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植物生长LED人工光环境技术报告
1范围
本文件给出了植物生长人工光环境要素、光合作用、光控生长发育、光响应关键评判指标、LED人
工光源的要求及人工光环境光照设计要素的内容。
本文件适用于相关利益方开展的LED人工光植物生长领域涉及的工作。
2概述
光是植物生长所需的最重要环境因子之一,它不仅是植物生长发育过程中的能量源,也是植物形态建成的重要信号源。植物赖以生存的能量来自太阳光,光合作用是植物捕获光能的重要生物学途径,通
过光合作用固定二氧化碳以合成有机物并产生氧气,是地球上生命得以延续的决定因素之一。
LED作为新型光源,具有节能环保、寿命长、响应时间短等特征,在农业光照领域的优势明显。与传统光源相比,LED可以根据需求对光谱、辐射强度进行调控;其次,LED属于冷光源,可近距离照射植物而不会造成植物组织灼伤;再次,LED光源体积小,比较适用于多层立体组合栽培系统,有助于减少栽培层架的层高,增加单位空间栽培密度。LED在设施农业领域已引起国内外广泛关注,已被广泛应
用于全人工光植物工厂以及温室补光生产领域,以达到提高产量及改进品质的目的。
本文件针对植物生长LED人工光环境,介绍植物生长光环境要素、植物光合作用与光控生长发育以及植物生长涉及的光需求特征等,提出植物生长光响应的关键指标,分析植物生长对LED人工光源的要
求与人工光环境光照设计的重点要素,以引导科学合理地评价植物生长LED人工光环境。
3植物生长光环境要素
3.1概述
植物对光的需求主要体现在光谱、光照强度、光周期和光分布四个方面,也称之为植物生长的“光环境要素”。光环境通过植株形态、器官发育、细胞内代谢以及基因表达和蛋白质合成等不同层面影响
并调节植物生长,理解光对植物生长的影响是农业生产人工光源应用的理论基础。
3.2光谱
太阳光中包含的光谱范围极宽,但能直接作用于植物生长的光谱范围很窄。McCreeK.J等于1972年通过测定22种常见的植物在生长室以及大田中不同光照条件下的光合速率,提出直接作用于植物光合作用的光谱范围是400nm~700nm,这段光谱被定义为光合有效辐射(PhotosyntheticallyActive
Radiation,PAR)并沿用至今(McCree,1972)。
近年来,随着植物光生物学研究的不断发展,在光合有效辐射的基础上,植物作用光谱也更加丰富,根据2017年美国农业与生物工程学会发布的《QuantitiesandUnitsofElectromagneticRadiation
forPlants(PhotosyntheticOrganisms)》,除植物生长通用的光合有效辐射(400nm~700nm)之外,
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将中波紫外线、长波紫外线以及远红光统一纳入了植物作用光谱中,并明确规定了各种光质的有效范围(2017)。据此,当前业界将植物作用光谱波段范围扩展为280nm~800nm,如图1所示,包括中紫外线(280nm~315nm)、近紫外线(315nm~400nm)、蓝光(400nm~500nm)、黄绿光(500nm~600nm)、
红光(600nm~700nm)以及远红光波段(700nm~800nm)。
图1植物作用光谱在太阳辐射中的位置及不同光质的简单分类
3.3光照强度
3.3.1光照强度的度量
光照强度是选择人工光源的重要依据,目前光照强度有多种度量(表述)方式,主要包括如下三种:
(1)光照度(Illumination),是指受照平面上接受的光通量面密度(单位面积的光通量),单位为勒克斯(lx)。光照度表述的是人眼能感觉到的光亮度,是一种与视觉灵敏度有关系的心理物理量。
与光照度相关的光通量则是按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量(辐射功率),单位为流明(lm)。1流明是指发光强度为1坎德拉(cd)的均匀点光源在1球面度立体角内发出的光通量。坎德拉表述的是每单位立体角(立体角:与以单位长度为半径的球体表面积相同)的光通量,1cd555
nm的单色光在单位立体角放射的电功率(放射束)为1.46mW。
1lx=1lm.m?2(1)
(2)光辐射能(Radiationenergy),指单位时间、单位面积上到达或通过的光辐射的能量,常用单位为瓦每平方
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