植物灯光设定- 概述
植物通过光合作用产生能量，这是植物利用光能合成化学能的过程。光合作用的效率越高，植物生长所需的能量就越充足。因此，光合作用是决定作物产量的关键因素，而照明条件是打造室内种植环境时的首要考虑。
光能是一种电磁辐射形式，辐射是通过空间传播并扩散的能量，电磁辐射则是以波动形式传播的辐射，包含电场和磁场。可见光是电磁波谱中的一个狭窄范围，波长在400至700纳米（nm）之间。这一范围被称为光合作用有效辐射（PAR），是驱动光合作用的主要光谱部分。PAR包括三个波段：蓝光（400-500nm）、绿光（500-600nm）和红光（600-700nm）。
光强表示PAR范围内光子的数量，它决定了植物可以利用的能量总量。光子是光或其他电磁辐射的量子粒子，它们没有质量但携带辐射能量。在PAR范围之外的光子也能促进光合作用并改善植物健康，特别是紫外光（300-400nm）和远红光（700-800nm）。
电磁波谱
电磁波谱包含了所有类型的电磁辐射。电磁波在波谱中的位置可以通过其振荡频率或波长来定义。随着频率的增加，波长变短，同时能量水平也随之升高。
光强的测量与影响
光强可通过量子PAR传感器测量（如图2所示）。传感器以光合光子通量密度（PPFD）表示PAR，PPFD指每秒钟内单位面积上接收到的光合有效光子（400-700nm）数量，单位为微摩尔每平方米每秒（μmol/m²/s）。
光合作用通常随着PPFD的增加而增强。在开花期，提供尽可能高的PPFD是理想的，但同时需要确保植物健康的最佳状态。植物对光强的响应主要受每日总光照量的影响，这被称为每日光积分（DLI），即24小时内植物表面接收到的光合有效光子总量。PPFD是瞬时测量（以秒为单位），而DLI是全天累积测量，单位为摩尔每平方米每天（mol/m²/d）。影响DLI的因素包括光强（PPFD）和光照时长（光周期）
在最佳条件下，光合作用会随着PPFD的增加而提升，而产量则随着DLI的增加而提高。然而，PPFD和DLI的增长存在收益递减点，过高的PPFD或DLI可能对植物产生负面影响：
- 过高的PPFD会抑制光合作用。
- 过高的DLI会损伤植物组织。
光周期与开花发育
每日光照的时长称为光周期。光周期影响每日光积分（DLI），并被植物用来触发花期发育。大麻是一种短日植物，其开花仅在日照时长短于某一临界值时开始。这个临界日长通常被认为是≥14.5小时（适用于大多数大麻品种）。在大多数情况下，夜间的持续时间更为重要。
夜间必须保持连续的黑暗状态才能启动并维持花期发育。如果植物在夜间接触到光线，即使光强仅为≥1-2 μmol/m²/s，也足以阻止开花的开始或干扰开花过程。因此，在开花期，每晚必须确保植物经历完全黑暗的夜晚（0 μmol/m²/s），以确保正常的开花进程。
当植物经历≥16小时的长光周期时，它们将无限期地保持在营养生长阶段。因此，在营养生长期（Veg），光周期通常保持在约18小时，而在开花期（Flower），光周期则会缩短至12小时，以促进开花发育。
光谱是指光源所产生的不同能量波长，可通过光谱组成进一步定义，即每种波长的强度。根据灯具的不同，某些波长的能量可能比其他波长更强。
光谱对植物生长的影响主要体现在两个方面：(1) 能量生产和 (2) 植物结构。
1. 能量生产
能量生产指光合作用的过程，不同波长的光对光合作用的效率不同（图3）。红光是推动光合作用最有效的光谱，其次是蓝光，再次是绿光。然而，在植株冠层较密的情况下，研究显示绿光的光合作用效率可与红光相媲美。这是因为绿光具有更高的透射性和反射性，能够深入冠层，为植物表面提供更广泛分布的光合有效辐射（PAR）。由于每片叶子每日吸收PAR的量存在上限，平衡光谱有助于实现更大的光合作用效率。
2. 植物结构
植物对光的响应发育被称为光形态建成（Photomorphogenesis），包括植物的生长结构与形态。与光合作用类似，平衡的光谱同样有助于最佳的植物结构发育。这种平衡光谱涵盖从紫外到远红光（360-780nm）范围内的所有植物可用能量。
综上，要实现最大光合作用和最佳植物结构，应提供平衡的光谱照明。
| 波段 | 波长 (nm) | 关键点 |
| 紫外光 (UV) | 300-400 | (1) 少量的紫外光有益，可促进植物光形态建成，同时增强植物对食草性昆虫和病原体的抗性。 (2) 大量的紫外光则有害，会导致植物组织的光损伤。 |
| 蓝光 | 400-500 |
(1) 刺激气孔开启或促使气孔打开，有助于植物的气体交换。
(2) 使植物更加紧凑，在营养生长期（Veg）有利于培养健壮的植株。 |
| 绿光 | 500-600 |
(1) 由于较高的透射性和反射性，绿光能更深入地穿透植株冠层。
(2) 绿光可在蓝光的作用下调节气孔的开启。 |
| 红光 | 600-700 |
(1) 红光是光合作用最有效的驱动光谱。
(2) 促进茎部伸长和开花发育。 |
| 远红光 | 700-800 | (1) 远红光与红光的比例会影响茎部伸长；当远红光多于红光时，植物会拉长并变得更高。 (2) 促进根系生长。 |
灯光布局与定位
灯具的位置直接决定了种植区域内的光环境。种植区域是专为植物生长设计的空间，植物在该区域的生长形成冠层，冠层指种植区域内的实际植株生长或叶片覆盖范围。
当两个或更多灯具安装于种植区域上方时，这种配置称为灯光布局。灯光布局的目标是实现冠层内的最佳PPFD（光合光子通量密度）。为此，光线必须分布均匀。光线均匀性是指光能量的分布状态。均匀的照明能够最大化向植物传递PAR（光合作用有效辐射），从而避免以下问题：
- 热点：光强过高的区域，可能导致植物灼伤。
- 低点：光强不足的区域，可能导致植物生长不良。
这两种情况都会削弱植物生长的整体效率。尤其需要关注冠层的上层部分，因为这是植物接收到主要PPFD的区域。优化灯光布局，确保光线均匀分布，是提高作物产量和品质的关键。
关键术语
光覆盖范围（Light Footprint）
指每个灯具分配到的冠层区域，通常是一个包含长度和宽度的二维测量，因为灯具主要照亮水平平面。- 示例：常见的光覆盖范围为 4′ x 4’。
光重叠（Light Overlap）
指多个灯具的光线覆盖同一平面时产生的重叠效应。- 尽管每个灯具都有其分配的光覆盖范围，但灯具的光能通常会超出其覆盖范围。
- 光重叠有助于提高光强、光均匀性和光穿透性。
光穿透（Light Penetration）
指强光从各个角度照射冠层并深入植物叶片内部。- 提高了芽表面的PPFD（光合光子通量密度），促进最佳发育。
- 光穿透可通过光重叠和/或增加PPFD来增强。
与冠层的距离（Distance to Canopy）
指灯具与冠层顶部之间的垂直距离。- 每个灯具都有推荐的与冠层的距离，以实现最佳的光均匀性和PPFD。
- 灯具悬挂过近或过远都会导致不理想的光环境。
总结
灯具应根据光覆盖范围悬挂在冠层上方。合理的光覆盖范围设计应最大化光重叠和均匀性，这两者都有助于在冠层内实现最佳光强和光环境，从而提升作物的生长质量和产量。
与花顶的距离及光子通量密度（PPFD）
光线从光源发出并逐渐扩散，其辐射强度会随距离的增加而减弱。这种现象同样适用于光能，其强度会随距离成指数递减。由于这个原因，灯具需要悬挂在与顶棚适当的距离，以在植物表面实现最佳的PPFD。
由于灯具类型和输出功率等因素，不同灯具对顶棚的悬挂距离要求各不相同。具有高热辐射的灯具需要比发出特定光谱的灯具保持更大的距离。此外，高功率输出的灯具通常需要更大的悬挂距离，而低功率灯具则可以更靠近植物。
主要的灯具类型包括高强度气体放电灯（HID）和发光二极管（LED）：
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HID灯具：
配有灯泡的灯具一般归类为HID灯具。由于其释放的大量热辐射，HID灯具需要与顶棚保持更远的距离。这类灯泡通过热能生成光能，在工作过程中释放大量热辐射。HID灯通过在两个电极之间通过等离子体（电离气体）产生电弧放电来发光。 -
LED灯具：
LED灯具包含成千上万个微小的二极管，每个二极管在通电后发光。与HID灯具相比，LED灯具产生的热量较少，同时可发出特定波长的光谱，因此它们可以更靠近植物悬挂。这使得LED灯具在植物表面能够实现更高的PPFD。此外，LED通过直接将电能转化为光能，而非依赖热能，这种特性使其光谱更加集中，有利于植物生长。相比之下，HID灯具的光谱中热辐射成分较高，需保持更远距离，从而减少了可利用的光合有效辐射（PAR）。
注意事项：
- 当安装多个灯具时，建议使用激光水平仪以确保悬挂高度一致
- 灯具通常通过调节方便的挂钩悬挂
光谱组成
光合有效辐射（PAR）占太阳光总能量的不到一半（≥ 45%）。在太阳光的PAR光谱中，大约30%为蓝光，35%为绿光，35%为红光。大多数旨在提供平衡光谱的灯具，其PAR比例接近这一分布。例如，Gavita 1700e的RGB比例为40%红光、41%绿光、19%蓝光，另含有2.2%的远红光。
许多全光谱LED灯具并不包含紫外线（UV）光谱，但现在大多数灯具可配备UV-A扩展模块，并有新款灯具开始内置UV功能。初步研究表明，长期运行UV可能会对植物造成损害，因此推荐将UV光条设置为在正午期间（光周期中段）运行2-3小时。例如，在12小时光周期中，可在第4.5至7.5小时开启UV。
尽管为植物提供全光谱能量很重要，但UV扩展模块的有无对种植结果的影响有限。如果条件允许并正确使用，它们可以是一个不错的补充。需要注意的是，HID灯具（如DE HPS和CMH）本身会发出UV光，这两种灯具类型将在后续章节中详细讨论。
光照均匀性
光照均匀性描述了光环境中PPFD（光子通量密度）的变化程度。最佳均匀性应达到90%（0.9）或以上，最高均匀性为100%（1.0）。均匀性可通过公式 最小PPFD ÷ 最大PPFD 计算。例如，最小PPFD为1000 µmol/m²/s，最大PPFD为1100 µmol/m²/s，计算结果为0.91或91%。
为提高光照均匀性，需确保所有灯具的光线从同一水平平面发出。可使用口袋水平仪、激光水平仪等工具对灯具进行调平