植物灯红蓝比终极篇
来源: | 作者:许东 | 发布时间: 2024-03-23 | 115 次浏览 | 分享到:
关于植物灯红蓝比的由来

植物灯的光谱技术中，有一项重要的指标，光谱的红蓝比，植物灯需要标注这个参数，然而，很多产品资料和技术论文，都没有理解这个参数的真正含义，直到现在，有些研究论文还用红光灯珠与蓝光灯珠的灯珠数量比，导致研究结论与实际光谱参数相差很大，应该引起充分重视，不能出现技术常识性的错误。

我们说的植物灯光谱红蓝比，是属于光谱配比这个概念。

什么是光谱配比：以提高光合作用效率和控制光形态建成为目的光谱形态设计指标。

这个指标包括：红/蓝（R/B），红/远红（R/FR），蓝光/UVA（B/UVA）；当光谱中含有绿光成分，可以按需要增加：红/绿（R/G），蓝/绿（B/G）。

上面的指标是目前大家常用的参数，光谱配比还可以用光谱成分含量的百分比表示。

为什么植物灯光谱技术里会用到光谱配比这个指标，因为植物的光合作用是通过叶绿体内的光合色素进行的，从目前的研究结果，植物与光合作用相关的叶绿素有：叶绿素a, 叶绿素b, 叶绿素c1, 叶绿素c2, 叶绿素d，叶绿素f等；其中，叶绿素a与叶绿素b是占比最大的主要的光合色素，他们主要吸收的是红光和蓝光。

注意：不同的植物吸收的红蓝光峰值不同，吸收的光量子能量不同。
（20世纪初，俄国化学家M.C.茨韦特用吸附色层分析法证明高等植物叶子中存在两种成分的叶绿素；德国化学家韦尔斯泰特采用色层分离法提取绿叶中的叶绿素，1915年，韦尔斯泰特荣获了诺贝尔化学奖。）
叶绿素a分子式：C55H72O5N4Mg，外观呈蓝绿色（视觉颜色）。
叶绿素b分子式：C55H70O6N4Mg。外观呈黄绿色（视觉颜色）。

通过测试叶绿素的吸收光谱，植物对红光和蓝光的吸收比例可以用光源的光谱配比来描述，目的是实现人工光照下植物的光合作用效率最大化。

关于叶绿素a与叶绿素b对不同波长光子的不同吸收能力分析研究，可以了解美国学者莫克利的RQE研究，参看我之前写的公众号文章：

McCree 莫克利的研究与作用曲线

莫克利的RQE曲线

从莫克利的研究，我们比较清晰的了解早期光源的光谱与光合作用的效率相关，主要是红蓝光的配比对光合作用效率的影响，随着LED技术的应用，植物灯光谱技术才有了真正的意义。

如何表达红蓝光的配比是关键，目前我们看到有三种：红蓝灯珠比，光谱的辐射比，光谱的光量子比。

首先需要明确一点，红蓝灯珠比是错误的表达。这是因为LED灯珠生产工艺并不能生产出一致性的灯珠，影响灯珠一致性的因素包括：

1）同一种波长的芯片是按照辐射效率分规格，即便同一规格里，芯片的辐射效率也不能保证一致性。

2）不同企业封装的同一波长的灯珠，辐射效率不同，同一企业封装的同一波长的灯珠，也会因为存在分光设定，不能完全保证一致性。

3）同一波长LED的辐射量与驱动电流的关系是非线性的，不同波长LED在同一驱动电流下光子的摩尔量差别很大，即便同一植物灯，红蓝比也会随着驱动电流变化而变化。

所以，红蓝灯珠数量比与光源光谱的红蓝比相差很大，会出现5R1B的光谱可能与6R1B或5R2B的光谱是相同的，也可能5W2R与5W1R的光谱是一样的，结论是灯珠数量比不能表示植物灯光谱技术的红蓝比。

之所以会使用红蓝光的灯珠比，原因是直观的认为植物灯本身就是由灯珠组成，用红蓝灯珠比可以表示光谱的红蓝比，实际上比值是个无量纲参数，灯珠比与辐射比是两个不同算法的比值，而且灯珠比在数值上并不等于辐射比。

大多数采用的红蓝比是辐射比，辐射比的算法简单，普通光度学积分球测量仪测量的参数就可以计算出来，在PAR的波长范围内（400-700nm），通常采用每隔100 nm 定义了蓝光、绿光、红光三个分段，那么：

光谱红蓝辐射比=（600-700nm的总辐射量）/（400-500nm的总辐射量）

光谱的红蓝比还可以采用红蓝光的光量子比，对于专业的光谱技术研究，用量子比会得到比较灵敏的响应，使用光量子比的前提是具备光量子参数的算法，还需要有专业的测量仪器，光量子比计算公式：

光谱红蓝量子比=（600-700nm的光子总摩尔数）/（400-500nm的光子总摩尔数）

无论辐射比还是量子比，通常还要计算 红光/远红光，虽然光敏色素光平衡应该比红/远红 （R/Fr）更准确地预测植物光敏色素反应，由于测量光敏色素比较困难，而且大多数植物光敏色素应答研究是利用红光与远红光（R/Fr）进行比较；所以就用红光和远红光辐射比代替。

此外，蓝光与近紫外线之比在某些植物品种也要用到。

植物灯红蓝比设定的依据
红蓝比的设定依据是通过种植试验确定的。
植物种植的光谱数据评估来源于人工光照下的种植试验，试验包括光质、光量、光周期，其中光质试验包括光谱形态和各种辐射比，在以能耗为目标的光谱技术试验里，光质是主要指标，下面就是人工光照下的种植试验场景。图片

在光质研究中，下图是常见的参考来源，我想强调一下，这个图只能算是一个教学用图，实际上各种植物的色素吸收图各不相同，即便同一科属的植物，品种不同，色素吸收光谱也不同，需要提醒的是这个图是色素吸收光谱图，与植物灯红蓝比设定是两码事，机理是光合色素是对光子的能量进行吸收，相同能量的红蓝光辐射，红光光子数量大于蓝光光子数量。

下图是我做的各种色素吸收光谱图，从这个图可以看出，植物灯的光质研究复杂，需要投入大量的资源去长期研究。

还需要提示一点，不同种植环境，不同地区的相同品种的植物，色素吸收光谱也存在差异，这也是这么多年以来， 植物灯的光谱技术依然在不断地进行研究。

光质研究是光谱技术的核心
什么是植物灯的光谱技术？
植物灯光谱技术：应用光谱可设计的人工光源去控制生物对光能吸收后的响应并找到响应敏感度因子；这些敏感因子包括光谱形态与光谱配比。
什么是光谱形态？
是以波长为横坐标，以归一化的光谱光子通量（或者光谱辐照度）为纵坐标所建立的曲线，该曲线的分布形态称为光谱形态（下图的蓝色与红色曲线）。

光谱形态与光谱配比就是我们讲的光质，因为光谱配比是可以量化的描述指标，而且光谱配比主要用到的是红蓝比，可以用红蓝比近似表示光质；不能单纯的理解红蓝比就完全代表光质，所以植物灯规格书通常要配光源的光谱图（上图）。
注意：不同的光谱形态可能具有相同的红蓝比。
光谱技术的关键词是找到响应的敏感因子，如果不了解这一点，就很难理解光谱技术的目的是什么，我们之所以在植物灯的应用中给出光谱形态与光谱配比，是因为如果知道了这个配比在植物生长过程中的调控意义，光质的变化会引起植物作出的响应趋势，这个响应是否符合我们的种植要求。
对于光谱技术的评估可以用光谱技术三原则：
1）光谱原则：光谱没有最好，只有最合适。 
2）参数原则：光量优先于光质。 
3）效率原则：相同环境下，相同品种的植物生长相近，则光照的光谱成分越少，光合效率越高，光质越好。
如何评估光质效果，是个复杂的数据工作，我们建议采用R-R-A规则去分析。
 R-R-A 规则（ Radiation-Response-Action Rule）是通用的生物光学应用效果的评估规则，是指生物受到的辐射类型（Radiation），辐射后的响应 （Response），生物应对的行动策略（Action），通过这三者的统计数据，对生物光学光照效果进行评估与分析。
在应用R-R-A规则时，稳定的环境参数与控制比较重要，尽管数据是多维的，但如何设定并稳定地调整其中一维是降低参数失真的关键，此外，试验数据的可重复性是确定结论的先决条件；采用R-R-A规则的数据量是非常庞大的，需要用到统计学方法分析。
光谱技术的光质、光量、光周期，都可以通过物理定义的算法计算出来，我们称为物理级的光谱技术，多年以来，各国的学者都是专注这种物理级的光谱技术。
近几年，我们提出了生物级的光谱技术，即：种植工艺光谱技术，生物级的光谱技术是建立在物理级光谱技术基础上，面向植物种植工艺与环境可控下的光谱技术，有明确的技术目标。
尽管种植工艺光谱技术研究的参量维度大幅增加，但环境变量离散度减小，调控更加精准，实际应用的种植效果明显提升。
种植工艺光谱技术（STCP） 以植物生长品质或产量与光能利用效率为前提，在种植的人工环境参数可控制的条件下，应用种植工艺所制定的各个种植周期的光质和光照剂量，实施的光周期与光照方式等调控策略的光照技术。
无论物理级的光谱技术还是生物级的光谱技术，光谱的红蓝比始终占有重要的地位，为了直观的表达光质，我比较推荐采用光谱光量子成分的百分比含量+光量子的红蓝比，可以清晰的表达光谱的光质。

2024年3月14号

文章来源于植物灯光谱技术，作者许东