刘慧 | 植物照明测量技术的发展历程及新进展
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光辐射照明是植物生长发育的关键环境要素之一，对植物的光合作用、生长发育、形态建成和代谢等起调控作用。光合作用主要受波长400～700 nm 范围内被绿色植物叶绿素吸收的光合有效辐射所驱动。不同波段的光辐射参与光合作用的权重不同，并且随植物品种及生长的阶段而变化。设施农业中的人工补光必须遵循植物的光生理特性，只有准确测量补光光辐射源的光合有效辐射强度才能达到最佳的补光效果。另一方面，光质生物学的研究也需要准确测定一定量入射光辐射的生物效应特性。
从20世纪30年代起，科学家就开始研究太阳光辐射对植物的作用，植物的人工光辐射栽培与照明技术的发展及人类对植物光生物学的认识紧密相关。1972年以前，主要是使用日照辐射计等热辐射类测量仪器测量太阳辐照度，这类仪器的测量结果不能准确反映植物的光合效能，测量的是太阳全波段的辐射能量。Mc.Cree 1972年首先提出用光合有效辐射PAR (photosynthetically active radition)评价光对植物的照明效果。PAR是指波长400～700 nm间，能够被植物捕获并用于推动光合作用的那部分光辐射。尽管最早的植物光合作用的光谱响应函数是Mc.Cree 发表的,但在这个定义中，Mc.Cree并未指出采用何种加权方式来测量光辐射，因而这个定义是不完善的。从理论上讲，光合有效辐射应采用植物光合作用的光谱响应函数加权进行计算，然而，在当时这种加权方法难于准确实现。在快速光谱辐射计还没有商业化之前，基于光谱法测量光合效应的仪器价格昂贵、体积大，无法推广；而基于积分法测量的仪器，即采用硅光电探测器和有色光学玻璃的组合的 “模拟植物光合探测器”，要准确实现则比较困难。Mc. Cree 通过大量的研究表明，在400-700nm 之间，用光量子通量密度PPFD （μmol m-2 s-1）响应平坦的探测器即“光量子探测器（quantum sensor）”代替“模拟植物光合探测器”可取得较准确的测量结果，比用光谱辐射照度(W m-2)响应平坦的探测器即热电型探测器能使测量结果的准确度提高2/3。
PAR METER被普遍接受作为测量光合有效辐射，即光合光量子通量密度PPFD（Photosynthetic Photon Flux Density），单位为(μmol s- 1 m- 2)的仪器。市场上常见的PAR METER是积分型的，其探测器是由硅光电二极管和几种光学有色滤光片组成的“光量子传感器”，易做成便携式的小型仪器，用于植物工厂中的照明监测，以便实现自动调光。光谱法的PAR METER，一般为快速光谱辐射计，其优点是可以获得准确的测量结果，在测量时不用进行光谱失配修正，但这种仪器结构复杂，造价高，且测量结果易受环境条件影响，仅适合在实验室使用，不适合在植物工中长期使用。
尽管植物光合作用的光谱响应函数与人眼光谱光视效率函数不同，但在实际的照明效果评价中却大量使用光度量，如照度（lx）,光通量（lm）。因而植物照明测量通常涉及光度、辐射度、光量子这三种量及三个单位体系，.这三个单位体系之间可以互相转换，不同单位体系之间的转换并没有固定的转换系数，转换结果与光源的相对光谱功率分布有关，通过计算机编排的程序可以快速实现转换。
依照光辐射计量标准的现状，PAR METER 的校准光源为钨丝灯，而实际用于植物照明的光源主要为钠灯、荧光灯、LED 灯，由于积分型PAR METER 的探测器的光谱响应度与理想的光合量子探测器的光谱响应度存在差异，造成了即使用同一种标准光源校准不同品牌的PAR METER,在测量与校准光谱功率分布不同的光源时，测量结果仍存在偏差，据文献报道这种偏差甚至高达80%。测量结果的准确性与所用的PAR METER的探测器的实际光谱响应度及被测光源的光谱功率分布相关，要得到准确的测量结果应进行光谱失配修正。
目前设施农业在我国已经进入了商业化的运作阶段，近年来得到了快速发展，。引起了业界对植物光合有效辐射测量技术的关注。中国照明学会成立了农业照明专业委员会，旨在推动照明技术在农业领域的应用。中国计量科学研究院开展了针对植物照明测量技术的专项研究，复现了光合光子通量密度PPFD(μmol s- 1 m- 2)单位量值,其量值溯源至低温辐射计，解决了国内植物照明测量仪器的校准和量值溯源的需求，对实现植物照明的按需补光提供了计量基础。但实际应用中尚存在许多问题，市场上的积分型PAR METER按光谱失配、余弦响应等性能还没有建立分级评判的标准，各种品牌仪器的质量参差不齐，一些使用者不具备对测量结果进行光谱失配修正的能力。市场上许多植物照明灯具的标称值仍为光度单位体系，一些使用者不具备转换为光量子单位体系的能力。另外针对植物光合有效辐射测量仪器校准的相关技术标准有待制订。这些问题影响到植物照明技术的健康发展，亟待解決。
专家介绍
刘慧
中国计量科学研究院副研究员，光度实验室主任，《照明工程学报》审稿专家。1997年获浙江大学测试计量与仪器专业获硕士学位。毕业后一直从事光度计量科学研究。主要研究领域：光度基准量值的复现、保存和传递方法；LED 测量技术，LED 计量标准器的研发、LED 专用计量标准体系的建立。
▌全文刊载于《照明工程学报》2018年第29卷第4期
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