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是否存在最佳生長光譜?
 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

資料來源:

https://www.heliospectra.com/growers-center/does-an-optimal-grow-light-spectrum-exist?utm_campaign=Q3%20Marketing%20Nurture&utm_medium=email&_hsmi=93930624&_hsenc=p2ANqtz-8g1e4Y1p556tfPX2hItCrX2tTgSc-V1K4293p4-bKJzBfBnoluDX5HoE7g3pKsHWLPOF4YRmjWb4A_62UEYn5TvGZ1Rg&utm_content=93930624&utm_source= hs_automation

光質的重要性

對於商業生產者來說,即使植物生長性能的微小差異也會對利潤產生重大影響。由於植物的生長是由光驅動的,因此為植物生產提供合適的照明非常重要。在LED 商業生長燈出現並在市場上具有競爭力之前,可能性是有限。因為生產者只能決定補充光強度而不是調整光品質(即光譜:人造光的顏色或波長分佈)。 LED 技術改變了一切。沒有標準 LED”之類的東西,因為園藝 LED 有不同的顏色,可以多種組合使用。光譜特徵和光子數量通常在藍色、綠色、紅色和遠紅色 (FR) 範圍內有所不同波段。

種植植物的最佳光譜是什麼?

在過去的幾十年裡,各大學、農業技術公司和園藝照明供應商的研究人員試圖了解植物如何捕捉和使用光以及它們如何反應不同的顏色成分,即光的光譜品質。這項工作尚未完成,但是了解到植物在類似於自然陽光的光線下生長最好。看起來很明顯,對吧?但細節並非微不足道。

窄譜

起初,許多科學家認為只使用紅光和藍光可以提高光合作用的效率。植物主要用來捕捉光的綠色色素葉綠素,在紅色和藍色區域具有吸收峰(即它們主要捕捉藍色和紅色光子)。但是我們沒有種植葉綠素,也沒有種植單一葉片。因此,了解通常具有復雜結構的整株植物如何捕捉光線十分重要。

一些 LED 植物生長燈僅使用藍色和紅色 LED 的組合。這種類型的光源通常具有最高的光子效率,這代表著燈將電能轉換為更多的光子。這些 LED 還可有效驅動植物光合作用,但主要是在頂部葉子上。因為紅光和藍光被如此有效地吸收,幾乎所有可用的光子都用在了樹冠的頂部。在藍光和紅光下生長的植物通常非常緊湊,光線不會深入樹冠。在這種情況下,下部葉子將無法獲得足夠的光線並開始死亡。因此,這種類型的窄光譜生長燈可用於某些應用。然而它並不能提供良好的照明環境,來支持大型植物的自然發育。

全光譜

全光譜生長燈是發出包含來自植物使用的整個光譜區域(即至少 350-750nm)的光子的光的燈具。全光譜一詞經常被園藝光生產商誤解。市場上許多全光譜生長燈發出的光僅覆蓋光合有效輻射 (PAR),而忽略了紫外線和短藍色波長。而且它們通常只含有少量的遠紅。因此,它們可以更準確地稱為廣譜燈而非全光譜燈。

只要保證足夠的光強度(PFD / DLI),任何平衡良好的廣譜或全光譜燈都可以在整個週期內生長健康的植物。然而,為了獲得最佳結果和產量,生產者應針對特定作物、生長環境和應用仔細選擇光譜組成。

平衡的廣譜或全譜被人類感知為白光。因此在生產設施中使用這種燈可以使植物看起來很自然,並可以目視檢測葉片變色、疾病或害蟲。它可以創造一個工作友好的環境,但我們需要先從植物的角度來看光譜。

光譜如何影響植物

光譜品質通常對植物光合作用沒有顯著的直接影響,但會影響植物形態,即植物的形狀。植物形狀具有視覺和商業重要性(例如,當植物在盆中出售時)。此外,植物的葉子大小、緊湊或鬆散的排列,以及總面積或占地面積都會影響植物捕獲的光量以及樹冠內可用的光量。這些因素反過來又會影響生長速度和產量。此外光的品質會影響生物量以及植物如何分配糖分以形成其莖、葉、花和果實。

重要的是要了解不同顏色的光不是獨立工作,而是協同工作。植物通常感知的不是光譜中特定顏色的光子的百分比,而是不同顏色的比例。植物有幾種感受器可以感知不同的波長並做出相應的反應。這些受體被一組波段激活並被其他波段失活。

這是一個動態過程,在平衡光下生長的植物具有活化和失活兩種形式,其比例取決於生長光的光譜組成。例如,光敏色素是一組對遠紅 (FR) 敏感的受體。

遠紅光主要負責植物莖、葉柄以及在某些物種中的葉子的延伸生長。它影響分枝和花卉生產。儘管 FR 不計入光合有效輻射 (PAR) 的一部分,但當遠紅光(高達 750 nm)與白光背景一起使用時,遠紅光(高達 750 nm)幾乎與白光一樣有效地驅動光合作用。為植物生產提供足夠比例的紅色和遠紅色光子可以影響植物的大小、形狀、開花、生物量以及種子和果實的品質。

紅光在驅動光合作用方面非常有效。生長光譜中紅光的存在平衡了遠紅光和藍光的影響。高比例的紅光通常會刺激莖的生物量分配。

藍光會抵消植物葉片和莖的伸長,並刺激光保護色素的產生。用大量藍光生長的植物短而緊湊,葉子相對厚、小、黑。藍光會刺激植物分枝,並可能影響開花和開花。因此,根據作物和您的栽培目標,生長光譜中的高比例藍色光子可能是需要的或不需要的。

由於綠色 LED 二極管的低功效,LED 生長燈光譜中的綠光通常來自白色 LED 的輸出。

在生長光譜中加入綠光不僅有助於人類視覺正確地看到植物,而且還可以促進光合作用。更重要的是,由於葉片表面對綠光的吸收率低,與紅色和藍色光子不同,綠色光子穿透葉片結構更深,進入冠層更深處,驅動那裡的光合作用。根據植物種類和生長階段,植物使用 70% 95% 的綠光。

綠光與藍光相反,刺激葉片大小增加並影響葉片位置。因此,不太緊湊的植物可以捕獲更大區域的光。綠光的存在可以對透入植物冠層的光產生積極影響,可以增加捕獲的光子總量並刺激產量。

與人類可見光相比,紫外線 (UV) 具有更短的波長和更高的頻率。它在很大程度上對生物體有害,但它也具有生物學重要性。例如,它用於人體皮膚中維生素 D 的合成。昆蟲可以看到紫外線,因此它們會被人類看不到的花朵圖案所吸引。

UV-A 是最長的波段,對植物和人類來說,是紫外線波長範圍內危害最小的波段。 UV-A 光可用於控制植物病害並刺激一些有助於植物味道和香氣的生化化合物的產生。一些生產者使用補充紫外線燈泡,一些 LED 植物生長燈在其光譜輸出中包含 UV-A。但是,有一個缺點。由於 UV 光子的高能量,UV LED 的量子效率較低。此外,在生長燈的光譜成分中包含 UV 需要用於光學元件和光學罩的特殊組件,這些組件不會劣化並具有高 UV 透射率。

儘管較長波長的 UV- A具有光合作用活性,但暴露在紫外線下的植物會產生保護性色素,用作防曬劑,以及其他生化化合物,保護它們免受多餘能量的影響。因此,紫外線可以刺激植物著色和生化特性,但與沒有紫外線生長的植物相比,暴露於紫外線的植物的生物量產生和產量通常較低。

那麼,是否存在最佳的生長燈?

了解 LED 生長燈、光譜品質和光輸出以及對作物生長性能的影響還有更多內容。現代 LED 照明解決方案提供更高效、更優質的作物生產。最佳的生長燈應該是為適合您的室內或溫室生長環境、地理位置而開發的,首先是適合您的特定作物和栽培要求、植物品種和生產週期。為了達到最佳效果,請選擇一種能夠滿足您植物的能量需求同時確保您想要的作物特性和結果的生長燈解決方案。始終建議諮詢專家,以幫助您將光品質與您的培養要求和目標相匹配。