多通道光合有效辐射传感器

钱大憨，刘　文1,，刘路青1,， 王启星1,，张放心，李　明

(1.中国科学技术大学，安徽 合肥　230088; 2.安徽省光电子重点实验室，微电子与光电子产业共性技术研究院, 安徽 合肥　230088)



多通道光合有效辐射传感器

钱大憨2，刘文1,2，刘路青1,2， 王启星1,2，张放心2，李明2

(1.中国科学技术大学，安徽 合肥230088; 2.安徽省光电子重点实验室，微电子与光电子产业共性技术研究院, 安徽 合肥230088)

光合有效辐射传感器可测量可见光波段400nm～700nm的光量子流密度，不能准确区分LED组合光源的各种光质比例，已无法满足光生物学研究和植物工厂生产的实际需要。本文提出一种多通道光合有效辐射传感器，通过模拟植物窄带光谱响应的传感器同时测量红光、蓝光光量子流密度，其成本低、便携，适用于应用LED补光的光伏农业大棚和植物工厂应用。大量传感器组网，可以采集植物生长的光配方数据和实现光照智能控制、对规模化的植物工厂光质需求数据积累与降低能耗意义重大。

光合有效辐射；多通道光合有效辐射传感器；植物工厂；光质；光配方；光量子流密度

引言

人们在生产实践中早已认识到植物的生长依赖于太阳光，不同光照条件会直接影响农作物的生长。早期人们对植物光合作用的认识受限于光谱测量技术，认为植物只有在太阳光照射下才能进行光合作用，随着人工电光源技术和光谱分析技术的发展，人们逐渐认清光在植物光合作用中所承担的角色，20世纪50年代，植物的光合作用对不同波长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辐射(Photosynthetically Active Radiation:PAR)评价太阳辐射对植物光合作用的影响，并把太阳光谱中可以被植物有效吸收并参与光合作用的可见光波段(波长范围400nm～700nm)定义为光合有效辐射。太阳光谱中光合有效辐射波段400nm～700nm光谱分布相当稳定，且辐射强度处在大部分植物光合作用曲线的线性部分[2]。这个定义现在被业界广泛采用，基于这种定义，用仪器测量光合有效辐射时有两种表达方式。第一种表示方法是用辐射能量(辐射功率密度、辐照度)来表达，由于早期其他太阳辐射都是以能量为计量单位，因此以能量为单位的光合有效辐射通量便于与已有的气象站台采集的数据进行比较，也便于研究植物光合作用所吸收的能量与太阳总辐射量之间的关系。根据这种方法，最早尝试用太阳辐射照度计和400nm～700nm的带通滤光片，以光辐射功率密度单位(W/m2)表示，并要求理想PAR能量传感器在400nm～700nm波段范围内的响应是不变的[3]。第二种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)来表达，Rabinowitch研究发现光合作用生成的分子数近似与光合有效辐射吸收的光子数相关，与光子能量无关[4]。要求理想PAR光量子传感器在400nm～700nm波段范围内的响应与波长无关[5]。基于这种方法的PAR量子传感器主要是由光电探测器，利用特殊设计的滤光片使探测器在400nm～700nm之间的响应是相同的，现在商用的光合有效光量子传感器多数是用光合有效通量密度来表达， Mc.Cree也通过大量实验数据分析表明光量子通量密度传感器测量的结果较光谱辐射传感器测量结果准确度提高2/3[6-7]。

1　光合有效辐射测量技术

实际生产中需要能准确测量光合有效辐射的仪表，现代光生物学研究中主要采用光合有效光量子通量密度(单位:μmol·m-2·s-1)用于评价光合有效辐射，因为光量子数据更能准确的反映光在光合作用中的作用。现在的主流商用光合有效辐射传感器都是采用光量子传感器，它能测量太阳光的光合有效辐射光量子通量密度，采用光电二极管和400nm～700nm带通滤光片。经过光谱调制的光合有效辐射光量子传感器响应接近理想光合有效辐射传感器，国外这种传感器技术相对成熟，稳定性和准确度等方面都比较好，但价格昂贵。光合有效光量子传感器在测量自然界太阳光的光合有效辐射方面积累了许多重要的科研数据，为光生物学的发展起到了重要的作用，图1是LI-COR Inc.生产的LI-190SA光合有效辐射传感器的光谱响应图。

图1　LI-COR Inc. LI-190SA光谱响应Fig.1　Spectrum response of LI-190SA (LI-COR Inc.)

随着人工电光源的出现，尤其是LED电光源的出现，LED植物灯以其单色性、窄光谱、可组合性等特点在光质生物学研究方面得到了广泛应用，这些研究使得人们对植物光合作用中光的作用有了新的认识。大量研究数据表明植物对光的需求不局限于太阳光光谱中可见波段的光合有效辐射(400nm～700nm)，也可以用人工光源替代太阳光，并且对光谱表现出一定的选择性，其中红光和蓝光对促进光合作用最重要，并且以红蓝光组合的LED植物灯具已经在植物工厂中得到了很好的应用。

早期针对太阳光谱中光合有效辐射测量的光合有效光量子传感器是基于植物对太阳光的光合有效辐射光谱的响应无选择性。但LED植物照明光源的出现，其光谱结构与太阳光谱有很大差别，并且不同LED组合后的光谱结构和辐射强度也有很大的差异。现有的光合有效辐射传感器，测量植物接受的光量子数时，会对400nm～700nm区间的所有光有响应，无法区分植物照明光源里面红光光量子数、蓝光光量子数等数据。而在植物工厂应用中恰恰需要精确调配总光量和各种光质的配比。所以现有对光谱无选择性的光合有效光量子传感器已无法满足光生物学研究和植物工厂生产的实际需要。

2　多通道光合有效辐射传感器

2.1光合有效辐射

根据太阳光的光合有效辐射的定义，光合有效辐射PAR的理论计算公式为[8]：

(1)

式中λ是波长，单位nm，Pe(λ)是光谱辐射通量，可用光谱仪测量，单位为W·nm-1。PAR表示太阳光在单位时间内辐射400nm～700nm光的总能量，单位为W。考虑到被照射物体接受到的辐射通量，实际测量的是单位面积接受到的光合有效辐射通量，可以用光合有效辐照度EPAR表示，单位为W·m-2：

(2)

其中Ee(λ)为光谱辐照度，单位:W·m-2·nm-1。

光生物学研究领域需要定量研究光量子在植物光合作用过程中的作用，现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是阿伏加德罗常数NA=6.022×1023mol-1。

定义γ=NAhc=119.8W·s·nm·μmol-1，则

(4)

2.2多通道光合有效辐射模型

已有大量研究数据表明，光合有效辐射光谱中不同光质对植物光合作用和形态建成的重要是不同的，如图2所示，其中600nm～700nm的红光和400nm～500nm的蓝光对植物光合作用最为重要，称为必需光质，是植物生长过程中不可缺少的光质，光合作用相对量子效率较高；而其他波段对植物品质或形态有促成作用的光质称为有益光质[9]，如黄绿光、紫外光、远红光等也在植物生长的各个阶段以不同形式影响着植物的形态及长势[10-14]。

图2　叶绿素A、B光谱响应曲线Fig.2　Absorption spectrum of chlorophyll

图3　生菜叶绿素萃取液光谱响应曲线Fig.3　Absorption spectrum of chlorophyll extract(lettuce)

参照可见光光合有效辐射的公式，可将必需光质和有益光质区分开来，如公式(5)所示。

PPF=PPFR+PPFB+PPFS

(5)

定义PPFR是红光的光合有效辐射光量子流，可表示为：

(6)

定义PPFB是蓝光的光合有效辐射光量子流，可表示为：

(7)

其中PPFS是有益光质的光合有效辐射光量子流，包括红、蓝光以外的其他有益光质。由上述公式可知，对于不同的光源的光谱分布，其光量子流密度与波长、光谱分布相关。

2.3多通道光合有效辐射传感器

本文采用光电传感器和特殊设计的滤波器可以对不同光质光量子流进行测量，光电传感器在不同光的激发下会产生相应的光电载流子,从而诱导产生光电流。光电传感器电流响应I(λ)、 输出电流I与入射光量子的关系：

I(λ)=η(λ)φ(λ)

(8)

(9)

φ(λ)是入射到光电传感器表面的波长为λ的光量子流密度，单位为μmolm-2s-1。η(λ)是传感器的光谱响应。根据普朗克定律E=hν，波长为λ的光量子流密度φ(λ)可表示为

(10)

E(λ)是入射到光电传感器表面波长λ的能量(光谱辐照度)。

光电传感器感应电流为

(11)

考虑到植物的光合作用在波段λmin～λmax内吸收的光量子数Q为

(12)

φ(λ)是入射到植物叶片表面的光量子流密度。ε(λ)是植物的光谱吸收系数。光合有效辐射传感器的光谱响应η(λ)应该模拟植物光谱吸收系数ε(λ)，假设植物光合作用的光谱无选择性，对理想光合有效辐射传感器，有ε(λ)=η(λ)=1。由于植物实际的光合作用是对光质有选择性的，照射在植物上的光量子流密度不会完全被植物有效吸收[15]，并且植物种类不同，光谱响应也有差别，为更准确的测量各个不同的光质对植物光合作用的影响，应当分别对不同光质的光量子流进行测量。测量植物吸收的光量子，最准确的方式是采用完全模拟植物吸收光谱的传感器。理论上讲，能通过选择合适的光电器件和光学镀膜技术，达到模拟要求，但对于不同植物或不同的生长阶段而言，吸收光谱会有所差别(如图3)，在实际传感器制备过程中，很难使传感器的光谱响应完全匹配植物光谱响应。

研究必需光质(红光，蓝光)和有益光质对植物的影响，一个可行的方法是分开测量不同光质的光量子流。一个简化模型是认为叶绿素A与叶绿素B含量为1∶1，叶绿素A与叶绿素B的主要吸收峰差别不大，在红光处的吸收都在650±20nm以内，在蓝光处的吸收都在430±15nm以内。定义光电传感器输出电流IB、IR分别代表蓝光、红光光量子激发的光电流，则由式(11)有

(13)

(14)

其中光电传感器在415nm～445nm间的光谱响应是一个定值ηB，在630nm～670nm间的光谱响应是一个定值ηR，结合式(6)、(7)、(11)、(13)、(14)有

IB=ηB·PPFB

(15)

IR=ηR·PPFR

(16)

I=ηB·PPFB+ηR·PPFR+IS

(17)

其中IS是由其他有益光质在光电传感器激发的光电流。

本文提出的一种多通道光合有效辐射传感器可以分别针对不同光质的光合有效辐射光量流密度进行测量，特殊设计的滤波片可以根据植物吸收光谱峰值设计。图4是模拟植物对红光和蓝光的响应曲线制作的滤波器响应。

图4　多通道光合有效辐射传感器吸收光谱曲线Fig.4　Spectrum response of Multi-channel photosynthetic active radiation sensor

3　结语

传统光合有效辐射传感器已无法满足光生物学研究和植物工厂生产的实际需要，多通道光合有效辐射传感器可以快速、准确的对光源不同光质进行测量，在应用LED补光的植物工厂中，可以组成网络对整个工厂的光照环境进行监控，并可以根据植物生长光配方自动调节LED光强以匹配植物生长，同时也能积累植物在生长周期中的光照数据。在光伏农业大棚建造过程中，也可以应用多通道光合有效辐射传感器对大棚的光照环境进行评估，从而为大棚适宜种植的农作物品种选型提供依据。

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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

项目资助：安徽省自然科学基金资助项目(项目编号：1408085MKL02)，安徽省教育振兴计划——微电子与光电子产业共性技术研究院资助

刘文,E-mail:wenliu@mail.ustc.edu.cn

TN29

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.007