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關於白光的神話綠光是否會更深地滲透到樹冠中?

 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

https://www.lighting.philips.com/main/products/horticulture/hortiblog/light-and-growth/myth-surrounding-white-light

在溫室或垂直農場中,光可能是植物生長最佳化的最重要考慮因素。在這些園藝環境中,當缺乏自然採光或根本沒有自然採光時,需要使用人工照明。關於用於農作物生長的特定光譜,尤其是使用白色,綠色或廣域光譜光,存在一些神話。這是一系列採訪中的第一場,我們朝向Signify的植物專家Esther de Beer來消除關於白光的這些神話。在第一次採訪中,我們問了一個問題:綠光是否會深入到樹冠中?

  

我們的LED燈和陽光有什麼區別?

陽光包含的紅,綠,藍和遠紅光其能量大致相等。在Signify,我們的LED照明解決方案提供了針對植物生長和能源效率而最佳化的顏色組合。LED照明的優點之一是可以定制此光譜。不同的農作物需要不同的光譜,但是我們公司大多數光譜具有相對較少的綠光。關於白光和綠光的使用,存在一些神話-例如,後者會更深地滲透到樹冠中,從而導致更好的生長。

人們為什麼認為綠光更深地滲透到樹冠中?

植物是綠色的,這代表著綠光被植物的葉子部分反射。因此,綠光更深地滲透到樹冠似乎是非常合理的。為了對此進行調查,我們對農作物冠層進行了多次量測,發現了一些令人驚訝的結果。

到目前為止,許多研究人員已經量測了單一葉片的光學特性。眾所周知,光被葉子吸收,反射或透射。通過對單葉的這些量測,他們發現綠光的吸收率約為80%,而藍光和紅光的吸收率更高,約為90%。同樣葉子只有約10%的綠光透射,而紅色和藍色的光只有百分之幾。遠紅光的吸收率也低得多。由此看來,綠色光比紅色和藍色光更深地滲透似乎是合理的。

但是,從單一葉子的量測得出結論十分是有風險的,因為較大的葉冠其中的光透射要復雜得多。為了瞭解光譜和強度如何隨樹冠變化,我們決定採用一種實用的方法,並在商業溫室條件下量測實際植物葉冠出現在不同高度處的光譜。

這是否代表著在真實的植物冠層中,綠光的行為有所不同?

讓我們首先看圖1。在這裡,我們量測了玫瑰花葉冠層中三個不同高度的光(在德爾菲改進中心的溫室中量測,2018年)。首先,藍線顯示在農作物正上方測得光量與光譜分佈(這是陽光光譜)。之後,我們在樹冠的一半高度處量測(紅線),最後在樹冠的底部進行量測(可剪切作物的高度)(灰線)。

 The light measured at three different heights in a rose canopy

 Graph 1. The light measured at three different heights in a rose canopy 

 1.玫瑰冠層在三個不同高度處測得的光 

 

我們注意到的第一件事是,當您越往下移時,光合有效輻射光水平(PAR光,覆蓋400-700 nm的波長)會大大降低。事實證明,農作物吸收了95%的PAR光。要注意的第二件事是,對於遠紅光(在700-800nm之間的範圍內),強度的降低要小得多。從低的葉片吸收和700nm以上波長的高透射率可以預期到這一點。不幸的是在這張圖中,與紅色和藍色光相比仍然很難看出,綠色光(在500600 nm之間的區域)是否在樹冠中穿透得更深。

您如何進一步調查綠光是否更深地滲透到樹冠中?

為了對此進行更詳細的研究,我們查看了PAR光譜範圍中不同顏色的相對數量。在曲線圖2中,綠色條表示PAR光譜中綠色的相對量。在樹冠的頂部,PAR光譜(400- 700nm)的26%在綠色範圍內。如果綠光更深地滲透到樹冠中,您會期望綠條會增加,但是實際上保持不變。

 The relative amounts of red and green in PAR light

 Graph 2 The relative amounts of red and green in PAR light

 2 PAR燈中紅色和綠色的相對數量

但是,改變的是紅色和遠紅色之間的比率。如果回顧圖1中樹冠的頂部,則紅色和遠紅色(在700-800nm之間的範圍內)的數量大致相等。當我們降低位置該比例,變化非常大。相對而言,當我們在樹冠下方時,會顯示更多遠紅色。

  

這僅適用於玫瑰冠層,其他農作物的綠光如何?

上面的方法還在2020年在Wageningen UniversityResearch Bleiswijk的溫室中的番茄作物中進行了測試。可以在圖3中看到結果。這些量測結果與玫瑰冠層的量測結果相近,只是現在光譜的間隔量測只有50厘米。還是有同樣的結果。綠色在PAR的比例隨高度恆定,而紅色與遠紅色的比例則變化。

在玫瑰和番茄作物中。到目前為止,大多數PAR光都被作物吸收。一小部分穿過不受遮擋的樹冠樹葉。正是這個小數目決定了令人驚訝的發現。與紅色和藍色相比,在樹冠的底部有相等數量的綠光。 

The light measured at different heights in a tomato canopy

 Graph 3 The light measured at different heights in a tomato canopy

 3番茄冠層在不同高度處測得的光

 

因此,關於綠光更深地滲透到農作物的神話:是真的還是假的?

我們打破了這個神話:這些結果非常清楚地表明,與紅光或藍光相比,綠光沒有更深地滲透到樹冠中。我們可以得出這個結論,因為綠色與/ PAR比例在不同的高度都是恆定的,因此不會被樹冠吸收,也不會深入到農作物中。同樣可以得出結論,紅色/遠紅色比率隨高度顯著降低。這些試驗清楚地表明,遠紅光是唯一比其他顏色更深地穿透到樹冠中的光。