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光照强度、光周期和光分布

文章作者:zhuobo 发布时间:2020-12-30 14:14:45 浏览次数:0

  在太阳能辐射中,对植物光合作用有效的那部分光谱所散发能量称为光合有效辐射(photosynthetically active radiation),简称PAR。

  通常评价光合有效辐射的计量单位为光合量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density),缩写为PPFD,它表示光合有效辐射中的光通量密度,是指单位时间单位面积上在植物可吸收波长范围内入射的光量子数,单位为mol/m-2·s-1。

光照强度、光周期和光分布

  PPFD表示了光量子数量与光合作用间的相关性,可以评价光照强度对植物生长发育的影响。当植物生长环境中的二氧化碳、水和温度满足植物需要时,PPFD直接影响植物的光合速率:PPFD在植物的光补偿点以上时,随着PPFD的增大,植物的光合速率不断上升,直至植物的光饱和点。当达到和超过植物的光饱和点后,光合速率不再增加,过剩的光能还可能产生光抑制作用,导致植物光合速率的降低。

  依据植物对于生长光照强度的要求,植物一般可分为阳生植物、中生植物和阴生植物。

  阳生植物需在强光照强度下生长发育健壮,如仙人掌科、蔷薇科等;

  阴生植物只有弱光照强度条件下才能生长良好,如多数的兰科植物、天南星科植物和蕨类植物;

  中生植物既可以在充足的光照下生长良好,也能忍耐不同程度的遮荫,多数植物属于这一种类。

  不同植物所需求的PPFD有所区别,一般阳生植物的PPFD较高,而阴生植物所需求的PPFD较低,因此在人工光植物工厂的光照强度管理时,要把握不同植物对光照强度的需求。

光照强度、光周期和光分布

  一天之中,白天和黑夜的相对长度称为光周期,植物对白天和黑夜相对长度的反应,称为植物的光周期现象。一般日照时间长短影响植物的形态建成、生物量积累、器官形成和开花等一系列生理现象。光照时间过短,植物无法进行充分的光合作用,造成生长缓慢、徒长、瘦弱等生长问题出现,也会导致一些植物无法成花。多数植物工厂的植物来说,每天给予14-16小时的光照,8-10小时的黑暗,即可满足生长发育的需要。

  依据植物开花对于日照时间的反应,人们将植物分为长日植物(须大于12小时的光照时间才能开花)、短日植物(小于10小时的光照时间才能开花)和日中性植物(开花对光照时长不敏感)。因此植物工厂补光需根据采收要求,合理的对植物进行补光时间的处理。

  植物工厂的光照分布一般多为顶光照系统,光源置于培养容器上方30-40cm处,光垂直照射下方的植株。顶光照垂直照射的方式便于日常操作和管理,但当随着植物株高的增长,冠幅的增大,大量的光被高的植株中途挡截,仅有少量的光可被植物的下部叶片吸收利用,这样导致一些植物种类不能够很好的生长发育。采用侧光照系统可以极大的提高光能利用效率,侧光照系统的光能利用效率是垂直光照系统的3-5倍。

  侧光照系统中的植株较顶光照系统的植株节间更短,植株不徒长,且植株的叶片数量较多,植株长势较好。但目前侧光照系统应用于生产还不成熟,不便于目前的植物工厂自动化生产管理,且成本较高。

光照强度、光周期和光分布

  在日常生产中,人们通过多种方法提高植物工厂顶光照系统的光能利用效率。调整顶光照系统的光照方向,可以减少光的散失;在灯管上方布置反光材料,使光反射变为向下的光,使植株的光照增加40-50%,在或者侧面布置反光材料,可以使部分散射光变为侧光被植物侧面吸收利用。

  太阳光中的光谱极宽,但可以被植物有效吸收利用的光谱波长是非常有限的。一般认为,太阳光中280-800nm波长范围的光是植物可吸收利用的光,这部分光影响着的植物的生长发育。而这个波段中,起主要作用的是蓝光波段(400-500nm)和红光波段(600-700nm)。

  红光波段是叶绿素最强的吸收光带,对植物有着最强的光合效应,红光有利于大部分植物的干物质积累,增大植株的叶片面积,加快植株叶片的生长速率。通常红光与远红光(700-800nm)共同作用于植物的光敏色素(phytochrome),调节着植物的光形态建成。适当增加远红光的比例,可促进植株茎的生长。

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  蓝光波段是植物进行光合作用的次高峰区,是植物叶绿素和类胡萝卜素的强吸收带,对植物的生长和生物量的积累亦有调控作用。蓝光可提高植物幼苗的根系活力,提高根系对养分的总吸收面积和活跃吸收面积,有利于植物根系的生长发育。

  除去红蓝光波段,植物对其他波段的光的吸收利用较少,因此对于植物形态和生理影响较小,但对植物生长也会产生不同效果的影响。例如,UV-B (280-320nm)会导致植物色素褪色;UV-A (320-400nm)影响植物的光周期效应,抑制茎的伸长;远红外(700-800nm)影响着植物的发芽和开花,黄绿光(500-600nm)可促进植物的光合系统的光合效率。

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  以往的研究发现,在植物的生长发育过程中,一般单色光不足以保证植物的良好生长,复合光可以有效解决这一问题。适度提高复合光中红蓝光源的比例,可促进植物工厂中种苗的生长发育,改善植株长势。

  目前为止,植物工厂使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯和发光二极管(LED)。早期的植物工厂多使用采用高压钠灯用于植物的补光,但其光谱缺少植物生长必须的红蓝光谱,发热量较高,功率高,不利于多层立体栽培。荧光灯的发射光谱范围可在350-750nm之间,光谱性能较好,较高压钠灯相比,发光效率更高,功率较低,但其红光光谱波峰值较低,一般在植物培养时需增加红光光源进行补光处理。

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  LED是目前植物应用最为广泛的人工光源,LED可散发植物所需要的各种单色光,根据生产需要,可进行不同光谱的组合,满足植物的生长发育对于光谱的需求;作为冷光源,它具有散热量小的优点,可以很好的用于植物工厂的多层立体栽培;电能转换效率也较高,节电效果为荧光灯和高压钠灯的数倍;同时兼具环保、寿命长、少维护等特点,因此是目前植物工厂应用较多的主流光源。

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