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关于“白光”的谜题——促进作物生长是否需要“白”光?采访我们的植物专家。

为了优化温室或垂直农场中的植物生长,最重要的考虑因素或许是光。关于适用于作物种植的特定光谱,更具体地说是白光、绿光或广谱光,有一些令人不解的谜题。本文是对 昕诺飞 的 飞利浦 园艺照明植物专家团队经理 Esther de Beer 进行系列采访中的第二篇报道。在此次采访中,我们提出了一个问题:促进作物生长是否需要“白”光?

在对 Esther 的第一次采访中,她回答了绿光能否深入到达冠层的问题。想要了解更多?请于此处阅读。

首先需要澄清的问题,白光和绿光是什么?

在谈到植物需要的光时,我们经常区分四种基础颜色:蓝色 (400-499nm)、绿色 (500-599nm)、红色 (600-699nm) 和远红色 (700-799nm)。紫色光实际上是红色光和蓝色光的组合。大体来说,只要向红/蓝光中添加足够的绿光,就能获得白光。因此,我们将主要探讨这个问题: 促进作物生长 是否需要绿光。

植物利用绿光促进生长的效率如何?

第一次采访中,她解释到,植物冠层对蓝光、红光和绿光的吸收率相同,只有对远红光的吸收率明显减少。但是,所有这些颜色对促进植物生长的作用也相同吗?

二十世纪七十年代初期,McCree 针对大量植物测定了光合效率与波长的函数关系。数据显示各种植物之间具有很大的共性,并且绘制出了一条广义的“麦克雷曲线”,参见下图 1。 

麦克雷曲线:光的光合效率与波长的函数关系

图 1 麦克雷曲线:光的光合效率与波长的函数关系

这表明,绿光参与了光合作用,但与红光相比效率较低。继这项研究之后,许多研究人员也发现了类似的结果。[Hogewoning 2012, Paradiso 2011]

对于植物总体生长而言,不仅光合作用过程很重要,其他过程也很重要,例如影响作物形状的过程。因此,在实际应用中,人们需要评估的是作物总体生长情况,而不仅仅只关注光合作用。

绿光对作物有什么影响?

我们发现,在 缺少 绿光的生长条件下,有多种作物的鲜重显著增加。但对于其他作物而言,绿光的照射量对鲜重没有影响。我们还发现,为了塑造作物的形状,蓝光和远红光比绿光更有效。让我来分享我们研究中的一些例子。

飞利浦 GrowWise 中心,我们进行了一项试验,在含有 0% 和 20% 绿光、光子通量和蓝光比例相同的光谱下种植了 8 种 RijkZwaan Salanova 生菜品种。下图显示了这些作物的相对鲜重,比较了在含有 0% 和 20% 绿光的两种光谱下的生长情况。 

绿光比例较低的药用大麻的化合物活性较高。

图 2 在没有绿光照射的条件下,生菜品种的鲜重显著增加

正如此图中所示,并非所有生菜品种都具有相同的反应。有两个品种(RZ1 和 RZ2)在 20% 绿光光谱下的生长状况更佳。然而,在没有绿光照射的条件下,大多数品种的鲜重明显更高(RZ8 的鲜重增加高达 20%)。

Snowden 进行了一项广泛的学术研究,比较了 7 种不同植物品种在 8 种不同光谱成分下的生长情况,证实了绿光对作物生长的微小影响: “与蓝光的显著影响相比,无论光合光子通量 (PPF) 高低,绿光量逐步从 0% 增加到 30% 对作物生长、叶面积和净同化率的影响都相对较小”. [Snowden 2016]

我们的第二个研究案例是药用大麻。在这项试验中,两种不同的栽培品种在三种不同的光谱下生长,这三种光谱分别含有 0%、6% 和 36% 的绿光,同时给予相同程度的补光 (600 µmol/m2/s)。但我们这次不仅观察花重,还比较作物的质量。

下图 3 右侧的图表显示了两个不同栽培品种的干花重量,而左侧的图表显示了活性化合物的百分比,这是决定药用大麻产品质量的关键因素。 

在没有绿光照射的条件下,生菜品种的鲜重显著增加

图 3 两种大麻品种的大麻素百分比(左)和干花重量(右)与绿光百分比(0 – 6 – 36%)的函数关系。

右图显示在所有三种光谱下,干花重量保持不变,再次证实绿光量对作物生长的影响微乎其微。 但是,当绿光量增加时,活性化合物显著减少。 由于种植这些作物就是为了提取其中的药用化合物,因此人们偏爱绿光量极少甚至不含绿光的光谱。

总之,在我们的研究中,我们发现不同的作物需要不同的光谱才能良好生长。 但是在大多数情况下,增加绿光量没有任何好处,无论对于作物的产量还是质量都是如此。

那么,既然绿光的好处如此之少,为什么还要使用绿光呢?

这需要作进一步解释;以上结果描述的都是作物对光的利用情况,比较了相同光子通量下的作物产量。但是,在研究中没有考虑到产生这种光需要消耗多少电能。由于效能 (mmol/Joule) 存在很大差异,这当然会对总能量使用量产生巨大影响。 

红色 LED 的每瓦特电功率光通量 (μmol/W) 远远高于蓝色和绿色 LED。

我们的研究表明,与包含约 40% 绿光的“类太阳”光谱相比,含有大约 6% 绿光的光谱足以让人们充分辨认颜色,并可将能效提高 30%。    

在 昕诺飞,我们希望为最终客户提供最佳的照明解决方案,实现作物种植的可持续发展。绿光的效率远低于蓝色和红色 LED。大多数照明应用均只考虑添加少量绿光,因为人们只需要少量绿光就可以充分辨认颜色,而且作物不需要大量绿光就能良好生长。

Esther de Beer

Esther de Beer 是 昕诺飞 园艺照明 LED 解决方案植物专家团队的经理。她的工作就是研究如何让 LED 植物生长灯更高效。在这一系列文章中,她解释了有关白光的事实和误解,以及人们如何通过研究来证明哪种光谱可以促进作物良好生长。 

参考资料:

Hogewoning S.W., Wientjes E., Douwstra P., Trouwborst G., Van Ieperen W., Croce R. and Harbinson J., 2012.
Photosynthetic Quantum Yield Dynamics: From photosystems to Leaves. The Plant Cell 24: 1921-1935.
Paradiso, R., Meinen, E., Snel, J.F.H., De Visser, P.H.B, Van Ieperen, W., Hogewoning, S.W., Marcelis, L.F.M., 2011.
Spectral dependence of photosynthesis and light absorptance in single leaves and canopy in rose. Scientia Horticulturae 127: 548-554.
McCree, K.J., 1972.
The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants. Agricultural Meteorology 9: 191-216.
Snowden, M.C., Cope, K.R, Bugbee, B., 2016
Sensitivity of seven diverse species to blue and green light: interactions with photon flux. Plos One 11(10): e0163121. Doi: 10.1371/journal.pone.0163121

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