弄清 PAR、PPF、PPFD 和 PFD 之間的區別

by | Dec 6, 2023 | blogs, 生長燈 | 0 comments

溫室和園藝專業人士會遇到與光測量相關的各種術語。 本文討論PAR、PPF、PPFD 和 PFD這四個術語。 這些術語在文獻中被交叉使用,可能會引起混淆。 我們希望協助釐清這個問題。

背景

光合作用活性輻射(PAR)一直是光對植物生長和光合作用影響的基石。 在1960年代,PAR 測量了400-700奈米之間的光線,這是光合作用所必需的波長。 它使用瓦特每秒(W/s)或每平方米每秒的瓦特(W/m²/s)。 有效地測量了觸發和維持植物生長所需的光的“能量”。

 

PAR and plants

圖 1 – 照片由 Meritt Thomas 在 Unsplash 上拍攝

從 PAR 到 PPF

在20世紀70年代,對植物的理解發生了重大變革。 科學家們認為僅僅量化輻射能量(功率)是不夠的。 所以他們建議量化發射的光子數量,因為這樣可以更直接及精準地測量光合作用的影響。

這項改變導致了光合作用光子光子數量(PPF)這個新名詞的產生,量化了400-700奈米這段光譜在一定時間內(每秒的光子數量或μmol/s)的光子數量。

Indoor Horticulture

圖2 光子

從 PPF 到 PPFD

另一個改進導致了光合作用光子通量密度(PPFD),將 PPF 加入一個維度,即表面積。 因此,PPF(μmol/s)變成了 PPFD,即每秒撞擊某一特定表面積的光子數(μmol/m²/s)。 “表面積”很重要,因為種植者可以使用這些數據來安排生長燈,使足夠的光子均勻分佈在農作物區域。

註:mol 和 µmol 解釋(此處

圖 3 PFFD 測量每秒落在 400-700 nm 之間表面積上的光子。

圖 4 – 類囊體膜中的光能工廠

從 PPFD 到 PFD

正如我們所提到的,PPFD僅包括400-700奈米之間存在的光子。 然而,最近的科學研究發現超出此範圍的波長仍對植物生理有一定程度的重要性。 這包括400奈米以下的藍光和700奈米以上的遠紅外線。

因此,光子光子密度(PFD)是另一種改進,是一種更廣泛的光譜,涵蓋了350奈米至800奈米,包括傳統定義的光合作用光譜範圍之外。

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PPFD-350-800 nm

圖 5 PFD 測量超出傳統 400-700 nm

圖 6 – PFD 延伸超過 400 和 700 nm。

PFD 的進一步細分

另一個進一步的改進是將 PFD 細分為更具體的顏色波長,如 PFD-B(藍光)、PFD-R(紅光)、PFD-FR(遠紅光)、PFD-UV(紫外線)。

葉綠素是負責光合作用的主要色素,在光譜的紅色 (PFD-R) 和藍色 (PFD-B) 區域吸收光線最有效。 PFD-B 具有較短、更有能量的波長,在早期生長階段非常重要,因為它影響葉片擴展、分枝和整體植物結構。 PFD-R 擴展了植物對光吸收的範圍,有助於提高可用的光合能量總量。

PFD-FR 和 PFD-R 數據對於理解和影響種子發芽、莖生長、開花和結果至關重要。 請參閱有關光形態發生的文章(此處)。

PFD-UV 數據對於植物健康很重要。 溫和的紫外線照射可以引發一系列反應,如對抗害蟲和病原體的防禦。 它可以增加抗氧化劑含量,以保護免受陽光曝曬,增強免疫系統和營養含量。

Phytochromes and sprouting seeds

圖7 PFD-FR、PFD-UV的重要性

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圖 8 – 光譜 PAR 計可以看到顏色

測量 PFD – 光譜 PAR 測量儀器

市場上大多數的 PAR 測量設備都是量子 PAR 儀或傳感器 – 它們無法測量到 PFD 的細節,因為它們主要被侷限於400-700奈米。

然而,種植者近年來更重視科學數據,開始使用光譜式PAR 測量儀器來測量 PFD 的特定波段。 光譜式的PAR 測量儀器可以看到顏色,但這是量子測量儀器做不到的。

通過分析和量化這些色帶中的光強度,種植者能夠精準調整溫室照明設置,以滿足植物在各種生長階段的特定需求。 這種對不同波長下 PFD 進行精確測量的能力,有助於精密控制和促進植物生長,從而最大化光合作用效率與整體產量。

總結

總之,從 PAR 到 PPF、PPFD 和 PFD 的演變經歷了一連串階段性的發展,但也因此造成了一些文獻及對話上的模糊性。 然而,在清晰的背景下理解這些術語將有助於種植者和科學家彌合傳統農業和新技術之間的差距。

  • PAR – 現在是一個涵蓋植物生長光量測的統稱,包括 PPF、PPFD 和 PFD。
  • PPF(光合光子通量)測量 400-700 奈米範圍內的光量(光子),並以 μmol/s 為單位進行測量。
  • PPFD(光合作用光子通量密度)測量400到700奈米之間的光子數量,單位是 μmol/m²/s。
  • PFD(光子通量密度)測量350到800奈米之間的光子數量,單位是 μmol/m²/s。 PFD透過光譜PAR計可以進一步細分為PFD-B、PFD-R、PFD-FR和PFD-UV。

我們希望我們已經釐清了這些有時使用鬆散的術語,並為您的知識基礎帶來了一些清晰的資訊。 如果您有任何問題或建議,請評論。

參考:

UPRtek – 光形態發生(Photomorphogenesis):光合作用的姊妹

UPRtek – 光合作用:是什麼?在哪裡發生?如何進行?為什麼這很重要?

UPRtek – 強大的葉綠素分子。

Phytochromes and sprouting seeds

圖 9 光譜 PAR 計 PPFD

深入探討:什麼是摩爾 (mol)、微摩爾 (μmol)?

摩爾只是一種計數單位,就像公克或公尺一樣,甚至像“蘋果”一詞一樣(我有5個蘋果)。 但為什麼我們用摩爾來計算光子呢? 因為它能讓大數量更容易管理。

例如,像原子、分子和光子這樣的小東西數量很多。 假設我們計算出從一盞燈射出的光子數量為602,214,129,000,000,000,000,000個光子。 說6.02214129摩爾的光子要比說這個數字容易管理得多。 它減少了過多的數字跟千分位符號,因此更容易理解!

但通常,計算光子的數量會產生像602,214,129,000,000這樣的數字。 在這種情況下,轉換為摩爾是0.0000006022000214129摩爾的光子 – 這仍然是小數點周圍很多數字,但是往反方向。 但如果我們乘以1,000,000,就會得到6.022214129微摩爾(μmol)。 因此,使用微摩爾來計算光子是合適的,也是避免在小數點周圍有過多或過少數字的另一種方式。

因此,一摩爾基本上是大量物質的計量,這個大量的物質可以是光子,甚至是蘋果。 例如,我可能擁有一摩爾的蘋果,但那表示我擁有的蘋果數量排成一排,足以延伸到太陽系的邊緣!

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具有 PPFD、PFD、PFD-R、PFD-UV、PFD-FR 的光譜 PAR 計

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