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      光照強度、光周期和光分布

      文章作者:zhuobo 發布時間:2020-12-30 14:14:45 瀏覽次數:0

        在太陽能輻射中,對植物光合作用有效的那部分光譜所散發能量稱為光合有效輻射(photosynthetically active radiation),簡稱PAR。

        通常評價光合有效輻射的計量單位為光合量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density),縮寫為PPFD,它表示光合有效輻射中的光通量密度,是指單位時間單位面積上在植物可吸收波長范圍內入射的光量子數,單位為mol/m-2·s-1。

      光照強度、光周期和光分布

        PPFD表示了光量子數量與光合作用間的相關性,可以評價光照強度對植物生長發育的影響。當植物生長環境中的二氧化碳、水和溫度滿足植物需要時,PPFD直接影響植物的光合速率:PPFD在植物的光補償點以上時,隨著PPFD的增大,植物的光合速率不斷上升,直至植物的光飽和點。當達到和超過植物的光飽和點后,光合速率不再增加,過剩的光能還可能產生光抑制作用,導致植物光合速率的降低。

        依據植物對于生長光照強度的要求,植物一般可分為陽生植物、中生植物和陰生植物。

        陽生植物需在強光照強度下生長發育健壯,如仙人掌科、薔薇科等;

        陰生植物只有弱光照強度條件下才能生長良好,如多數的蘭科植物、天南星科植物和蕨類植物;

        中生植物既可以在充足的光照下生長良好,也能忍耐不同程度的遮蔭,多數植物屬于這一種類。

        不同植物所需求的PPFD有所區別,一般陽生植物的PPFD較高,而陰生植物所需求的PPFD較低,因此在人工光植物工廠的光照強度管理時,要把握不同植物對光照強度的需求。

      光照強度、光周期和光分布

        一天之中,白天和黑夜的相對長度稱為光周期,植物對白天和黑夜相對長度的反應,稱為植物的光周期現象。一般日照時間長短影響植物的形態建成、生物量積累、器官形成和開花等一系列生理現象。光照時間過短,植物無法進行充分的光合作用,造成生長緩慢、徒長、瘦弱等生長問題出現,也會導致一些植物無法成花。多數植物工廠的植物來說,每天給予14-16小時的光照,8-10小時的黑暗,即可滿足生長發育的需要。

        依據植物開花對于日照時間的反應,人們將植物分為長日植物(須大于12小時的光照時間才能開花)、短日植物(小于10小時的光照時間才能開花)和日中性植物(開花對光照時長不敏感)。因此植物工廠補光需根據采收要求,合理的對植物進行補光時間的處理。

        植物工廠的光照分布一般多為頂光照系統,光源置于培養容器上方30-40cm處,光垂直照射下方的植株。頂光照垂直照射的方式便于日常操作和管理,但當隨著植物株高的增長,冠幅的增大,大量的光被高的植株中途擋截,僅有少量的光可被植物的下部葉片吸收利用,這樣導致一些植物種類不能夠很好的生長發育。采用側光照系統可以極大的提高光能利用效率,側光照系統的光能利用效率是垂直光照系統的3-5倍。

        側光照系統中的植株較頂光照系統的植株節間更短,植株不徒長,且植株的葉片數量較多,植株長勢較好。但目前側光照系統應用于生產還不成熟,不便于目前的植物工廠自動化生產管理,且成本較高。

      光照強度、光周期和光分布

        在日常生產中,人們通過多種方法提高植物工廠頂光照系統的光能利用效率。調整頂光照系統的光照方向,可以減少光的散失;在燈管上方布置反光材料,使光反射變為向下的光,使植株的光照增加40-50%,在或者側面布置反光材料,可以使部分散射光變為側光被植物側面吸收利用。

        太陽光中的光譜極寬,但可以被植物有效吸收利用的光譜波長是非常有限的。一般認為,太陽光中280-800nm波長范圍的光是植物可吸收利用的光,這部分光影響著的植物的生長發育。而這個波段中,起主要作用的是藍光波段(400-500nm)和紅光波段(600-700nm)。

        紅光波段是葉綠素最強的吸收光帶,對植物有著最強的光合效應,紅光有利于大部分植物的干物質積累,增大植株的葉片面積,加快植株葉片的生長速率。通常紅光與遠紅光(700-800nm)共同作用于植物的光敏色素(phytochrome),調節著植物的光形態建成。適當增加遠紅光的比例,可促進植株莖的生長。

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        藍光波段是植物進行光合作用的次高峰區,是植物葉綠素和類胡蘿卜素的強吸收帶,對植物的生長和生物量的積累亦有調控作用。藍光可提高植物幼苗的根系活力,提高根系對養分的總吸收面積和活躍吸收面積,有利于植物根系的生長發育。

        除去紅藍光波段,植物對其他波段的光的吸收利用較少,因此對于植物形態和生理影響較小,但對植物生長也會產生不同效果的影響。例如,UV-B (280-320nm)會導致植物色素褪色;UV-A (320-400nm)影響植物的光周期效應,抑制莖的伸長;遠紅外(700-800nm)影響著植物的發芽和開花,黃綠光(500-600nm)可促進植物的光合系統的光合效率。

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        以往的研究發現,在植物的生長發育過程中,一般單色光不足以保證植物的良好生長,復合光可以有效解決這一問題。適度提高復合光中紅藍光源的比例,可促進植物工廠中種苗的生長發育,改善植株長勢。

        目前為止,植物工廠使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈和發光二極管(LED)。早期的植物工廠多使用采用高壓鈉燈用于植物的補光,但其光譜缺少植物生長必須的紅藍光譜,發熱量較高,功率高,不利于多層立體栽培。熒光燈的發射光譜范圍可在350-750nm之間,光譜性能較好,較高壓鈉燈相比,發光效率更高,功率較低,但其紅光光譜波峰值較低,一般在植物培養時需增加紅光光源進行補光處理。

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        LED是目前植物應用最為廣泛的人工光源,LED可散發植物所需要的各種單色光,根據生產需要,可進行不同光譜的組合,滿足植物的生長發育對于光譜的需求;作為冷光源,它具有散熱量小的優點,可以很好的用于植物工廠的多層立體栽培;電能轉換效率也較高,節電效果為熒光燈和高壓鈉燈的數倍;同時兼具環保、壽命長、少維護等特點,因此是目前植物工廠應用較多的主流光源。

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