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      為什么要測量光合作用的輻射功率

      作者:LUYOR時間:2020-09-27 16:35:35瀏覽268 次

      信息摘要:

      由于促進光合作用的輻射波長范圍在 400 ~ 700nm 之間,所以測量單位時間該波長區域所輻射出來的總能量值,將其稱為促進光合作用的輻射功率(PARwatts)。相對于基于人眼反應的流明這種主觀的測量單位,PAR 功率是相當客觀的,其可以直接地表明有多少能量的光被有效地用于植物的光合作用。

      隨著科學技術,特別是生物科學和電光源事業的發展,人造光源越來越多地被用于花房、苗圃等地方以補充太陽光照的不足和促進植物的生長。與此同時,針對植物生長所需光照強度等參數的各種計算和測量方法也應運而生。本文主要介紹各種測量方法的物理含義,以及各種方法所使用單位之間的換算關系,最后介紹一種使用促進光合作用的輻射功率(PAR watts)方法來設計簡單的植物照明方案的一般步驟。

      光合有效輻照度計

      上圖為光合有效輻照度計

      促進光合作用的輻射和植物對光敏感曲線

      像水、二氧化碳、營養物質和環境因素一樣,光照的質量和強度是影響植物生長的最重要因素之一。近些年來,隨著人造光源和燈具價格的下降,高功率、高效率的光源問世,以及人類對生活質量的要求提高,人造光源在幫助植物生長方面的使用頻率越來越高,其主要運用于以下三種情況:

      (1)在光照較弱的地區,全年提供植物生長所需的所有的光;

      (2)在冬季日照時間很短且強度不大的情況下,為植物的生長補足所需光照;

      (3)為促進特定生長或開花時期的到來,在天黑后延長光照時間,促進植物生長,縮短培養周期。

      在考慮光照強度的同時,不能忽略光照質量對于植物的影響。像人類需要一個平衡的飲食一樣,用于促進光合作用的各種波長的輻射強度的選擇和搭配,對于保證植物的健康生長就顯得非常的重要。

      植物對于光譜中波長范圍約在 400 ~ 700 nm 之間的區域就像人眼一樣非常敏感,該波長范圍內的光被稱促 進 光 合 作 用 的 輻 射( photosynthetically activeradiation),或者簡稱 PAR。這個波長范圍與可見光的波長范圍基本吻合,然而植物對于這個區域的敏感程度卻和人眼有著完全的不同。人眼對光的敏感度峰值在黃綠區域,即 555 nm 波長處;但是植物與人眼的響應曲線不同,而且植物對于紅光和藍光的敏感度更大一些,其中在紅色區域的峰值出現在 630nm 左右。圖 1 和圖 2 分別是人眼和植物對于光的不同敏感曲線,可見兩者的曲線輪廓不同。


      不同波長的輻射對于植物的影響作用不同。葉綠素作為植物體內最豐富的色素,其最善于吸收紅光和藍光。園藝學家認為 450 nm 的藍光對于植物葉片和根系的生長具有極其重要的作用,600 ~ 700nm 的紅光卻有利莖的生長,并促進植物的開花和葉綠素的形成。而綠光則部分被例如胡蘿卜素和葉黃素之類的其它色素所吸收,然后將其用于光合作用,但是大部分的綠光將被反射以顯示葉片特有的葉綠色。還有許多其它的復雜生長過程需要來自于光譜中不同區域光的照射。因此對于正確的 PAR 光譜范圍大家眾說紛紜,但有一點可以是肯定的,適量的來自連續輻射光源的光對于植物的健康生長是非常必要的。

      對于植物用光的不同測量方法

      在測量人眼用光時,首先考慮的是光通量和光照度。光通量是在可見光范圍內輻射通量與人眼視見函數的積分,其單位是流明。由于光源所發出的

      光被分散到所能照到的所有區域。所以光照度的定義即照射到表面上一平方米的區域內的所有光通量,照度的單位是勒克斯(lx)。與此相似,“英寸—坎德拉”即照射到一平方英寸區域上的光通量。但由于光通量和輻射量的轉換需要用到人眼視覺函數(見圖 1),而人眼對于黃綠光特別的感,貢獻一般多來自于光譜的黃色區域,而藍光和紅光的貢獻則大部分都被忽略了。由此可見,流明和勒克斯不適用于植物的照明效果,兩者對于植物世界是毫無意義的?,F階段有兩種評價植物光照效果的基本測量方法———輻射能量或光子數。

      測量輻射能量法

      由于促進光合作用的輻射波長范圍在 400 ~ 700nm 之間,所以測量單位時間該波長區域所輻射出來的總能量值,將其稱為促進光合作用的輻射功率(PARwatts)。相對于基于人眼反應的流明這種主觀的測量單位,PAR 功率是相當客觀的,其可以直接地表明有多少能量的光被有效地用于植物的光合作用。


      植物被照射的程度可用每平方米上促進光合作用的輻射功率數來表示,對于這個單位沒有特定的名字,可將其認為是輻照度,單位寫作:瓦/ 平方米或 W/ m2。

      PAR watts 測量法已被有效地運用于農業、林業和海洋學等方面。例如,高產農田的一個要求就是具有合適的促進光合作用的輻射,因此,PAR watts被用于衡量農業投資的潛力;裝于森林不同高度的PAR 傳感器可用于測量輻射的有效率和利用率;在海洋學中,還用其計算海洋透光層的深度。

      計算光子數法(PPF PAR 法)

      光的輻射和吸收均是通過不連續的單元進行的,這個單元就是光子,光子是光傳遞能量過程中的最小單位。光源的功率可用每秒鐘光源輻射出多少光子數來標定。

      植物學家和研究者通常愿意采用每秒鐘照射到表面的光子流量這一方法,這就是 PPF PAR 法。

      PPF 表示光合作用的光子流量,即每秒照射到每一平方米區域上的光子數目。由于光子所攜帶的能量非常小,所以 PPF 所代表每秒鐘照射的光子數數字通常會很大,科學家們一般用微摩爾來表示光子的

      數量。如 1μmol 表示 6 × 1017個光子,1mol 代表 6 ×1023個光子。因此植物輻照度的單位現在可用兩種方法來表示,一種是 PAR watts 法所采用的瓦/ 每平方米,另一種是 PPF PAR 法所采用的微摩爾每平方米每秒,縮寫為 μ mol m - 2s - 1。有時也可用單位“愛因斯坦”來表示,1“愛因斯坦”單位即代表每秒鐘有 6 × 1023個光子照射到了 1 m2 的表面積上。


      以上 介 紹 的 兩 種 方 法———PAR watts 和 PPF PAR 雖然形式不同,但這兩種方法均不涉及與植物生長無關的人眼視見函數,所以均是測量植物生長用燈光輸出的有效方法。

      光合有效輻照度計防水探頭

      上圖為光合有效輻照度計外置防水探頭

      光合作用和光對植物形態的發生作用

      在光 合 作 用 和 光 對 植 物 形 態 的 發 生 作 用(photomorphogenesis)下,當光吸收不足時,植物葉片將會呈窄長形,莖桿較細,且植物總重量較輕;與此相反,在吸收了過量光線的情況下,植物將會干燥缺水、過度生長,而且由于葉綠素的破壞作用,植物還將顯示出顏色變淡等其他不良的癥狀。比較圖 1 和圖 2 的橫軸范圍可知,其實植物對光的反應波長區間大于可見光的范圍,一些科學家認為 PAR 的區域應該在 350 ~ 750 nm 之間,所以不可見區域中的紫外輻射和紅外輻射(有資料認為 800 nm 左右的紅外輻射對植物的光形態發生作用有著重要的影響)對于植物的生長也有一定的影響,而過度的紅外或紫外輻射也將會導致植物的不健康生長。在適合的光照強度下植物可以健康地生長,而且生長速度與照射的強度存在正相關的關系。圖 3所 示 的 是 一 種 典 型 的 海 藻 類 植 物 膠 球 藻(coccomyxa)在二氧化碳氣氛中、溫度為 25 ℃、輻照度為 600 PPF PAR 的情況下的相對生長速度。


      決定植物光合作用的主要因素是葉綠素,已有一些研究者從植物中提取出葉綠素來進行研究,計算出葉綠素對于不同波長輻射的反應,從而得出光合作用在不同波長輻射下的效率。有研究表明除了葉綠素外,還有例如胡蘿卜素和藻膽素等化合物也能產生光合作用。由此一來,植物的敏感曲線應該是含有多個變量的一個復雜的方程,而且不同植物間應該不完全相同。因此,在實際照明設計時,一般取一個平均值來對植物的生長進行衡量。


      除了光合作用可促進植物的生長外,發芽和開花之類的植物成長過程也需要不同波長的光照射,由 隱 花 色 素 ( cryptochrome ) 和 光 敏 色 素(phytochrome)控制的光對植物形態的發生作用甚至需要來自紫外和紅外的非可見光輻射。因此,在選擇光源之前必須首先搞清楚某一特定植物所需要光的光譜范圍和強度,而這些數據是植物學家研究的課題,本文介紹的是在取得這些數據后對光源的選擇?,F階段主要用于植物生長的光源是高壓鈉燈、金鹵燈和熒光燈。高壓鈉燈和熒光燈均有特定的輻射波長,而金鹵燈的輻射譜線范圍較寬。此類植物生長燈與普通照明光源不同,其針對植物所需的光譜,調整光源輻射范圍和強度,將更多的能量集中在如紅光和藍光等對于植物來說最敏感的區域。然后根據植物學家提供的數據采用多種光源進行不同的組合以滿足植物生長所要求的光譜范圍和強度。圖4 和表 1 所示的是某公司的產品類型及主要參量。



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