植物人工氣候室之光照系統(tǒng)的分類及選擇

植物的生長速度和形態(tài)受到很多環(huán)境因子的影響，其中光照是最重要的一個(gè)因子。本文通過介紹歐洲人工氣候室主要供營商Aralab的光照系統(tǒng)，幫助大家了解目前有哪些光照系統(tǒng)可應(yīng)用于人工氣候室，以及什么樣的光照系統(tǒng)才是適合我們的。



光作為環(huán)境信號作用于植物，是影響植物生長發(fā)育的眾多外界環(huán)境（光、溫度、水、CO2、礦物質(zhì)等）中最為重要的條件。其重要性不僅表現(xiàn)為光合作用對植物體的建成的作用上，光還是植物整個(gè)生長和發(fā)育過程中的重要調(diào)節(jié)因子，是貫穿植物體后期生長發(fā)育整個(gè)過程的。

實(shí)驗(yàn)室植物生長箱中是通過不同的燈來模擬不同光照的，常見的有傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈、LED燈、金屬鹵素?zé)舻取?868年，俄羅斯植物學(xué)家AndreiFamintsyn，是第一個(gè)將人造光用于植物生長和研究的人。

植物生長燈光照強(qiáng)度的衡量通常使用的單位是µmoles/m²/s，即光量子通量密度，一般是用來測量光合有效輻射的。太陽輻射中能被綠色植物用來進(jìn)行光合作用的那部分能量稱為光合有效輻射，即Photosynthetically Active Radiation，簡稱PAR。它是形成生物量的基本能源,直接影響著植物的生長、發(fā)育、產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。PAR有三種計(jì)量系統(tǒng)：
1）光學(xué)系統(tǒng)，用光照度(lux)來度量，這種系統(tǒng)是以人眼對亮度的響應(yīng)特征為基礎(chǔ)的；
2）能量學(xué)系統(tǒng)，用某一特征波長范圍內(nèi)即光合有效波段內(nèi)的輻射通量密度(Wm-2)來度量；
3）量子學(xué)系統(tǒng)，用光量子通量密度(µmoles/m²/s)來度量，太陽直接輻射光量子通量的氣候?qū)W計(jì)算方法。

所以一般照明燈具的光照度的單位使用的是Lux，而植物生長燈光照強(qiáng)度通常使用的是µmoles/m²/s這一單位。

以下介紹幾種常見的人工氣候室植物生長燈種類：

1、白熾燈：白熾燈是一種熱輻射光源，最接近于太陽光色，顯色性好，光譜均勻而不突兀。白熾燈（包含鹵素?zé)簦┑墓庾V是連續(xù)而且平均的。但在所有的照明燈中，白熾燈的效率幾乎是最低的。它所消耗的電能只有約2%可轉(zhuǎn)化為光能，而其余部分都以熱能的形式散失了。至于使用壽命，通常不會(huì)超過1000小時(shí)，鹵素?zé)艟捅纫话愕陌谉霟粢�長很多。所以白熾燈作為植物生長燈并不算多。

2、熒光燈：也叫日光燈，是一種較常見的植物生長燈，其中使用最多的是冷白熒光燈。傳統(tǒng)型熒光燈即低壓汞燈，是利用低氣壓的汞蒸氣在通電后釋放紫外線，從而使熒光粉發(fā)出可見光的原理發(fā)光，因此它屬于低氣壓弧光放電光源。普通熒光燈管涂鹵素?zé)晒夥�，填充氬氣、氪氬混合氣體。相比白熾燈，發(fā)熱量小很多，發(fā)光效率高很多，使用壽命高于白熾燈、低于LED燈，約15000小時(shí)；但是熒光燈管顯色性能較低，光譜分布非常不均，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太陽光，不屬于高效節(jié)能電光源。熒光燈的光照強(qiáng)度組合可以達(dá)到200~450µmoles/m²/s，適合組織培養(yǎng)、擬南芥研究等應(yīng)用。


▲ 一種冷白熒光燈的光譜圖和應(yīng)用

3、LED燈：其中使用最廣泛的是白色LED燈，用于模擬太陽光照。相對于熒光燈，白色LED燈具有更全的光譜范圍，且發(fā)熱量更小，光照強(qiáng)度也要高一些，組合可達(dá)到200~1000µmoles/m²s甚至更高的光照強(qiáng)度。此外，白色LED燈的能耗僅為白熾燈的1/10，壽命可達(dá)5萬小時(shí)以上，抗震性也較好，而且不含鉛汞等，綠色環(huán)保。


▲ 一種白色LED燈光譜圖和應(yīng)用

當(dāng)前的技術(shù)可以使LED燈發(fā)出白、紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫等多種顏色。而在植物培養(yǎng)領(lǐng)域使用的除了白色，還有紅、綠、藍(lán)和遠(yuǎn)紅等LED光源。其中：

• 藍(lán)光（400~500 nm），可增強(qiáng)光合作用和葉綠素的合成，防止植物徒長，另一方面抑制植物根莖細(xì)胞和器官的伸長，比較適合多肉植物、莖葉類，所有植物小苗育苗，鐵皮石斛植物使用。
• 紅光（600~700 nm），促進(jìn)植物生長、發(fā)芽、開花、結(jié)果，在植物增色中起著主導(dǎo)作用，促進(jìn)植物光和作用，更適合花卉、果實(shí)、菜溫室補(bǔ)光。
• 遠(yuǎn)紅光（700~800 nm），用LEDs補(bǔ)充遠(yuǎn)紅輻射（發(fā)射峰734nm）使花色素苷、類胡蘿卜素和葉綠素含量降低，而使植株鮮重、干重、莖長、葉長和葉寬增加。補(bǔ)加FR對生長的促進(jìn)作用可能是由于葉面積增加而導(dǎo)致的對光吸收的增加。低R/FR條件下生長的擬南芥比高R/FR下生長的植物葉片大而厚、生物質(zhì)數(shù)量大，冷適應(yīng)能力強(qiáng)。不同比例的R/FR還可以改變植物的抗鹽性。
   
  
  ▲ 白、紅、藍(lán)三色光植物生長箱
  
  
  ▲ 藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光光譜圖
  
  4、高性能LED燈：高性能LED燈的光照強(qiáng)度相對于一般白色管狀LED燈要更高。國際上高性能LED燈使用較多的是芬蘭的Valoya，專注于植物生物學(xué)研究，世界上最大的10家農(nóng)業(yè)公司中有8家已經(jīng)在使用Valoya的光源方案。不同的數(shù)量的Valoya LED燈組合方案可實(shí)現(xiàn)不同的光照強(qiáng)度，從300、600、800~1200µmoles/m²/s，甚至更高的光照強(qiáng)度。
  
  
  ▲ 白色Valoya LED燈
  
  Valoya LED研發(fā)了不同的光譜配方種類，適用于不同的植物生長應(yīng)用。如AP67光譜配方：促進(jìn)植物成長與開花；AP673L：促進(jìn)植物生長發(fā)育；G2/NS1/NS12：增進(jìn)春化作用過程；Valoya BIOMASS：用來促進(jìn)大麻種植時(shí)生物質(zhì)的產(chǎn)出；Valoya Canna+：增加大麻種植時(shí)THC的產(chǎn)能。
  
   

  		AP67	AP673L	G2	NS1/NSI2
  紫外光	< 400 nm	0%	0%	0%	1% / 0.5%
  藍(lán)色	400 ~ 500 nm	14%	12%	8%	20% / 21%
  綠色	500 ~ 600 nm	16%	19%	2%	39% / 38%
  紅色	600 ~ 700 nm	53%	61%	65%	35% / 35%
  遠(yuǎn)紅光	700 ~ 800 nm	17%	8%	25%	5% / 6%
  PAR	400 ~ 700 nm	83%	92%	75%	94% / 94%

  ▲ 部分Valoya LED光譜選項(xiàng)
  
  
  ▲ 一種Valoya LED燈及其光譜圖
  
  5、陶瓷金鹵燈：比傳統(tǒng)鹵素?zé)艄庑Ц?0%以上，壽命可達(dá)20000小時(shí)，光衰慢，照明效果持久。與高壓鈉燈相比節(jié)能10%，比傳統(tǒng)鹵素?zé)艄?jié)能70%，比汞燈節(jié)能150%。具有更高的光照強(qiáng)度600~1100 µmoles/m²s，發(fā)熱量也較大，需安裝在單獨(dú)冷卻的玻璃燈罩內(nèi)，由獨(dú)立通風(fēng)口排除熱量，以保證生長區(qū)域氣候條件穩(wěn)定。適合小麥、玉米、水稻、棉花、大豆、咖啡、軟木等各種常見的需要高光強(qiáng)的大型植物。
  
  
  ▲ 陶瓷金鹵燈的光譜圖和應(yīng)用
  
  以上介紹的熒光燈和LED燈等都是固定光譜光源，現(xiàn)在的技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)可調(diào)光譜的植物生長燈。
  
  6、可調(diào)光譜LED燈：瑞典的Heliospectra公司以植物科學(xué)與園藝方面的智慧LED照明系統(tǒng)而聞名。以Heliospectra RX30型號為例，其具有9通道波長控制，距光源500mm處光照強(qiáng)度最高可達(dá)600μmoles/m2/s，同時(shí)可以在10% ~ 100%范圍內(nèi)按1%步調(diào)。可單獨(dú)控制9種光譜: 380nm, 400, 420, 450, 520, 630, 660, 735nm和5700K白色；Heliospectra還可發(fā)出了系統(tǒng)輔助軟件來管理LED燈。
  
  
  ▲ HeliospectraRX30 可調(diào)光譜LED燈及其光譜圖
  
  ▌ 光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)：
  
  不同種類的植物生長燈，除了光源種類、色溫和顏色不同之外，光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)能力也不同�，F(xiàn)階段燈管光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，基本上可以達(dá)到1%的步調(diào)能力，像熒光燈和LED燈可以在10%~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光強(qiáng)，陶瓷金鹵燈可以在30%~100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這樣可以使一臺(tái)植物生長箱滿足不同的需求，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用和更高的使用率。例如，一臺(tái)植物生長箱的最大光強(qiáng)為600 +/-10% µmoles/m²s，光照強(qiáng)度可以按1%步調(diào)，當(dāng)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)為30%~50%左右時(shí)，可以用于組織培養(yǎng)、擬南芥研究等；當(dāng)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)為100%左右時(shí)，可以用于需要更高光照強(qiáng)度的植物的培養(yǎng)。當(dāng)然這與植物生長箱的性能和控制能力有直接關(guān)系，有的植物生長箱光照控制只能開和關(guān)，有的只能進(jìn)行3級或5級控制。
  
  如果想要更加準(zhǔn)確地模擬自然環(huán)境光照的變化，同溫度控制類似，植物生長箱需要具備光照強(qiáng)度均勻增大或減小的功能，因?yàn)樽匀画h(huán)境中溫度的升高或降低是連續(xù)的、較均勻的。這種控制能力使得研究人員可以為植物生長箱設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的程序，不僅可以模擬春夏秋冬四季和各個(gè)氣候帶，還可以模擬每天24小時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)的光照強(qiáng)度。
  
  ▌ 燈管安裝位置：
  
  關(guān)于植物生長燈，除了光源種類、光照強(qiáng)度大小及可調(diào)性、固定或可調(diào)光譜，燈管的安裝位置也有所不同。步入式植物生長室的燈管安裝位置基本上是兩種：安裝在植物生長室頂上和安裝在貨架上，前者是為了保證生長高度和光照強(qiáng)度，適合需要高光照強(qiáng)度的中大型植物；后者的燈管光照強(qiáng)度約200~600 µmoles/m²/s范圍，適合組織培養(yǎng)、擬南芥研究和一些不需要高光照強(qiáng)度的植物的培養(yǎng)。
  
   

  ▲ 一種頂上植物生長燈	▲ 一種貨架植物生長燈

  
  而對于植物生長箱，燈管的安裝位置選擇則更多，比較常見的是水平安裝，即安裝在擱板上。其次是豎直安裝，即安裝在門上或內(nèi)腔。豎直安裝的燈管光源，距燈管近則光照強(qiáng)度大，否則光照強(qiáng)度小，做相同條件的植物培養(yǎng)可能會(huì)造成培養(yǎng)結(jié)果參差不齊，做差異化培養(yǎng)則更加合適。
  
   

  ▲ 隔板式植物生長燈	▲ 側(cè)面植物生長燈	▲ 門上植物生長燈

  
  
  About Aralab
  
  Aralab 公司成立于1985 年，位于葡萄牙首都里斯本。是一家專注于設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造恒溫恒濕箱、人工氣候室、穩(wěn)定性測試室等高質(zhì)量高精度氣候控制設(shè)備的公司。從創(chuàng)立至今，Aralab一直致力于不斷應(yīng)用最新科技完善產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)精確模擬和控制溫度、濕度、光照、壓力、風(fēng)速以及許多其它環(huán)境條件。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)氣候控制設(shè)備、藥物穩(wěn)定測試設(shè)備和特殊測試設(shè)備的最大供應(yīng)商之一，為全世界范圍內(nèi)的伙伴和用戶提供先進(jìn)的設(shè)備與技術(shù)，提升科研與測試水平。
  Aralab及其光源供應(yīng)商對于植物光照研究有著幾十年的豐富經(jīng)驗(yàn)和大量技術(shù)資料積累，能夠?yàn)榭蛻舳ㄖ苹�設(shè)計(jì)專業(yè)資深的光源等相關(guān)的解決方案。
  
  艾力特生命科學(xué)作為Aralab在中國區(qū)的唯一合作伙伴，由我們的技術(shù)應(yīng)用專家，銷售工程師和售后服務(wù)人員組成的團(tuán)隊(duì)，將為我們的客戶提供優(yōu)質(zhì)專業(yè)高效的售前技術(shù)咨詢、方案設(shè)計(jì)和售后服務(wù)。