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400-700nm以外的光線如何影響植物生長

 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

Source:  https://eyehortilux.com/grow-lights-grow/beyond-par-lighting/

研究人員正在努力確定室內植物栽培的最低給光要求。人工燈具必須產生1.6μmol/Journ的最小光合光子通量(PPF. Photosymthetic Photon flux)才能滿足這一個新標準。雖然這是朝著正面方向邁出的第一步,但是這個指標並不能代表光源對植物生長的全面影響,也沒有說明在植物生長的不同階段,其光源是如何影響。

過去兩年,大麻的室內種植已經大量增加。大麻種植合法的國家其能源消耗量也飆升。據估計,2012年種植大麻的能源佔全國農業總能源產量的1%。大麻的室內種植現已成為各國最快的能源密集型產業。

電力公司已經注意到此現象,並且為生產者提供退稅方式以獎勵他們降低能耗的方法。許多能源供應商將生長燈使用作為減少能源的主要領域。他們希望規範與限制現行使用的照明類型。新建立的≥1.9μmol/Joule PPF的光源標準提供一個基本底線。這個標準很快將對於種植者及其大麻質量和數量產生影響。

但是此新標準僅有關注PAR(光合有效輻射)範圍內的PPF。換句話說,此標準僅關心照明系統產生線400700nm範圍內能量的效率。研究結果雖然表明了400-700nm範圍在光合作用方面最為有效。但是PAR量測很容易被誤解和錯誤應用。因而對植物提供了不足光源。

以下的光譜圖顯示了低壓鈉燈(LPS)光譜與高壓鈉燈(HPS)光譜。

https://eyehortilux.com/wp-content/uploads/2017/07/Low-Pressure-Sodium-Spectrum-for-post.jpg

1. 低壓鈉燈(LPS)光譜

https://eyehortilux.com/wp-content/uploads/2017/07/High-Pressure-Sodium-Spectrum-for-post.jpg

2. 高壓鈉燈(HPS)光譜。

LPS光譜的光源質量與HPS相比,非常有限。但LPS產生的光源能量遠遠大於HPS LPSPAR效率實際上高於任何其他光源的PAR效率。通過PPF效率計算,LPS可以滿足現行標準的最小值1.6μmol/ Joule。但是LPS整個光譜中缺乏完全的光線光譜,因此將會導致植物生長非常不良。

PAR量測僅計算400-700nm之間存在的光子總量。因此對於420nm處的光子,660nm處的光子或是PAR範圍內的任何其他nm的光子並不會加以區分。然而已有研究表明植物光感受器(Photoreceptors)受到UVA / UVB300-400nm)和遠紅(700-800nm)波長光刺激。遠紅外波長顯示會增加光合作用。

許多種植者已發現特別光譜的好處,例如陶瓷金屬鹵化物(Ceramic Metal Halide),增強光譜T5螢光燈和日光金屬鹵化燈(Daylight Metal Halide)等照明產品。這些燈與PAR輸出值不如雙端HPS生長燈管(Double Ended HPS)。但是他們確實生產出更高質量的大麻。

植物生長不只有光合作用。 PAR區域的紅光和藍光僅是光合作用反應中葉綠素吸收所需要的光源的一個起點。 PAR範圍之外的光質影響了根生長,細胞結構,節間間隔,味道,氣味,resin生產,CBDTHC生產以及植物能夠繁殖,複製,營養生長和生殖生長等的速度。這些特徵屬於發生光形態”(Photomorphogenesis)

發生光形態的產生是光源對於植物生長,發育和分化等所給予的控制,這些功能獨立於光合作用。植物中的不同受體(例如植物色素,隱花色素和光敏素),其對光源反應,在光譜中未包括在PAR的範圍。例如,UVAUVB<400nm)以及遠紅(> 700nm)對植物生長具有顯著影響,因此不應該忽視它們。尤其在制定一個作物照明的指標。

植物使用紫外線以刺激光合作用,雖然與其他波長光源相比,其刺激作用較少。但是紫外線可以提供其他益處和問題。過多紫外線會導致細胞損傷,紫外線暴露過多甚至殺死植物。與其他較長波長的光相比,UVA315-400nm)和UVB280-315nm),由於高散射效率,可以更深入地滲透到土壤和水中。因此由光子能量吸收角度有利於植物播種。具體地說,UV對植物早期生長有顯著影響。 UVR8UVB光感受器啟動分子信號傳導途徑,會導致基因的表達發生變化。此輸出信號導致UVR8依賴性的反應,包括UV-B誘導的光形態發生與及UV-B吸收黃酮醇的積累。更重要的是,UVR8 UV-B訊號傳導代表植物如何能夠感知其光環境,相應地調節發芽,因此調節其生長。

植物需要接近紅外波長的範圍內的紅光。植物專家都知道植物喜歡紅光,特別是在660nm範圍與其周圍。但是植物也喜歡遠紅光,其光譜在730nm範圍內和周圍。許多研究已經表明,稱為植物色素的受體,在紅色和遠紅色光源的平衡時能夠茁壯成長。但是現有 PFF指標不包括任何遠紅色光源。因此,在缺乏這種光源的情況下,植物的生長必須依靠完全黑暗來維持它們的日常生長循環。因此抑制植物有更好的生長質量和更快的開花和收穫的循環時間。

光靜止狀態Photostationary State,(PSS)是植物其光形態發生反應的良好指標。此特性更接近的描述植物對紅色和遠紅色光譜的反應,及對於更深的藍色和紫外光範圍的反應。PPF光譜忽略了光輻射(400-700nm)的上端和下端。PSS考慮了植物內的植物色素(圖3)。光敏色素是一種光可逆的雙脂蛋白,從種子萌發至開發都影響植物也包括光合作用的狀態。

https://eyehortilux.com/wp-content/uploads/2017/07/fig-5-1-269x300.jpg

PSS是光敏紅色素(Pr)的整合能量。來自紅色光敏素(Pr)和遠紅色光敏素(Pfr)總和兩者比例值(圖4)的直接積分。在1988年的研究已證明這一點。使用光譜數據以確定光合效率和光敏色素的平衡(Sager, Smith, Edwards and Cyr. 1988)。

https://eyehortilux.com/wp-content/uploads/2017/07/formula-1.jpg

4.

雖然PSS可能還有其他參數需要考慮。但是PSS本身比起PFF就是一個更好的比較指標,可採用以評估不同的光源及其對植物的影響能力。傳統的高壓鈉燈,金屬鹵化燈和螢光燈T5以及LED都是如此。為了達到這一點,測試和測量照明的實驗室將需要將其量測降低至300nm的光譜功率分佈。大多數研究室現在只能測量到380nm範圍,少數能夠達到350nm。這樣並不能顯示紫外線對植物的全部影響。現有儀器所有量測數都可以到達800nm。因此現在的挑戰是降低到300nm水準,也因此可以正確地表達PSS。對於燈具製造商是一項小額投資。唯有如此,燈具行業才能夠將人造光源特徵化,根據農業和園藝業需求用於比較分類照明光源。唯有如此才可以建立節約能源,發放退稅與促進生產最佳作物。