植物光合作用及其對光的需求

無論是采用太陽光還是人工光進行植物生產(chǎn)，最終都是通過光合作用來完成產(chǎn)物的積累。光合作用是通過植物葉綠素等光合器官，在光能作用下將CO2和水轉(zhuǎn)化為糖和淀粉等碳水化合物并釋放出氧氣的生理過程；與光合作用相對應的是呼吸作用，呼吸作用是通過植物線粒體等呼吸器官，吸收氧氣和分解有機物而釋放CO2與能量的生理過程，是植物把光合作用形成的碳水化合物作為能量用來形成根、莖、葉等形態(tài)建成的重要生理活動。呼吸作用包括與光合作用毫無關(guān)系的暗呼吸以及與光合作用同時進行的光呼吸2個部分。作物的光合作用與呼吸作用之間有一個相互平衡的過程，隨著生長階段的不同，其平衡點也不同。實際生產(chǎn)中經(jīng)常利用控制作物的光合速度和呼吸速度來調(diào)節(jié)營養(yǎng)生長和生殖生長的相對平衡，達到提高目標產(chǎn)量或改善產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

植物的光合作用與CO2的吸收、釋放關(guān)系密切，光合時吸收CO2，呼吸時排放CO2，這2種生理活動是同時進行的，所以光合器官的葉片內(nèi)外的CO2交換速度也就等于光合速度減去呼吸速度。通常把該CO2交換速度也叫做凈光合速度，其中的呼吸速度則是暗呼吸速度與光呼吸速度的總和。一般而言，C3植物光呼吸速度高，C4植物光呼吸速度低。因此，凈光合速度為0時，光合速度等于光呼吸速度。光合速度的單位為kg/cm2·s）或mol/cm2·s）（以CO2計），表示單位葉面積單位時間內(nèi)CO2的吸收、排放或交換量。

光強對作物光合的影響

光合產(chǎn)物的形成與光照的強度及其累積的時間密切相關(guān)。光照的強弱一方面影響著光合強度，同時還能改變作物形態(tài)，如開花、節(jié)間長短、莖的粗細及葉片的大與厚薄等。在某一CO2濃度和一定的光照強度范圍內(nèi)，光合強度隨光照強度的增加而增加。當光照強度超過光飽和點時，凈光合速度不但不會增加，反而還會形成抑制作用，使葉綠素分解而導致作物的生理障礙。不同類型植物的光飽和點的差異較大，光飽和點一般會隨著環(huán)境中CO2濃度的增加而提高。因此，植物生產(chǎn)中給予光飽和點以上的光照強度毫無意義；而另一方面，當光照強度長時間處于光補償點之下，植物的呼吸作用超過了光合作用，有機物消耗多于積累，作物生長緩慢，嚴重時還會導致植株枯死，因此對植物生長也極為不利。通常情況下，耐蔭植物的光補償點為200～1000 lx，喜陽植物的光補償點為1000～2000 lx。植物對光照強度的要求可分為喜光型、喜中光型、耐弱光型植物。蔬菜多數(shù)屬于喜光型植物，其光補償點和光飽和點均比較高，在人工光植物工廠中作物對光照強度的相關(guān)要求是選擇人工光源的最重要依據(jù)，了解不同植物的光照需求對設計人工光源、提高系統(tǒng)的生產(chǎn)性能都是極為必要的。

光質(zhì)對作物光合的影響

光質(zhì)或光譜分布對植物光合作用和形態(tài)建成同樣具有重要影響，地球上的植物都是在經(jīng)過億萬年的自然選擇來不斷適應太陽輻射，并依據(jù)種類不同而具有光選擇性吸收特征的。到達地面的太陽輻射的波長范圍為300～2000 nm，而以500 nm處能量最高。太陽輻射中，波長380 nm以下的成為紫外線，380～760 nm的叫可見光，760 nm以上的是紅外線也稱為長波輻射或熱輻射。太陽輻射總能量中，可見光或光合有效輻射占45%～50%，紫外線占1%～2%，其余為紅外線。

波長400～700 nm的部分是植物光合作用主要吸收利用的能量區(qū)間，稱為光合有效輻射；波長700～760 nm的部分稱為遠紅光，它對植物的光形態(tài)建成起到一定的作用。在植物光合過程中，植物吸收最多的是紅、橙光（600～680 nm），其次是藍紫光和紫外線（300～500 nm），綠光（500～600 nm）吸收的很少。紫外線波長較短的部分，能抑制作物的生長，殺死病菌孢子、波長較長的部分，可促進種子發(fā)芽、果實成熟，提高蛋白質(zhì)、維生素和糖的含量；紅外線還對植物的萌芽和生長有刺激作用，并產(chǎn)生熱效應。

不同的光譜成分對植物的影響效果也不盡相同（表1），強光條件下藍色光可促進葉綠素的合成，而紅色光則阻礙其合成。雖然紅色光是植物光合作用重要的能量源，但如果沒有藍色光配合則會造成植物形態(tài)的異常。大量的光譜實驗表明，適當?shù)募t色光（600～700 nm）/藍色光（400～500 nm）比（R/B比）才能保證培育出形態(tài)健全的植物，紅色光過多會引起植物徒長，藍色光過多會抑制植物生長。適當?shù)募t色光（600～700 nm）/遠紅色光（700～800 nm）比（R/FR比）能夠調(diào)節(jié)植物的形態(tài)形成，大的R/FR比能夠縮短莖節(jié)間距而起到矮化植物的效果，相反小的R/FR比可以促進植物的生長。所有這些特征都是植物工廠選擇人工光源時必須考慮的重要因素，尤其是對于近年來發(fā)展起來的新型節(jié)能光源，如LED、LD以及冷陰極管等來說顯得更為重要，因為這些光源需要通過不同光譜的單色光組合構(gòu)成作物最適直的光質(zhì)配比，以保障高效生產(chǎn)和節(jié)能的需求。

光周期對植物的影響

植物的光合作用和光形態(tài)建成與日長（或光期時間）之間的相互關(guān)系稱其為植物的光周性。光周性與光照時數(shù)密切相關(guān)，光照時數(shù)是指作物被光照射的時間。不同的作物，完成光周期需要一定的光照時數(shù)才能開花結(jié)實。

長日照作物，如白菜、蕪青、芭英菜等，在其生育的某一階段需要12～14 h以上的光照時數(shù)；短日照作物，如洋蔥、大豆等，需要12～14 h一下的光照時數(shù)；中日照作物，如黃瓜、番茄、辣椒等，在較長或較短的光照時數(shù)下，都能開花結(jié)實。