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紫外光在植物工厂中分布特征及应用前景

导读: 在农业生产中,光照条件的好坏直接关系着露地农业生产的效率和效益。因此,认识、利用和调控太阳光谱成分一直是农业研究的重要内容。尤其在现代农业生产中,设施农业发展成为支柱产业,人工光环境调控的技术客观需求变得现实且迫切,调控目标得到了拓展,以人工照明为手段的光环境调控已经成为设施农业发展的必然选择。

  紫外(UV)光在植物光形态建成、次生代谢和叶色形成方面具有重要光生物学和光化学作用,在调控设施园艺优质高产方面具有潜在应用价值。综述了人工光植物工厂和太阳光植物工厂中UV光的分布规律,特征波长UV光的植物效应及其人工调控的必要性和调控策略。提出了植物工厂中UV-LED利用的前景、目标和方法。为进一步鼓励和发展LED植物照明,本网联系了中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所刘文科教授特分享了一些论文,希望对投身LED植物照明领域的人士有所帮助。

  在农业生产中,光照条件的好坏直接关系着露地农业生产的效率和效益。因此,认识、利用和调控太阳光谱成分一直是农业研究的重要内容。尤其在现代农业生产中,设施农业发展成为支柱产业,人工光环境调控的技术客观需求变得现实且迫切,调控目标得到了拓展,以人工照明为手段的光环境调控已经成为设施农业发展的必然选择。

  太阳光是连续光谱,其波长范围从100nm的X射线到100m的无线电波。太阳辐射中99%的能量集中在280~500nm波段范围内。太阳光中不同光谱对植物光合作用贡献大小不一,仅400~700nm范围的光为植物光合有效辐射,参与了植物的碳水化合物合成的光反应过程。而根据人眼的感知能力,通常把太阳光谱分为可见光和不可见光,不可见光包括红外光和紫外光,其中波长小于380nm的波段称为紫外光。根据紫外线的物理和生物学特性,将其分为3个波段:即波长为320~380nm长波紫外线(UV-A),波长280~320nm的中波紫外线(UV-B)和波长100~280nm的短波紫外线(UV-C)。在全部太阳辐射中可见光约占50%,红外线约占48%~49%,其余紫外光约占1%~2%。研究表明,在太阳光光谱中光合有效辐射、UV和远红光对植物生长发育具有调控功能,对农业生产具有应用价值。

  露地农业系统中UV辐射特征

  太阳辐射通过大气层后,光强和光谱均发生了变化。表现为X射线和一些超短波辐射减少,主要是被电离层氧、氮及其他大气成分强烈吸收过滤了。对紫外线而言,大气平流层中的臭氧几乎能吸收全部UV-C,而UV-A和UV-B能够达到地面,到达地面的UV中95%为UV-A,5%为UV-B。波长大于2500nm的射线由于大气层CO2和水蒸气的强烈吸收,到达地面的能量微乎其微。太阳辐射中只有可见光部分较为完整地到达地面,在大气层中损失较小。因此,在到达地面的太阳光谱中,UV-A和可见光丰富,UV-B及其他波长的光质较少,这决定了露地植物所能接收到的太阳能量及光信号的种类。就辐射能量而言,太阳光经过大气层到达海平面处或地球表面,再到植物叶片表面辐射能量逐渐降低,最终植物光合作用固定的太阳能仅占照到植物叶片表面太阳辐射的5%。

  近年来,由于氯氟烷烃(CFCs)和氮氧化合物等化学物质大量释放,致使大气平流层臭氧含量下降。大气臭氧层遭到破坏削弱了其对太阳UV-B辐射的吸收作用,导致到达植物叶片表面的UV-B辐射强度有增加趋势。臭氧层破坏对UV-A和UV-C辐射的空间变化无影响,研究表明即使臭氧层减少90%也不会有UV-C到达地面。到达地面的UV-B辐射增强,对暴露的地球植物而产生严重的生物学效应。据估计,大气臭氧每减少1%,到达地表的辐射强度将增加2%~3%,粮食将减产2%。1978—1991年大气层臭氧降低了1%~5%,到2060年将减少16%。UV-B辐射增强、温室效应、酸雨并称为全球3大环境问题。

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