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植物的光质需求——植物生长灯的光参数研发方向

光照是植物生长发育和农业生产的关键环境要素,光合作用是地球上物质无机有机转化的主要受波长在300mm到800mm范围内能够被绿色植物叶绿素或光受体吸收。世界范围内,20世纪70年代以前,由于只有发射连续光谱的电光源,人们对植物光合作用有效光质种类、光质种类的光合作用效率的了解处于停顿状态,缺乏研究手段来认识植物光谱需求是否具有选择性这一问题,普遍认为植物只有在连续光谱人工光或太阳光下才能完成生活史。

自20世纪60年代起,红光LED的发明为植物光质生物学研究提供了工具。90年代蓝光的发现推动了光质生物学研究。研究证实,光合有效辐射光谱中不同光质对植物光合作用和形态建成的重要性是不等同的,其中红光和蓝光对植物光合作用最为重要,植物光合作用相对量子效率较高。这种光质效率的差异为确定以红光、蓝光质为核心的人工光栽培植物提供了初步的科学依据。

​在众多研究中,具有里程碑意义的报道是关于LED红蓝组合光可以替代荧光灯等的连续光谱栽培高等植物的研究成果,这些结果奠定了以IED红蓝光质

为核心的人工光栽培的基础。 Goins等(1997)研究表明,小麦可在红光LED光源下完成生命周期,但生物量和种子产量与荧光灯相比明显不足,当补充10%的蓝光后显著增加了小麦的生物量和种子产量,效果与荧光灯相似。 Goins等1998)以拟南芥为试材,得到了类似的结果。红蓝组合光可以代替连续光谱进行人工光植物栽培,这一结论对园艺作物栽培具有普遍适用价值。所以,植物光谱需求具有选择性、不连续性和替代性,为设施园艺人工光栽培提供了生物学理论支撑。其意义在于,将人工栽培从连续光谱简化到红蓝复合光质,为设施园艺用LED光源与灯具的研发提供了依据,简化了灯具设计,降低了制造成本(刘文科和杨其长,2014)。

采用LED红蓝组合光代替太阳光和传统连续光谱光源进行人工光植物生产的技术突破,为LED人工光植物工厂栽培提供了理论基础。目前,关于植物光质需求与效率已达成共识,即植物必需光质种类是不连续的,有选择性的,红光、蓝光是植物正常生长发育、完成生活史的必需光质,其他可见光质种类和远红光为有益光质。但是,为了实现植物生长发育和产量品质的特殊目标,有时需要在红蓝组合光基础补加一些特殊光质成分,可称之为有益光质,包括红蓝以外的其他可见光质、UV和远红光等。

对设施作物而言,光质需求与分布特征具有时空差异,也具有植物种类与品种差异。植物生长发育的光质的本质需求分阶段性,在萌发阶段(通常为春季)需要IR和热量;在营养生长阶段(夏季)需要较多的蓝光,重点进行光形态建成;到了秋季需要更多红光,促进光合作用和碳水化合物的累积、储存与利用。

植物光合作用时,辐射能量按波长或频率进行分布。在植物生理学中,多用“光质”表示辐射光谱特性。光辐射响应(植物的)指植物对入射辐射的响应,可分为光合响应和光形态响应两种。光合响应指由植物的营养生长和产能确定的对入射辐射的响应。光合响应指由植物的营养生长和产能确定的对入射辐射的响应。光形态响应指植物和形态对入射辐射的响应,由光敏色素及其光固定状态控制,包含植物的发芽,色素的合成和形态发育。光合有效辐射(PAR)指照射到植物上的被植物吸收用于光合作用的特定波段范围内的辐射能。

研究表明,植物可以吸收利用太阳光中连续光谱中的多种光质,但具有特定的光谱响应曲线,一般在红光区和蓝光区存在吸收峰,峰值分别为660m和460mm。所以,红蓝光对植物的光合作用和光形态建成具有重要意义。植物的光谱响应曲线因植物种类不同略有差异,与人眼光谱光视效率曲线差异巨大,其峰值存在于555m。所以,太阳光并非植物生长的最佳光谱,但太阳光是免费的和可再生的。现代设施农业植物生长补光或者全人工光种植的植物需要消耗大量的照明用电,过多的光辐射或者无法被植物利用的光辐射都将造成能源的浪费,从而降低照明系统的效率。

提高植物生长补光照明系统的效率有两大途径。其一,确定植物种类及品种的光谱响应曲线、红蓝光需求比例,以及所需的光照总量和光周期;其二,按照植物光环境需求提供人工光照明系统。光照作为植物生长过程中的一种营养素,既要保证植物的健康生长,又要最大限度地节约照明能耗,提高照明系统效率。实际上,可见光的光量子的能量与波长成反比。比如,1mol的700nm红光光量子能量为171kJ,而1mol的400mm的紫光光量子能量为293kJ,所以可见光能量范围为170~300kJ。与不同光质(波长范围)的光具有明显不同的生理效应,包括对植物的形态结构光合作用和器官生长发育的不同影响。植物的干物质生产是这些效应的总结果,植株干重的大小是反映光质效应的正负、大小的最重要、最有说服力的指标。

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