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光量子光合功效的定義

 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

https://www.allthingslighting.org/index.php/2020/06/26/defining-photosynthetic-photon-efficacy/

有關於光合作用光子通量問題的討論中,參數如下:

光合有效輻射(PAR)在某種程度上被任意定義為在400 nm700 nm光譜範圍內的光輻射。

將植物暴露於遠紅外輻射(定義為700 nm800 nm)會導致光合作用速率增加艾默生效應於1957年首次被發現,並被最新研究證實。

許多園藝燈具製造商現在在其產品中包括LED遠紅(725 nm)。

這些照明器的光合光子功效(PPE)受到PAR的影響,因為未考慮遠紅外輻射。

因此,需要更改PAR的定義,以便公平比較這些產品。

對於上述這個說法的答案是

光合光子功效

光合光子效率(PPE)定義為: 光合光子效率(Kp)是光合光子通量除以輸入電功率。單位是每瓦每秒微摩爾(μmol×s-1×We-1)或每焦耳微摩爾(μmol×J-1)。

忽略技術術語,關鍵是光子的微摩爾。當光子被光致色素(主要是葉綠素AB)吸收時,發生光合作用。根據斯塔克-愛因斯坦定律(又稱光化學第二定律),無論光子的波長如何,每一個光子都會發起一個化學反應。因此出於園藝目的,必須計算每秒的光子數量(以每秒微摩爾為單位),而不是流明或輻射瓦數。

McCree1972)測量了波長與光合作用之間的關係,以產生平均的“ McCree曲線。他還承認斯塔克-愛因斯坦定律,該定律解釋了400 nm700 nm之間的藍線。這代表著可以忽略任何光源在400700 nm範圍內的光譜功率分佈。使用校準的PAR量子)傳感器,可以測量每秒微摩爾的光子。

https://agfstorage.blob.core.windows.net/misc/HD_com/2020/06/29/photonefficacy2.jpg
                        McCree curve and PAR sensor response

艾默生效應

在最近的一篇論文中,Zhen and Bugbee2020)提出了一個論點,主張重新定義光合有效輻射,使其光譜範圍在400 nm750 nm之間。該論文的標題甚至包括短語重新定義光合有效輻射的含義。遠紅光子實際上是促進了光合作用的過程,並且在定義光合有效輻射時必須但是不應該(must, notshould)考慮在內。

但是,這並不意味著應該重新定義PAR指標。引用來自ZhenBugbee2020)的摘要:遠紅光子的單獨光合作用增加很少與傳統定義的光合光子共同作用時,遠紅光子在驅動冠層光合作用方面同樣有效。換句話說,假設光譜範圍在400750 nm之間,但是在不知道光譜功率分佈的情況下就不能明確地測量光源的光合光子功效。如果不了解該範圍內的整個光譜功率分佈,則無法預測光合作用的速率。

為了解決這個問題,目前對PAR的定義是假設高等植物的光合作用率相對於400 nm700 nm光譜範圍內的入射輻射,呈線性關係。顯然此假設適用於最小和最大輻照度限制,但是為了使PARPPE的概念具有任何意義,這是必要的。  艾默生效應違反了這一假設,使光合作用速率變為非線性。添加遠紅外輻射超過700 nm,將根據PAR輻射的光譜功率分佈改變速率。

這個問題不僅僅與具有725 nm遠紅色LED的園藝燈具有關。白光LED和塗有紅色熒光粉的LED中使用的大多數紅色熒光粉在遠紅色中都有大量發射,因此可能會引起艾默生效應。無論如何,仍然無法重新定義PAR的定義。這不是要用遠紅外發射源來懲罰園藝燈具,而是要簡單地採用一個有意義的指標。

https://agfstorage.blob.core.windows.net/misc/HD_com/2020/06/29/photonefficacy.jpg
LED growlight with phosphor red

光形態學考慮

遠紅外輻射還有其他併發症。包括遠紅LED的園藝燈具通常採用660 nm紅色和725 nm遠紅LED。這些波長與植物色素的PrPfr同型的峰吸收率很好地對應。後者是一種植物光感受器,負責從種子發芽到葉片衰老,避免遮蔭和晝夜節律的植物形態。通過提供固定的紅與遠紅(RFR)比率的燈具,燈具製造商才剛剛開始探索遠紅外線輻射的園藝可能性。

當前對光合有效輻射的定義,以及因此對光合光子功效的定義,是否對在其產品中包括遠紅色LED的園藝燈具製造商不利?從某種意義上說,答案是肯定的。但是,這是一個非常狹窄的問題視圖,僅有關註一個度量標準。目的應該是教育客戶,儘管該產品的PPE值可能較低,但遠紅外輻射還是一種增值功能。