多通道光合有效輻射傳感器

錢大憨，劉　文1,，劉路青1,， 王啟星1,，張放心，李　明

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥　230088; 2.安徽省光電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，微電子與光電子產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)研究院, 安徽 合肥　230088)

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多通道光合有效輻射傳感器

錢大憨2，劉文1,2，劉路青1,2， 王啟星1,2，張放心2，李明2

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥230088; 2.安徽省光電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，微電子與光電子產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)研究院, 安徽 合肥230088)

光合有效輻射傳感器可測量可見光波段400nm～700nm的光量子流密度，不能準(zhǔn)確區(qū)分LED組合光源的各種光質(zhì)比例，已無法滿足光生物學(xué)研究和植物工廠生產(chǎn)的實(shí)際需要。本文提出一種多通道光合有效輻射傳感器，通過模擬植物窄帶光譜響應(yīng)的傳感器同時(shí)測量紅光、藍(lán)光光量子流密度，其成本低、便攜，適用于應(yīng)用LED補(bǔ)光的光伏農(nóng)業(yè)大棚和植物工廠應(yīng)用。大量傳感器組網(wǎng)，可以采集植物生長的光配方數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)光照智能控制、對規(guī)?；闹参锕S光質(zhì)需求數(shù)據(jù)積累與降低能耗意義重大。

光合有效輻射；多通道光合有效輻射傳感器；植物工廠；光質(zhì)；光配方；光量子流密度

引言

人們在生產(chǎn)實(shí)踐中早已認(rèn)識(shí)到植物的生長依賴于太陽光，不同光照條件會(huì)直接影響農(nóng)作物的生長。早期人們對植物光合作用的認(rèn)識(shí)受限于光譜測量技術(shù)，認(rèn)為植物只有在太陽光照射下才能進(jìn)行光合作用，隨著人工電光源技術(shù)和光譜分析技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)清光在植物光合作用中所承擔(dān)的角色，20世紀(jì)50年代，植物的光合作用對不同波長光的敏感程度不同被首次提出[1]。1972年，Mc.Cree 等第一次提出用光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation:PAR)評價(jià)太陽輻射對植物光合作用的影響，并把太陽光譜中可以被植物有效吸收并參與光合作用的可見光波段(波長范圍400nm～700nm)定義為光合有效輻射。太陽光譜中光合有效輻射波段400nm～700nm光譜分布相當(dāng)穩(wěn)定，且輻射強(qiáng)度處在大部分植物光合作用曲線的線性部分[2]。這個(gè)定義現(xiàn)在被業(yè)界廣泛采用，基于這種定義，用儀器測量光合有效輻射時(shí)有兩種表達(dá)方式。第一種表示方法是用輻射能量(輻射功率密度、輻照度)來表達(dá)，由于早期其他太陽輻射都是以能量為計(jì)量單位，因此以能量為單位的光合有效輻射通量便于與已有的氣象站臺(tái)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，也便于研究植物光合作用所吸收的能量與太陽總輻射量之間的關(guān)系。根據(jù)這種方法，最早嘗試用太陽輻射照度計(jì)和400nm～700nm的帶通濾光片，以光輻射功率密度單位(W/m2)表示，并要求理想PAR能量傳感器在400nm～700nm波段范圍內(nèi)的響應(yīng)是不變的[3]。第二種表示方法是用光合有效光量子通量 (photosynthetic photon flux：PPF) 或光合有效通量密度(photosynthetic photon flux density：PPFD)來表達(dá)，Rabinowitch研究發(fā)現(xiàn)光合作用生成的分子數(shù)近似與光合有效輻射吸收的光子數(shù)相關(guān)，與光子能量無關(guān)[4]。要求理想PAR光量子傳感器在400nm～700nm波段范圍內(nèi)的響應(yīng)與波長無關(guān)[5]。基于這種方法的PAR量子傳感器主要是由光電探測器，利用特殊設(shè)計(jì)的濾光片使探測器在400nm～700nm之間的響應(yīng)是相同的，現(xiàn)在商用的光合有效光量子傳感器多數(shù)是用光合有效通量密度來表達(dá)， Mc.Cree也通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明光量子通量密度傳感器測量的結(jié)果較光譜輻射傳感器測量結(jié)果準(zhǔn)確度提高2/3[6-7]。

1　光合有效輻射測量技術(shù)

實(shí)際生產(chǎn)中需要能準(zhǔn)確測量光合有效輻射的儀表，現(xiàn)代光生物學(xué)研究中主要采用光合有效光量子通量密度(單位:μmol·m-2·s-1)用于評價(jià)光合有效輻射，因?yàn)楣饬孔訑?shù)據(jù)更能準(zhǔn)確的反映光在光合作用中的作用?，F(xiàn)在的主流商用光合有效輻射傳感器都是采用光量子傳感器，它能測量太陽光的光合有效輻射光量子通量密度，采用光電二極管和400nm～700nm帶通濾光片。經(jīng)過光譜調(diào)制的光合有效輻射光量子傳感器響應(yīng)接近理想光合有效輻射傳感器，國外這種傳感器技術(shù)相對成熟，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度等方面都比較好，但價(jià)格昂貴。光合有效光量子傳感器在測量自然界太陽光的光合有效輻射方面積累了許多重要的科研數(shù)據(jù)，為光生物學(xué)的發(fā)展起到了重要的作用，圖1是LI-COR Inc.生產(chǎn)的LI-190SA光合有效輻射傳感器的光譜響應(yīng)圖。

圖1　LI-COR Inc. LI-190SA光譜響應(yīng)Fig.1　Spectrum response of LI-190SA (LI-COR Inc.)

隨著人工電光源的出現(xiàn)，尤其是LED電光源的出現(xiàn)，LED植物燈以其單色性、窄光譜、可組合性等特點(diǎn)在光質(zhì)生物學(xué)研究方面得到了廣泛應(yīng)用，這些研究使得人們對植物光合作用中光的作用有了新的認(rèn)識(shí)。大量研究數(shù)據(jù)表明植物對光的需求不局限于太陽光光譜中可見波段的光合有效輻射(400nm～700nm)，也可以用人工光源替代太陽光，并且對光譜表現(xiàn)出一定的選擇性，其中紅光和藍(lán)光對促進(jìn)光合作用最重要，并且以紅藍(lán)光組合的LED植物燈具已經(jīng)在植物工廠中得到了很好的應(yīng)用。

早期針對太陽光譜中光合有效輻射測量的光合有效光量子傳感器是基于植物對太陽光的光合有效輻射光譜的響應(yīng)無選擇性。但LED植物照明光源的出現(xiàn)，其光譜結(jié)構(gòu)與太陽光譜有很大差別，并且不同LED組合后的光譜結(jié)構(gòu)和輻射強(qiáng)度也有很大的差異?，F(xiàn)有的光合有效輻射傳感器，測量植物接受的光量子數(shù)時(shí)，會(huì)對400nm～700nm區(qū)間的所有光有響應(yīng)，無法區(qū)分植物照明光源里面紅光光量子數(shù)、藍(lán)光光量子數(shù)等數(shù)據(jù)。而在植物工廠應(yīng)用中恰恰需要精確調(diào)配總光量和各種光質(zhì)的配比。所以現(xiàn)有對光譜無選擇性的光合有效光量子傳感器已無法滿足光生物學(xué)研究和植物工廠生產(chǎn)的實(shí)際需要。

2　多通道光合有效輻射傳感器

2.1光合有效輻射

根據(jù)太陽光的光合有效輻射的定義，光合有效輻射PAR的理論計(jì)算公式為[8]：

(1)

式中λ是波長，單位nm，Pe(λ)是光譜輻射通量，可用光譜儀測量，單位為W·nm-1。PAR表示太陽光在單位時(shí)間內(nèi)輻射400nm～700nm光的總能量，單位為W?？紤]到被照射物體接受到的輻射通量，實(shí)際測量的是單位面積接受到的光合有效輻射通量，可以用光合有效輻照度EPAR表示，單位為W·m-2：

(2)

其中Ee(λ)為光譜輻照度，單位:W·m-2·nm-1。

光生物學(xué)研究領(lǐng)域需要定量研究光量子在植物光合作用過程中的作用，現(xiàn)在普遍使用光合有效光量子流PPFD表示：

(3)

式中h是普朗克常量(h=6.63×10-34W·s),c是光速 (c=3.0×108m·s-1),NA是阿伏加德羅常數(shù)NA=6.022×1023mol-1。

定義γ=NAhc=119.8W·s·nm·μmol-1，則

(4)

2.2多通道光合有效輻射模型

已有大量研究數(shù)據(jù)表明，光合有效輻射光譜中不同光質(zhì)對植物光合作用和形態(tài)建成的重要是不同的，如圖2所示，其中600nm～700nm的紅光和400nm～500nm的藍(lán)光對植物光合作用最為重要，稱為必需光質(zhì)，是植物生長過程中不可缺少的光質(zhì)，光合作用相對量子效率較高；而其他波段對植物品質(zhì)或形態(tài)有促成作用的光質(zhì)稱為有益光質(zhì)[9]，如黃綠光、紫外光、遠(yuǎn)紅光等也在植物生長的各個(gè)階段以不同形式影響著植物的形態(tài)及長勢[10-14]。

圖2　葉綠素A、B光譜響應(yīng)曲線Fig.2　Absorption spectrum of chlorophyll

圖3　生菜葉綠素萃取液光譜響應(yīng)曲線Fig.3　Absorption spectrum of chlorophyll extract(lettuce)

參照可見光光合有效輻射的公式，可將必需光質(zhì)和有益光質(zhì)區(qū)分開來，如公式(5)所示。

PPF=PPFR+PPFB+PPFS

(5)

定義PPFR是紅光的光合有效輻射光量子流，可表示為：

(6)

定義PPFB是藍(lán)光的光合有效輻射光量子流，可表示為：

(7)

其中PPFS是有益光質(zhì)的光合有效輻射光量子流，包括紅、藍(lán)光以外的其他有益光質(zhì)。由上述公式可知，對于不同的光源的光譜分布，其光量子流密度與波長、光譜分布相關(guān)。

2.3多通道光合有效輻射傳感器

本文采用光電傳感器和特殊設(shè)計(jì)的濾波器可以對不同光質(zhì)光量子流進(jìn)行測量，光電傳感器在不同光的激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光電載流子,從而誘導(dǎo)產(chǎn)生光電流。光電傳感器電流響應(yīng)I(λ)、 輸出電流I與入射光量子的關(guān)系：

I(λ)=η(λ)φ(λ)

(8)

(9)

φ(λ)是入射到光電傳感器表面的波長為λ的光量子流密度，單位為μmolm-2s-1。η(λ)是傳感器的光譜響應(yīng)。根據(jù)普朗克定律E=hν，波長為λ的光量子流密度φ(λ)可表示為

(10)

E(λ)是入射到光電傳感器表面波長λ的能量(光譜輻照度)。

光電傳感器感應(yīng)電流為

(11)

考慮到植物的光合作用在波段λmin～λmax內(nèi)吸收的光量子數(shù)Q為

(12)

φ(λ)是入射到植物葉片表面的光量子流密度。ε(λ)是植物的光譜吸收系數(shù)。光合有效輻射傳感器的光譜響應(yīng)η(λ)應(yīng)該模擬植物光譜吸收系數(shù)ε(λ)，假設(shè)植物光合作用的光譜無選擇性，對理想光合有效輻射傳感器，有ε(λ)=η(λ)=1。由于植物實(shí)際的光合作用是對光質(zhì)有選擇性的，照射在植物上的光量子流密度不會(huì)完全被植物有效吸收[15]，并且植物種類不同，光譜響應(yīng)也有差別，為更準(zhǔn)確的測量各個(gè)不同的光質(zhì)對植物光合作用的影響，應(yīng)當(dāng)分別對不同光質(zhì)的光量子流進(jìn)行測量。測量植物吸收的光量子，最準(zhǔn)確的方式是采用完全模擬植物吸收光譜的傳感器。理論上講，能通過選擇合適的光電器件和光學(xué)鍍膜技術(shù)，達(dá)到模擬要求，但對于不同植物或不同的生長階段而言，吸收光譜會(huì)有所差別(如圖3)，在實(shí)際傳感器制備過程中，很難使傳感器的光譜響應(yīng)完全匹配植物光譜響應(yīng)。

研究必需光質(zhì)(紅光，藍(lán)光)和有益光質(zhì)對植物的影響，一個(gè)可行的方法是分開測量不同光質(zhì)的光量子流。一個(gè)簡化模型是認(rèn)為葉綠素A與葉綠素B含量為1∶1，葉綠素A與葉綠素B的主要吸收峰差別不大，在紅光處的吸收都在650±20nm以內(nèi)，在藍(lán)光處的吸收都在430±15nm以內(nèi)。定義光電傳感器輸出電流IB、IR分別代表藍(lán)光、紅光光量子激發(fā)的光電流，則由式(11)有

(13)

(14)

其中光電傳感器在415nm～445nm間的光譜響應(yīng)是一個(gè)定值ηB，在630nm～670nm間的光譜響應(yīng)是一個(gè)定值ηR，結(jié)合式(6)、(7)、(11)、(13)、(14)有

IB=ηB·PPFB

(15)

IR=ηR·PPFR

(16)

I=ηB·PPFB+ηR·PPFR+IS

(17)

其中IS是由其他有益光質(zhì)在光電傳感器激發(fā)的光電流。

本文提出的一種多通道光合有效輻射傳感器可以分別針對不同光質(zhì)的光合有效輻射光量流密度進(jìn)行測量，特殊設(shè)計(jì)的濾波片可以根據(jù)植物吸收光譜峰值設(shè)計(jì)。圖4是模擬植物對紅光和藍(lán)光的響應(yīng)曲線制作的濾波器響應(yīng)。

圖4　多通道光合有效輻射傳感器吸收光譜曲線Fig.4　Spectrum response of Multi-channel photosynthetic active radiation sensor

3　結(jié)語

傳統(tǒng)光合有效輻射傳感器已無法滿足光生物學(xué)研究和植物工廠生產(chǎn)的實(shí)際需要，多通道光合有效輻射傳感器可以快速、準(zhǔn)確的對光源不同光質(zhì)進(jìn)行測量，在應(yīng)用LED補(bǔ)光的植物工廠中，可以組成網(wǎng)絡(luò)對整個(gè)工廠的光照環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，并可以根據(jù)植物生長光配方自動(dòng)調(diào)節(jié)LED光強(qiáng)以匹配植物生長，同時(shí)也能積累植物在生長周期中的光照數(shù)據(jù)。在光伏農(nóng)業(yè)大棚建造過程中，也可以應(yīng)用多通道光合有效輻射傳感器對大棚的光照環(huán)境進(jìn)行評估，從而為大棚適宜種植的農(nóng)作物品種選型提供依據(jù)。

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Multi-channel Photosynthetic Active Radiation Sensor

QIAN Dahan2，LIU Wen1,2，LIU Luqing1,2，WANG Qixing1,2,ZHANG Fangxin2， LI Ming2

(1.UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230088,China;2.InstituteofMicroelectronicsandOptoelectronicsIndustrialGeneralPlatformTechnology,theCommonPlatformofMicroelectronicsandOptoelectronicsindustrial,Hefei230088,China)

Photosynthetic active radiation sensors only response to the light between 400nm～700nm. The red light quantum and blue light quantum cannot be identified directly for LED light. In this paper, a multi-channel photosynthetic active radiation sensor which has a narrow-band spectral response matching with plant absorption peak is proposed. The red light and the blue light are measured with quantum density directly. It can be applied to plant factory with low cost and portable. It is also easy to create sensor network, collect the plant growth light recipe data and realize intelligent control of light. This sensor can play a key role on the plant light recipe accumulation and the energy consumption reduction for plant factory.

photosynthetically active radiation; multi channel photosynthetically active radiation sensor; plant factory; light; light formula; photon flux density

項(xiàng)目資助：安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：1408085MKL02)，安徽省教育振興計(jì)劃——微電子與光電子產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)研究院資助

劉文,E-mail:wenliu@mail.ustc.edu.cn

TN29

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.007