植物的光質(zhì)需求——植物生長(zhǎng)燈的光參數(shù)研發(fā)方向

光照是植物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)境要素，光合作用是地球上物質(zhì)無(wú)機(jī)有機(jī)轉(zhuǎn)化的主要受波長(zhǎng)在300mm到800mm范圍內(nèi)能夠被綠色植物葉綠素或光受體吸收。世界范圍內(nèi)，20世紀(jì)70年代以前，由于只有發(fā)射連續(xù)光譜的電光源，人們對(duì)植物光合作用有效光質(zhì)種類、光質(zhì)種類的光合作用效率的了解處于停頓狀態(tài)，缺乏研究手段來(lái)認(rèn)識(shí)植物光譜需求是否具有選擇性這一問(wèn)題，普遍認(rèn)為植物只有在連續(xù)光譜人工光或太陽(yáng)光下才能完成生活史。

自20世紀(jì)60年代起，紅光LED的發(fā)明為植物光質(zhì)生物學(xué)研究提供了工具。90年代藍(lán)光的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了光質(zhì)生物學(xué)研究。研究證實(shí)，光合有效輻射光譜中不同光質(zhì)對(duì)植物光合作用和形態(tài)建成的重要性是不等同的，其中紅光和藍(lán)光對(duì)植物光合作用最為重要，植物光合作用相對(duì)量子效率較高。這種光質(zhì)效率的差異為確定以紅光、藍(lán)光質(zhì)為核心的人工光栽培植物提供了初步的科學(xué)依據(jù)。

?在眾多研究中，具有里程碑意義的報(bào)道是關(guān)于LED紅藍(lán)組合光可以替代熒光燈等的連續(xù)光譜栽培高等植物的研究成果，這些結(jié)果奠定了以IED紅藍(lán)光質(zhì)

為核心的人工光栽培的基礎(chǔ)。?Goins等(1997)研究表明，小麥可在紅光LED光源下完成生命周期，但生物量和種子產(chǎn)量與熒光燈相比明顯不足，當(dāng)補(bǔ)充10％的藍(lán)光后顯著增加了小麥的生物量和種子產(chǎn)量，效果與熒光燈相似。?Goins等1998)以擬南芥為試材，得到了類似的結(jié)果。紅藍(lán)組合光可以代替連續(xù)光譜進(jìn)行人工光植物栽培，這一結(jié)論對(duì)園藝作物栽培具有普遍適用價(jià)值。所以，植物光譜需求具有選擇性、不連續(xù)性和替代性，為設(shè)施園藝人工光栽培提供了生物學(xué)理論支撐。其意義在于，將人工栽培從連續(xù)光譜簡(jiǎn)化到紅藍(lán)復(fù)合光質(zhì)，為設(shè)施園藝用LED光源與燈具的研發(fā)提供了依據(jù)，簡(jiǎn)化了燈具設(shè)計(jì)，降低了制造成本(劉文科和楊其長(zhǎng)，2014)。

采用LED紅藍(lán)組合光代替太陽(yáng)光和傳統(tǒng)連續(xù)光譜光源進(jìn)行人工光植物生產(chǎn)的技術(shù)突破，為L(zhǎng)ED人工光植物工廠栽培提供了理論基礎(chǔ)。目前，關(guān)于植物光質(zhì)需求與效率已達(dá)成共識(shí)，即植物必需光質(zhì)種類是不連續(xù)的，有選擇性的，紅光、藍(lán)光是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育、完成生活史的必需光質(zhì)，其他可見(jiàn)光質(zhì)種類和遠(yuǎn)紅光為有益光質(zhì)。但是，為了實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的特殊目標(biāo)，有時(shí)需要在紅藍(lán)組合光基礎(chǔ)補(bǔ)加一些特殊光質(zhì)成分，可稱之為有益光質(zhì)，包括紅藍(lán)以外的其他可見(jiàn)光質(zhì)、UV和遠(yuǎn)紅光等。

對(duì)設(shè)施作物而言，光質(zhì)需求與分布特征具有時(shí)空差異，也具有植物種類與品種差異。植物生長(zhǎng)發(fā)育的光質(zhì)的本質(zhì)需求分階段性，在萌發(fā)階段(通常為春季)需要IR和熱量;在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段(夏季)需要較多的藍(lán)光，重點(diǎn)進(jìn)行光形態(tài)建成;到了秋季需要更多紅光，促進(jìn)光合作用和碳水化合物的累積、儲(chǔ)存與利用。

植物光合作用時(shí)，輻射能量按波長(zhǎng)或頻率進(jìn)行分布。在植物生理學(xué)中，多用“光質(zhì)”表示輻射光譜特性。光輻射響應(yīng)(植物的)指植物對(duì)入射輻射的響應(yīng)，可分為光合響應(yīng)和光形態(tài)響應(yīng)兩種。光合響應(yīng)指由植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和產(chǎn)能確定的對(duì)入射輻射的響應(yīng)。光合響應(yīng)指由植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和產(chǎn)能確定的對(duì)入射輻射的響應(yīng)。光形態(tài)響應(yīng)指植物和形態(tài)對(duì)入射輻射的響應(yīng)，由光敏色素及其光固定狀態(tài)控制，包含植物的發(fā)芽，色素的合成和形態(tài)發(fā)育。光合有效輻射（PAR）指照射到植物上的被植物吸收用于光合作用的特定波段范圍內(nèi)的輻射能。

研究表明，植物可以吸收利用太陽(yáng)光中連續(xù)光譜中的多種光質(zhì)，但具有特定的光譜響應(yīng)曲線，一般在紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)存在吸收峰，峰值分別為660m和460mm。所以，紅藍(lán)光對(duì)植物的光合作用和光形態(tài)建成具有重要意義。植物的光譜響應(yīng)曲線因植物種類不同略有差異，與人眼光譜光視效率曲線差異巨大，其峰值存在于555m。所以，太陽(yáng)光并非植物生長(zhǎng)的最佳光譜，但太陽(yáng)光是免費(fèi)的和可再生的?，F(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)植物生長(zhǎng)補(bǔ)光或者全人工光種植的植物需要消耗大量的照明用電，過(guò)多的光輻射或者無(wú)法被植物利用的光輻射都將造成能源的浪費(fèi)，從而降低照明系統(tǒng)的效率。

提高植物生長(zhǎng)補(bǔ)光照明系統(tǒng)的效率有兩大途徑。其一，確定植物種類及品種的光譜響應(yīng)曲線、紅藍(lán)光需求比例，以及所需的光照總量和光周期；其二，按照植物光環(huán)境需求提供人工光照明系統(tǒng)。光照作為植物生長(zhǎng)過(guò)程中的一種營(yíng)養(yǎng)素，既要保證植物的健康生長(zhǎng)，又要最大限度地節(jié)約照明能耗，提高照明系統(tǒng)效率。實(shí)際上，可見(jiàn)光的光量子的能量與波長(zhǎng)成反比。比如，1mol的700nm紅光光量子能量為171kJ，而1mol的400mm的紫光光量子能量為293kJ，所以可見(jiàn)光能量范圍為170～300kJ。與不同光質(zhì)(波長(zhǎng)范圍)的光具有明顯不同的生理效應(yīng)，包括對(duì)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)光合作用和器官生長(zhǎng)發(fā)育的不同影響。植物的干物質(zhì)生產(chǎn)是這些效應(yīng)的總結(jié)果，植株干重的大小是反映光質(zhì)效應(yīng)的正負(fù)、大小的最重要、最有說(shuō)服力的指標(biāo)。