人工照明的光譜對植物栽培的影響



破除光譜迷思正確了解植物對人工照明的需求

室內栽培食蟲植物免不了使用人工照明來補充光線,然而當栽培結果不盡人意時,人工照明的光譜往往是最先被拿出來檢討的對象。其實,太多的因素都會影響室內栽培植物的效果,即使問題真的出在人工照明,照明的強度或時間才是最主要的因素,光譜通常無足輕重。



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在興趣嗜好的領域中,大概就屬水族界最早開始使用人工照明。從鎢絲燈泡時代只是照亮魚缸便於觀賞,隨後日光燈的發明,讓照明強度提高到足以支持植物的光合作用,於是在水族箱栽培水生植物便成為可能,而且過去許多無法在人工環境下生存的海洋生物,經由人工照明之後也能生存了,正是因為充足的光線讓這些海洋生物體內的共生藻類可以進行光合作用,得以支持宿主的生存。

水族養殖使用人工照明早已是一件常識,不過在園藝上,接受人工照明還是近幾年來的事。居家園藝通常被視為怡情養性的嗜好,一般人抱著隨緣的態度,簡單能養得起來就好;如果沒有陽光而養不好,那就算了,沒有人會想用燈光來照射植物。直到約莫在2015年開始,LED照明實用化,價格大為降低,再加上網路社群的推廣,許多人發現原來只需要增加一點人工照明,就能讓陽光不足的居家環境也能養活植物。於是我們現在可以在許多大賣場見到紅藍光的植物燈,有時候在晚上,就能見到有些人家在陽台點起紅藍光來照射他們的植物,這是以前從未有過的景像。

不過,許多人把人工照明當作仙丹妙藥,以為用了人工照明就解決一切栽培上的問題。於是,在沒有得到預期的栽培效果時,就把問題通通歸究於人工照明,而且「光譜」通常是最先被提出來檢討的。我們經常可以聽見大眾評論「這個光譜不對」,然而究竟是怎樣的不對,卻說不上來。

對於大眾而言,光譜是個神祕的概念,但好像又可以解釋一切,植物長得不好,就說光譜不對,聽者無不點頭稱是。這就好像我們在其他的場合會聽到的「磁場」、「能量」一樣,搬出這些說法,答案就圓滿了。

影響植物生長的因素很多,舉凡光照、澆水、栽培介質、空氣溼度、施肥方式、栽培環境、病蟲害等等,這些因素綜合起來,才是植物栽培出來的結果;人工照明的因素則有光線強度、照射時間、光譜等,然而光線強度和照射時間才是影響植物生長的關鍵,光譜幾乎從來都不是需要關心的因素。

光譜的迷思不是三言兩語就能解釋得清,我們得回到過去,了解這件事發生的前因後果。

光譜迷思的起源

人工照明的光譜迷思源頭就是水族界,因為水族界最早開始使用人工照明培養生物。水族廠商為了讓大眾願意花費較多的金錢購買比家用照明更昂貴許多的水族燈具,便需要行銷廣告,光譜就是水族照明所主打的行銷手段。

想要了解光譜迷思的起源,我們就要回到1990年代,由我自己的經歷說起,我也曾經有過光譜的迷思。我小時候就喜歡養魚,也對水生植物稍微有點興趣,不過當時的我並沒有認真在培這個興趣,都只是隨便養魚,有買過幾次水草,但是都種不活。

直到國中時,參觀了一個改變我的世界觀的水族展。那個水族展在國際學社舉辦(已拆除,舊址位於今日的台北市大安森林公園),我才發現原來水生植物在水族箱裡可以養得這麼美,植物的光合作用可以視覺化,因為水生植物葉片末端成串地冒出氧氣氣泡。看了這個展覽才了解到,原來養好水生植物需要充足的燈光,而且要打入二氧化碳。於是開啟了我在栽培水生植物的興趣。

我在高中二年級開始接觸食蟲植物,因為有了水生植物栽培的基礎,自然就會想把水族設備應用到食蟲植物的栽培上。當時,水族市場推出一款人人推崇的英國品牌女王鯨(Interpret)太陽鹵素燈管,十分昂貴,當年的我只買得起一支1.5尺長的燈管,要價台幣一千多元。用來栽培食蟲植物的效果非常好,小毛氈苔紅得比在野外看到的還要紅。

我也見過一則刊在室內設計雜誌的螺旋燈管廣告,據說光質可比擬太陽光,讓你在室內也能享受如同陽光般的照明。有些水族玩家有使用,據說栽培植物的效果非常好,不過那款燈管太過昂貴,沒幾年就從市場上消失了。

之後,水族界開始推廣各類水族專用燈管,最早見到女王鯨(Interpret)和丹尼爾(Dennerle),後來也可見到喜瑞(Sera)、阿卡迪亞(Arcadia)、JBL、赫根(Hagen)、ADA等。複金屬鹵素燈則過於昂貴,早期僅見Dupla的吊燈曾在台灣上市,後來可見到ADA及國產的複金屬鹵素燈燈具。

由於進口的水族專用燈管一支要價台幣一兩千元,大多數的消費者買不起這麼貴的燈管,就會購買一般家用照明的燈管。在1990年代,NEC推出一炮而紅的三波長日光燈管,由於栽培水草的神奇功效,人人琅琅上口,到水族館都指定要買NEC三波長燈管,有時還會缺貨。

水族燈管的行銷策略

水族燈管的價格是一般家用燈管的5到10倍,廠商自然要在廣告上下功夫來打動消費者。我當初會買女王鯨太陽鹵素燈管,就是因為「太陽」和「鹵素」的關係,「太陽」帶有自然光的涵意,「鹵素」則有高科技的感覺,能夠帶來更明亮的光線。「太陽」和「鹵素」這兩個名詞在今天平凡無奇,不過在那個年代卻是相當新穎的概念,那是家用日光燈管開始有陽光的概念,出現今日所稱的「晝光色」白中帶黃的燈管;「鹵素」這個名詞原本用在鹵素燈泡上,但是當你第一次看到「鹵素」這個名詞也出現在日光燈管時,必然會想像這是新科技產品。

不過,當我第一次點亮女王鯨燈管時,差點想要退貨。我想說是不原廠包裝出錯了,竟然把植物燈管當作太陽鹵素燈管來賣,因為燈光是紫紅色,怎麼跟其他水族品牌的那種白中帶黃的太陽燈管差那麼多。不過它確實很亮,比一般國產的植物燈管亮很多。當年的國產植物燈管即使是全新的,光線暗澹的程度,就如同一般白色日光燈管用到即將要壞掉時的亮度。

當年另有一個比較著名的廣告是德國水族品牌丹尼爾(Dennerle)推出一款燈泡色的日光燈管,號稱水草會長得比較好、光譜可以抑制藻類生長。不過直到今日,用於水生植物栽培的燈光還是以白光為主流,沒人喜歡用燈泡色的光線,也沒聽到有使用者說真的有抑制藻類的效果。

我們可以從網路上收集到許多水族專用燈管的行銷廣告,節錄一些文案如下列內容所述。這些是T5燈管的功能描述,但與1990年代的T8燈管都差不多。
  • 增豔燈管:強化魚類紅色、橙色和藍色,同時使紅色水草生長得更為鮮豔。
  • 水草專用管:色溫3000K,有效促進植物光合作用。經官方測試該燈管能夠抑制皇冠和睡蓮浮葉的形成。
  • 植物燈管:4900K,光譜十分適合植物生長,促進光合作用並且增強水草和魚類的顏色。
  • 自然光燈管:6000K,模擬熱帶小河流和湖泊淺水處的光線條件。
  • 熱帶太陽燈管:全光譜,4700K,模擬熱帶淺水太陽光照下光線條件,顯色指數為1A。
  • 熱帶全光譜太陽燈管:色溫4000K,模擬上午10點左右光線。全光譜,完全模擬真實陽光,非常適合植物生長,能有效促進植物生長同時,抑制藻類爆發。
  • 自然全光譜燈管:色溫9000K,完全模擬自然光,全光譜,顯色指數達到1A。適合馬拉維和坦噶尼喀湖的水族生物。
  • 彩色全光譜燈管:增強紅色和藍色光譜,促進水草和魚類紅色和藍色顯色,刺激葉綠素形成促進光合作用。
  • 自然光燈管:色溫6500K,不僅光譜符合植物生長需要,且顯色性優秀,指數達到Ra>=90,提供最真實自然顏色。
  • 植物燈管:色溫10000K,它的輸出能滿足大多數水草的光譜需要,因而能促進水草的光合作用及葉綠素的合成。 
  • 熱帶淡水燈管:模擬熱帶光照條件,適合水草和魚類的生長。
  • 太陽燈管:8500K,平衡了藍光合紅光譜區。特別加強紅色光射線,對紅色魚類及水草尤為適合。
  • 水族燈管:10000K,結合了植物燈管和UVA燈的特點,能夠增進水草和珊瑚等軟體生物生長。
  • 自然光燈管:色溫5000K,植物育成專用燈管,燈管採用特殊保護膜,防止紫外線輸出,抑制藻類生長。
  • 鹵素燈管:色溫18000K,加強觀賞魚的藍、紅、橙體色以及促進水草生長。
  • 植物培育燈管:2800K,為植物栽培訂製,特意加強光譜中對光合作用的影響最大的藍光部分。
  • 全光譜太陽管:4200K,模擬明亮、自然的全光譜陽光,適合有水草的水族箱使用。
我們可以看到這些廣告大致上有些共通的特點,幾乎都附有色溫值,並強調光譜是經過設計,適用於特定的培養環境。

雖然水族燈管百家爭鳴,但是我們從這些廣告中,其實看不出植物到底偏好哪一種光線。再說如果光譜對植物栽培的影響非常關鍵,那麼必然可以見到最好的燈管比起一般的燈管能帶來壓倒性的效果。不過實際上,我從未見過這個現象,沒有水族雜誌做過評比,而且坊間的水族館也絕大多使用一般家用燈管。

光譜到底是什麼

說到這裡,我們應該來認識光譜到底是什麼,才能破除迷思。

要說明光譜之前,就必須先從光線說起。我們平常所稱的光線,是指波長在390到700 nm這個範圍的電磁波,這是肉眼可以看得見的電磁波,又稱可見光。如果波長低於390 nm,就進入紫外光的波段;波長短到10到0.01 nm的範圍,稱為X光;波長0.01 nm以下,稱為伽馬射線。如果光線的波長高於700 nm,就進入紅外光的波段;波長長到1 mm到1 m之間稱為微波;波長超過1 m則為無線電波。

可見光
在寛廣的電磁波頻譜範圍中,人類的視覺僅能感知波長介於390到700 nm的電磁波。
(圖片來源:維基百科條目「可見光」)

大多數光源的光線是由許多種不同波長的電磁波組成的,這樣的組成就稱作光譜(Spectrum)。如果我們要測量一個光源含有哪些波長的光線時,會需要使用一種稱為「光譜儀」的儀器來解析。假如用光譜儀分析太陽光,就可以得到如下圖這樣的一個圖譜,太陽光是由波長250到2500 nm的光線所組成,這樣的圖譜就稱為光譜。

太陽光譜
這個圖譜包含兩個太陽光譜,深灰色涵蓋較大範圍區域是太陽原本的光譜,這是人造衛星在地球大氣層之外測得的;淺灰色區域則是在地面上測量的結果。我們可以發現怎麼許多波段都缺了一塊,這就是大氣層會吸收某些波段陽光的結果,大氣層的水氣特別會吸收紅外光,於是缺掉好幾塊的紅外光;臭氧層則會吸收波長260 nm以下的紫外線,保護地球上的生物免於高能量紫外線的傷害。
(圖片來源:網路)

光譜儀是高價位的儀器,局限在科學研究上,平時沒有機會見到,所以我們或多或少都會聽到光譜這個名詞,但是實際上並不清楚光譜到底是什麼。現在市面上最平價的光譜儀售價約5萬元台幣,用於攝影,不過大概也只有少數專業的攝影師會想買吧?

一般家用日光燈管不會附有光譜的資料,但是水族廠商早在1990年代就有此「遠見」,在燈管外包裝上附上光譜圖,再附帶一點行銷說明,就能讓消費者相信這麼昂貴的燈管就能帶來神奇的效果。回想我當年在水族館選購燈管時,包裝上如果有光譜圖,我就會認同這個品牌比較專業,栽培效果會比較好。時至今日,水族燈具進展到LED,幾乎每一家水族燈具廠商都提供光譜圖。

光譜對植物栽培重要嗎?

光譜對於植物栽培有影響嗎?平心而論,光譜是很重要,但是我們並不需去在意它。這個說法很矛盾,不過我想表達的,是你想買到光譜不對的燈具,其實還真不容易。

我們先來了解植物的需求到底是什麼。

科學上早已證實光線波長對植物生理的影響。現在幾乎大家都知道,植物需要紅光和藍光來進行光合作用,因此在一般民生用品的大賣場就可見到紅藍光植物燈的產品,不必多做解釋就有銷路。除此之外,植物體內的光敏素(Phytochrome)可以偵測紅光和紅外光,用來感測日照週期的變化,得以調控開花期。紫外光則因能量高,會對細胞產生傷害,於是生物就會產生色素來阻隔紫外光,例如人體多晒太陽,皮膚就會變黑,這就是防禦紫外線傷害的機制;植物則是產生花青素(Anthocyanin),因此就會讓植物變紅或產生斑紋。唯一對植物作用不明確的是綠光。

那麼,人工照明的光譜是否符合植物的需求?確實,人工照明的發明原本是為了給人類照明而用的,當然是以人類的需求來設計。對人類而言,除了光線強度足夠之外,照明應能讓物體帶來自然的色彩,自然在設計上就會去模仿陽光。不過在今日,主流的人工照明就是白色光和燈泡色,晝光色反而沒那麼流行。

人工照明要如何產生白色光和燈泡色光呢?過去主流的人工照明是螢光燈,它的發光原理是用燈管內的紫外光激發燈管內壁上的螢光劑,就會產生幾種波長的光線,混合之後就成為白色光。若想要做出燈泡色光,那就調整螢光劑的配方,讓紅光多一點。

至於三波長燈管是怎麼來的呢?許多人可能不知道,早期的日光燈管並不是純白色光,而是有點偏綠。大約在1990年代,NEC推出著名的三波長燈管,解決了光線偏綠的問題,其實就是研發出新的螢光劑配方,讓這幾個波長的光線比例平衡可以混合出白色光。NEC也在同一時間推出了成功的廣告,宣稱燈管含有光線的三原色紅綠藍,因而可以得到正確的白色光線,這也就是三波長的由來。

螢光燈的光譜特徵是由幾個特定波長的光線組合而成,尤其是綠色光比較多,於是螢光燈易有輕微偏綠的現象。下列有三圖是常見的家用螢光燈光譜圖,這是自行用光譜儀測量的結果。

Philips 27W PL燈管光譜
桌上檯燈常用的4管PL燈管,光譜上可見綠光偏高。

Philips 24W省電燈泡光譜
白光的省電燈泡,其綠光少了許多,視覺上看起來是白色的。

Philips 20W 燈泡色日光燈管光譜
燈泡色的日光燈管,紅光比例較高,所以看起來光線較紅。不過它的演色性不夠好,光線還是不如傳統的鎢絲燈那麼自然。

所以,市面上任何一種螢光燈管,不管是白色光、燈泡色,或是水族專用燈管,絕對都可以栽培植物,因為光線裡都含有植物需要的藍光和紅光。我們不必擔心白色光、燈泡色燈管不含藍光也不含紅光,因為少了這兩種光,燈光就會變成綠色。並不會有少了藍光紅光的燈管還是白色光,因為那違反物理法則。

LED的迷思

LED在過去被認為不適用於植物栽培,這在過去是真的,可惜的是早期使用者的失敗經驗至今仍廣為流傳,至今還未能完全消除疑慮。

早期的白光LED燈的發光效率十分差勁。可能沒人相信,2000年的白光LED燈的發光效率其實和鵭絲燈差不多,而且因為封裝技術不足,無法將數十個LED晶片組合成一個大瓦數的LED燈泡。另一方面,售價還是最大的問題,當年的白光LED價格是今日的數十倍,比水族專用燈管還貴好幾倍,即使最瘋狂的水族玩家,看到這個價格也會却步。

於是這樣非常昂貴而幾有幾瓦功率的的白光LED燈泡,亮度遠遠低於數十瓦的鵭絲燈,更別說跟省電燈泡和日光燈管相比起來是有多麼巨大的差異。當時的LED廠商都對光線昏暗的問題避而不談,只就其低瓦數而吹噓這是多麼地省電。

白光LED燈的進步大概直到2010年之後,才看得出稍有照明的實用性,亮度有所提升,不過價格還是很高,發光效率雖然已經超過鵭絲燈,但還是遠遠比不上日光燈和省電燈泡。

在2008年時,如果使用紅光和藍光LED燈來照射植物還算是可行的做法,但是市面上幾乎沒有現成的產品,必須自己製作燈具,而且藍光LED還是很貴,一顆就高達數十元。我個人曾經有自製一個簡易的紅藍光LED燈具放在冰箱裡使用,不過用沒多久就放棄了,改用PL燈。詳情可參閱「改裝冰箱成為植物生長箱」。

再過幾年,水族燈具廠商開始跟進推出白光LED燈具。這個時候的水族LED燈具就是有光線強度不足的問題。這也跟家用照明一樣,明明肉眼就可以查覺亮度明顯低於日光燈或T5燈,廠商仍然把這樣不成熟的產品吹噓得多麼不同凡響。當消費者購入並實際使用之後,問題很快就浮上台面。因為光線強度不足,水草的生長狀況很快變差。不過絕大多數的消費者並沒有意識到原因是出在光線強度不夠,而是怪罪於光譜不對,於是LED燈不適合水草栽培的說法便由此傳開來了。

LED有一個特性容易讓人誤判它的照明強度。LED的發光區域是集中在晶片上一個小點,所以不管LED的發光效率好壞,肉眼直視都相當刺眼,以致於會給人很亮的印象。因此,要正確判斷燈具提供的照明是否充足,不是用肉眼直視燈具發亮的部位,而是要去觀察燈具照明的地方是否夠亮。植物對於光線的需求很高,若用一般居家照明的觀念套用在植物栽培上,可以說光線絕對是遠遠不夠的。

家用LED燈具大概在2015年後才開始逐漸普及,發光效率開始超越省電燈泡,此時,中高階的水族LED燈具己經進入市場,栽培水生植物都相當成功,只是價格過於昂貴,只有識貨者願意為此付出高昂的代價;普羅大眾採用的平價LED燈具還是有光線強度不足的問題,尤其是夾燈相當低劣,光線昏暗到無法栽培植物。

我們並不用懷疑,LED當然可以用來栽培植物,只要是白光或燈泡色,都會含有植物生長所需要的紅光和藍光。白光或燈泡色LED的發光原理和螢光燈相似,差別在LED使用藍光而不是紫外光來激發螢光劑產生其他波長的光線,這些光線混合起來成為白光;如果紅光較多,就會成為燈泡色。我們可以看看下列一些LED光譜圖,並與前面提到的日光燈光譜來做比較。

一般LED光譜
LED光譜的特點是由一個藍光波峰和另一個波長範圍廣的波峰所組成,涵蓋整個可見光,混合的結果成為白光。早期的LED都有藍光比例較高的毛病,因此白光偏藍。

TCP 10W 高演色性LED燈泡光譜
由於對於光質的要求,廠商發展出高演色性的LED燈泡,達到Ra95。它的特點在於抑制藍光,所以就不會偏藍。而LED不像螢光燈那樣只有幾個突出的波峰,而是從藍光到紅光都有分佈,因而可以讓整個光譜接近太陽光譜,而能帶來自然的照明效果。

色溫對於植物栽培的影響

「色溫」說起來不是那麼新穎的行銷名詞,這是是從日光燈時代開始就成為水族燈具的重要規格。水族燈具廠商大力宣傳色溫對水草栽培的效果,以致於許多人相信色溫影響水草栽培的成敗。我們可以回頭看前面那些T5燈管的行銷廣告,你會發現色溫出現的頻率非常高。

首先,我們還是要先了解一下色溫到底是什麼。簡單的說,這是指一件物體在高溫之下所發出的光線顏色。以日常生活經驗為例,一根鐵絲在室溫下不會發光,只呈現原有的顏色。如果我們把鐵絲拿去用蠟燭的火來烤它,我們可以見到鐵絲加熱之後開始會發出暗紅色的光;如果改用瓦斯爐的火來烤,溫度進一步升高,這時我們可以見到鐵絲發的光更強,而且光線的顏色會由暗紅轉變成橘紅再變成黃光。

物理學對於色溫的定義,是本身不會發光的黑體在特定溫度下所幅射出來的光線顏色。一個完全不會發光的黑色物體在絕對溫度6500K時,會產生純白的光線;低於6500K,光線會偏紅;高於6500K,光線偏藍。附帶提一下,絕對溫度和我們日常生活使用的攝氏溫度的關聯性,攝氏溫度加上273度就是絕對溫度,例如攝氏零度就相當於絕對溫度273K,室溫27度相當於絕對溫度300K。由於絕對溫度的單位符號是K,因此我們看到色溫都是數字再加上K,例如6500K。

色溫圖
黑體在不同絕對溫度下幅射出來的光線顏色。
(圖片來源:維基百科條目「Color Temperature」)

攝影、影視是對色溫要求非常高的行業,無論是靜態的照片或動態的影像,色調偏暖色調或冷色調,都會帶給觀眾截然不同的感覺,因此需要人為來控制。過去使用濾光鏡來改變色調,現在則是由數位相機或電腦後製來調整。在戶外拍攝時,最重要的光源就是陽光,然而陽光在一天當中的顏色是會改變的,中午是白光,日出或日落是紅光。當然,太陽本身是恆定的,陽光的顏色會改變是受到大氣層折射的影響。儘管如此,我們還是用一個相對色溫的概念,來表示一天當中不同時間的陽光顏色。

人造光源也是一樣採用相對色溫來表示。家用燈具上也會標示色溫,不過大多已經簡化為燈泡色(4000K)和白色(6500K),過去還有一種白中帶黃的晝光色(5500K),但可能銷路不好比較少見。人類的心情也已被證實受到光線色溫的影響,在白光之下,能提升專注力,因而用在工作場所;燈泡色光能放鬆心情,因而用在家庭或餐廳。

自從水族廠商推出水族專用燈管之後,色溫就是必備的產品規格,而且還成為行銷重點。不過,這個標示並不可靠,色溫數值怎麼來的,似乎是廠商隨自己的喜好來標示,而不是儀器的測量結果。例如10000K的燈管應該看起來有明顯的藍色,不過實際上只是略為偏藍。我們也可以再回頭來看那些T5燈管的廣告,你會發現色溫和燈管的用途並沒有什麼關聯。

色溫比較重要的影響其實是在於人類視覺的效果。大多數水生植物栽培燈具的色溫較高,光線略為偏藍,這能夠讓水族箱產生清澈透明的效果,適合表現明亮開闊的水族造景。相較之下,水陸生態造景缸大多想要表現樹蔭底下的溪流或池塘,使用低色溫暖色調的光線會比較搭配。

色溫對植物栽培會有影響嗎?其實影響並不顯著,因為色溫的高低只是調整紅光和藍光的比例而已,這個比例的差異並不會太大。不過就產品規格來看,同樣瓦數的LED或螢光燈管,色溫高的總是比色溫低的來得亮一點,以致植物在色溫高的燈具之下,生長效果可能會稍優於色溫低的燈具。

演色性對植物栽培的效果

在螢光燈時代,我們可以見到一些名詞來行銷燈管,如前面說明的光譜、色溫、三波長等等。這些名詞已經用了二三十年,對消費者來說已經失去新鮮感,於是在這幾年,人工照明出現一個新的行銷名詞叫作「演色性」。

演色性是用來評價人造光源重現物體色彩的指標,這個指標是在1995年由國際照明協會(International Commission on Illumination,簡稱CIE)發展出「演色性指數(Color Rendering Index,簡稱CRI)」,使用8種標準色卡,然後用儀器測量這8種標準色卡在受試人造光源之下與在陽光之下的色彩差異程度,再套用公式計算演色性指數。後來發現使用8種標準色卡的不足,於是再擴充為15種標準色卡,便成為今日所通行的評估方法。

如果有仔細注意燈具的規格,常可見到演色性會有兩種標示,一種為Ra,另一種為CRI。這兩種指標其實是一樣的,差別在於Ra採用舊的8種色卡的評估方法,CRI則採用新的15種色卡的評估方法,當然以後者的評估結果會比較準確。不過也有些廠商分不清Ra和CRI的差異而混用,原則上不管是Ra或是CRI,只要數值越接近100,就表示越接近陽光。

我們都知道肉眼可以看見物體的顏色,是因為那個物體可以反射某些波長的光線。假如光源缺少某些波長的光線,物體反射出來的光線也會少掉那些波長,以致於看起來色彩較差、不自然。

現在,我們可以回頭來看前面各種光源的光譜。螢光燈的光譜都是由幾個特別突出的波峰來構成的,波峰之間的光線不是缺乏就是非常微弱。於是,儘管螢光燈能產生白光,物體在螢光燈之下就是不好看,這就是因為螢光燈的光譜不完全,無法完整重現物體應有的色彩。物體在陽光之下能重現最完整的色彩,是因為陽光光譜非常完整,沒有缺少哪個波長的光線。新型的高演色LED燈能產生和陽光相似的光譜,所以物體在LED燈光之下會看起來相當自然。

說了這麼多演色性的知識,那這對於植物的栽培有什麼好處嗎?遺憾的是,沒有幫助。

大約在2017年到2018年開始,水族市場上開始出現所謂高演色性的燈具,網路上也流傳許多宣稱高演色性燈具培養水草有多好的效果。如同前面所述,演色性是用來評價人造光源重現色彩的指標,它原本只應用在攝影、印刷、影視等對於色彩重現要求很高的行業。不過,由於消費者品味的提升,開始注意到家用人工照明也應該要有更好的光質。另一方面,家用燈具和水族燈具製造廠也得找出新的賣點讓消費者掏出鈔票,於是演色性就成為新的行銷口號,三波長已經跟不上時代了。

我們很容易就可以找一個反例來說明演色性和植物的栽培效果沒有任何關係。現在連大賣場都可見到的紅藍光LED植物燈,它的演色性就非常的差,因為它只有紅光跟藍光,缺了其他波長的光,以致於任何物體在這種光線之下,看起來就是紫紅色的;因為缺乏綠光,植物看起來是暗的。但是植物在這樣的光線之下,卻長得很好。這該怎麼解釋演色性和植物成長的關聯呢?

使用演色性高的燈具對於植物的成長並不會有加分的效果,不過它對於栽培者來說還是有些益處,那就是栽培者終於可以在室內看到色彩更加真實的食蟲植物,攝影不會再有色彩暗澹或顏色怪異的問題。因此選購高演色性的LED燈具其實多多益善。

ISTA高演色專業植物造景燈光譜
水族界目前少見標榜的高演色水族燈具,自行測量光譜和原廠的差異不小,這是因為這個燈具上面有排列白光、藍光、綠光、紅光四種LED,光譜儀放在不同的位置就會有不同的光譜。


Skier Sunray 160攝影棚燈光譜
攝影專用的LED棚燈,演色性可達Ra97,色溫為5200K。

為什麼會有人宣稱光譜的效果?

在網路還沒出現之前,水族界便已經口耳相傳燈管的光譜很重要,我們當然也不必感到意外,當網路成為日常生活的一部份之後,光譜的重要性自然就更廣為所知。我們是不用去質疑別人的使用經驗,因為使用經驗是真實的。買了新的燈管之後,植物大概都會在一兩個月內明顯改善生長狀況。問題是在於推論方法並不正確。

換了燈管之後,植物生長有所改善的最主要原因,還是在於光線強度的改變,而不是光譜的好壞。使用新技術的燈管一定比舊技術的燈管來得亮,新的燈管也比老化衰退的燈管來得亮。當植物原本處於光線不足的環境下,經由更換燈管獲得充足的光線,植物的生長當然就會變好。原因就是這麼簡單。

在1990年代,日光燈管的技術有重大革新,是從很粗的T10燈管轉換到今日所見比較細一點的T8燈管。進口的水族燈管都是新型的T8燈管,它們共通的特點就是比起一般家用的T10燈管來得更亮,用它們來栽培植物的效果當然會有所改善;再過了幾年,NEC三波長燈管上市,它就是新型的T8燈管,比起一般國產的T10日光燈管更亮,任何一位改用NEC三波長燈管的使用者,都會經歷到栽培植物的效果變好的體驗。

因此,早期有經歷這個技術進步的使用者,就會發現換了燈管之後,植物明顯長得更好了,以致於會有使用某廠牌燈管效果較好的錯覺,實際上只是燈管變亮了而已。另一個最被忽略的原因,任何燈管都會有效能衰退的現象,燈管的光線強度會隨著使用時間而不斷降低,不過絕大多數栽培者為了省錢,都是撐到燈管很明顯老化甚至開始閃了,才會想換燈管,而這個時候的植物生長狀況早已大不如過去。以致於換新燈管後,照明強度的改善是如此懸殊,植物的生長也就會有明顯的改變。這也就是使用者原本使用A牌燈管,換了B牌燈管之後,就會認為B牌效果比較好的原因。其實就算是用同廠牌的燈管,只要將舊燈管換成新的,也能發現植物生長變好的現象。

如果真的要用嚴謹的科學方法來研究光譜的影響,測試的燈管必須要全新,並且用照度計測量栽培區域的光線強度,調整燈管的高度,讓栽培區域都有一致強度的光照;所有用來測試的植物必須都有一致的大小,植物種類也要涵蓋數十到數百種,這才能證實光譜的作用是否具有普遍性,或是只針對某些植物較有作用。

所以,想要用實驗來證實哪一家燈管的光譜最有效,其實是一項規模龐大、長期、耗費鉅資的工作。別說業餘栽培者,就連這些水族廠商也不可能投下大筆資金去研發,因為水族廠商都是中小企業,資本並沒那麼雄厚。所以下次看到水族廠商宣稱他們家的燈具有經過實驗驗證,看看就好,不必當真,他們拿不出數據來證實他們的說法。

我在求學階段曾經做過幾年的植物組織培養,就有問過教授是否人工照明的光譜會影響植物生長。教授並沒有特別研究光譜,但從他過去的經驗,學術論文上對於栽培植物所使用的燈管,都僅僅簡略地提到使用一般白光日光燈管而已,即使有註明廠牌,也是很普通的家用日光燈管,沒有學者會想用紫紅光的植物燈管,更別提去使用水族燈管。我自己搜尋有關植物組織培養的文獻,看到的結果也都跟教授的說法一致。

這並不是因為學術界擔心替某些廠商打廣告而蓄意隱瞞資訊,相反的,學術界從來都不在意。學術界一向都會把他們使用的材料、耗材及儀器設備的廠牌及型號等資訊詳細羅列於論文中,以便同行可以參考或重現其研究成果。因此,學術文獻只簡略提及使用白光燈管而不標示廠牌及型號,這就說明了燈管的廠牌其實不重要,都可以用。

我們也曾去參觀研究單位或民間蘭園的組培室,通通都是使用一般家用的白光日光燈管,燈具也都很廉價、平凡無奇,完全以成本來考量。當水族界在爭論什麼樣的燈比較好時,學術界及業界仍然只採用一般家用普通的白光日光燈管,而且栽培效果良好。他們頂多會使用照度計,測量光線強度夠不夠,並定期更換燈管而已。

人工照明的建議

植物對特定光譜的需求已經經過科學的實驗證明,植物只需要某些波長範圍的光譜。幸運的是,幾乎所有的人工照明都含有植物需要的光譜,想要買到不適合栽培植物那樣光譜很極端的人工照明還真不容易。有誰會喜歡綠光照明呢?

因此,不必再糾結於光譜對不對的問題。如果植物生長狀況不良,大部份的問題還是會在氣溫、栽培介質、養分供應等問題;如果問題出在光線,大部份情況是光線太弱,不是燈具太少、距離太遠,就是燈管老化。光譜永遠不會是最先需要考慮的,它幾乎都不會是植物栽培不良的原因。

LED燈在早期用於栽培植物的效果不佳,被歸究於光譜不對,但是實際上的原因是光線強度不足。早期的LED燈既昂貴而且發光效率很低,一些使用LED照明的先驅並未架設光線強度足夠植物需求的LED燈,以致於植物栽培的成效不如預期時,就逕自宣判LED不能用在植物栽培。

今日,LED巨大的進步早已今非昔比,LED的發光效率已經超越大部份的人造光源,而且價格持續下降,發光效率仍在提升,LED還有很多的進步空間;日光燈、省電燈泡、T5燈,早已不敵LED,也未再有任何研發,終將會由照明舞台上退出。
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漫步在食蟲植物的奇幻異境: 人工照明的光譜對植物栽培的影響
人工照明的光譜對植物栽培的影響
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漫步在食蟲植物的奇幻異境
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