遠紅光(730-740nm)LED植物燈｜VITALUX & VITAgri

但是，一些LED生長燈製造商現在正在為生長燈提供峰值波長約為735 nm的“ 遠紅光” LED。不幸的是，製造商對於為什麼這些LED有用的信息很少。

為了在購買這些遠紅光led植物燈時做出明智的選擇，有必要了解遠紅光背後的一些科學知識以及植物如何感知和響應它。

我們所謂的“可見光”是波長在400至700 nm之間的電磁輻射。我們相信，這種輻射的範圍從非常深藍光（410 nm）（受紫外線輻射限制）到非常深紅光（700 nm），以紅外輻射為邊界。巧合的是，這也是植物可用於光合作用的波長範圍（光合有效輻射（PAR））。

波長“紅光LED”沒有正式定義，但是通常認為它是從600 nm（橙色邊界）到700 nm的波長組成的。另一方面，術語“遠紅光”已正式定義為由700 nm至800 nm之間的波長組成。如果輻射強度足夠大，我們幾乎看不到輻射是很深的紅色，但實際上，它是人眼看不見的。另一方面，植物可以輕鬆感知並響應遠紅外線。

我們認為植被是綠色的，因為葉綠素A和B分子強烈吸收藍光和紅光。典型的綠葉吸收90％的入射紅光。其餘的被反射並傳輸（圖1）。但是，在700 nm以上，葉綠素基本上是透明的。這意味著，在約750海里處，綠色植被反射了40％的光並透射了55％的遠紅光。光譜反射率在700至750 nm之間快速變化的區域稱為“紅色邊緣”，用於通過遠程成像監測空間中的植被覆蓋率。

被子植物（開花植物）還使用稱為植物色素（拉丁語為“植物顏色”）的感光分子家族來利用紅色邊緣。自從他們1歲左右以來，他們就一直這樣做，因為他們首次出現在6億年前的化石記錄中。毫不誇張地說，沒有這些分子，我們仍然生活在針葉樹，蘇鐵和銀杏的世界中。

不同植物色素的含量因植物類型而異-有3種大米，5種擬南芥，6種玉米等。每種類型在每種物種中具有不同的功能（通常是多種功能），但是它們都以完全相同的方式吸收紅色和遠紅色的光。

每個植物色素分子都有兩個狀態，稱為同工型。在黑暗中放置數小時後，它將返回到稱為Pr的狀態，在該狀態下它將強烈吸收紅光（圖2）。如果處於這種狀態的植物色素分子吸收紅色光子，它將變為Pfr狀態，從而吸收遠紅外線。如果分子吸收遠紅光子，它將返回Pr狀態。當處於Pfr狀態時，該分子具有生物活性，並且可能與植物的分子機制相互作用。鑑於此，植物色素可以被認為是可逆的生物開關，其可以實現或抑制各種植物功能。這種重要功能之一是檢測鄰近植物。

能忍受全部或部分陽光的開花植物需要將其葉子引導到陽光下進行光合作用。問題在於他們通常會與其他工廠爭奪相同的資源。換句話說，其他植物的葉子可能會阻止當前或將來的進入。為了響應，植物可以延長其莖並減少分支，以在競爭中站得住腳。這樣，它將不可避免地將資源從其他優先事項中轉移出來，包括生產次生代謝產物以抵抗病原體和食草動物，從而提高抗旱性並減少根系生物量。這些響應一起被稱為拒絕綜合症（SAS）。

如果植物意識到或預測無法避免被阻塞，它將以更加緊湊的形式生長並儘快開花。由於它擠滿了其他植物，因此更容易受到病原體和草食動物的侵害。最好的策略是建立化學防禦系統，並在接近地面時盡快產生種子，以便它們能夠存活到下一代。

另一方面，喜歡陰影的開花植物可能至少在相同程度上沒有顯示出任何SAS響應。它們吸收的陽光很可能已被林冠層散射，因此在分配資源以避免被鄰近植物的葉子遮擋時，它的優勢較小。

在晴天，直射陽光下的紅光與遠紅輻射之比（R：FR）約為1.3。換句話說，紅光比植物葉片接收的遠紅外輻射多約30％。即使從天然無機材料（例如岩石和土壤）反射的陽光也具有大致相同的R：FR比。

但是，當直射陽光被鄰近植物的葉子遮擋時，“紅色邊緣”效應將保留。一片葉子可以將R：FR比從1.3更改為0.2或更小。換句話說，入射到植物葉子上的紅光現在比遠紅外輻射小大約六倍。兩層葉子之間的差異超過30倍。

開花植物使用植物色素檢測R：FR比，因此決定是否需要SAS響應。除了檢測是否直接阻擋了陽光直射之外，植物還可以根據R：FR比率確定是否存在可能構成未來威脅的鄰近植物，從而啟動適當的SAS響應。

陽光直射下的R：FR比約為1.在一天中的大部分時間為3，但接近於0.大約在黃昏6點，大氣優先散射藍光，天空變成黃色和紅色。這只能持續半小時或更短的時間，但是很重要，因為工廠將使用這些更改將其體內時鐘與24小時工作日和季節同步。這涉及由植物色素控制的基因表達活性的爆炸式增長。

遮光窗簾可用於溫室中以消除暮光，並且紅色和遠紅色LED均可用於在每日光照週期結束時模擬垂直農場的暮光。有趣的是，為此目的需要較低的PAR值，約為1μmol·m-2·sec-1。對於不同的物種，已記錄了對紅色和遠紅色脈衝的各種SAS反應，包括莖伸長和葉面積的變化。例如，遠日輻射的日末脈衝已顯示出可用於嫁接的番茄砧木的下胚軸擴展。

花店長期以來一直在夜間使用白熾燈來破壞一品紅和菊花等短壽命植物的光週期。到了晚上，植物色素分子返回到生物惰性的Pr狀態。如果植物暴露在白熾燈下（R：FR比為0.7），則在晚上，植物色素分子被重新激活，從而使其生物鐘復位。在深夜重複暴露（“夜間休息”）可以防止植物停止營養生長並形成花蕾。

對於長日照植物，夜間休息照明可能會產生相反的效果，而不是延遲開花。這裡的操作員是“可能的”，因為不同的物種甚至品種對夜間休息的反應也不同。

重要的是要注意，只有紅燈可以用於夜間休息。當植物色素處於Pr態時，它不能吸收遠紅光子。因此，峰值波長為660 nm的紅色LED非常適合夜間照明，而遠紅色的LED沒有任何作用。

在陽光直射下，給定植物的R：FR比為1.3，當被鄰近植物阻擋時，R：FR比要低得多。有趣的是，我們使用各種電光源進行處理。白熾燈的R：FR比為0.7。這是當植物與相鄰植物相鄰但沒有直接陰影時的感覺。

另一方面，如圖1所示，高壓鈉（HPS）燈的R∶FR比約為4.8，金屬鹵化物燈的R∶FR比為2.6〜3.4。白色LED的R：FR比（與色溫無關）從3.6變為40。各種熒光燈的R：FR比為5.5至13.0或更高。

這些高的R：FR比的常見原因是，無論技術限制如何，這些燈都是為視覺應用而設計的-沒有理由讓它們產生不可見的遠紅色輻射。如果這樣做，則只會降低其發光效率（流明每瓦）值。

僅通過藍色和紅色LED發光，R：FR比率幾乎不受限制。有時僅靠藍光就能引起SAS響應，但可能是許多工廠無法在大多數生長燈下識別出鄰近競爭對手的存在。

這就留下了許多關於遠紅色LED可能應用的問題。儘管在熟悉的藍色和紅色（“模糊”）LED下，各種物種和品種可能生長良好（或不生長），但它們可能沒有任何光保護綜合症反應。在某些情況下，實際上可能需要這些響應。例如，在陰涼處生長的愛好陽光的植物可能更緊湊，但它們也可能表現出更大的病原體和抗旱性，並且它們可以產生理想的次生代謝產物作為防禦機制。它們的開花可能提前或延遲，芽的數量可能會改變列表。

在低輻射水平的一天結束時，遠紅外輻射也可能比白天對植物的生長有更大的影響，因為這是基因表達特別活躍的時候（黎明時的藍光脈衝也顯示出變化）植物形態）。一個優點是，與白天連續點亮遠紅色LED的光相比，它需要的能量更少。

對於園藝師和花店，使用遠紅LED植物光進行的實驗提供了開發特定物種和作為物種商業秘密的特定品種的光配方的機會。如果園藝照明製造商沒有說為什麼遠紅LED有用，那是因為仍然有很多地方需要研究和發現。借助遠紅外輻射和植物色素背後的基礎科學知識，可以嘗試使用光配方和光週期並了解植物為何會對它們做出反應，這是可行的。

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