植物特征光譜測試系統研制及應用

摘 要： 以植物光合作用的基本原理和一種植物特征光譜實驗方法的發明專利為依據，介紹以雙駝峰光譜光源為基礎，研制出能夠產生覆蓋光合有效輻射范圍的多種單色光發生器，采用多種單色光發生器和光合作用測試儀組合構建植物特征光譜測試系統。闡述如何通過植物特征光譜測試系統獲取植物單色光光合響應曲線、對應的飽和點曲線和補償點曲線，并通過具體案例介紹該系統應用，為植物光照提供技術指導。

關鍵詞：植物特征光譜；單色光；光合響應曲線；光飽和點；光補償點

中圖分類號：S26 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）08-0062-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.011

0 引言

植物生長的光、溫、水、氣和肥5 個要素中，光的作用舉足輕重。植物對光具有選擇性吸收，在不同生長階段對光的波譜、強度及光周期有獨特需求，由此構成的圖譜稱為該植物的特征光譜[1-4]。然而當前植物光照采用的光源是人工光源，其光能利用率較低，是設施農業現代化進程中的制約瓶頸[5]。光譜作為重要的環境因子，對植物有效成分積累起關鍵作用[6-8]。按照植物特征光譜進行栽培，可以提高植物的產量與品質，提升植物栽培的經濟效益。因此，研究植物特征光譜十分必要。

植物特征光譜測量是一個相對復雜過程，需要提供覆蓋光合有效輻射范圍且單色性比較好（半峰全寬≤15 nm，下同）的單色光。然而光合作用儀自帶光源為白光或紅綠藍三色光，難以滿足特征光譜測試需求。因此，急需研制一種能夠提供一系列單色性好且覆蓋光合有效輻射范圍的設備。

以一種植物特征光譜實驗方法的發明專利為依據，植物吸收光譜為基礎，研制基于雙駝峰光譜光源的多種單色光發生器，并與光合測試作用儀組合構建植物特征光譜測試系統。通過植物特征光譜測試系統，獲取各植物單色光光合響應曲線，從而得到植物特征光譜，為植物光照提供技術指導。

1 理論依據

植物特征光譜測試系統是由多種單色光發生器和光合作用測試儀構成的系統，該系統能夠測試光合有效輻射范圍內多個單色性好的單色光在各光照強度下的光合作用速率，旨在研究各植物最佳光譜，為植物光照提供技術指導。

測定植物光合作用速率是通過光合作用測試儀完成，其基本原理是將植物葉片夾在葉室里，光通過葉室照射到葉片上，由于植物光合作用消耗葉室內CO2，使葉室內CO2 濃度下降，通過測試葉室內單位時間CO2 濃度變化量，進而計算出光合作用速率。

不同單色光在同一光照強度下對植物光合作用速率的差異是由于葉綠體中色素對光的選擇性吸收產生的，而不同光照強度與植物光合作用速率關系可表現為植物光合響應曲線[9]。一種植物特征光譜的實驗方法基本思想是通過改變單色光的光照強度，測試在光合有效輻射范圍內多種單色光光合響應曲線，獲得光補償點、光飽和點、最大凈光合速率和暗呼吸速率等參數，進而得到植物飽和點曲線和補償點曲線，用于分析植物特征光譜[10]。然而目前光合作用測試儀自帶光源采用白光或紅綠藍三色光，由于白光是全光譜，而紅綠藍三色光的頻譜較寬，難以獲得能覆蓋光合有效輻射范圍的單色性好的多種單色光。因此，研制多種單色光發生器成為植物特征光譜測試系統的關鍵。

2 多種單色光發生器研制

2.1 獲取單色光方法

最常見的方法有兩種：一是用濾光片從白光光源中獲取；二是采用光柵衍射的方法。利用光譜最接近太陽光光譜的人工白光光源，并選用單色光濾光片，從人工光源光譜中獲取單色光是較容易實現的，并且此方法可獲得較強的光照強度。當前較合適的人工白光光源是氙燈光源，然而通過對比氙燈光源光譜與植物吸收光譜發現，兩種光譜并不吻合，如圖1a 和圖1b所示。因此，必須解決光源的光譜問題。

2.2 雙駝峰光譜光源研制

觀察植物葉綠素aamp;b 吸收光譜合成圖發現，測試多種單色光光合響應曲線所需光譜應與植物吸收光譜一致，其光強為藍光波段和紅光波段高，而綠光波段較低，波形呈現出雙駝峰形狀，如圖1c 所示。

研制雙駝峰光譜光源方法有兩種[11-14]。一是在氙燈光譜上加相應LED 補光，使整體輸出光譜與植物葉綠素aamp;b 吸收光譜一致，以滿足測試需求。然而該方法使得光源結構變得復雜，成本增加，并且部分光譜光強不可調。二是采用純LED 光源，通過調整熒光粉配方，配出所需光譜。這種方法結構簡單，并且由于LED 屬于電流性器件，通過調整電流大小來調整光強大小，能夠滿足測試儀器需求。因此，采用該方法研制光源；同時，增加了水冷循環部件以解決LED 光源散熱問題。

2.3 多種單色光輸出裝置研制

為了能夠提供不同光照強度的多種單色光，除了解決光源光譜問題外，解決多種單色光更換及其光照強度調控是另一關鍵問題。采用轉盤式更換濾光片能夠解決更換不同波長單色光問題，如圖2 所示[11]。將單色性好的濾光片放置在轉盤固定的位置上，即固定各單色光波長位置，通過轉動合適步進電機角度就能夠將相應波長濾光片送到出光口，即獲取所需波長的單色光。同時，由于LED 是電流性器件，故單色光光照強度調控可通過調節電流大小來實現。

3 系統應用

3.1 樹種幼苗測試

應用植物特征光譜測試系統，開展紅椎與馬褂木幼苗22 種單色光的光合響應曲線測試試驗，結果如圖3、圖4 和圖5 所示[6]。第一，同一植物對不同波長的單色光，其光合響應曲線是不同的；第二，同一植物不同光合響應曲線有不同的飽和點或準飽和點；第三，不同植物對同一波長光有不同的光合響應曲線。

將同一植物在有效光合輻射區域內的所有飽和點連成的曲線叫做該植物的飽和點曲線；將同一植物在有效光合輻射區域內的所有補償點連成的曲線叫做該植物的補償點曲線。紅椎與馬褂木的飽和點曲線和補償點曲線，如圖6 所示。通過對比其飽和點曲線和補償點曲線可知，每一種植物有自己獨特的飽和點曲線和補償點曲線；通過飽和點曲線可以看出，飽和點光強值隨波長變化差異較大，即植物進行光合作用時的最大光合作用速率所需光照強度上限值不同；補償點曲線中，各補償點光強值隨波長變化差異較小，故植物啟動光合作用的閾值可使用相同光照強度的光。通過植物飽和點曲線和補償點曲線，在兩者之間選擇與飽和點曲線相近的光譜進行植物栽培驗證，能夠篩選出該植物光照的最佳光譜。因此，通過植物特征光譜測試系統為獲取植物最佳光譜指明了方向。