本文件给出了植物生长人工光环境要素、光合作用、光控生长发育、光响应关键评判指标、LED人工光源的要求及人工光环境光照设计要素的内容。本文件适用于相关利益方开展的LED人工光植物生长领域涉及的工作。

ICS. 29.140.99
CCSK 73
中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GB/Z440642024
植物生长LED人工光环境技术报告Technical report on LED artificial lighting environment for plant growth2024-05-28发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2024-12-01实施
规范性引用文件
术语和定义
植物生长光环境要素
光照强度
光周期
光分布
6植物光合作用
植物光合作用概述
植物光合作用对光谱的响应
植物光合作用速率对光照强度的响应光合作用对光周期的响应
光合作用日变化
植物群体光分布及其对光合作用的影响7植物光控生长发育
光形态建成.
植物光受体。
不同光谱对植物形态建成的影响.植物营养品质光调控，
光周期调控植物生长发育.
植物生长光响应关键评判指标
植株形态.
生物量.
8.4抗逆性，
植物生长光照能效
9植物生长对LED灯具的要求
9.1光子效率/光合光子效率
GB/Z44064—2024
GB/Z44064—2024
可靠性，
灯具构型..
控制功能.
植物生长光环境光照设计要素分析10.1
光子通量密度
光谱分布
光周期
辐射方向特性
LED植物生长灯应用模式
参考文献.
....20
440642024
本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中华人民共和国科学技术部提出并归口。本文件起草单位：中关村半导体照明联合创新重点实验室、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所、福建省中科生物股份有限公司、深圳市崧盛电子股份有限公司、杭州华普永明光电股份有限公司、福建信息职业技术学院、深圳爱克莱特科技股份有限公司、浦江三思光电技术有限公司、惠州雷士光电科技有限公司、南昌实验室、常州格林照明股份有限公司、东莞职业技术学院、东莞理工学校。本文件主要起草人：李涛、徐圆圆、李鹏、王宗友、黄建明、王洪、张锋斌、文星、熊飞、张玉琪、王光绪、陈建文、夏誉、郭勇、刘洋、张玲。Ⅲ
1范围
植物生长LED人工光环境技术报告GB/Z44064—2024
本文件给出了植物生长人工光环境要素、光合作用、光控生长发育、光响应关键评判指标、LED人工光源的要求及人工光环境光照设计要素的内容。本文件适用于相关利益方开展的LED人工光植物生长领域涉及的工作。2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T32655一2016植物生长用LED光照术语和定义3术语和定义
GB/T32655一2016界定的术语和定义适用于本文件。4概述
光是植物生长所需的最重要环境因子之一，它不仅是植物生长发育过程中的能量源，也是植物形态建成的重要信号源。植物赖以生存的能量来自太阳光，光合作用是植物捕获光能的重要生物学途径，通过光合作用固定二氧化碳以合成有机物并产生氧气，是地球上生命得以延续的决定因素之一。LED作为新型光源，具有节能环保、寿命长、响应时间短等特征，在农业光照领域的优势明显。首先，与传统光源相比，LED可以根据需求对光谱、辐射强度等因素/参数进行调控；其次，LED发热量低，可近距离照射植物而不会造成植物组织灼伤；再次，LED光源体积小，比较适用于多层立体组合栽培系统，有助于降低栽培层架的层高，增加单位空间栽培数量。LED在设施农业领域已引起国内外广泛关注，被广泛应用于全人工光植物工厂以及温室补光生产领域，以达到提高产量及改进品质的目的。本文件针对植物生长LED人工光环境，介绍植物生长光环境要素、植物光合作用与光控生长发育以及植物生长涉及的光需求特征等，提出植物生长光响应的关键指标，分析植物生长对LED人工光源的要求与人工光环境光照设计的重点要素，以引导科学合理地评价植物生长LED人工光环境，5植物生长光环境要素
5.1概要
植物对光的需求主要体现在光谱、光照强度、光周期和光分布四个方面，也称之为植物生长的“光环境要素”。光环境通过植株形态、器官发育、细胞内代谢以及基因表达和蛋白质合成等不同层面影响并调节植物生长，理解光对植物生长的影响是农业生产人工光源应用的理论基础。GB/Z44064-2024
5.2光谱
太阳光的光谱范围极宽，但能直接作用于植物生长的光谱范围很窄。研究人员于1972年通过测定22种常见的植物在生长室以及大田中不同光照条件下的光合速率1，提出直接作用于植物光合作用的光谱范围是400nm～700nm.这段光谱被定义为光合有效辐射(PAR）并沿用至今近年来，随着植物光生物学研究的不断发展，在光合有效辐射的基础上，植物作用光谱也更加丰富，根据2017年美国农业与生物工程学会发布的《QuantitiesandUnitsofElectromagneticRadiationforPlants(PhotosyntheticOrganisms)》2],除植物生长通用的光合有效辐射（400nm～700nm)之外，将中波紫外线、长波紫外线以及远红光统一纳入了植物作用光谱中，并明确规定了各种光谱的有效范围。据此，目前业界将植物作用光谱波段范围扩展为280nm～800nm,包括中紫外线（280nm315nm)、近紫外线(315nm~400nm)、蓝光(400nm~500nm)、黄绿光(500nm~600nm)、红光(600nm~700nm)以及远红光波段（700nm~800nm)（图1）。10-2m
宇宙射线
紫外线
5.3光照强度
X射线
伽马射线
紫外线
可见光
10001n
红外线
600 nim
卫星电视
红外线
图1植物作用光谱在太阳辐射中的位置及不同光谱的界定5.3.1光照强度的度量
光照强度是选择人工光源的重要依据，目前光照强度有多种度量（表述)方式，主要包括如下三种：a）光照度是指受照平面上接受的光通量面密度（单位面积的光通量），单位为勒克斯（1x）。光照度表述的是人眼能感觉到的光亮度，是一种与视觉灵敏度有关系的心理物理量。与光照度相关的光通量则是按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量（辐射功率），单位为流明(lm）。当光照度与光通量相关时，按式（1)换算。坎德拉表述的是每单位立体角（立体角：与以单位长度为半径的球体表面积相同）的光通量，1cd555nm的单色光在单位立体角放射的电功率（放射束）为1.46mW。
1x=11m·m-2
· （1)
光辐射能指单位时间、单位面积上到达或通过的光辐射的能量，常用单位为瓦每平方米(W·m-2),1 W·m-2=1 J·m-2·s-1。光子通量密度(PFD）指单位时间、单位面积上到达或通过的光子数，单位为μmol·m-2·s-1；）
其中光合有效光子通量密度(PPFD）是指与光合作用直接相关的光合有效辐射(PAR，波长为2
nm~700
光辐射能（W·m-2）
nm）的光子数，是目前植物生长光环境调控领域国际通用物理量，440642024
和光子通量密度（μmol·m-2·s-1）为植物光照常用物理量，二者之间可以通过光子的能量公式来换算：
单位光子的能量计算公式见式(2)。式中：
光的能量；
普朗克常数（6.626×10-34J·s);光速（3×108ms-);
波长。
各波长下光的能量(w·m-2）与光子通量密度（umol·m-2·s-\）换算公式见式(3)。因此，：
式中：
N--阿伏伽德罗常数（6.022×1023)。EXA
￥XXNX1000bzxZ.net
.. (3)
依据式（3），表1为各波长下光子通量密度与光辐射能的换算系数；图2为换算系数随波长的变化趋势。
不同波长光子通量密度与光辐射能之间转换的换算系数波长
换算系数
J· μmol-
GB/Z44064—2024
波长/nn
图2光子通量密度与光辐射能的换算系数随波长的变化趋势图自然界中光合有效辐射（400nm～700nm)光子通量密度与光辐射能之间的换算系数通常默认为0.216
J-umol-\。以太阳光为例，光照强度为600W-m-2的太阳光，其PPFD
的计算方法如下：因太
阳辐射中约50%（系数：0.5）的能量来自可见光波段（400nm～700nm),故：PPFD太阳=(600W·m-2×0.5)/0.216若已知太阳光中PPFD为1000
μmol-m-2.s-\,
EPAR=1000
则太阳总辐射能约为：
5.3.2光合有效辐射日累积量
J-μmol-1388.9
μmol-m-2.s-
则可见光波段部分光辐射能的计算方法为：μmol-m-2s×0.216J-μmol-=216W·m-2/0.5=432
W·m-2
W·m-2
植物光合有效辐射日累积量(DLI）是指单位面积上每天截获到的光合作用光子通量密度(PPFD,μmol·m-2.s-\)
的总量，单位为mol-m2d-\,
也是光照强度的一种通用表述方式。植物光合有效辐射日累积量与植物的光合产物、干物质的积累量以及品质总体上呈正相关关系。以PPFD为200μmol-m-2·s-\,
时的总秒数。
光周期16h为例，其DLI计算如式（4)所示，式中3600为每小DLI=(PPFD×16×3600)/1000000例如，番茄正常生长的最低光合有效辐射日累积量为10mol·m-2·d-1~12证产品品质的光合有效辐射日累积量为14mol-m-2.d-1~20于20 mol-m-2.d-1。
5.4光周期
mol·m-2.d-1,保
mol-m-2d-1,而理想的DLI要高
光周期是指昼夜周期中光期和暗期长短的交替变化。光期是指植物受光照射的时间段；暗期指植物处于黑暗的时间段。植物在光期进行光合作用，暗期完成光合产物转运；光周期在调控植物开花、休眠、落叶等生理过程中具有重要作用。在人工光植物工厂生产中，合理安排光、暗期对保证植物正常生长发育至关重要。
5.5光分布
光分布分为光的空间分布和时间分布。GB/Z44064—2024
光的空间分布是指植物受光面区域内光照强度和色温的分布以及光线相对于植物受光面的空间照射角度。植物生长一致性是工厂化生产和高效管理的基础，光的空间分布均匀性是影响同一裁培面作物生长一致性的重要因素，此外，光空间分布的均匀性也在一定程度上影响种植者的视觉感官。光的时间分布是指同一种光谱、光照强度的组合在一个光周期时间轴上的分布，主要体现在供光模式的差异。根据几种人工光型植物工厂中常见的供光模式，可将光的时间分布分为连续供光型、交替供光型、间歇供光型等。连续供光型是指在一个光周期内，同一种光谱、光照强度的组合连续不变，即光在时间轴上的分布是连续、均匀的；交替供光型是指在一个光周期内，两种或多种光照强度、光谱的组合以一定的频率交替出现、规律分布；间歇供光型指在一个光周期内，一种光照强度、光谱的组合以一定的频率间歇出现、规律分布。
6植物光合作用
6.1植物光合作用概述
植物光合作用指植物利用光能将二氧化碳(CO2）和水转化为储存能量的有机物，并释放出氧气的生化过程[见式(5)]。
6C0+6H0CH0+60
光合作用发生部位为细胞中的叶绿体。光合系统在单位面积单位时间固定CO2的量（或释放氧气的量）即光合速率，光合速率是判断植物合成碳水化合物速率的重要指标。理论上来讲，植物在光合作
用中吸收的CO2越多，生成的碳水化合物越多，植物干物质产量越高，光合作用不仅受其生长环境中光照条件的影响，还受其他环境因子的影响。光照为光合作用提供能量，其他环境因子如温度、水分、湿度以及环境CO2浓度也会影响植物光合作用。高温胁迫下，叶绿素生物合成的中间产物合成受阻，叶绿素含量降低；此外，高温还会使细胞内单线态氧含量增加，活性氧动态平衡被打破，加速叶绿素降解。低温情况下植物为保持温度会关闭气孔，减少热量交换，进而阻碍CO2进入叶片，降低光合速率。干旱胁迫与盐胁迫也会引起气孔关闭，减少水分散失，进而阻碍CO2进入叶片，降低光合速率。过高空气湿度会导致病害，但过低空气湿度也会降低植物气孔导度，进而影响植物光合速率。总的来说，适宜的光照条件是植物光合作用的直接能量来源，并受光照强度、光谱、光周期以及光分布的影响。同时适宜的温度、湿度、CO2浓度等环境因子是保证光合系统高效率运行的必
要条件。
6.2植物光合作用对光谱的响应
光合色素对光能的吸收和利用效率是植物光合能力的决定因素。在叶绿素的吸收光谱中，有两个最强的吸收区域，即红光区及蓝光区，光合作用在蓝光与红光波段的光子效率较高（图3），其中红光波段光合作用效率最高，其次为蓝光。因此，红蓝光通常作为植物生长LED光源的核心光谱，GB/Z44064—2024
550600
波长/nm
图3植物叶片光合作用在不同波段的相对光量子效率气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道，调控CO2进入叶片和植物水分蒸腾。蓝光不仅可以直接驱动植物光合作用，还可作为重要的信号因子诱导气孔开张，从而提高CO2进入叶片的扩散速率，降低光合作用过程中的气孔限制，有助于提高光合速率。但在实际生产应用中，如在全人工光植物工厂条件下由于植物生长光照强度远低于自然光，对于绝大部分植物来说气孔并不是光合速率的主要限制因子。因此，蓝光是否能够通过气孔调节因素提高光合速率需要结合光照强度与其他环境因子
进行综合分析。
植物叶片对远红光（>700nm）的吸收能力远低于可见光波段，因此，远红光（>700nm）的光合量子产率很低。研究发现，长波（>685nm）和短波（400nm～670nm)同时照射时叶片的光合速率大于两种波长单独照射条件下的光合速率之和，即双光增益效应。因此，提出了双光系统的概念，把吸收长波光（>680nm）的系统称为光系统I(PSI)，吸收短波光（≤680nm）的系统称为光系统II(PSII）。当在短波光中添加优先激发PSI的远红光时，两个光系统平衡地受到激发，这有助于协同提高光化学效率。综上所述，在LED植物光照光源中添加远红光对于提高植物光合效率具有重要意义；在实际生产应用中，需根据物种及应用场景来综合考虑远红光应用剂量及应用时段。在植物光照领域，远红光优选
波段宜为720nm~750nm,其中波峰宜在730nm~740nm之间。相较于红蓝光波段，叶绿素对绿光的吸收很少。因此，绿光曾一度被认为是植物光合作用的无效光谱而受到忽略。近年来，随着单色绿光LED技术的发展及其在植物光生物学领域的研究，绿光对植物生长过程的影响逐渐明晰。在自然环境下，尽管到达叶片表面的太阳光谱中有10%～50%的绿光被植物叶片直接反射，但绿光的穿透能力也远强于其他光谱，故绿光能够到达植株冠层中下部叶片。如图3所示，虽然绿光的光合量子效率略低于红蓝光波段，但也能够驱动光合作用，因此，从植株冠层光合作用角度来说，绿光所驱动的植株中下层叶片光合作用也不容忽视。近年来，越来越多的研究证实绿光在LED植物光照领域具有重要的作用。6.3植物光合作用速率对光照强度的响应植物光合作用速率是单位光子每秒每平方米叶片同化CO2的量。图4为典型的植物叶片和冠层光合作用光响应示意图，如图4所示，植物光合作用速率光照强度响应曲线有几个重要的节点，理解这
些节点对于合理利用植物光照人工光源具有重要指导意义。在光合有效辐射为oμmol·m-2·s-1时（即黑暗条件下，A)，植物只进行呼吸作用，即消耗体内有
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