光合作用有效光輻射測(cè)試原理--PAR, PPF, PPFD

光合作用有效光輻射測(cè)試原理--PAR, PPF, PPFD

陽(yáng)光對(duì)植物來(lái)說(shuō)是必不可少的，因?yàn)橹参镄枰�依賴�?yáng)光來(lái)進(jìn)行光合作用，我們都知道陽(yáng)光是一個(gè)連續(xù)光譜的光源，植物的光合作用主要是在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)進(jìn)行的。隨著科技的進(jìn)步，人們逐漸根據(jù)自然光的連續(xù)光譜特性，生產(chǎn)出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光源。根據(jù)植物的生長(zhǎng)特性，人們逐漸生產(chǎn)出可以替代自然光的植物光源來(lái)促進(jìn)植物的光合作用，然和生產(chǎn)出來(lái)的職務(wù)燈不一定與自然光一致，那么如何來(lái)評(píng)價(jià)植物燈光源的特性呢，流明,勒克斯,尺燭光這些參數(shù)對(duì)確定光對(duì)植物的要求，已成為過(guò)時(shí)的指標(biāo)來(lái)。最近,人們開(kāi)始把PAR,PPF,PPFD方法測(cè)量光合作用的光照明應(yīng)用，據(jù)我使用過(guò)的多種照度計(jì)，固潤(rùn)的光譜照度計(jì)GL Spectrolux比較符合用來(lái)測(cè)量植物光合作用有效輻射參數(shù)和光子通量密度，固潤(rùn)的光譜照度計(jì)能用來(lái)評(píng)價(jià)植物燈光源的光譜特性。  性能良好的植物燈是以決定適當(dāng)?shù)墓饩�水平促進(jìn)植物成長(zhǎng)快速,繁榮的植物，那么如何來(lái)測(cè)定植物燈的特性以及如何選擇光譜照度計(jì)成為關(guān)鍵因素，下面就固潤(rùn)的光譜照度計(jì)Spectrolux來(lái)談?wù)勚参锕夂献饔糜行л椛洌≒AR,PPF,PPFD）的基本原理。

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第一個(gè)測(cè)量是光合光子流量或“PPF”，它測(cè)量由一個(gè)光源每秒產(chǎn)生的光的總量。換句話說(shuō)，PPF告訴我們一個(gè)光源每秒發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)是多少。從技術(shù)上講，PPF測(cè)量的是“照明系統(tǒng)每秒發(fā)出的光合成的光子”。這個(gè)測(cè)量是用“微孔每秒”來(lái)表示的，盡管如此，PPF并沒(méi)有告訴我們測(cè)量的光有多少是在植物或其他表面上的。

第二種測(cè)量方法是PPFD測(cè)量到達(dá)植物或藻類的光。光合作用光子通量密度或“PPFD”是測(cè)量實(shí)際到達(dá)植物和藻類的光量，或者，科學(xué)家可能會(huì)說(shuō):“在給定的表面上每秒鐘發(fā)生的光合作用光子的數(shù)量�！盤(pán)PFD是一個(gè)“點(diǎn)”測(cè)量你的植物的樹(shù)冠上的一個(gè)特定的位置，它是以每平方米每秒的微孔來(lái)測(cè)量的。這種測(cè)量方法由科學(xué)家和光工程師來(lái)表示:mol/m2/s。

第三種測(cè)量方法是DLI(日光積分)，它測(cè)量每天送至植物的光的總量。種植者可以把DLI看作是植物每天的“劑量”，盡管科學(xué)家可能會(huì)說(shuō)DLI是一個(gè)累計(jì)的測(cè)量，它是在每天的光操作中到達(dá)植物和藻類的光子總數(shù)。DLI測(cè)量每平方米光子的“摩爾”數(shù)，并表示為:摩爾/m2/d。

DLI類似于雨水的總量在暴風(fēng)雨期間,與降雨量的速度(這是PPFD)。DLI最重要的指標(biāo)是決定植物和藻類的整體增長(zhǎng)速度。一旦你知道你的植物或藻類的首選DLI,您可以輕松地設(shè)置一個(gè)照明系統(tǒng)提供所需的光量。

在可見(jiàn)光中有大量的光子或光粒子——事實(shí)上，數(shù)量是如此之大，以至于我們無(wú)法用正常的數(shù)字來(lái)表示它，所以我們用了兩種常用的測(cè)量方法來(lái)測(cè)量大量的量。第一個(gè)數(shù)字,這被稱為摩爾,等于一個(gè)叫做阿伏伽德羅數(shù),也就是602214150000000000000000 !對(duì)于一個(gè)更容易控制的數(shù)字，微摩爾是一摩爾的萬(wàn)分之一。

PPF告訴我們每秒鐘有多少光子是由一個(gè)光源發(fā)出的。PPFD告訴我們，這個(gè)裝置在一秒內(nèi)將光子分布在一個(gè)一米的目標(biāo)(即你的植物和藻類)上。DLI告訴我們，在一個(gè)完整的光周期中，有多少光子被傳送到一個(gè)一米的目標(biāo)(即一天)。

每一個(gè)魚(yú)缸和照明系統(tǒng)都是不同的，有許多因素影響著燈具的總光量。雖然流明很容易測(cè)量，但它與給到植物和藻類的光量沒(méi)有任何的聯(lián)系。PAR,PPF PPFD, DLI是科學(xué)家、藻類研究人員、園藝家和實(shí)驗(yàn)室所使用的精確和一致的術(shù)語(yǔ)和測(cè)量方法。PPF告訴我們每秒鐘有多少光子是由一個(gè)照明裝置產(chǎn)生的，但是它并沒(méi)有告訴我們這些光子在哪里著陸。這就是為什么我們需要PPF密度或PPFD的原因。

定義光合作用的輻射(PAR)，這不是一種測(cè)量或度量，像英尺，英寸或公斤。PAR定義了在植物生命中支持光合作用所需的光的類型。光合光子通量(PPF)測(cè)量光源每秒發(fā)出的總光(光子)。PPF告訴我們一個(gè)光源發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)是多少。以微每秒的量來(lái)測(cè)量，并表示為:摩爾/秒。光合光子通量密度(PPFD)，測(cè)量每秒鐘到達(dá)目標(biāo)的光(光子)。PPFD以每平方米每秒1米的面積測(cè)量，并以摩爾/m2/s表示。日光積分(DLI)累計(jì)測(cè)量光(光子)的總光量(光子)，在光操作過(guò)程中達(dá)到目標(biāo)。DLI以摩爾/m2/d為單位，以每平方米的摩爾數(shù)來(lái)測(cè)量。光子是物理學(xué)家給光粒子的名字�？衫�用自然或人造光來(lái)促進(jìn)植物生命的光合作用。

生物的生長(zhǎng)速率直接受光照射的影響，波長(zhǎng)在300~400nm的紫外光與700~800nm的近紅外線（遠(yuǎn)紅光）會(huì)影響生物的生化反應(yīng)及其外觀。特別在400~700nm的光線與植物與藻類的光合作用有密切的關(guān)系，此頻譜的光稱為光合作用有效光（Photosynthetically Active Radiation，簡(jiǎn)稱PAR）。

而光合作用有效光（PAR）范圍內(nèi)光子的數(shù)量較佳的測(cè)量基準(zhǔn)是測(cè)量其光合作用光子通量密度（Photosynthetic Photon Flux Density，簡(jiǎn)稱PPFD），此為『于波長(zhǎng)400-700nm區(qū)間，單位時(shí)間內(nèi)落到單位面積上的光子的數(shù)量』，其常用單位為μmol/（sec㎡）或μE/（sec㎡）。

下圖為固潤(rùn)光譜照度計(jì)Spectrolux ，可測(cè)量來(lái)自太陽(yáng)與其它光源的輻射，測(cè)量340~780nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)的能量，測(cè)量數(shù)值單位為W/㎡。其Sensor模擬光合有效函數(shù)，以確實(shí)符合使用上的需求。目前多數(shù)國(guó)外產(chǎn)品也以此為產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向，以符合專業(yè)使用者的需求。

輻射照度測(cè)量范圍：0.03 to 600 w/m2（可換算為μmol / ㎡ 或μE / ㎡·s或Photon/㎡·s）

照度測(cè)量范圍：1 lx to 200.000 lx

Why 380~700nm？

自然光的波長(zhǎng)是380~700nm，這也是最適合水草生長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍。而波長(zhǎng)小于400nm的有一段叫做紫外線的光線，對(duì)水草也有一定的影響，而且是負(fù)面影響。7%的紫外線中又可分為三級(jí)不同之波長(zhǎng)（均對(duì)水草有不同之作用）：C級(jí)紫外線（200-280）占3%—對(duì)大多數(shù)水草都有害；B級(jí)紫外線（280-320）占9%—對(duì)大多數(shù)水草都有害；A級(jí)紫外線（320-380）占88%—對(duì)水草有益，使葉片加厚具有殺菌作用。推薦使用儀器：人工氣候箱，人工氣候培養(yǎng)箱。人工氣候培養(yǎng)箱是一種能夠自行設(shè)定溫度、濕度和光照度的儀器，也就是能夠控制水草所受到的環(huán)境因素—光線這一參數(shù)，這對(duì)于研究植物與光線之間的關(guān)系帶來(lái)了很大的方便。

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對(duì)水草影響較甚的光線，主要是三大類。紫外線、可見(jiàn)光和紅外線。下面我們就來(lái)具體分析下這三大類光線。

第1波段的輻射光：是含有大量能量的紫外線，但部份的紫外線都被臭氧層所吸收。所以我們較關(guān)心的是與農(nóng)膜有密切相關(guān)的部份：紫外線-b（波長(zhǎng)280—320nm）及紫外線-a（波長(zhǎng)320—380nm），這二種波段的紫外線有其不同的作用如：對(duì)植物的花產(chǎn)生著色的作用。

第2波段的輻射光：是可見(jiàn)光（波長(zhǎng)400—700nm），相當(dāng)于藍(lán)光、綠光、黃光及紅光，又稱為PAR，即光合作用活躍區(qū)。是植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的最重要可見(jiàn)光部份。藍(lán)光與紅光是在PAR光譜帶中最重要的部份，因?yàn)橹参镏械暮它S素能有效的吸收此一部份的光線，而綠光則不容易被吸收。

第3波段的輻射光：是紅外線，又可分為近紅外線和遠(yuǎn)紅外線。 

近紅外線（波長(zhǎng)780—3,000nm）的光基本上對(duì)植物是沒(méi)有用的，它只會(huì)產(chǎn)生熱能。 

遠(yuǎn)紅外線（波長(zhǎng)3000—50,000nm），這一部份的輻射線并不是直接從太陽(yáng)光而來(lái)的。它是一種帶有熱能分子所產(chǎn)生的輻射線，一到晚上就很容易散失掉。

水草對(duì)光譜的敏感性與人眼不同。人眼最敏感的光譜為555nm，介于黃-綠光。對(duì)藍(lán)光區(qū)與紅光區(qū)敏感性較差。水草則不然，對(duì)于紅光光譜最為敏感，對(duì)綠光較不敏感，但是敏感性的差異不似人眼如此懸殊。水草對(duì)光譜最大的敏感地區(qū)為400~700nm。此區(qū)段光譜通常稱為光合作用有效能量區(qū)域。陽(yáng)光的能量約有45%位于此段光譜。因此如果以人工光源以補(bǔ)充光量，光源的光譜分布也應(yīng)該接近于此范圍。

光源射出的光子能量因波長(zhǎng)而不同。例如波長(zhǎng)400nm（藍(lán)光）的能量為700nm（紅光）能量的1.75倍。但是對(duì)于光合作用而言，兩者波長(zhǎng)的作用結(jié)果則是相同。藍(lán)色光譜中多余不能作為光合作用的能量則轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃�。換言之，水草光合作用速率是由400~700nm中植物所能吸收的光子數(shù)目決定，而與各光譜所送出的光子數(shù)目并不相關(guān)。但是一般人的通識(shí)都認(rèn)為光顏色影響了光合作用速率。水草對(duì)所有光譜而言，其敏感性有所不同。此原因來(lái)自葉片內(nèi)色素（pigments）的特殊吸收性。其中以葉綠素最為人所知曉。但是葉綠素并非對(duì)光合作用唯一有用的色素。其它色素也參與光合作用，因此光合作用效率無(wú)法僅有考慮葉綠素的吸收光譜。

光合作用路徑的相異也與顏色不相關(guān)。光能量由葉片中的葉綠素與胡蘿卜素所吸收。能量藉由兩種光合系統(tǒng)以固定水分與二氧化碳轉(zhuǎn)變成為葡萄糖與氧氣。此過(guò)程利用所有可見(jiàn)光的光譜，因此各種顏色的光源對(duì)于光合作用的影響幾乎沒(méi)有不同。

有些研究人員認(rèn)為在橘紅光部份有最大的光合作用能力。但是此并不表示植物應(yīng)該栽培于此種單色光源。對(duì)植物的形態(tài)發(fā)展與葉片顏色而言，植物應(yīng)該接收各種平衡的光源。

藍(lán)色光源（400~500nm）對(duì)植物的分化與氣孔的調(diào)節(jié)十分重要。如果藍(lán)光不足，遠(yuǎn)紅光的比例太多，莖部將過(guò)度成長(zhǎng)，而容易造成葉片黃化。紅光光譜（655~665nm）能量與遠(yuǎn)紅光光譜（725~735nm）能量的比例在1.0與1.2之間，植物的發(fā)育將是正長(zhǎng)。但是每種植物對(duì)于這些光譜比例的敏感性也不同。

結(jié)合固潤(rùn)光譜照度計(jì)Spectrolux能對(duì)光源光合作用有效輻射以及光子通量密度進(jìn)行測(cè)量，提供相應(yīng)的解決方案以滿足行業(yè)應(yīng)用需求。固潤(rùn)光譜照度計(jì)Spectrolux能幾秒鐘內(nèi)在LED顯示屏上產(chǎn)生精確的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行快速評(píng)估。手持便攜式的光譜照度計(jì)可用于評(píng)估照明設(shè)施和LED燈具的快速控制，甚至支持應(yīng)用和銷(xiāo)售工程師去定量突出現(xiàn)代照明系統(tǒng)。光譜照度計(jì)應(yīng)用于高端實(shí)驗(yàn)室、研發(fā)和進(jìn)料質(zhì)量控制，為照明專業(yè)人員提供簡(jiǎn)單可靠的光譜輻射照度測(cè)量?jī)x，為行業(yè)應(yīng)用需求提供相應(yīng)的解決方案。