光合作用有效光輻射測試原理--PAR, PPF, PPFD
光合作用有效光輻射測試原理--PAR, PPF, PPFD
陽光對植物來說是必不可少的，因為植物需要依賴陽光來進行光合作用，我們都知道陽光是一個連續(xù)光譜的光源，植物的光合作用主要是在可見光譜范圍內進行的。隨著科技的進步，人們逐漸根據自然光的連續(xù)光譜特性，生產出相應的標準光源。根據植物的生長特性，人們逐漸生產出可以替代自然光的植物光源來促進植物的光合作用，然和生產出來的職務燈不一定與自然光一致，那么如何來評價植物燈光源的特性呢，流明,勒克斯,尺燭光這些參數(shù)對確定光對植物的要求，已成為過時的指標來。最近,人們開始把PAR,PPF,PPFD方法測量光合作用的光照明應用，據我使用過的多種照度計，固潤的光譜照度計GL Spectrolux比較符合用來測量植物光合作用有效輻射參數(shù)和光子通量密度，固潤的光譜照度計能用來評價植物燈光源的光譜特性。 性能良好的植物燈是以決定適當?shù)墓饩�水平促進植物成長快速,繁榮的植物，那么如何來測定植物燈的特性以及如何選擇光譜照度計成為關鍵因素，下面就固潤的光譜照度計Spectrolux來談談植物光合作用有效輻射（PAR,PPF,PPFD）的基本原理。
第一個測量是光合光子流量或“PPF”，它測量由一個光源每秒產生的光的總量。換句話說，PPF告訴我們一個光源每秒發(fā)出的標準是多少。從技術上講，PPF測量的是“照明系統(tǒng)每秒發(fā)出的光合成的光子”。這個測量是用“微孔每秒”來表示的，盡管如此，PPF并沒有告訴我們測量的光有多少是在植物或其他表面上的。
第二種測量方法是PPFD測量到達植物或藻類的光。光合作用光子通量密度或“PPFD”是測量實際到達植物和藻類的光量，或者，科學家可能會說:“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PFD是一個“點”測量你的植物的樹冠上的一個特定的位置，它是以每平方米每秒的微孔來測量的。這種測量方法由科學家和光工程師來表示:mol/m2/s。
第三種測量方法是DLI(日光積分)，它測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”，盡管科學家可能會說DLI是一個累計的測量，它是在每天的光操作中到達植物和藻類的光子總數(shù)。DLI測量每平方米光子的“摩爾”數(shù)，并表示為:摩爾/m2/d。
DLI類似于雨水的總量在暴風雨期間,與降雨量的速度(這是PPFD)。DLI最重要的指標是決定植物和藻類的整體增長速度。一旦你知道你的植物或藻類的首選DLI,您可以輕松地設置一個照明系統(tǒng)提供所需的光量。
在可見光中有大量的光子或光粒子——事實上，數(shù)量是如此之大，以至于我們無法用正常的數(shù)字來表示它，所以我們用了兩種常用的測量方法來測量大量的量。第一個數(shù)字,這被稱為摩爾,等于一個叫做阿伏伽德羅數(shù),也就是602214150000000000000000 !對于一個更容易控制的數(shù)字，微摩爾是一摩爾的萬分之一。
PPF告訴我們每秒鐘有多少光子是由一個光源發(fā)出的。PPFD告訴我們，這個裝置在一秒內將光子分布在一個一米的目標(即你的植物和藻類)上。DLI告訴我們，在一個完整的光周期中，有多少光子被傳送到一個一米的目標(即一天)。
每一個魚缸和照明系統(tǒng)都是不同的，有許多因素影響著燈具的總光量。雖然流明很容易測量，但它與給到植物和藻類的光量沒有任何的聯(lián)系。PAR,PPF PPFD, DLI是科學家、藻類研究人員、園藝家和實驗室所使用的精確和一致的術語和測量方法。PPF告訴我們每秒鐘有多少光子是由一個照明裝置產生的，但是它并沒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)測量光源每秒發(fā)出的總光(光子)。PPF告訴我們一個光源發(fā)出的標準是多少。以微每秒的量來測量，并表示為:摩爾/秒。光合光子通量密度(PPFD)，測量每秒鐘到達目標的光(光子)。PPFD以每平方米每秒1米的面積測量，并以摩爾/m2/s表示。日光積分(DLI)累計測量光(光子)的總光量(光子)，在光操作過程中達到目標。DLI以摩爾/m2/d為單位，以每平方米的摩爾數(shù)來測量。光子是物理學家給光粒子的名字�？衫米匀换蛉嗽旃鈦泶龠M植物生命的光合作用。
生物的生長速率直接受光照射的影響，波長在300~400nm的紫外光與700~800nm的近紅外線（遠紅光）會影響生物的生化反應及其外觀。特別在400~700nm的光線與植物與藻類的光合作用有密切的關系，此頻譜的光稱為光合作用有效光（Photosynthetically Active Radiation，簡稱PAR）。
而光合作用有效光（PAR）范圍內光子的數(shù)量較佳的測量基準是測量其光合作用光子通量密度（Photosynthetic Photon Flux Density，簡稱PPFD），此為『于波長400-700nm區(qū)間，單位時間內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㎡）。
下圖為固潤光譜照度計Spectrolux ，可測量來自太陽與其它光源的輻射，測量340~780nm范圍內波長的能量，測量數(shù)值單位為W/㎡。其Sensor模擬光合有效函數(shù)，以確實符合使用上的需求。目前多數(shù)國外產品也以此為產品設計方向，以符合專業(yè)使用者的需求。
輻射照度測量范圍：0.03 to 600 w/m2（可換算為μmol / ㎡ 或μE / ㎡·s或Photon/㎡·s）
照度測量范圍：1 lx to 200.000 lx
Why 380~700nm？
自然光的波長是380~700nm，這也是最適合水草生長的波長范圍。而波長小于400nm的有一段叫做紫外線的光線，對水草也有一定的影響，而且是負面影響。7%的紫外線中又可分為三級不同之波長（均對水草有不同之作用）：C級紫外線（200-280）占3%—對大多數(shù)水草都有害；B級紫外線（280-320）占9%—對大多數(shù)水草都有害；A級紫外線（320-380）占88%—對水草有益，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)，這對于研究植物與光線之間的關系帶來了很大的方便。
對水草影響較甚的光線，主要是三大類。紫外線、可見光和紅外線。下面我們就來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。所以我們較關心的是與農膜有密切相關的部份：紫外線-b（波長280—320nm）及紫外線-a（波長320—380nm），這二種波段的紫外線有其不同的作用如：對植物的花產生著色的作用。
第2波段的輻射光：是可見光（波長400—700nm），相當于藍光、綠光、黃光及紅光，又稱為PAR，即光合作用活躍區(qū)。是植物用來進行光合作用的最重要可見光部份。藍光與紅光是在PAR光譜帶中最重要的部份，因為植物中的核黃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紅外線。
近紅外線（波長780—3,000nm）的光基本上對植物是沒有用的，它只會產生熱能。
遠紅外線（波長3000—50,000nm），這一部份的輻射線并不是直接從太陽光而來的。它是一種帶有熱能分子所產生的輻射線，一到晚上就很容易散失掉。
水草對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。對藍光區(qū)與紅光區(qū)敏感性較差。水草則不然，對于紅光光譜最為敏感，對綠光較不敏感，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。陽光的能量約有45%位于此段光譜。因此如果以人工光源以補充光量，光源的光譜分布也應該接近于此范圍。
光源射出的光子能量因波長而不同。例如波長400nm（藍光）的能量為700nm（紅光）能量的1.75倍。但是對于光合作用而言，兩者波長的作用結果則是相同。藍色光譜中多余不能作為光合作用的能量則轉變?yōu)闊崃俊Q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。但是一般人的通識都認為光顏色影響了光合作用速率。水草對所有光譜而言，其敏感性有所不同。此原因來自葉片內色素（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。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變成為葡萄糖與氧氣。此過程利用所有可見光的光譜，因此各種顏色的光源對于光合作用的影響幾乎沒有不同。
有些研究人員認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該栽培于此種單色光源。對植物的形態(tài)發(fā)展與葉片顏色而言，植物應該接收各種平衡的光源。
藍色光源（400~500nm）對植物的分化與氣孔的調節(jié)十分重要。如果藍光不足，遠紅光的比例太多，莖部將過度成長，而容易造成葉片黃化。紅光光譜（655~665nm）能量與遠紅光光譜（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。但是每種植物對于這些光譜比例的敏感性也不同。
結合固潤光譜照度計Spectrolux能對光源光合作用有效輻射以及光子通量密度進行測量，提供相應的解決方案以滿足行業(yè)應用需求。固潤光譜照度計Spectrolux能幾秒鐘內在LED顯示屏上產生精確的測量結果，進行快速評估。手持便攜式的光譜照度計可用于評估照明設施和LED燈具的快速控制，甚至支持應用和銷售工程師去定量突出現(xiàn)代照明系統(tǒng)。光譜照度計應用于高端實驗室、研發(fā)和進料質量控制，為照明專業(yè)人員提供簡單可靠的光譜輻射照度測量儀，為行業(yè)應用需求提供相應的解決方案。
