光照強度、光周期和光分布

文章作者：騰昊科技發(fā)布時間：2021-09-07 14:33:38 瀏覽次數(shù)：2285次

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(fā)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(nèi)入射的光量子數(shù)，單位為mol/m-2·s-1

PPFD表示了光量子數(shù)量與光合作用間的相關(guān)性，可以評價光照強度對植物生長發(fā)育的影響。當(dāng)植物生長環(huán)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(dāng)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(chǎn)生光抑制作用，導(dǎo)致植物光合速率的降低。

依據(jù)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(fā)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(shù)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(shù)植物屬于這一種類。

不同植物所需求的PPFD有所區(qū)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。

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(yīng)，稱為植物的光周期現(xiàn)象。一般日照時間長短影響植物的形態(tài)建成、生物量積累、器官形成和開花等一系列生理現(xiàn)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(xiàn)，也會導(dǎo)致一些植物無法成花。多數(shù)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(fā)育的需要。

依據(jù)植物開花對于日照時間的反應(yīng)，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(jù)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(tǒng)，光源置于培養(yǎng)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(dāng)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(dǎo)致一些植物種類不能夠很好的生長發(fā)育。采用側(cè)光照系統(tǒng)可以極大的提高光能利用效率，側(cè)光照系統(tǒng)的光能利用效率是垂直光照系統(tǒng)的3-5倍。

側(cè)光照系統(tǒng)中的植株較頂光照系統(tǒng)的植株節(jié)間更短，植株不徒長，且植株的葉片數(shù)量較多，植株長勢較好。但目前側(cè)光照系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)還不成熟，不便于目前的植物工廠自動化生產(chǎn)管理，且成本較高。

在日常生產(chǎn)中，人們通過多種方法提高植物工廠頂光照系統(tǒng)的光能利用效率。調(diào)整頂光照系統(tǒng)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?yōu)橄蛳碌墓?，使植株的光照增?0-50%，在或者側(cè)面布置反光材料，可以使部分散射光變?yōu)閭?cè)光被植物側(cè)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(fā)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(yīng)，紅光有利于大部分植物的干物質(zhì)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(diào)節(jié)著植物的光形態(tài)建成。適當(dāng)增加遠紅光的比例，可促進植株莖的生長。

藍光波段是植物進行光合作用的次高峰區(qū)，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(diào)控作用。藍光可提高植物幼苗的根系活力，提高根系對養(yǎng)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(fā)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(tài)和生理影響較小，但對植物生長也會產(chǎn)生不同效果的影響。例如，UV-B (280-320nm)會導(dǎo)致植物色素褪色;UV-A (320-400nm)影響植物的光周期效應(yīng)，抑制莖的伸長;遠紅外(700-800nm)影響著植物的發(fā)芽和開花，黃綠光(500-600nm)可促進植物的光合系統(tǒng)的光合效率。

以往的研究發(fā)現(xiàn)，在植物的生長發(fā)育過程中，一般單色光不足以保證植物的良好生長，復(fù)合光可以有效解決這一問題。適度提高復(fù)合光中紅藍光源的比例，可促進植物工廠中種苗的生長發(fā)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(fā)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(fā)熱量較高，功率高，不利于多層立體栽培。熒光燈的發(fā)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(fā)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(yǎng)時需增加紅光光源進行補光處理。

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