖是平行于地面但仍到其他植物提供營養(yǎng)，使植物的一部分成容易收獲到。該技術生產(chǎn)出美味的果實，延長了植物的生產(chǎn)壽命。
在垂直農場，LED的影響仍然很大，而且會完全改變農民的經(jīng)營方式。例如，綠色意識不種植生菜或羅勒植物，除非它有一個訂單的植物和承諾的交貨日期。精確控制的成長環(huán)境提供了非?？深A測的增長周期，是室外周期的兩倍或更多。科蘭杰洛說，微型蔬菜需要8-10天，生菜需要35-40天。與買方簽訂總產(chǎn)量的綠色合同。關于模型，科蘭杰洛說，“這需要從農業(yè)市場風險。”
綠色意識有其業(yè)務的全球視野，因此其最近在中國開一個農場?？铺m杰洛表示，公司將尋求擴大在任何區(qū)域的經(jīng)濟將維持需求的高端產(chǎn)品，無論是生長季節(jié)短、土地和水資源約束。他說，中國人口越來越要求包括糧食在內的優(yōu)質產(chǎn)品，水資源和土地資源的污染限制了種植面積，使垂直農業(yè)成為一項偉大的產(chǎn)業(yè)。“有一些與接下來的商業(yè)運作是與常春藤技術社區(qū)學院在南彎連接印第安娜的另一個運行在規(guī)劃階段的其他農場，在。
與此同時，本土企業(yè)也有不同的服務全球市場的計劃。爾說，公司的宗旨是“更好的食物的人和更好的實踐環(huán)境。”這一使命貫穿作為一個成長的容器，否則可能會扔掉使城市運行靠近人口中心的集裝箱的選擇。該公司在洛杉磯市中心運營，并在該地區(qū)供應餐館和農貿市場，只收獲了一些蔬菜和草藥。
但是，當?shù)厝藢ψ呦蛉蛴兄煌目捶ā９颈旧砜梢詳U大經(jīng)營，Vail說，“我們永遠都是農民種植的食物。但公司現(xiàn)在正朝著銷售功能齊全的農場給其他種植者。當?shù)氐母鶎⑼耆b備船運集裝箱，包括有自己的IP在輕食譜和軟件控制，并船舶集裝箱選擇成長的行動。韋爾說它真的會銷售的農業(yè)經(jīng)營與銷售設備。
當然，還有一個問題，那就是為什么要裝一個非常重的集裝箱，預裝有LED照明、司機、水泵、電腦等等，而不是僅僅提供設備。爾說，它的重復性和成熟的形式因素，隨著當?shù)馗鶐椭鷿撛诳蛻籼峁┚_的已知的環(huán)境是什么樣的能力。韋爾說公司已經(jīng)把這樣的農場，但有數(shù)百戶接近他們的話題，是活躍在幾十組討論。
毫無疑問，LED照明不適用于所有類型的園藝。很難想象什么取代維達利亞洋蔥在一個特定類型的格魯吉亞東南部土壤種植西瓜，或從德克薩斯，和更多的。但是，如果LED能使一年四季都是美味的西紅柿，并且使人們能夠獲得不需要清洗的無農藥的綠色蔬菜，那么這種情況將是一大進步。
當然，還有其他需要解決的問題。真菌在室內是沒有紫外線照射的問題。植物的晝夜節(jié)律還不為人所知。但新的LED技術也可能在這些領域發(fā)揮作用。事實上，這個問題將在全會閉幕在我們前面提到的園藝照明會議的重點.
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