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植物生长如何选择设计LED植物照明灯?

发布日期:2020-12-08 15:39  文章来源:http://www.mo139.com/ 文章作者:法国.德尔实 浏览次数:
    植物生长如何选择设计LED植物照明灯?
 
    作为现代农业的一个重要分支,植物工厂的概念已经成为热点。在室内种植环境中,植物光照是光合作用必不可少的能源。LED植物生长灯具有传统补光灯所不具备的压倒性优势,将成为垂直农场、温室等大型商业应用中主灯或补光灯的首选。
植物生长如何选择设计LED植物照明灯?
 
    植物是这个星球上最复杂的生命形式之一。种植植物简单、困难、复杂。除了植物照明,许多变量相互影响,平衡这些变量是种植者需要理解和掌握的高超艺术。但是就植物照明而言,还有很多因素需要仔细考虑。
 
    首先要知道太阳的光谱和植物对光谱的吸收。从下图可以看出,太阳光谱是连续光谱,其中蓝色和绿色光谱强于红色光谱,可见光谱范围为380~780nm~780nm。然而,植物生长中有几个关键的吸收元素,影响植物生长的几个关键生长素在光吸收光谱上有显著差异。所以LED植物生长灯的应用不是一件简单的事情,而是很有针对性的。有必要介绍光合作用植物生长的两个主要因素的概念。
 
    植物的光合作用依赖于叶片叶绿体中的叶绿素,叶绿素是与光合作用有关的最重要的色素。它存在于所有能产生光合作用的生物中,包括绿色植物、原核蓝藻和真核藻类。叶绿素吸收光能,将二氧化碳水合物成碳氢化合物。
 
    叶绿素a为蓝绿色,主要吸收红光;叶绿素B为黄绿色,主要吸收蓝紫光。主要是区分阴生植物和阳生植物。遮荫植物的叶绿素b与叶绿素a的比值较小,因此遮荫植物可以很好地利用蓝光,适应遮荫。叶绿素a和叶绿素b有两个强吸收带:波长为630~680nm的红光区和波长为400~460nm的蓝紫光区。
 
    类胡萝卜素是一类重要天然色素的总称,常见于动物、高等植物、真菌和藻类的黄色、橙红色或红色色素中。到目前为止,已经发现了600多种天然类胡萝卜素。植物细胞中产生的类胡萝卜素不仅吸收和转移能量以帮助光合作用,而且保护细胞免受激发的单电子键氧分子的破坏。类胡萝卜素吸收303~505nm范围内的光,提供食物的颜色,影响人体对食物的摄入;在藻类、植物和微生物中,它们的颜色无法显示,因为它们被叶绿素覆盖。
 
    在LED植物生长灯的设计和选择过程中,有几个误区需要避免,包括以下几个方面:
 
    1.光波长的红蓝波长比。
 
    作为两种植物光合作用的两个主要吸收区域,LED植物生长灯发出的光谱应该主要是红光和蓝光。但不能简单用红蓝比来衡量,比如4:1,6:1,9:1等等。
 
    植物种类繁多,习性不同,不同的生长阶段也有不同的光照需求。植物生长所需的光谱应该是具有一定分布宽度的连续光谱。用光谱窄的红蓝芯片做光源显然不合适。实验中发现植株偏黄,叶茎较轻,叶茎较细等。国外已有大量关于植物对不同光谱响应的研究,如红外部分对光周期的影响,黄绿色部分对遮荫效应的影响,紫色部分对病虫害和营养物质的影响等。
 
    在实际应用中,经常会发生幼苗被烧毁或枯萎的情况,因此必须根据植物种类、生长环境和条件有针对性地设计该参数。
 
    2.普通白光和全光谱。
 
    植物“看到”的光效和人类肉眼看到的光效是不一样的。我们常用的白光灯无法代替太阳光,如日本广泛使用的三基色白光灯管等。这些光谱的使用对植物的生长有一定的作用,但效果不如LED做的光源。
 
    对于前几年广泛使用的以三原色为主的荧光灯管,虽然合成了白色,但是红、绿、蓝光谱都是分开的,光谱宽度很窄,连续部分的光谱强度相对较弱,功率相对LED还是太大,是能耗的1.5~3倍。专为植物照明设计的全光谱LED优化了光谱。视觉效果虽然还是白光,但包含了植物光合作用所需的重要光线。
 
    3.光强参数PPFD。
 
    光量子通量密度(PPFD)是测量植物光强的一个重要参数。既可以用光量子表示,也可以用辐射能量表示。指光合作用中光的有效辐射光通量密度,表示单位时间和单位面积内400~700nm波长范围内入射到植物叶片和茎上的光量子总数。单位为μem-2s-1(μmolm-2s-1)。光合有效辐射(PAR)是指波长在400~700纳米范围内的总太阳辐射。
 
    植物的光补偿饱和点,也叫光补偿点,是指PPFD需要高于这个点,这样光合作用才能大于呼吸作用,植物的生长大于消耗,植物才能生长。不同的植物有不同的光补偿点,不能简单地认为可以达到某个指标,比如PPFD大于200μmol·m-2s-1。
 
    过去使用的照明器反射的光强度是亮度,但由于植物生长的光谱因其光源离植物的高度、光的覆盖范围以及光能否通过叶片等而发生变化。然而,在研究光合作用时,用PAR作为光强的指标是不够准确的。
 
    一般阳性植物ppfd>50μmol·m-2s-1即可启动光合作用机制。而阴生植物PPFD仅需20μm2·s-1。因此,在安装LED植物生长灯时,可以根据这个参考值进行安装和设置,并选择合适的安装高度,以达到理想的PPFD值和叶面均匀性。
 
    4.轻配方。
 
    光公式是最近提出的新概念,主要包括光质、光量和持续时间三个因素。简单理解,光质是最适合植物光合作用的光谱;光量是合适的PPFD值和均匀度;持续时间是辐射的累积值和昼夜时间的比值。荷兰农学家发现,植物通过红外光与红光的比例来判断昼夜的交替,日落时红外光的比例大大增加,所以植物反应快,很快就睡着了。没有这个过程,植物需要几个小时来完成这个过程。
 
    在实际应用中,需要通过测试积累经验,选择最佳组合。
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