LED 人工光源在植物栽培之應用

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表 2.4 LED 波段與光譜表[35]

LED 光譜顏色

可見光 不可見光

藍色 綠色 黃色 橙色 紅色 紅外線 光線波長

(單位:nm) 400~490nm 490~575nm 575~600nm 600~620nm 620~800nm 800~940nm

半導體材料 氮化鎵 (GaN)

磷化鎵 (GaP)

磷化砷鎵 (GaAsP)

磷化銦鎵鋁 (AlGaInP)

砷化鎵鋁 (AlGaAs)

鋁化鎵 (GaAs) 釋放能量(Eg)

(單位:ev) 3ev 2.34ev 2.12ev 2.03ev 2.9ev 1.42ev

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源所在之處，由此可見對於選擇及改良農業生產之人工光源是很重要的。

根據前面對於發光二極體 LED 的介紹，可知 LED 除了擁有環保節能的特點外，

LED 成為植物栽植設施的首選光源是因為它具備多種特徵及性能，包括光量可調整、

光質型態可調整、冷卻發光負荷量低、並可搭配光週期調節等優點，如此一來不但能 有效節省能源降低成本，還可以進而提升農產品生產的產量與品質，對於室內封閉型 栽種場且有環控系統的農業生產環境非常有幫助，可建立一套適用於農業生產的人光 光源系統，如植物工廠等農業生產系統，有效提供植物生長中所需要的最佳環境，助 益於農業與現代化科技的結合與應用[39]，本小節將針對適用於植物生長的 LED 人工 光源選擇及其光週期、光形態建成的誘導照明應用做進一步探討。

在太陽光輻射電磁波中，有三個區段的輻射能對植物生長發育具有決定性的影 響，其中除了光輻射能波長範圍在 400~700nm 的可見光 VIS（Visible）外，還有波長 範圍在 100~400nm 的紫外光 UV（Ultraviolet），以及近波長範圍在 700~1050nm 的紅 外光 NIR（Infrared）。使用發光二極體 LED 作為植物栽培的生長燈，以光質型態及 光量可調整的技術面而言，光質對植物的生長、形態建成、光合作用、物質代謝、以 及基因表達方面均有調控的作用，而如何透過光質調整來控制植物的形態建成和生長 發育是其植物栽植設施系統的重點技術。並且 LED 的光譜性能好，可按照其生長的 情境需求來組合純單色光或是複合式光譜，其光線波長誤差值非常小範圍在 ±30 nm 左右，所以 LED 人工光源的光質調節就是不同光源的配置比例，如紅光與藍光的光 源比例、以及紅光與遠紅外光的光源比例等，來達成對植物生長過程中其型態發生的 影響，倘若設計的波長範圍能與植物光合作用及光形態建成的光譜搭配的話，並可對 不同光質來搭配適合的光量也就是發光強度都能實現單獨控制，即能有效利用發揮最 大的光能效率。光量強度和其工作電流分別有普通亮度、高亮度與超高亮度區別，普

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通亮度的 LED 發光強度小於 10mcd ，高亮度的 LED 發光強度在 10~100mcd ，而超 高亮度的 LED 發光強度則頇大於 100mcd[39]。高亮度紅光 LED 做為植物栽培的光源 始於 1991 年，而藍光 LED 也在 1993 年問世，在當時不普及的情況下兩者的價位都 頗高，但近年來隨著光電技術發展 LED 的亮度也不斷地開發增高，其量產亦逐漸擴 大促使價格下降[36]。目前在高亮度發光二極體之研究已有許多應用於植物生長栽培 領域之研究，如在紅光（620nm~660nm）LED 與遠紅外光（710nm~740nm）LED 的 比例（R/FR）上，對於植物形態的建立和植物調節生長高度具有重要的影響，已成 為控制植物生長及形態發生的重要參數[35]。除了紅光 LED 外，有研究認為藍光

（450nm~470nm）LED 有直接或間接影響植物胚軸的伸長、酶的調節和合成、氣孔 的張開、葉綠體的成熟和光形態建成與遠紅外光的搭配，其使用光量大小會影響植物 的生長及形態發生。在經濟作物栽培上，還有使用高亮度 LED 的紅光與藍光搭配可 以成功栽培蔬菜與種苗，其藍光與紅光量子數比例（B/R）為 1〆2 下可培育正常的蔬 菜。除此之外，不同的紅光、藍光與遠紅外光的光源組合，還可以做到抑菌功能，影 響並控制某些植物病源菌的發生[36][32]。

在植物生長過程中所需要的光源環境稱之為光週期，所謂的光週期是指有光源照 射期間稱之為光期，反之在無光源照射的期間稱為暗期，而光週期在一天 24 小時中 實施最佳的配置比例，若以人工光源系統成長的植物與在自然界生長環境的植物比較 的話，其在人工光源系統的栽培環境有完整的最佳搭配光週期與光質運作，相較於一 般栽種所需考量的溫度和季節變化更為穩定且可靠度高[32]。光週期的形成及變化，

可以是自然界的陽光時序變化，現在也可以由人工光源調節周遭環境來引誘植物生 長，但這些引誘植物生長的條件都必頇在植物已達可被誘導的發育階段來進行。植物 的光週期大致上可分為三種主要類型，包含有短日植物、長日植物、及中性日長植物。

其中短日植物可感應短日光週期，即是當光週期縮短至某一臨界日長時，短日植物會

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立即感應光源並誘導出植物本身可因應光週期的反應。而長日植物可感應長日光週 期，即當光週期延長至某一臨界日常時，長日植物同時將會感應光源並誘導出植物本 身可因應光週期的反應。至於中性日長植物，則是對光源照射的長短變化並無感應也 不會有特別反應。但是其中，短日植物感應的短日光週期未必是小於 12 小時的光源 照射，而長日植物感應的長日光週期也未必是大於 12 小時的光源照射，所以短日光 週期及長日光週期其代表的意義並非有一個絕對值[39][7]。

植物體內本身對光形態建成的誘導照明應用，可分成可見光 VIS、紫外光 UV 及 紅外光 NIR 三波段的感（受）光系統，包括了葉綠素系統、光敏素系統以及類胡蘿 蔔素系統，其葉綠素系統吸收近於 660nm 波長之光輻射能來進行光合作用，光敏素 系統感是吸收 660~730nm 的波長光輻射來控制許多光形態有關的反應，而類胡蘿蔔 素系統則是接受 450nm 波長以下的光輻射來刺激引導屈光性及高能量光形態作用，

如表 2.5 所示[39][7]。

表 2.5 光源波段與植物感光系統接收表

植物感光系統 葉綠素系統 光敏素系統 胡蘿蔔素系統

輻射能波段 可見光 VIS 紅外光 NIR 紫外光 UV 接收波長 接近 660nm 660~730nm 450nm 以下

功能 光合作用 如:吸收熱量

控制光形態有關的反應 如:刺激細胞延長，

影響開花與種子發芽

引導屈光性及高能量光形態 如:葉片隨時保持與陽光垂直

將以上這些 LED 優勢應用於植物栽植設施中，可提供多種純單色光或是複合式 光譜，可依據作物的不同以及因應不同的生長時期光合作用，搭配調控光週期之光期 與暗期所需對應的光譜組合，以人工的方式模擬出太陽光的光量及光質變化，並透過 此 LED 人工光源系統，更能提升在傳統太陽光源下所生產之農作物的產量與品質。

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