遠紅光如何影響植物生長？
遠紅光LED植物生長燈簡介及植物生長
遠紅光如何影響植物？
遠紅光植物生長技術對植物的影響有很多面向——有時會令人困惑、誤解，甚至引發爭議。 然而，對於尋求優化光合作用和開花性能的室內種植者來說，這仍然是一個至關重要的主題。 了解遠紅光波長如何與紅光相互作用，也有助於解答種植者們經常提出的問題：為什麼紅光對植物有益，以及遠紅光如何擴大這些效果？
最近，我們查閱了幾篇關於遠紅光的研究和文章，並決定總結出對種植者和照明設計師來說最實用的研究成果。
- 什麼是遠紅光？它與愛默生效應有何關係？
- 為什麼紅光對植物有益？
- 紅光如何影響植物生長？遠紅光在其中扮演什麼角色？
- 遠紅光與瓶頸（PSII，PSI）
- 真實實驗顯示遠紅光有哪些特性？
- 遠紅和莖伸長
- 遠紅光與種子休眠
- 遠紅和季節性生長
- 遠紅並不總是意味著產量增加
- 遠紅線或許有用，但需要先了解它。
- 遠紅光LED植物生長燈：從研究到實際應用
圖1：植物和光
什麼是遠紅光？它與愛默生效應有何關係？
這些關於遠紅光對植物有正向影響的想法是從何而來的呢？ 艾默生效應是由羅伯特·艾默生在1950年代發現的，其描述了當植物同時暴露於兩種不同波長的紅光時，光合作用會如何被增強。
簡單來說，艾默生發現，在紅光（約653奈米）中加入遠紅光（約700奈米）的效果遠比單獨測試兩種顏色後的結果總和還要好得多。
- 紅光（653奈米）的產量為53
- 遠紅光（700奈米）的產量為10
- 遠紅光+紅光的產量為72
（每吸收一單位的光量子所產生的氧氣 ）
圖2：羅伯特·艾默生
紅光加遠紅光測試結果優於分開測試紅光和遠紅光的結果，這個事實徹底改變了我們對光合作用機制的理解。
艾默生推測，不是單一系統將兩種波長的光效應合併，而是兩個獨立的系統共同作用，其中一個系統增強另一個系統——後來被稱為PSII和PSI。
為什麼紅光對植物有益？
紅光在光合作用中起著至關重要的作用，它比大多數其他波長的光更能有效地促使植物產生能量。 在艾默生的實驗中，波長約為 653 奈米的紅光被光系統 II (PSII) 吸收時，光合作用活性的主要反應中心——光系統 II——的產量最高。 這就解釋了為什麼紅光對植物有益——它能激發葉綠素分子，而葉綠素分子負責將光能轉化為化學能。
然而，當在紅光中加入遠紅光（~700 nm）時，整體光合作用效率顯著提高，這表明遠紅光是紅光的補充，而不是取代紅光。 這項發現促成了兩種光系統（PSII 和 PSI）的發現，它們共同作用，最大限度地提高植物的能量轉化效率。
紅光如何影響植物生長？遠紅光在其中扮演什麼角色？
紅光在植物發育中起著主導作用，因為它能驅動光合作用，並調節開花、種子萌發和莖伸長等關鍵過程。 在園藝學中，眾所周知，波長約 660 奈米的紅光可以激活葉綠素的吸收，從而幫助將光能轉化為糖分，為植物生長提供能量。 這就解釋了紅光如何影響植物生長，以及為什麼紅色 LED 已成為大多數植物生長燈系統的基礎組件。
然而，研究表明，當紅光與遠紅光同時照射時，植物的反應會更有效。 兩種波長的結合透過愛默生效應首次證明的機制增強了光合作用速率。 遠紅光（~700 奈米）透過刺激光系統 I（PSI）來補充紅光，光系統 I 與光系統 II（PSII）（紅光敏感系統）協同工作，以平衡整個能量轉換過程。
現代遠紅光植物生長燈設計利用這種協同作用，促進更均勻的冠層照明、更快的開花和更高的生物量產量。 遠紅光波長不僅沒有取代紅光，反而擴展了紅光的益處，從而創造了完整的光譜策略，反映了自然陽光中的平衡。
遠紅光與瓶頸（PSII，PSI）
PSII和PSI是位於類囊體膜中的子系統，深藏在植物細胞中（你可以在這裡閱讀更多相關資訊）。 你可以將它們想像成工廠中的站點，生產「能量儲存體」ATP和NADPH，最終用於製造糖。
圖3a：光合作用發生在深藏於植物細胞內的類囊體膜中。
圖3b：類囊體膜和PSII、PSI站點
藍光和紅光都被PSII和PSI吸收，對於光合作用的進行非常重要。
此外，PSII在吸收波長為680奈米的紅光方面特別高效，
而PSI則在吸收波長為700奈米的遠紅光方面表現尤其出色。
如果您的植物生長燈提供了充足的藍光和紅光，光合作用就會進行，但在PSI這個站點可能會出現瓶頸。 您知道為什麼嗎？
在PSI這個站點有一個天然的後備，因為在那裡的處理速度本質上較慢。 由於PSI擅長吸收遠紅光，因此在您的植物生長燈中添加遠紅光應該有助於光合作用進行。
簡單來說，遠紅光並不是神奇的生長靈丹，有些人可能從顯示神奇結果的實驗中誤以為它是如此，但實際上，它只是幫助光合作用從PSII和PSI順利進行的過程。
您在室外農業中不會遇到瓶頸問題，因為太陽有大量的遠紅光（見圖4）。
圖4：太陽光譜顯示有大量的遠紅光（>700奈米）
真實實驗顯示遠紅光有哪些特性？
我們查閱了三份研究報告，分別探討了補充遠紅光的效果，並得出以下結果。
- 第一個研究：三個萵苣樣本去除水分後的重量分別增加了39.4％、19.0％和0.0％。
- 第二個研究：萵苣去除水分後的重量增加了46-77％，葉面積增加了58-75％。
- 第三個研究：使用遠紅光後，葉片光合作用增加了31.72%。
（參見文末的參考文獻。）
雖然這些研究呈現了顯著的結果，但我們要再次強調，這些發現並不意味著補充遠紅光就是一種神奇的促進生長的方法——它們只是證實了在植物生長燈中加入遠紅光可能有助於作物的生長。
遠紅和莖伸長
在森林樹冠下，藍光和紅光逐漸減弱，但穿透樹冠密集葉層的遠紅光卻相對豐富充足（見圖5）。 這樣的信號告訴生長在下方的植物伸長他們的莖，以尋求更好的陽光，也就是所謂的「避光反應」。
在室內種植環境中，您可以利用遠紅光來促進植物莖幹的延伸。
圖5：這是在正午陽光下從葉片底部進行的光譜儀測量。
對於草莓農場來說，莖的延伸對生長有正面的影響。 種植者可以使用遠紅光來幫助延長植物的莖幹，從而使植物能夠生長到更通風的環境中，防止霉菌和真菌的生長。 此外，由於莖幹變得更長，果實更容易被看到並容易採收。
圖6：遠紅光促進莖幹生長，以提供更好的通風效果
然而，在某些情況下，使用遠紅光促進莖幹生長可能並非理想的選擇——您可能希望讓您的農作物矮而粗壯，以增加視覺吸引力（例如萵苣）。
此外，一些文章表明，用於莖幹生長的糖分會影響果樹上果實的產量和質量。
圖7：光線顏色與植物大小的關係 （圖片由Albopepper.com的Al Gracian提供）
遠紅光與種子休眠
種子通常被發現在樹冠底層的地面上。 它們還可以感知自己存在於陰影區域，對遠紅光做出反應，但種子並不會因此開始發芽，反之，種子會進入休眠狀態，等待更適合的時機發芽。
圖8：種子對遠紅光的反應是進入休眠狀態
遠紅和季節性生長
如果您在院子或陽台上種植了植物，您可能會注意到在春季和夏季，植物的生長會集中迅速：新的莖幹、嫩葉和花朵陸續出現。 這就是因為遠紅光和紅光通過影響植物光敏色素的結構來促進上述神奇的轉變。
當白天和夜晚的時間相等時，光敏色素達到平衡狀態。 但是當春季和夏季來臨時，白天的時間變長，遠紅光和紅光對光敏色素狀態的影響發生變化，這會觸發季節性的生長。
您可以在此處閱讀有關季節性生長的所有資訊。
圖9：植物的光敏色素就是季節性生長的關鍵。
圖10：季節性生長取決於日照時間的長短
遠紅並不總是意味著產量增加
光合作用的最終產物是糖。 然而，儘管補充遠紅光可以產生大量糖分，但這並不代表植物產量就會因此增加。
植物細胞核中的DNA會在觸發生長前進行一系列檢查，確保所有條件都符合要求。 包含綜合評估溫度、濕度、植物激素、水分供應、植物壓力等因素， 事實上，即使您有藍光、紅光和遠紅光來充分促進光合作用，仍然可能無法達到預期的效果。
圖11：植物細胞核控制細胞分裂的所有功能。
圖12：細胞週期的第4階段是細胞分裂（有絲分裂） – 作者 Ali Zifan（維基百科-CC BY-SA 4.0）
記住，每株植物都是不同的。
每種植物都有其獨特的特性。 對某種植物效果極佳的生長方法，不見得適用於另一種植物。 它們的獨特性深藏於細胞核的DNA中，這是演化論與適者生存法則的一部分。
圖 13：分光式植物照明檢測計所測得的遠紅光、紅光和紫外光的數據。
遠紅線或許有用，但需要先了解它。
這篇文章試圖全面性地探討遠紅光。
然而，我們發現，想要單純透過啟用遠紅光來提高產量並不容易，因為我們必須考慮許多遠紅光的因素：包括 PSI（光系統 I）的瓶頸效應、植物莖部的伸長、季節性生長變化，以及細胞核和 DNA 等方面的影響。
而且所有植物都有其獨特性——如果你曾嘗試種植植物，你很快就會發現對一種植物有效的方法可能對另一種植物無效。 儘管如此，透過實驗和調整參數，了解遠紅光的微妙之處可以使種植者更有機會成功地發揮遠紅光的效果。
本文中的所有測量數據均由 UPRtek 植物照明檢測計所測量。
遠紅光LED植物生長燈：從研究到實際應用
雖然研究幫助我們了解遠紅光的複雜行為，但種植者依靠遠紅光 LED 植物生長燈系統將這些科學見解轉化為可衡量的結果。
現代LED植物生長燈技術現在採用精確的光譜調諧設計，使用戶能夠針對特定作物或生長階段平衡紅色和遠紅色波長。
透過使用遠紅光 LED 植物生長燈，種植者可以複製自然光照條件，從而提高光合作用效率、促進開花和生物量累積。 然而，這並不是一個適用所有植物的公式——每個物種對遠紅光的反應都不同，微調光譜比率仍然至關重要。
這就是為什麼像 UPRtek PG200N 光譜 PAR 儀這樣的精確光譜測量工具是必不可少的。 它們使研究人員和種植者能夠分析和優化遠紅光性能，確保照明策略是基於數據，而不是反覆試驗的。
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