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植物生长灯

植物生长灯是人造光源，通常是电光源，旨在通过发射适合于光合作用的电磁波谱来刺激植物生长。植物灯用于没有天然发光或需要补光的应用中。例如：在冬天，当可能的日光时间可能不足以达到所需的植物生长时，灯被用来延长植物接收光的时间。如果植物没有得到足够的光，它们将徒长。

生长的灯光或者试图提供类似于太阳的光谱，或提供更适合所栽培植物需要的光谱。模拟来自增长灯的不同颜色，温度和光谱输出的室外条件，以及改变灯的流明输出（强度）。根据所栽培植物的种类，栽培阶段（如发芽/营养期或开花期/结果期）以及植物所需的光周期，光谱的特定范围，发光效率和色温都是可取的具体植物和时间段。目前应用广泛的人工光源系属LED光源为最大数量使用商品，其最为广泛接受的主因为其光谱的可控性：其主峰波长可因应植物类别的不同而有多种选择，一般惯用的 450nm波长的蓝光主峰，佐以搭配各植物灯厂家的光谱配方，既可调配出多种红光、绿光、蓝光的各种不同波长主峰的量子版植物生长灯。

1868年，俄罗斯植物学家安德烈·谢尔盖耶维奇·法明琴（Андрей Серге́евич Фаминцын）是第一个将人造光用于植物生长和研究的人。

典型用法

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在成长帐篷中设置的高压钠灯的示例。该设置包括一个活性碳过滤器去除气味，并使用一个强大的排风扇管道排出热空气。

植物灯用于室内园艺、植物繁殖和食品生产，包括室内水栽和水生植物。虽然大多数植物灯都在工业上使用，但也可以在家庭中使用。

根据反平方律，到达表面的点源（在这种情况下是灯泡）辐射的光的强度与表面距离源的距离的平方成反比（如果一个对像是两倍遥远的地方，它只接收四分之一的光线）这是室内种植者的严重障碍，许多技术被用来尽可能高效地使用光。因此，反射器经常用于灯光以使光效达到最大化。灯具或灯具尽可能靠近地移动，使得它们具有相同的照明，并且来自灯的所有光都落在植物上而不是周围区域。

例如白炽灯、萤光灯、金卤灯（HID）和发光二极管（LED）。今天，专业使用最广泛的灯是HID和萤光灯。室内花卉和蔬菜种植者通常使用高压钠（HPS / SON）和金属卤化物（MH）HID灯，但萤光灯和LED由于其效率和经济性而替代金属卤化物。[1]

金属卤化物灯经常用于植物生长的营养阶段，因为它们发射更大量的蓝色和紫外线辐射。[2][3]随着陶瓷金属卤化物照明和全光谱金属卤化物照明的引入，它们越来越多地被用作营养繁殖生长阶段的独家光源。 蓝色光谱可能会诱发植物更大的营养反应。[4][5][6]

高压钠灯也被用作整个营养阶段和生殖阶段的单一光源。同样，它们可以用作生殖阶段中全光谱照明的修正。红光谱可能会在植物中触发更大的开花响应。[7]如果使用高压钠灯作为营养期，植物生长稍快一些。

近年来，LED室内生长灯，可以产生特定波长的光。NASA已经在空间站测试增加空间食物的高效率。结果表明，植物受到可见光谱的红，绿和蓝色部分的光影响。[8][9]

常见类型

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高强度放电（HID）灯

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虽然萤光灯是过去常见的室内生长灯类型，但现在HID灯最受欢迎。[10]高强度放电灯具有高流明/瓦特效率。[11]有几种不同类型的HID灯，包括汞蒸汽，金属卤化物，高压钠和转换灯泡。金属卤化物和HPS灯产生一些与太阳有些相似的色谱，可用于种植植物。汞蒸汽灯是第一种HIDs，被广泛应用于街道照明，但是当涉及到室内园艺时，它们对于植物生长产生的光谱相对较差，所以它们大多被其他类型的HID替代为生长植物。[11]

所有HID生长灯都需要镇流器进行操作，每个镇流器都具有特定的瓦数。热门HID功率包括150W、250W、400W、600W和1000W。在所有尺寸中，600W HID灯是光效最高的，其次是1000W、600W HPS比1000W HPS多出7％的光。[11]

虽然所有HID灯都采用相同的原理，不同类型的灯泡具有不同的起动和电压要求，以及不同的工作特性和物理形状。 因为这样一个灯泡将无法正常工作，除非使用匹配的镇流器，即使灯泡安装上去。除了产生较低级别的灯光之外，错配的灯泡和镇流器会停止工作，或者甚至会立即烧毁。[11]

金属卤化物（MH）

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400W金属卤化物灯泡与较小的白炽灯相比。

金属卤化物灯泡是一种在光谱的蓝色和紫色部分发出光的HID光，其类似于在春天期间可用于室外的光。[12] 由于它们的光线模拟了太阳的色谱，一些种植者发现，在金属卤化物下，植物看起来比其他类型的HID灯（如改变植物颜色的HPS）更令人愉悦。因此，当植物在家中显示（例如用观赏植物）时，更常见的是使用金属卤化物，并且优选天然色。[13]金属卤化物灯泡需要每年更换一次，而HPS灯长达两倍。[13]

金属卤化物灯广泛应用于园艺工业，适用于早期开发阶段，通过促进根系，更好的抵抗疾病和更紧密的生长来支持植物。[12]蓝光促进了叶茂盛的生长，并且可能更适合于种植具有大量叶子的植物植物。[13]

金属卤化物灯泡产生60～125流明/瓦，取决于灯泡的功率。[14]

陶瓷金属卤化物（CMH，CDM）

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陶瓷金属卤化物灯（CMH）是一种比较新型的HID照明。[15]

陶瓷金属卤化物灯由脉冲启辉器启动，就像其他脉冲启动金属卤化物一样。[15] 陶瓷金属卤化物灯泡的放电被包含在称为多晶氧化铝（PCA）的陶瓷材料中，其类似于用于HPS的材料。PCA减少钠损失，这反过来又降低了与标准MH灯泡相比的颜色偏移和变化。[16]

高压钠（HPS）

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600W高压钠灯泡
 
HPS（高压钠）在风冷反射器中生长灯泡。黄色光是HPS产生的标志色。

高压钠灯是比金属卤化物更有效的HID照明类型。HPS灯泡在黄色/红色可见光以及所有其他可见光的小部分发光。由于HPS生长灯在光谱的红色部分提供更多的能量，所以它们可能促进开花结果。[10]它们被用作温室照明和全光谱照明（金属卤化物）中自然采光的补充，或者作为室内/生长室的独立光源。

HPS生长灯以以下尺寸销售：150W、250W、400W、600W和1000W。[10]在所有尺寸中，600W HID灯是光效最高的，其次是1000W。 600W HPS比1000W HPS产生7％以上的光（瓦特）。[11] 根据灯泡的瓦数，HPS灯泡产生60～140流明/瓦特。[17]

在HPS灯下生长的植物往往会因缺乏蓝色/紫外线而延长。现代园艺HPS灯具有更好的植物生长调整光谱。当使用HPS灯作为利用自然日光（抵消HPS的黄光）的温室的补充照明时，CRI不是问题。

高压钠灯具有长的可用灯泡寿命，并且比标准白炽灯增加光能消耗的每瓦功率的六倍。由于它们的高效率以及在温室中种植的植物获得自然需要的全部蓝光，这些灯是首选的补充温室灯。但是，在较高的纬度地区，有一年的时间是太阳光不足，还有其他光源可以适当增长。HPS灯会引起独特的红外线特征，这可能会吸引昆虫或其他种类的害虫，这些可能反过来威胁到正在种植的植物。高压钠灯会散发大量的热量，尽管这可以通过使用特殊的空气冷却灯泡反射器或外壳来控制，这可能会使植株过热。

LED（发光二极管）

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LED发光灯由发光二极管组成，通常在带有散热器或内置风扇的外壳中。LED发光灯通常不需要单独的镇流器，可以直接插入标准电源插座。

LED生长灯根据用途而有所不同。从光形态发生的研究中已知绿色、红色、远红和蓝光光谱对根形成，植物生长和开花有影响，但是没有足够的科学研究或现场测试使用LED生长灯的试验推荐的特定颜色比例。[18] 已经表明，如果给予红色和蓝色光，许多植物将正常生长。[19][20][21]然而，许多研究表明，红色和蓝色光仅提供最具成本效益的生长方法，植物生长在光补充绿色下仍然更好。[22][23][24]

白色LED生长灯提供全光谱，旨在模仿自然光，为植物提供红色，蓝色和绿色的平衡光谱。所使用的频谱各不相同，但是白色LED生长灯被设计为发出类似数量的红色和蓝色光，增加的绿色光将显示为白色。白色LED发光灯通常用于家庭和办公空间的补充照明。

已经在温室试验中评估了大量的植物物种，以确保植物在生物量和生物化学成分中具有更高的质量，甚至与现场条件相当。通过评估植物的健康和活力以及促进生长的成功来测量薄荷、罗勒、扁豆、莴苣、卷心菜、欧芹、胡萝卜的植物表现。促进选择观赏植物的大量开花。[25]

在飞利浦照明公司进行的LED生长灯测试中，为了在温室种植各种蔬菜找到最佳的光线配方，他们发现光线的以下几个方面影响植物生长光合作用和植物发育形态光强度，总光线随时间变化一天中的哪些时刻，（光谱），光线方向和光分布在植物上。不过值得注意的是，在西红柿、迷你黄瓜和甜椒之间的测试中，所有植物的最佳配方都不一样，根据作物和区域的不同而不同，所以目前他们必须根据试验优化温室中的LED照明和错误。他们已经表明，LED光影响抗病性，味道和营养水平，但到2014年，他们还没有找到一种实用的方式来使用这些信息。[26]

用于初始LED发光二极管的二极管设计通常为1/3瓦特至1瓦特。然而，现在LED增长灯通常使用较高功率的二极管，例如3瓦和5瓦二极管。对于高度紧凑的区域，可以使用10瓦特和100瓦特之间的COB芯片。由于散热，这些芯片通常效率较低。

LED生长灯应至少保持植物远离植物12英寸（30厘米），以防止叶子烧伤。[13]

萤光灯

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管状萤光灯

萤光灯具有许多形状因素，包括长，薄的灯泡以及较小的节能灯。萤光灯的色温范围从2700 K到10,000 K。发光效率范围为30 lm/W至90 lm/W。

管式萤光灯

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植物灯不如HID灯那样强烈，通常用于在室内种植蔬菜和草药，或者用于开始幼苗在春季种植上开始跳跃。需要镇流器来运行这些类型的萤光灯。[17]

标准萤光灯具有多种形状，包括T5、T8和T12。 最明亮的版本是T5， T8和T12功能较弱，适合具有较低照明需求的植物。高输出萤光灯产生的光线是标准萤光灯的两倍。高输出萤光灯具具有非常薄的轮廓，使其在垂直限制区域中有用。

萤光灯的平均使用寿命长达20,000小时。根据形状因数和瓦数，萤光增长灯产生33～100流明/瓦特。[14]

省电灯泡 (CFLs)

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柱状节能灯 40 cm（16英寸）
 
螺旋状节能灯

柱状节能灯（CFL）是最初设计为预热灯的较小版本的萤光灯，但现在可以快速启动形式。节能灯在很大程度上取代了家庭中的白炽灯泡，因为它们持续时间更长，效率更高。[17]在某些情况下，节能灯也用作生长灯。像标准萤光灯一样，它们对于传播和需要相对低的光照水平的情况是有用的。

虽然小尺寸的标准节能灯可用于种植植物，但现在也有专门用于生长植物的节能灯灯。通常，这些较大的柱状萤光灯泡与专门设计的反射器一起出售，将光线引导到植物，非常像HID灯。常见的节能灯增长灯尺寸包括125W、200W、250W和300W。不同于HID灯，节能灯适合标准的大容量灯座，不需要单独的镇流器。[10]

柱状节能灯有温暖/红色（2700 K），全光谱或日光（5000 K）和冷/蓝（6500 K）版本。 推荐使用红色红光谱进行开花，推荐使用冷蓝色光谱进行营养生长。[10]

柱状节能灯的使用寿命约为10,000小时。[17]节能灯产生44～80流明/瓦，取决于灯泡的瓦数。[14]

不同尺寸节能灯的流明和瓦特的示例：

节能灯瓦数 初始流明 流明/瓦
23W 1,600 70
42W 2,800 67
85W 4,250 50
125W 7,000 56
200W 10,000 50

色谱

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色温
 
美国宇航局，LED面板光源用于马铃薯植物生长的实验。

不同的增长灯产生不同的光谱。植物生长模式可以响应光的色谱，这一过程完全与光合作用完全分开，称为光形态形成。[27]

自然采光具有较高的色温（约5000-5800  K）。可见光的颜色根据天气和太阳的角度而变化，并且特定光量（以流明为单位）刺激光合作用。与太阳的距离对这些季节的光质量和数量以及由此产生的植物行为的季节性变化几乎没有影响。地球的轴线不垂直于围绕太阳的轨道的平面。一半年的时间里，北极向着太阳倾斜，所以北半球接近阳光直射，而南半球则要到达地球表面之前必须穿越更多的气氛。在另一半年中，这是相反的。太阳辐射的光的颜色光谱没有变化，只有数量（在夏季更多，冬天较少）和整个光线的质量到达地球表面。垂直温室中的一些补充LED生长灯仅产生红色和蓝色波长的组合。[28]演色性指数可以比较光线与常规阳光的自然颜色的匹配程度。

植物吸收光的能力随种类和环境而变化，然而，影响植物的光质量的一般测量是PAR值或光合有效辐射。

已经有几个使用LED种植植物的实验，并且已经表明，植物需要红色和蓝色的光来进行健康生长。从实验中一直发现，仅在红色（660纳米）下生长的植物的叶片变形较差，但是通过添加少量蓝色可以使大多数植物正常生长。[22]

几个报告表明，最低蓝光要求为15-30 µmol·m−2·s−1 是几种植物物种正常发育所必需的。[21][29][30]

许多研究表明，即使将蓝光添加到红色LED，在白光下还是补充有绿色的光下，植物生长仍然更好。[22][23][24][19]然而，像萝卜和菠菜这样的其他植物生长不好，虽然它们的效果比红色光仅10％的蓝光更好，但与全光谱下的对照植物相比，它们仍然产生明显较低的比重。一些植物需要最佳生长的光。[19]

美国国家航空航天局，生物科学研究小组得出结论，由50％以上绿色造成的光源导致植物生长减少，而包括高达24％绿色的组合可增强某些物种的生长。[31]绿灯已被证明可以通过密码色依赖和独立于暗黑色的手段影响植物过程。一般来说，绿光的效果与红色和蓝色波段指示的效果相反，推测绿色灯具有红色和蓝色的编排。[32]

植物光要求

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植物的具体需求决定哪种照明最适合最佳生长，人造光必须模仿植物最适合的自然光。如果一个植物没有得到足够的光，它不会增长，不管其他条件如何。例如：蔬菜在充分的阳光下成长最好，并在室内蓬勃发展，他们需要同样高的光照水平，而叶子植物（例如蔓绿绒）生长在阴凉处，可以以更低的光线正常生长水平。

植物灯的使用方式取决于植物生长阶段。一般来说，建议在幼苗/成长阶段期间植物接受照射16小时，8小时的休息时间；营养阶段接受照射18小时，6小时的休息时间；在花期阶段接受照射12小时和12小时的休息时间。[33]

光周期

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此外，许多植物也需要黑暗和光周期，这种效应被称为光照周期，以触发开花。 因此，在设定的时间开关可以打开或关闭灯。最佳的光周期比例取决于植物的种类和种类，因为有些喜欢长时间和短夜，而其他喜欢相反或中等的日长。

在讨论植物发育时，非常重视光周期。[34]

响应光周期花的植物可能具有兼性或专一的反应。兼职的反应意味着一个植物最终会花光，而不管光周期如何花在特定光周期下生长的速度更快。专业反应意味着植物只有在一定光照条件下种植才会花。[35]

光合有效辐射（PAR）

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通常用于测量光线的亮度和流明，但是它们是测量人眼感觉到的光线强度的光度单位。

可用于光合作用的光的光谱水平与流明所测量的相似，但不相同。因此，当测量植物光合作用的光量时，生物学家通常测量植物接受的光合有效辐射（PAR）的量。[36]PAR表示从400到700 纳米的太阳辐射的光谱范围，其通常对应于光合生物在光合作用的过程中能够使用的光谱范围。

PAR的辐照度可以以能量通量为单位表示（W/m2）,这与光合生物的能量平衡考虑相关。然而，光合作用是一个量子过程，光合作用的化学反应更多地依赖于光子的数量，而不是光子中所含能量的数量。[36] 因此，植物生物学家通常使用表面接收的指定时间内的光谱数量或光合光子密度（PPFD）量化PAR的数量。[36] 这通常使用−2s−1测量。

根据一个生长灯制造商的说法，植物需要至少在100到800之间的光照水平 μmol m−2s−1.[37] 对于日光光谱（5800 K），这种光合有效辐射将相当于5800至46,000 lm/m2.

参见

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参考来源

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引用

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书目

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外部链接

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