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植物灯光谱技术的几个重要概念
点击次数:163 发布时间:2020-07-30
  目前,各国对于植物灯光谱参数基本采用光量子单位表述,从应用来看,采用光量子单位表述光谱参数较为科学,也有助于植物光合作用的研究,同时,也有利于其他环境控制量如CO2的计算与控制,对于光质的研究,已经从单纯的光合作用发展到光形态建成关联,对于FR部分的光质也需要设计在植物灯光谱里,而采用PPF_PAR法无法描述Fr的作用,所以,采用PPFD描述具有局限性,需要采用YPFD描述。
 
  随着对植物吸收光谱的研究深入,LED的植物灯光谱设计开始转向以种植环境为基础的光质与光量的匹配设计,其目的不仅是符合植物生长所需的光合作用,最重要是实现植物品质的提升,实现植物食用口感与营养均衡成为未来植物灯光谱设计的方向。
 
  YPF与YPFD
 
  随着对植物生理的研究深入,PAR的波长定义域产生了局限性,对于LED光源,这个局限性表现尤为突出,于是引入YPF与YPFD参数。
 
  产生的光子通量YPF(YieldPhotonFlux)
 
  是指在人造光源所发出的一段波长范围里,每秒辐射出的光子微摩尔数量,单位umol/s。通常认为的波段是360-760nm,对于LED光源,波长范围设定为380-800nm。
 
  YPF与PPF的区别是YPF的波长范围更大。
 
  产生的光子通量密度YPFD(YieldPhotonFluxDensity)
 
  与YPF相对应的是每平方米每秒辐射的微摩尔数,单位umol/m2s,是密度的概念。
 
  YPFD是表示在一平方米范围里的YPF。
 
  YPFD是个与辐射距离相关的物理量,与照射的距离的平方成反比。
 
  YPFD更能准确的表达LED植物灯光质和光量。
 
  对于单色的430-660nm的LED光源,YPF=PPF,其他光谱PPF<=YPF。
 
  对于YPFD概念,目前的论文有三种观点,一个是YPFD仅仅表示在其波长定义域范围内的光合光子通量密度,一个是在其波长定义域内通过植物相对量子效率曲线(RQE)修正后的光合光子通量密度,还有一个观点就是YPFD表示植物吸收了的光子通量。
 
  显然,第三种观点是错误的,如果预先知道吸收了多少光子,那么植物灯光谱技术研究已经接近完美,而现在的情况是我们还不清楚的光合光谱以及吸收波段的权重;此外,YPFD与PPFD的基本概念是种植工艺的预设值,是光辐射能的保证量。
 
  第二种观点有以下的问题:
 
  1)RQE具有局限性,莫克利的RQE是基于植物叶片的研究,而不是植物冠层的整体研究。
 
  2)RQE并未形成各国采用的标准,
 
  3)学术上对植物光合效率的加权权重在蓝光段还是红光段也存在着争议。
 
  4)采用RQE加权后的光谱实际应用效果并不明显。
 
  5)RQE曲线还在不断研究中,或者会被新的植物光合效率曲线取代。
 
  6)采用RQE修正后的LED光源参数在各个研究课题的数据评价中容易产生混乱。
 
  7)PAR对365-400nm以及700-780nm表述存在局限性,需要有可以涵盖这些波段的量纲(YPFD)去表述。
 
  所以,我们认为YPFD参数是表述在更宽的波段内能产生光合作用的光合光子通量密度。
 
  光量子能效QE
 
  人造光源在400-700nm波长范围内,单位电能转换为光量子的效率用PPF/W表示,光子能效QE表述的是光源对光量子的转换能力。
 
  光子能效计算式:QE=PPF/W单位:umol/J,(W:光源耗电功率)。
 
  QE是与光谱形态相关的参数,这个参数值越高,PPFD值越大,在相同PPFD值时表示人造光源越节能,QE值存在绿光含量大而引起效率失真的问题,对于LED光源,是基于相同光质下的比较。
 
  QE参数是光谱设计的原始参数,QE是与光谱测量技术相关的参数,光谱参数测量不准,QE值失真,QE值失真会导致光谱设计结果出现非常大的误差。
 
  目前,农用钠灯的QE最大到2.2,LED光源的QE最大到2.1。
 
  LED灯珠、LED植物灯、其他光源的植物灯,QE必须标注,且需要与光质一起标注。
 
  日光合量(DLA)
 
  在植物灯的问题中,提的最多的问题是什么光谱?多少PPFD?
 
  如果不提供种植品种与环境条件,其实这个问题是无法准确回答的,植物种植是光辐射能的转换过程,光辐射能在这个转换过程遵循能量守恒定律,对于某一品种的植物,首先要确定植物每天需要的光辐射能量,否则,一系列参数的计算就没有依据。
 
  日光合量DLA指人造光源在光周期下每天每平方米的PPFD所产生的光子的摩尔数量,单位:mol/m2d。
 
  由于植物灯的光量在光周期下是恒定的,DLA的计算式:
 
  DLA=0.0036*PPFD*PP。PP-光周期(小时)
 
  DLA是依据植物品种与种植环境综合计算得出,不同植物的DLA不同。
 
  DLA是植物工厂与温室补光的种植工艺的主要参数,是植物灯设计的主要依据,DLA可以通过实验数据或者通过DLI经过加权后初步得出,需要实验数据修正。在我们的种植工艺专家系统里,我们给出的是植物每天每平方米合理需要的辐射能量DLA,这个量值关系到种植成本与种植品质,DLA参数是在农业科学研究太阳光的DLI参数基础上发展而来,具有理论依据。

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