LED 效能、紫外線和植物反饋凸顯園藝照明的效益

LEDs 雜誌總編輯 Maury Wright ｜2018-02-14

第二屆美國園藝照明大會上充滿豐富的介紹，由 LED 雜誌總編輯 Maury Wright 報告，其主題包括傳統照明與 SSL （Solid-state lighting，固態照明，如：LED）的比較、使用紫外光譜促進二次代謝產物以及園藝照明的未來。

2017 年 10 月 17 日，美國科羅拉多州丹佛市舉行的園藝照明領域，有許多頂尖專家聚集在 LED 雜誌的第二屆年度美國會議上。

這一天充滿豐富的會談和桌面展覽聯誼活動，晚間的招待會非常激烈。於此，將重點介紹  LED 照明作為植物替代光源、紫外線（UV）照明應用栽培影響植物風味或效能的方式，以及未來可能可以直接從植物體上獲取反饋，以控制照明的應用。

對園藝照明的文章和公告感興趣？

在開始閱讀前，如果您不熟悉以 LED 為基礎的園藝照明背後的概念，我們會建議您仔細閱讀過去的內容。去年我們介紹一篇文章，研究固態照明（SSL）在園藝中扮演的角色，並設想與用於人類照明不同的關鍵指標。2016 年園藝照明大會報導提供有關這個蓬勃發展的照明應用與許多問題的見解。 此外， Strategies Unlimited 市場研究業務部門的研究主管 Philip Smallwood 在會議上展示照明的應用和市場上所面臨的挑戰。可點選回顧查看。

CSU 溫室作物推廣專家暨花卉栽培教授  Steven Newman 說：「 LED 的投資報酬比想像中的要快！」

由科羅拉多州立大學（CSU）溫室作物推廣專家和花卉栽培教授 Steven Newman 帶來開幕的主題演講。幾年前，科羅拉多州立大學在老設施的舊址建立一個新的足球場與園藝中心， Steven Newman 有機會監督新的園藝中心建設。該項目包括超過 21,000 平方英尺的溫室空間、超過 6000 平方英尺的教室空間和 6 英畝的戶外園藝區域。

在新設施籌劃的過程中， Newman 從來沒有使用 SSL 的經驗，但一次與飛利浦照明公司的偶然會面，讓溫室設施有機會使用飛利浦 GreenPower  頂光照明。儘管大學工程部門因為沒有 LED 照明的使用經驗而反對，但 Newman 仍繼續學習 SSL 的安裝，並在會議提供數據、預測表明：「 LED 照明每平方英尺每天需花費 0.5 美分的費用，而高壓鈉（HPS）則將花費超過 1 美分和 1 美分半。這說明 LED 的投資報酬比想像中的要快！」

LED 和花卉栽培：「在 LED 照明下生長的植物顯得更加茂密！」

Newman 說：「他期待下個職涯階段，發展學習 LED 的機會，並著手研究加快花卉植物生產？」目前已經研究一些苗床植物栽培試驗，特別是將 600 瓦  LED 照明與 1000 瓦 HPS 照明直接進行比較。他說 HPS 照明提供 65 μmol/ m2 / sec 的 PAR （光合作用有效輻射波段）-  PPFD （光合光子通量密度）；而 LED 照明則為 84 μmol/ m2 / sec  。其他諸如工作台高度、溫度和照明開/關週期等變量保持不變。

Newman 在晚上進行測量，以確保 PPFD 的水準；而夜間雜散光，如：安全燈的影響只有 0.47 μmol/ m 2 / sec。研究的植物是『 Bada Bing Scarlet 』品種的秋海棠。其展示植物並排照片-沒有使用補光照明、 HPS 補光和 LED 補光。在 HPS 光下生長的植物，比其他兩個小得多， Newman 將它歸類為『發育遲緩』，他無法確切解釋這種影響，但推測這可能是由於 HPS 照明的光譜功率分佈（SPD）造成的。沒有使用補光照明和 LED 照明下的植物生長的高度大致相等，但在 LED 照明下生長的植物顯得更加茂密。

接著  Newman 展示類似 TriTunia Pink Veined 矮牽牛的照片（圖1）。 在這種情況下，沒有補光照明的植物生長明顯比在 LED 照明下生長的植物要高，但他說說需要仔細觀察才能發現優良的植物。 LED 照明生長下，植物的緊湊性更好。 同時，在 HPS 燈下生長的植物沒有明顯的開花，而另外兩個開花很好。

圖1. 矮牽牛沒有使用補光照明（左）、 HPS 補光照明（中）和 LED 照明（右）的溫室中生長時表現出差異。

美國加州納帕啤酒谷（NAPA VALLEY）

Newman 隨後描述該設施正在種植另一種令人驚訝的作物。早期，他曾稱讚柯林斯堡地區（科羅拉多州立大學的所在地）是參觀的好地方，其中一個原因是有 23 家工藝釀造廠的盛行，他稱該地區為“納帕啤酒谷”。其 CSU 同事 Bill Bauerle 正在為當地的釀造社區進行啤酒花的水培。

Newman問道：「為什麼要在受控環境中種植啤酒花？」

他坦承說：「它不可能像俄勒岡州和華盛頓州的戶外種植業一樣有經濟效益，因為它們使用 25 英尺高的網架系統栽培，並以機器收割和自動化烘乾過程。每次啤酒花被人或設備觸碰時，質量就會下降，所選植物的精油就會受到影響。他表示，釀酒商非常珍惜最低加工、有新鮮風味特徵的濕啤酒花，並以產品支付的溢價來區分他們的啤酒。此外，其所帶來的經濟效益比您認為的 LED 照明能夠實現連續生產和每年多達 5 次的作物週期效果更好。」

紫外線 LED 在園藝照明

在會議上最引人注目的介紹之一是關於在園藝中使用紫外光譜的討論。   SETi 產品營銷和業務發展總監 Peter Barber （圖2）介紹『紫外線LED將透過園藝照明影響社會』。  SETi 是一家 UV 技術專家，於 2016 年初被首爾 Viosys 收購。首爾 Viosys 專注於 UV LED ，且為可見光 LED 製造商 Seoul Semiconductor 的姐妹公司。

Peter Barber 簡要地討論 PAR 區域的照明問題，然後再進入紫外線主題。說明『紫外線能量適用於整個蔬菜生長和消費周期，或者種子週期。 根據 Peter Barber 的說法，幼苗可透過兩種方式從紫外線能量中受益 – 『紫外線處理可以加強根系，並防止或抑制黴菌』。

對於農民來說，黴菌抑制是紫外線的好處，但還有許多額外的好處。 正如我們之前所說的， UV 能量可以影響植物的外觀、氣味和味道。 事實上，根據 Barber的說法，紫外線能量可以增加營養價值，或者增加大麻等品種的效能。

在農場中也有 UV 照明的次要用途，例如：在垂直農業上的應用，消毒植物根部供水和養分的水培系統。 UV 照射增加產品收穫後的貨架期，有利於農民和消費者。甚至可以用來處理農產品上的霉斑。

圖 2 .  SETi 的 Peter Barber 解釋  UV 照明如何影響植物次生代謝產物的產生，並影響其風味和其他品質。

二級代謝產物與紫外光

Peter Barber 還解釋植物生理學與紫外線照射的一些細節，如影響植物外觀、風味和效力的影響。 UV-B 光譜能量（UV-B 是 UV 範圍內的中間帶，波段 280 - 315 nm），植物在受到 UV-B 刺激時，會有反應以保護自身，如：促使植物細胞分裂、活化蛋白激酶信號傳導 - MKP1 / MPK3 / MPK6 - 啟動反應。

一種名為 UVR8 的分子信號傳導途徑則負責增加植物次生代謝產物，例如：蔬菜中的類黃酮或大麻中的 THC 。但是植物在反應光譜方面是非常有選擇性的。他說：「在波段 280 - 300 nm 範圍內的紫外線僅需要 0.1 μmol/ m 2 / sec 的光通量來獲得期望的次生代謝產物增加。而在 301 -  310 nm波段，植物需要 10 倍的光通量，才能增加次生代謝產物。這就是為什麼 LED 是如此首選，可以提供達到目標效益！」該聲明可能適用於 PAR 和其他波段的 LED 以及 Peter Barber 正在討論的 UV 能量。

根據 Peter Barber 的說法，植物反應發生的機制是根據植物的表觀遺傳記憶。

例如：科羅拉多州在高海拔地區種植的大麻比在平地生長的大麻含有更高濃度的 THC 和萜烯。在高海拔地區生長的植物會暴露在更多的紫外線中，他將植物的反應機制比作天然的防曬霜。並指出，零星的暴露會引發植物反應。 相反，植物曝露在大量的紫外線下，會導致植物細胞死亡。  Peter Barber 表示，越接近波段 280 nm，永久性損傷風險就越大，並指出『 UV-C 會傷害 DNA ，並破壞細胞』。

圖 3 .  LESA 的  Tessa Pocock  預測未來，傳感器將啟用園藝照明的閉環系統，在那裡植物會告訴系統它們需要什麼。

閉幕全體會議-  Tessa Pocock 說：「照明是植物的主要訊號來源，它讓植物產生反應。」

會議上的最後一次演講是閉幕全體會議，其中包括一些關於有效光譜研究的數據，更重要的是它展望園藝的未來。講者  Tessa Pocock 提供前瞻性的知識和經驗， Tessa Pocock 是倫斯勒理工學院照明驅動系統和應用中心（LESA）的高級研究科學家。   LESA 是美國政府資助的國家科學基金會（NSF）實驗室，因此負責研究可能在未來十年內實現成果的技術。

Tessa Pocock 說：「我是植物生理學家，我主要負責研究植物領域。自然界

有大約  40 萬種植物，但只有大約  30 種植物用於食作。相比之下，她說約 21,000 個分類群用於製藥應用，所以園藝照明應用可能遠遠大於食品供應。」「照明在許多方面都比你想像的要關鍵。照明是植物的主要訊號來源，它讓植物產生反應。」此外，她說光線暗示該植物對未來的期望和發展。有 100 多種植物基因和 26 種生物化學途徑受光照調控。 她解釋說，植物中的光感受器經常被討論，但葉綠體是植物生理學中的元素，這個細節往往被忽略。

植物傳感器網絡

感光控制對植物發育的主要影響：包括『開花、光週期、葉片擴張和氣孔開放等』。葉綠體對光合作用控制和植物生長的操作要素至關重要，包括『光捕獲、光合作用效率、二氧化碳同化、保護機制和記憶』。還有植物生長的元素，由獨立的光感受器和葉綠體網絡的影響方面，例如：晝夜週期、高度、色素、免疫力和防禦。  Tessa Pocock 說，這些獨立的葉綠體網絡在某些情況下可以有利地結合起來、產生影響，或者在其他情況下在對植物的影響相互抵消。

Tessa Pocock 接著說明對某些植物的詳細觀察，這些植物會凸顯照明效果。首先，她展示在四種不同類型的照明下生長的Rouxai的紅葉生菜 ：

．［紅、藍、白光LED］（R / B / W）商用LED照明

．螢光粉轉換白光的LED 照明（PC LED）

．基本參考光源-冷白熒光燈（CWF）

．［紅、藍光LED］（R / B LED）

在 PC LED 光譜下生長的萵苣基本上是綠色的， Tessa Pocock 說她的學生稱它為“綠色生菜”，它具有最低濃度的花青素。花青素具有抗氧化性，並產生有吸引力的紅色素。在 CWF 光下生長的萵苣具有最高濃度的花青素。其他 LED 照明生長也很好。未來我們將了解更多關於 Pocock Rouxai 研究的內容，並且發布相關新聞文章。

不是每個光配方都對所有植物有益， Tessa Pocock 在下一張幻燈片上說明。紅葉萵苣對 CWF 的反應不佳，但在 PC LED 下生長比較好。該品種在這樣的照明生長下，缺乏紅色素。另外還有一個 Salanova 萵苣，也是 Rouxai 屬的紅葉萵苣家族。  Tessa Pocock 說：「在 PC LED 種植下，這些萵苣沒有產生次級代謝產物（花青素）。」

園藝照明是目前環控農業中最佳的使用！

Tessa Pocock 說：「未來環控農業的發展，需要了解植物的代謝產物。 」

Tessa Pocock 說：「未來環控農業的發展，需要了解植物的代謝產物。 」「我們不需要嘗試不同的光配方，而是需要“深入植物細胞內部，並從那裡進行照明！” 她說，過去七年來，她一直致力於透過反射植物葉子發出的光線以及從葉子發出的葉綠素熒光來遠程檢測植物的健康狀況。」

在 LESA 實驗室， Tessa Pocock 一直致力開發可用於種植設施、低成本又可靠的傳感器。“葉綠素分子固有地發出熒光”。自 20 世紀 50 年代以來，植物生理學家一直在使用這種已知的特性來確定植物是否受到壓力。在 LESA 實驗室有非常昂貴的 Heinz Walz 脈衝振幅調製（PAM）熒光計，讓他們能夠在研究上，看到每個光子是如何被植物運用的。

Tessa Pocock 展示在溫度降低的羅勒上進行的壓力測試圖像，以表示為有效量子產率或植物利用光子的概率。當然，這種 PAM 熒光計在生產設備中不可擴充使用。所以 Tessa Pocock 和學生一直在追求傳感器設計，儘管這個項目目前尚未獲得資助。第二代原型機使用 470 奈米的  LED 和光電探測器，兩者都位於視場直徑約為 5 英寸的植物上方 40 厘米處。這個感測器在檢測羅勒中的應力方面證明是準確的。

該計畫後來使用第三代感測器，該感測器被安裝在更可靠和更強大的植物生長室內，具有更大的視野，可將數據不斷輸送到計算機。該系統可以精確地檢測晝夜、植物進行光合作用、以及乾旱等情況，只需透過監測植物的反應即可。

Tessa Pocock  說：「未來的發展是自動調節光控！」

她坦承還有很多研究需要完成。但是她問道：「為什麼我們應該在植物上施加一個光譜，它能告訴我它在做什麼嗎？」 她相信我們最終會“利用植物的生理狀態來控制光照。”

當然，這樣的未來對於 LED 和 SSL 的世界將是有益的。可調諧的 LED 光譜仍然是這種環閉系統的完美搭配。與會者可能沒有預料到將來會有這樣的教訓，但他們對閉幕全體會議的積極反應明確表示，他們非常珍視知識。請繼續關注2018年歐洲和美國會議（horticulturelightingconference.com）的更多細節和更新。

參考原文：https://goo.gl/cQm4SS