育成ライト

LEDライトは第4世代の光源とみなされている。^{[ 12 ]} LEDライトはあらゆる光源の中で最も高い光合成有効放射（PAR）を生成する。

LED植物育成ライトは通常、ヒートシンクと内蔵ファンを備えた筐体内に複数の発光ダイオード（LED）が収められた構造になっています。ほとんど、あるいはすべてのLEDは、AC/DCまたはDC/DC電源を使用し、LEDに一定の直流電流を供給することで、LEDが消費する総電力を制御し、故障を防いでいます。

個々の LED は通常、狭い範囲の色しか提供しないため、異なる色の LED は、用途に応じて比率を変えて植物育成ライトに混合されます。光形態形成の研究から、緑、赤、遠赤、青の光スペクトルはそれぞれ根の形成、植物の成長、開花に影響を与えることが知られていますが、LED 植物育成ライトを使用した科学的研究やフィールドテストの試験は十分ではないため、LED 植物育成ライトの下で最適な植物の成長のための特定の色の比率を推奨することはできません。^{[ 13 ]}多くの植物は、赤と青の両方の光を与えれば正常に成長できることが示されています。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}しかし、多くの研究は、赤と青の光 (赤と青の比率に応じてピンクから紫) は最も費用対効果の高い成長方法を提供するだけであり、緑を補った光の下では植物の成長がさらに良くなることを示しています。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

白色LED植物育成ライトは、自然光を模倣するように設計されたフルスペクトルの光を提供し、植物に赤、青、緑のスペクトルを与えます。白色光は色温度のスペクトルで評価され、冷たい光はより多くの青色光子を生成し、暖かい光はより多くの赤色光子を生成します。

多数の植物種が温室試験で評価され、植物のバイオマスと生化学的成分の品質が、野外条件と同等かそれ以上に高いことが確認されました。ミント、バジル、レンズ豆、レタス、キャベツ、パセリ、ニンジンの植物のパフォーマンスは、植物の健康状態と活力、成長促進の成功を評価することによって測定されました。プリムラ、マリーゴールド、ストックなどの特定の観賞植物の豊富な開花促進も確認されました。^{[ 20 ]}

フィリップスライティングが温室でさまざまな野菜を栽培するための最適な照明レシピを見つけるために実施したテストでは、光の強度、時間あたりの総光量、1日のどの時間帯に光が当たるか、1日あたりの明暗周期、光の質（スペクトル）、光の方向、植物への光の分布など、光の以下の側面が植物の成長（光合成）と植物の発達（形態）の両方に影響を与えることがわかりました。ただし、トマト、ミニキュウリ、ピーマンの間でのテストでは、最適な照明レシピはすべての植物で同じではなく、作物と地域によって異なるため、現在、試行錯誤に基づいて温室のLED照明を最適化する必要があると指摘されています。LEDライトが病害抵抗性、味、栄養レベルに影響を与えることが示されていますが、2014年現在、その情報を実用的に利用する方法はまだ見つかっていません。^{[ 21 ]}

初期のLED植物育成ライトの設計で使用されていたダイオードは、通常1/3ワットから1ワットの出力でした。しかし、現在では3ワットや5ワットといっ​​た高出力のダイオードがLED植物育成ライトで一般的に使用されています。高密度な栽培エリアでは、10ワットから100ワットのCOBチップが使用されることもあります。放熱の問題から、これらのチップは効率が低い場合が多いです。標準的なLED照明の力率は通常0.90以上ですが、高品質のLEDライトでは0.99程度になります。

葉焼けを防ぐため、LED植物育成ライトは、低ワット数（300ワット未満）の​​場合は植物から30cm、高ワット数（1000ワット以上）の場合は91cm離して設置する必要があります。  

歴史的に見ると、LED照明は非常に高価でしたが、時間の経過とともにコストが大幅に低下し、長寿命であることから人気が高まっています。LED植物育成ライトは、エネルギー効率を高め、長寿命を実現する設計上の特徴があるため、ワットあたりの価格が他のLED照明よりも高くなることがよくあります。特に、LED植物育成ライトは比較的高出力であるため、低温によって明るさと寿命の両方が向上することから、冷却システムが搭載されていることがよくあります。LEDは通常、LM-70に達するまで10,000～50,000時間持続します。

高輝度放電ランプは、第3世代の光源とみなされている。^{[ 12 ]}

蛍光灯はかつて最も一般的な室内栽培用照明でしたが、HIDランプがそれを凌駕しました。^{[ 22 ]}高輝度放電ランプは、ルーメン/ワット効率が高いです。^{[ 23 ]} HID ランプには、水銀蒸気、メタルハライド、高圧ナトリウム、変換ランプなど、いくつかの種類があります。メタルハライドランプと HPS ランプは、太陽光にやや近い色スペクトルを生成し、植物の栽培に使用できます。水銀蒸気ランプは最初のタイプの HID であり、街路灯に広く使用されていましたが、室内園芸では植物の成長に適したスペクトルが比較的劣るため、植物の栽培にはほとんど他のタイプの HID に置き換えられています。^{[ 23 ]}

すべての HID 栽培用ライトは動作に電気バラストを必要とし、各バラストには特定の電力定格があります。一般的な HID 定格には、150W、250W、400W、600W、1000W があります。600W HID ライトは、生成される光に関して最も電気効率が高く、次に 1000W が続きます。600W HPS は、1000W HPS よりも 7% 多く光 (ルーメン/ワット) を生成します。^{[ 23 ]}

すべてのHIDランプは同じ原理で動作しますが、電球の種類によって始動電圧や動作特性、形状が異なります。そのため、電球が物理的にねじ込めたとしても、適合するバラストがないと正常に動作しません。電球とバラストが一致しない場合、光量が低下するだけでなく、早期に動作しなくなったり、すぐに切れてしまうこともあります。^{[ 23 ]}

金属ハロゲン化物（MH）

メタルハライドランプは、光スペクトルの青色と紫色の部分を発光するHIDライトの一種で、春の屋外で見られる光に似ています。^{[ 24 ]}その光は太陽光の色スペクトルを模倣しているため、植物の色を歪めるHPSなどの他のタイプのHIDライトよりも、メタルハライドランプの下で植物がより美しく見えると考える栽培者もいます。そのため、植物を家の中に飾る場合（例えば観賞植物など）で、自然な色が好まれる場合に、メタルハライドランプがよく使われます。メタルハライドランプは、HPSライトの2倍の寿命があるのに対し、約1年に1回交換する必要があります。

メタルハライドランプは園芸業界で広く使用されており、根の強化、病気への抵抗力の向上、よりコンパクトな成長を促進することで、植物の初期発達段階をサポートするのに適しています。^{[ 24 ]}青色の光スペクトルはコンパクトで葉の多い成長を促し、葉の多い栄養繁殖植物の栽培に適している可能性があります。

メタルハライドランプは、ランプのワット数に応じて60～125ルーメン/ワットの明るさを発する。^{[ 25 ]}

現在、パルススタートバージョンのデジタルバラスト用に製造されており、電気効率が高く（1ワットあたり最大110ルーメン）、ウォームアップも速い。^{[ 26 ]} パルススタートメタルハライドの一般的な例としては、セラミックメタルハライド（CMH）がある。パルススタートメタルハライド電球は、クールホワイト（7000 K）からウォームホワイト（3000  K）、さらには紫外線が強い（10​​,000 K）まで、あらゆるスペクトルに対応できる 。

高圧ナトリウム（HPS）

高圧ナトリウムランプは、メタルハライドランプよりも効率的なHID照明の一種です。HPS電球は、黄色/赤色の可視光と、その他の可視光のごく一部を発光します。HPS栽培用ライトは、光スペクトルの赤色部分に多くのエネルギーを供給するため、開花や結実を促進する可能性があります。^{[ 22 ]}これらは、温室照明やメタルハライドランプの自然光の補助として、または屋内/栽培室の単独光源として使用されます。

HPS栽培用ライトは、150W、250W、400W、600W、1000Wのサイズで販売されています。^{[ 22 ]}これらのサイズの中で、600W HIDライトは、生成される光に関して最も電気効率が高く、次に1000Wが続きます。600W HPSは、1000W HPSよりも7%多くの光を生成します（ワット当たり）。^{[ 23 ]}

HPS電球は、電球のワット数に応じて60～140ルーメン/ワットの光を発します。^{[ 29 ]}

HPSランプの下で栽培された植物は、青色光や紫外線が不足するため、徒長する傾向があります。現代の園芸用HPSランプは、植物の成長に適したスペクトルに調整されています。HPSランプの大部分は、良好な成長を促す一方で、演色評価数（CRI）が低いという欠点があります。そのため、HPSランプの黄色っぽい光は、室内での植物の健康状態のモニタリングを難しくする可能性があります。ただし、自然光を利用する温室でHPSランプを補助照明として使用する場合は、CRIは問題になりません（自然光はHPSランプの黄色っぽい光を相殺するため）。

高圧ナトリウムランプは、電球の寿命が長く、標準的な白熱育成ライトに比べて消費電力1ワットあたりの光出力が6倍も高いという特長があります。その高い効率性と、温室で栽培される植物は必要な青色光を自然にすべて得られるという事実から、これらのランプは温室の補助照明として好まれています。しかし、高緯度地域では、年間を通して日照量が少ない時期があり、適切な生育のためには追加の光源が必要となります。高圧ナトリウムランプは、独特の赤外線および光学的特性を示すことがあり、昆虫やその他の害虫を引き寄せる可能性があります。これらの害虫は、栽培中の植物を脅かす可能性があります。高圧ナトリウムランプは多くの熱を発するため、茎が徒長する原因となることがありますが、これは特殊な空冷式ランプ反射板や筐体を使用することで制御できます。

蛍光灯は第二世代の光源とみなされている。^{[ 12 ]}

蛍光灯には、細長い形状のものから、小型のらせん状の形状のもの（コンパクト蛍光灯）まで、さまざまな形状があります。蛍光灯の色温度は2700Kから 10000Kまで、 発光効率は30lm/Wから90lm/Wまでです。植物栽培に使用される主な蛍光灯は、管状蛍光灯とコンパクト蛍光灯の2種類です。

コンパクト蛍光灯（CFL）

コンパクト蛍光灯（CFL）は、もともと予熱ランプとして設計された蛍光灯の小型版ですが、現在では急速点灯型も販売されています。CFLは、寿命が長く、電気効率もはるかに優れているため、家庭では白熱電球に取って代わっています。 ^{[ 29 ]}場合によっては、CFLは植物育成ライトとしても使用されます。標準的な蛍光灯と同様に、繁殖や比較的低い光量が必要な状況で役立ちます。

小型の標準的なコンパクト蛍光灯（CFL）でも植物の栽培は可能ですが、現在では植物栽培専用のCFLランプも販売されています。これらの大型コンパクト蛍光灯は、HIDランプのように植物に光を集中させるための特殊な反射板が付属していることが多く、一般的なCFL栽培ランプのサイズは125W、200W、250W、300Wです。

HIDライトとは異なり、CFLは標準的なモーグルライトソケットに適合し、別途バラストは必要ありません。^{[ 22 ]}

 コンパクト蛍光灯には、暖色/赤色（2700 K）、フルスペクトルまたは昼光色（5000  K）、寒色/青色（6500 K）のバージョンがあります 。開花には暖色赤色スペクトルが推奨され、栄養成長には寒色青色スペクトルが推奨されます。^{[ 22 ]}

コンパクト蛍光灯の植物育成ライトの使用可能寿命は約10,000時間です。^{[ 29 ]} CFLは電球のワット数に応じて44～80ルーメン/ワットの明るさを実現します。^{[ 25 ]}

異なるサイズのCFLにおけるルーメン値とルーメン/ワット値の例：

白熱電球は第一世代の光源とみなされている。^{[ 12 ]}

光量とは、植物が最適な成長のために毎日必要とする光の量を指します。従来、光量は W m ⁻²、ルーメン、またはルクスの単位で表されていました。これらの単位はエネルギー計算や人間の照明 (ルーメンとルクス) には役立ちますが、植物科学者は現在、光合成光子束密度(PPFD) を μmol m ⁻² s ⁻¹の単位で測定することを好みます。PPFD は、 ¹秒あたり平方メートルあたりに表面に当たる光子の量を明確に測定したもので、植物が光子とどのように相互作用するかをより正確に測定する方法です。^{[ 36 ]}

光量を測定するもう1つの便利な方法は、日積算光量（DLI）を用いることです。DLIは、PPFDと植物がそのPPFDにさらされる総時間数を考慮して、1日あたりの光子の総量をmol m ⁻² d ⁻¹単位で算出します。PPFDが一定であると仮定した場合のPPFDからDLIへの変換式は以下のとおりです。^{[ 37 ]}

DLI (mol m⁻² ^d⁻¹ ) ⁼ 0.0036 * PPFD (μmol m⁻² ^s⁻¹ ) ^*光照射時間

作物の光量要件は様々で、一般的に、特定の作物の光要件は、結実・開花期の作物の方が高く、栄養成長期の作物の方が低い。レタス、ほうれん草、ケール などの葉物野菜は、通常、低光量作物と考えられており、12～17 mol m ⁻² d ⁻¹の DLI を必要とする。トマト、キュウリ、ピーマンは20～30  mol m ⁻² d ⁻¹を必要とする。大麻は栽培植物の中で最も高い光要件を持つものの 1 つであり、最大 40  mol m ⁻² d ⁻¹の DLI を必要とする。^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}

光質とは、植物に与えられる光のスペクトル分布を指します。光質は波長に基づいて色に分類され、320～400ナノメートル（nm）はUVA、400～500  nmは青、500～600  nmは緑、600～700  nmは赤、700～750  nmは遠赤（近赤外線とも呼ばれる）です。光質は、例えば赤：青の比率3：2のように比率で表したり、450  nmの青色光と660  nmの赤色光のようにピーク放射照度で表したりすることもできます。光形態形成とは、光スペクトルに対する光媒介植物応答のことです。植物は、フィトクロム、クリプトクロム、フォトトロピン、ツァイルツペなどの光受容体のネットワークを介して電磁スペクトルの一部を感知することができます。各受容体は、電磁スペクトルの異なる部分を感知することができます。光スペクトルに関する情報は、種子の発芽、栄養成長から開花への移行のシグナル、アントシアニンなどの二次代謝産物の生成に影響を与える可能性がある。^{[ 41 ]}

さらに、多くの植物は開花を促すために、明暗両方の期間を必要とします。これは光周期性と呼ばれる現象です。そのため、照明は決まった時間に点灯または消灯されます。最適な明暗周期の比率は植物の種類や品種によって異なり、日が長く夜が短いものを好むものもあれば、その逆、あるいは中間的な「日長」を好むものもあります。

植物の発育について議論する際には、光周期に重点が置かれることが多い。しかし、植物の日長に対する反応に影響を与えるのは、暗期の時間数である。^{[ 42 ]} 一般的に、「短日」とは光周期が12時間以下の場合を指す。「長日」とは光周期が14時間以上の場合を指す。短日植物は、日長が臨界時間よりも短いときに開花する植物である。長日植物は、光周期が臨界時間よりも長い場合にのみ開花する植物である。日長中性植物は、光周期に関係なく開花する植物である。^{[ 43 ]}

光周期に応じて開花する植物は、任意的反応または絶対的反応を示す可能性がある。任意的反応とは、植物は光周期に関係なく最終的には開花するが、特定の光周期下で栽培すると開花が早まることを意味する。絶対的反応とは、植物は特定の光周期下で栽培された場合にのみ開花することを意味する。^{[ 44 ]}

ルクスとルーメンは一般的に光量を測定するために用いられる単位ですが、これらは人間の目で知覚される光の強度を測定する測光単位です。

植物が光合成に利用できる光のスペクトルレベルは、ルーメンで測定されるものと似ていますが、同じではありません。そのため、植物が光合成に利用できる光の量を測定する場合、生物学者は植物が受ける光合成有効放射量（PAR）を測定することがよくあります。 ^{[ 45 ]} PARは、400～700ナノメートルの太陽放射のスペクトル範囲を示しており、これは一般的に光合成生物が光合成の過程で利用できるスペクトル範囲に対応しています。

^{PAR の放射照度は、エネルギー束 (W/m 2} )の単位で表すことができ、これは光合成生物のエネルギーバランスの考察において重要です。しかし、光合成は量子プロセスであり、光合成の化学反応は、光子に含まれるエネルギー量よりも光子の数に依存します。 ^{[ 45 ]} そのため、植物生物学者は、特定の時間内に表面が受ける400～700 nm 範囲の光子の数、または光合成光子束密度 (PPFD) を使用して PAR を定量化することがよくあります。 ^{[ 45 ]}これは通常 mol m ⁻² s ⁻¹を使用して測定されますが、植物の成長に関連する値は、24 時間にわたって積算された PPFD である日積算光量 (DLI) です。ほとんどの植物種は、5～15 mol m ⁻² day ⁻¹の DLI でよく成長します。日陰に強い種は 1～3  mol m ⁻² day ⁻¹の DLI 値で生育でき、光を必要とする種は 30～50  mol m ⁻² day ⁻¹を容易に処理できます。^{[ 46 ]}