干货| 植物人工辐射源研究报告

小泉泉
发布于 2014-11-03 #PPT/视频/资料直接看回复推送文章

引言把LED技术应用于农业种植具有广阔的前景，是继LED照明技术应用之后又一重要的应用领域，代表着未来农业生产的技术创新，是最具有投资价值的新型产业；
本文系统阐述植物人工辐射源概念和研究要点，论述了以辐射度学概念研究植物光合作用的原理，提出了植物人工辐射源（PARS）的技术概念。
1．基本概念
1.1太阳电磁辐射与可见光
太阳光是一切生物赖以生存的源泉，我们居住的星球如此的生机勃勃，都是源于太阳光，我们看到的太阳光是太阳电磁辐射的可见光部分，电磁辐射是当振动是以光速传播时的物理现象，电磁辐射与可见光的关系如图1所示。
图1可见光在电磁辐射中的形态

以光速传播的振动波的波长由1公里至10皮米时，我们熟悉的无线电波、手机通讯、电视传送的微波、军事上的雷达、医学上的X射线、γ射线等，都是不同波长在以光速传播的应用，太阳辐射也只是其中的一部分。
在可见光范围里，人眼观察到不同波长的辐射是视觉呈现的不同颜色的光。这些有颜色的光混合在一起，就是我们通常看到的白光，白光是用色温表示的，如图1的2000K-9000K。
我们在地球上能测试到的太阳辐射的波段范围大约为280nm-2500nm，低于280nm和大于2500nm波长的太阳辐射，因地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收，地面上观察不到。
当波长在400nm-750nm范围内，人眼都可以感受到这些波长发出的光，我们称之为可见光，太阳辐射主要集中在可见光部分，太阳辐射在地球一切生物的生命演化中具有重要的作用;科学家采用光谱来分析电磁辐射和可见光的，我们研究太阳光、人造光源、植物吸收的光都离不开光谱图。
图2的太阳光谱波长范围是280nm-1100nm，我们把这个范围的光谱划分为几部分：1.1.1紫外线：波长从280nm到400nm。1.1.2可见光：波长从400nm至750nm。1.1.3红外线：波长从750nm至1100nm。
在农业种植方面，我们主要研究波长从300nm-1100nm这个范围的应用，图2的太阳辐射光谱分布图在研究太阳对植物的辐射作用时具有重要作用。
图2 IEC60904-9太阳电磁辐射光谱图
太阳光是由不同颜色的光组成的，这些不同颜色的光也代表不同的辐射波长，图2的颜色分段对应着不同范围的辐射波长，太阳光的可见光部分主要是由红光、绿光、蓝光混合而成的，红光、绿光、蓝光称为三种基本光色，人造光源也是采用这三种基本光色混合而成的白光。
在可见光范围里，人眼最敏感的光（也就是我们感觉最亮的光）是黄色光，人眼最不敏感的光是蓝色的光。当天空出现彩虹时，我们往往看到的是黄色、红色和绿色，看到的蓝色占很小部分。
如下图所示。

人眼最敏感的光和最不敏感的光，是人眼的视觉功能决定的，并不意味着光辐射能量的大小，蓝光携带的能量就大于黄光，但人眼对黄光感觉最亮，对植物提供人工辐射时，不能由人眼的感受到的光的明暗来判断植物光合作用的效果。
我们人眼看到的光是由人眼内部的柱状细胞和锥状细胞感觉到的，人眼看到的光是用视觉函数推导来的，而植物“看”到的光却是需要用电磁辐射量进行度量。
因为植物不仅能“看”到400nm-750nm的可见光，植物还能“看”到不可见光，如紫外线和红外线。这一点非常重要，植物人工辐射产品不宜采用光度学概念进行研发。
1.2 植物的光合作用
植物是唯一能够把太阳光能量转化为质量的生物，植物的光合作用是地球上一切生命的基础，植物不仅给人类提供了生存必须的氧气，还给人类提供了食物和能量。目前，人们已知的植物约有30余万种。
植物是所有生物里，唯一能够把太阳辐射能量转化为有机物的生物，是人类与其他动物赖以生存的基本生物。
植物把太阳辐射能转化为有机物的过程就叫做植物的光合作用，确切的说，光合作用是指植物、藻类和某些细菌通过光合色素，利用光能将二氧化碳(或硫化氢)和水转化为有机物，并释放出氧气(或氢气)的生化过程，图3是植物光合作用的理论基础。
图3光合作用的化学表达式植物是通过光合色素进行能量转化，这些色素包括叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素等。根据能量转化守恒定律，植物在进行光合作用时，把光能转换成有机物质储存起来。
植物的光合作用需要二氧化碳和水才能完成，植物在光合作用时，吸收二氧化碳和水，释放出氧气并产生有机物，植物叶片内的叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
植物的光合作用只发生在叶绿体内，图4是从高倍显微镜里看到的植物叶片的组织结构，绿叶结构内有大量的叶绿体。叶绿体是绿色植物细胞内进行光合作用的场所。
图4绿色叶片的组织结构
大部分植物的叶绿体内主要含有叶绿素(叶绿素a和叶绿素b)、β-类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素)，光敏素(Pfr，Pr)。这些色素均参与光合作用，图5是叶绿体对光的吸收和反射过程，叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，光敏素主要吸收红光和远红外光;
绿色植物的叶绿素含量最多，而且，叶绿素吸收绿光极少，大部分的绿光被反射出来，所以叶绿体呈现绿色。植物的叶片组织里主要成分是叶绿体，所以，植物的叶片也是呈绿色的。
图5叶绿体内对光的吸收与反射
1.3 植物在太阳辐射下的吸收光谱
我们研究植物的光合作用，主要是通过研究植物对太阳辐射的吸收，才能揭示植物光合作用的基本原理，那么，植物的光合作用吸收的光谱是怎样的形态和分布呢？
科学家已经获得了绿色植物在太阳辐射下的吸收光谱，如图6所示，绿色植物光合作用有效光谱的主要范围是380nm-735nm，植物的光合作用主要吸收的是红光和蓝光，此外，还有小部分的紫外线和红外线，植物的光合作用对绿光吸收的很少，没有被吸收的绿光被植物反射出来，植物对太阳光的吸收光谱是有峰值的，吸收峰值表示对太阳辐射的能量需要最多。
图6植物的光合作用吸收的光谱
从图6可以看出，叶绿素a和叶绿素b对太阳光的吸收有两个峰值，一个发生在波长为430nm-450nm之间，另一个峰值发生在620nm-660nm之间，β-类胡萝卜素吸收440nm-500nm之间，光敏素吸收峰值是380nm、660nm、730nm。
通过对植物吸收光谱的分析，我们可以使用与太阳辐射相同波长的人工辐射源对植物进行辐射，从而达到与太阳光一样的植物光合作用的效果，这就是植物人工辐射源的基本构思。
人工辐射源与太阳辐射在辐射的物理原理是一样的，并没有差异，因此，根本不存在人工辐射源对植物的光合作用产生变异，与转基因植物不同，人工辐射源在物理与化学上与太阳辐射作用完全相同，人工辐射源与太阳辐射相比，唯一的差别是人工辐射源光谱无法做到像太阳辐射那样波长峰值变化小，不过植物的吸收光谱只集中在几个峰值。
也是居于这一点，LED人工辐射源可以对植物光合作用更加有效，符合植物吸收光谱的多个峰值，当然，人工方式源是要增加植物种植的成本。
通过世界各地的科学家长期对植物光合作用的研究，我们已经实现了与太阳辐射同等效应的人工辐射源，从应用效果来看，植物人造辐射源可以很好的符合农业种植的需求。
我们把植物灯称为植物人工辐射源（Plant Artificial Radiation Sources），是我们在这个领域首先提出，植物光合作用只是接受不同波长的电磁辐射，而不是向植物提供照明，植物的有效光合PPFD值才是植物光合作用的度量单位，采用光度学单位照度值（LUX）表达植物光合作用，这可能会引起使用者对植物种植的应用错误。
因为，在植物人工辐射源加入不可见光的辐射时，LUX的数值是零，但植物却能够正常吸收到这些不可见光辐射的光子；当辐射源的波段是在可见光范围，可以称为植物灯，需要把照度值换算为PPFD标注。
在以下的论述中，我们用PARS代表植物人工辐射源。
1.4 植物人工辐射源的发展历程
从全球农业科学的技术文献来看，早期的科学家对植物与光的某些物理化学现象进行了研究，随着研究的深入，研究的内容包括：太阳光与植物生长，太阳辐射与植物的光合作用，人造光源与植物光合效率等，比较系统的研究是源于美国军方和美国宇航局NASA。
为了研究宇航员在太空中如何长期生存的技术问题，NASA 肯尼迪航天中心（KSC）提出了“高级生命支持系统的作物生产”这个试验项目，在这个领域里，科学家对人工环境下的植物种植方面做出了许多富有成效的技术研究，图7是NASA的植物研究。
图7 NASA的植物研究
早期的植物种植采用人造辐射源是照明光源，如白炽灯、高压钠灯、金卤灯、荧光灯，这些人工光源在植物培植也起了一定的效果，但是，这些光源有一个共同的缺点，那就是对电力的损耗很大，发热量大，而对植物的有效辐射量不高，有些甚至需要制冷系统降低光源的热效应。
用于植物生长的各种人工光源对比：
随着LED技术的发展，一种称为LED照明固态照明（SSL）的产品越来越多的应用在照明领域，人们发现，LED的许多固有特性对植物的光合作用有很好的效果。
随着LED成本的下降，LED植物人工辐射源在农业种植方面得到了空前的发展，世界各地的科学家都在致力于LED在现代化农业生产的应用，如植物工厂、垂直工厂等新概念不断冲击着传统农业种植技术，LED在未来的农业生产中将扮演举足轻重的作用。