WUR | “光整合”：瓦大报告温室LED智能补光节能新策略
发布时间：2024年04月17日— —北京谦益的科技有限公司
引言
报告超越了简单替换HPS为LED的节能思路，系统性地构建了一个基于植物生理学的智能补光框架，旨在通过动态调控实现更深层次的能源节约。
研究背景与科学问题
荷兰的设施园艺是保障全年新鲜果蔬、花卉供应的重要经济支柱。冬季光照不足，必须依赖人工补光，导致了巨大的电力消耗。为了在2040年前实现气候中和与经济可持续，降低补光能耗成为一项紧迫任务。将传统高压钠灯（HPS）更换为LED灯是关键的第一步，其能效提升超过50%，但仅此还远远不够。
LED技术的真正潜力在于其可调控性，包括光强、光质（光谱）和光周期。然而，目前行业对如何利用植物自身的生理弹性，即植物在多大程度上能够适应光环境的动态变化（“光整合周期”）知之甚少。因此，如何基于对植物光合作用、物质分配与形态建成规律的深刻理解，制定出智能、高效且节能的LED补光策略？
研究设计与核心方法
研究团队系统梳理了光环境对植物从秒级到季节级影响的生理学知识，并结合了二十多位行业专家（包括种植者、顾问、研究员和设备商）的实践经验。研究核心在于定义并探讨“光整合”概念在不同时间尺度上的应用，即植物如何“平均”或“缓冲”不同光照条件带来的影响。
报告提出的框架综合考虑了提高灯具效率、响应电价波动、匹配植物需求、利用自然光和可持续能源等多重因素。通过分析这些因素与不同补光策略（如光谱调节、分时调光、长周期光整合）的相互作用，识别出关键的研究问题。
图 1能源效率、电价、植物需求和自然光等因素共同决定了节能补光的策略选择和未来的研究方向
核心结果与讨论
在分钟到小时的短时间尺度上，光合作用对光强的响应并非瞬时。光照突然增强后，光合系统需要时间来“启动”，期间存在效率损失。研究发现，只要光强波动维持在光合作用的线性响应区内（即1%光强增加带来约1%光合提升），即使频繁变化，总光合量也几乎不受影响。然而，若补光完全关闭再开启，相比于持续低光强调光，会对植物生长产生显著的负面影响，可能与生物钟紊乱有关。
图 2在分钟级波动中，番茄植株的净光合速率（红线）响应滞后于光强变化（虚线），显示出适应过程中的效率损失
在数天的长时间尺度上，植物表现出强大的光整合能力，能通过调节体内碳水化合物（如淀粉）的合成与分解来缓冲光照总量的日间差异。若夜晚意外延长，植物会因“糖饥饿”而抑制生长。反之，若光照过剩，则会将多余的同化产物储存起来。意味着，可以在数天内（例如一周）对每日光照总量（DLI）进行灵活调控，在光照充足或电价低廉的日子里多补光，在阴天或电价高昂时少补光，只要保证周期内的总光照量达标即可。但对于开花或结果作物，波动的安全范围仍是关键的未知领域。
图 3夜晚意外延长（扩展的灰色区域）会导致淀粉储备（黑线）提前耗尽，引发“糖饥饿”，但植物能在2-3天内调整适应
光谱的动态调控是LED节能的另一重要途径。植物光合系统（PSI和PSII）对不同波长的光响应不同。当光环境从富含蓝绿光的自然光切换到以红光为主的LED补光时，会瞬间造成光合系统失衡，导致效率下降。植物虽能通过“状态转换”在数十分钟内部分恢复，但长期频繁的光谱切换仍可能累积生长损失。
图 4番茄叶片在蓝光（PSII主导）和远红光（PSI主导）之间切换时，CO₂吸收速率出现明显下降后缓慢恢复的过程
此外，特定光谱对植物形态建成至关重要。长期缺乏蓝光会导致“红光综合征”，表现为光合能力下降。研究证实，即使在有自然光的情况下，补光中也需要保证至少5-6%的蓝光比例以维持植物健康。
图 5黄瓜叶片的最大光合速率随补光中蓝光比例的增加而提升，在约20%后达到饱和
同样，远红光虽光合效率低，但对避免黄瓜叶片卷曲、促进某些花卉伸长等形态发育至关重要。不过，当自然光强度足够高时（例如超过50 µmol·m⁻²·s⁻¹），可以暂时关闭LED中的远红光模块，从而节省能源。
图 6补充远红光（右）能显著改善纯红蓝光（左）下黄瓜的叶片姿态，避免卷曲，优化冠层光截获
研究展望
未来的研究需精准确定不同作物在不同生育阶段对光强波动的安全阈值（最低与最高光强），明确果蔬作物长周期光整合（如周光照总量WLI）的极限和对产量品质的影响。此外，光谱动态调控的最小需求量，以及动态补光策略与温室整体气候（温、湿度）的协同调控机制，将是实现极致节能的关键研究方向。
文献信息
Title: Denkkader energiezuinige belichtingsstrategieën met LED
中文标题: 基于LED的节能补光策略框架
作者: Evelien van Tongerlo, Govert Trouwborst, Guido van Steekelenburg, Stijn Jochems, Sander Hogewoning, Anja Dieleman*
单位: Wageningen University & Research (荷兰瓦赫宁根大学及研究中心), Plant Lighting, Delphy
期刊: Wageningen Plant Research (WPR-1375), 2024
DOI: 10.18174/680745
文章来源于：温室AI笔记公众号
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