編輯手記：
在我們的認知裡，萬物生長靠太陽，說的就是光。植物生長需要通過光合作用來生成能量，不同的植物對光的需求也是不一樣的，所以在使用人工光進行植物光合作用時，所需選擇的光質和光量也不同。
以前植物只是根據時節變化而生長，但如今在 LED 植物燈下的作用下，可以改變植物季節生長的規律，人為地控制植物的生長速度和規律。如果環境沒有改變，植物的生長仍然依賴季節。
種植工藝決定光譜設計，對植物燈的設計與製造是保證種植工藝所要求的光質能達到最佳效率。想了解 LED 植物燈這個秘密，就要深入了解 LED 植物燈光譜是什麼。
照明微課堂特約了佛山好亮固體光源研究所 許東老師 來為我們解析關於植物燈技術的系列文章（點擊下方題目可回顧）：
《植物照明是很火，但你真的懂嗎？》
《LED植物燈光譜該如何設計？》
《深入探討 LED 植物燈光譜數據的秘密》
下面，我們繼續來學習 LED 植物燈的秘密~
太陽光是一切生物賴以生存的源泉，我們居住的星球如此的生機勃勃，都是源於太陽光，我們看到的太陽光是太陽電磁輻射的可見光部分，電磁輻射是當振動是以光速傳播時的物理現象，電磁輻射與可見光的關係如圖1所示。
在正式闡述之前，我們需要了解一些基本概念：頻率是單位時間內波的重複發生次數，頻率的單位是赫茲（Hz），波長是相鄰兩個波峰（或波谷）之間的距離，波長單位是米，光速＝波長×頻率，周期與頻率的關係：頻率×周期=1，周期與波長表示位置相同，但周期表示完成一個波長需要的時間，周期的單位是秒。
圖1：可見光在電磁輻射中的形態
以光速傳播的振動波的波長由 1 公裡至 10 皮米時，我們熟悉的無線電波、手機通訊、電視傳送的微波、軍事上的雷達、醫學上的X射線、γ射線等，都是不同波長在以光速傳播的應用，太陽輻射也只是其中的一部分。
在可見光範圍裡，人眼觀察到不同顏色的光是視覺系統呈現給大腦的。這些顏色的光混合在一起，就是我們通常看到的白光，白光是用色溫表示的，如圖1的2000K-9000K。
我們在地球表面上能測試到的太陽輻射的波段範圍大約為 280nm-2500nm，低於 280nm 和大於 2500nm 波長的太陽輻射，因地球大氣中臭氧、水氣和其他大氣分子的強烈吸收，地面上觀察不到。當波長在 400nm-750nm 範圍內，人眼都可以感受到這些波長發出的光，我們稱之為可見光，太陽輻射主要集中在可見光部分，太陽輻射對於地球一切生物的生命演化中具有重要的作用；科學家採用光譜來分析電磁輻射和可見光的，我們研究太陽光、人造光源、植物吸收的光都離不開光譜圖。
圖2的太陽光譜波長範圍是 280nm-1100nm，我們把這個範圍的光譜劃分為幾部分：
1、紫外線：波長從280nm到400nm。
2、可見光：波長從400nm至750nm。
3、紅外線：波長從750nm至1100nm。
在農業種植方面，我們研究波長從 300nm-1100nm 這個範圍的應用，圖2的太陽輻射光譜分布圖在研究太陽對植物的輻射作用時具有參考作用。
圖2：IEC60904-9太陽電磁輻射光譜圖
圖2的顏色分段對應著不同範圍的輻射波長的視覺顏色，太陽光是由不同顏色的光組成的，太陽光的可見光部分主要是由紅光、綠光、藍光混合而成的，紅光、綠光、藍光稱為三種基本光色，人造光源也是採用這三種基本光色混合而成的白光。
在可見光範圍裡，人眼最敏感的光（也就是我們感覺最亮的光）是黃色光（峰值是555nm），人眼最不敏感的光是藍色的光。當天空出現彩虹時，我們往往看到的是黃色、紅色和綠色，看到的藍色佔很小部分。如下圖所示。
人眼最敏感的光和最不敏感的光，是人眼的視覺功能決定的，並不意味著光輻射能量的大小，藍光攜帶的能量就大於黃光，但人眼對黃光感覺最亮，對植物提供人工輻射時，不能由人眼的感受到的光的明暗來判斷植物光合作用的效果。
我們看到的光是由人眼內部的柱狀細胞和錐狀細胞感覺到的，人眼看到的光是用視覺函數推導來的，而植物「看」到的光卻是需要用電磁輻射進行度量。因為植物不僅能「看」到 400nm-750nm 的可見光，植物還能「看」到不可見光，如紫外線和紅外線。這一點非常重要，用於植物人工光源產品不宜採用光度學概念進行研發。
植物是唯一能夠把太陽光能量轉化為質量的生物，植物的光合作用是地球上一切生命的基礎，植物不僅給人類提供了生存必須的氧氣，還給人類提供了食物和能量。目前，人們已知的植物約有 30 餘萬種。
植物是所有生物裡，唯一能夠把太陽輻射能量轉化為有機物的生物。
圖3：光合作用的化學表達式
植物把太陽輻射能轉化為有機物的過程就叫做植物的光合作用，確切的說，光合作用是指植物、藻類和某些細菌通過光合色素，利用光能將二氧化碳(或硫化氫)和水轉化為有機物，並釋放出氧氣(或氫氣)的生化過程，圖3是植物光合作用的理論基礎。
植物是通過光合色素進行能量轉化，這些色素包括葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿蔔素等；根據能量轉化守恆定律，植物在進行光合作用時，把光能轉換成有機物質儲存起來。
植物的光合作用需要二氧化碳和水才能完成，植物在光合作用時，吸收二氧化碳和水，釋放出氧氣並產生有機物，植物葉片內的葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所。
植物的光合作用只發生在葉綠體內，圖4是從高倍顯微鏡裡看到的植物葉片的組織結構，圖中的綠色顆粒就是葉綠體，植物葉片內有大量的葉綠體；葉綠體是植物光合作用的場所。
圖4：綠色葉片的組織結構
大部分植物的葉綠體內主要含有葉綠素（葉綠素a和葉綠素b）、β-類胡蘿蔔素（胡蘿蔔素和葉黃素），光敏素（Pfr，Pr）。這些色素均參與光合作用，圖5是葉綠體對光的吸收和反射過程：
圖5：葉綠體內對光的吸收與反射
圖：波長對植物的影響
我們研究植物的光合作用，基礎是通過研究植物的色素對太陽輻射的吸收，才能揭示植物光合作用的基本原理，植物色素的吸收光譜如圖6所示。
植物色素光合作用有效光譜的主要範圍是 300nm-800nm，色素中最多含量的葉綠素主要吸收的是紅光和藍光以及小部分的紫外線，葉綠素對綠光吸收的少，其他色素基本不吸收綠光，沒有被吸收的綠光被植物反射出來和穿過葉片到達葉片的背面。
有研究表明，綠光在葉片的內部可以散射吸收，同時穿過葉片到達葉片背面提供葉綠素進行光合作用，色素對太陽光的吸收光譜是有峰值的，吸收峰值僅表示對太陽輻射的能量需要最多，而不是完全吸收。我們之所以看清楚綠葉的外觀和紋理，是因為紅光與藍光也有被反射出來，否則，人眼也無法清晰的看到葉片。
圖6：色素的光合作用吸收的光譜
從圖6可以看出，葉綠素a和葉綠素b對太陽光的吸收有兩個峰值，一個發生在波長為430nm-450nm之間，另一個峰值發生在620nm-660nm之間，β-類胡蘿蔔素吸收440nm-500nm之間，光敏素吸收峰值是380nm、660nm、730nm。
通過對植物色素吸收光譜的分析，我們可以使用與太陽輻射相同波長的植物燈對植物進行輻射，從而達到與太陽光一樣的植物光合作用的效果，這就是植物燈的基本構思。
植物燈（我們稱人工輻射源PARS）與太陽輻射在輻射的物理原理是一樣的，並沒有差異，植物對電磁輻射的吸收只是對特定的波長的電磁輻射的需求，植物並不能區分這些波長的電磁輻射是來自太陽電磁輻射還是人造的電磁輻射源，因此，根本不存在植物燈對植物的光合作用產生變異。
與轉基因植物不同，植物燈在物理與化學上與太陽輻射作用完全相同，植物燈與太陽輻射相比，唯一的差別是植物燈的光譜形態無法做到像太陽輻射那樣波長峰值變化小，由於色素的吸收光譜只集中在幾個峰值，居於這一點，LED植物燈可以對植物光合作用更加有效，當然，植物燈是要增加植物種植成本。
我們定義植物燈稱為植物人工輻射源PARS（Plant Artificial Radiation Sources），植物光合作用只是接受不同波長的電磁輻射出的光子，而不是向植物提供照明，植物的有效光合PPFD值才是植物光合作用的度量單位，採用光度學單位照度值（LUX）表達植物光合作用會引起使用者對植物種植的應用錯誤。
當在植物人工輻射源加入不可見光的輻射時，LUX的數值趨於零，但植物卻能夠正常吸收到這些不可見光輻射的光子；當輻射源的波段是在可見光範圍內（400-700nm），可以稱為植物燈，但需要用PPF或者PPFD標註。
從全球農業科學的技術文獻來看，早期的科學家對植物與光的某些物理化學現象進行了研究，研究的內容包括：太陽光與植物生長，太陽輻射與植物的光合作用，人造光源與植物光合效率等。比較系統的研究是源於美國軍方和美國宇航局NASA，為了研究太空人在太空中如何長期生存的問題，甘迺迪航天中心（KSC）提出了「高級生命支持系統的作物生產」這個試驗項目，在這個領域裡，科學家對人工環境下的植物種植方面做出了許多富有成效的技術研究，圖7是NASA的植物研究。
圖7：NASA的植物研究
早期的植物種植採用人工輻射源是照明光源，如白熾燈、高壓鈉燈、金滷燈、螢光燈，這些人工光源在植物培植也起了一定的效果，但是，這些光源有一個共同的缺點，那就是對電力的損耗很大，發熱量大，每耗電一瓦所產生的植物重量低。
用於植物生長的各種人工光源對比：
隨著照明技術的發展，一種稱為半導體固態照明（SSL）的產品越來越多的應用在照明領域，人們發現，LED的許多固有特性對植物的光合作用有很好的效果，隨著LED成本的下降，LED植物人工輻射源在農業種植方面得到了空前的發展，世界各地的科學家都在致力於LED在現代化農業生產的應用，植物工廠概念不斷衝擊著傳統農業種植技術。
許東
佛山好亮固體光源研究所 所長