植物特征光谱测试系统研制及应用

摘 要： 以植物光合作用的基本原理和一种植物特征光谱实验方法的发明专利为依据，介绍以双驼峰光谱光源为基础，研制出能够产生覆盖光合有效辐射范围的多种单色光发生器，采用多种单色光发生器和光合作用测试仪组合构建植物特征光谱测试系统。阐述如何通过植物特征光谱测试系统获取植物单色光光合响应曲线、对应的饱和点曲线和补偿点曲线，并通过具体案例介绍该系统应用，为植物光照提供技术指导。

关键词：植物特征光谱；单色光；光合响应曲线；光饱和点；光补偿点

中图分类号：S26 文献标识码：A 文章编号：2095-1795（2024）08-0062-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.011

0 引言

植物生长的光、温、水、气和肥5 个要素中，光的作用举足轻重。植物对光具有选择性吸收，在不同生长阶段对光的波谱、强度及光周期有独特需求，由此构成的图谱称为该植物的特征光谱[1-4]。然而当前植物光照采用的光源是人工光源，其光能利用率较低，是设施农业现代化进程中的制约瓶颈[5]。光谱作为重要的环境因子，对植物有效成分积累起关键作用[6-8]。按照植物特征光谱进行栽培，可以提高植物的产量与品质，提升植物栽培的经济效益。因此，研究植物特征光谱十分必要。

植物特征光谱测量是一个相对复杂过程，需要提供覆盖光合有效辐射范围且单色性比较好（半峰全宽≤15 nm，下同）的单色光。然而光合作用仪自带光源为白光或红绿蓝三色光，难以满足特征光谱测试需求。因此，急需研制一种能够提供一系列单色性好且覆盖光合有效辐射范围的设备。

以一种植物特征光谱实验方法的发明专利为依据，植物吸收光谱为基础，研制基于双驼峰光谱光源的多种单色光发生器，并与光合测试作用仪组合构建植物特征光谱测试系统。通过植物特征光谱测试系统，获取各植物单色光光合响应曲线，从而得到植物特征光谱，为植物光照提供技术指导。

1 理论依据

植物特征光谱测试系统是由多种单色光发生器和光合作用测试仪构成的系统，该系统能够测试光合有效辐射范围内多个单色性好的单色光在各光照强度下的光合作用速率，旨在研究各植物最佳光谱，为植物光照提供技术指导。

测定植物光合作用速率是通过光合作用测试仪完成，其基本原理是将植物叶片夹在叶室里，光通过叶室照射到叶片上，由于植物光合作用消耗叶室内CO2，使叶室内CO2 浓度下降，通过测试叶室内单位时间CO2 浓度变化量，进而计算出光合作用速率。

不同单色光在同一光照强度下对植物光合作用速率的差异是由于叶绿体中色素对光的选择性吸收产生的，而不同光照强度与植物光合作用速率关系可表现为植物光合响应曲线[9]。一种植物特征光谱的实验方法基本思想是通过改变单色光的光照强度，测试在光合有效辐射范围内多种单色光光合响应曲线，获得光补偿点、光饱和点、最大净光合速率和暗呼吸速率等参数，进而得到植物饱和点曲线和补偿点曲线，用于分析植物特征光谱[10]。然而目前光合作用测试仪自带光源采用白光或红绿蓝三色光，由于白光是全光谱，而红绿蓝三色光的频谱较宽，难以获得能覆盖光合有效辐射范围的单色性好的多种单色光。因此，研制多种单色光发生器成为植物特征光谱测试系统的关键。

2 多种单色光发生器研制

2.1 获取单色光方法

最常见的方法有两种：一是用滤光片从白光光源中获取；二是采用光栅衍射的方法。利用光谱最接近太阳光光谱的人工白光光源，并选用单色光滤光片，从人工光源光谱中获取单色光是较容易实现的，并且此方法可获得较强的光照强度。当前较合适的人工白光光源是氙灯光源，然而通过对比氙灯光源光谱与植物吸收光谱发现，两种光谱并不吻合，如图1a 和图1b所示。因此，必须解决光源的光谱问题。

2.2 双驼峰光谱光源研制

观察植物叶绿素aamp;b 吸收光谱合成图发现，测试多种单色光光合响应曲线所需光谱应与植物吸收光谱一致，其光强为蓝光波段和红光波段高，而绿光波段较低，波形呈现出双驼峰形状，如图1c 所示。

研制双驼峰光谱光源方法有两种[11-14]。一是在氙灯光谱上加相应LED 补光，使整体输出光谱与植物叶绿素aamp;b 吸收光谱一致，以满足测试需求。然而该方法使得光源结构变得复杂，成本增加，并且部分光谱光强不可调。二是采用纯LED 光源，通过调整荧光粉配方，配出所需光谱。这种方法结构简单，并且由于LED 属于电流性器件，通过调整电流大小来调整光强大小，能够满足测试仪器需求。因此，采用该方法研制光源；同时，增加了水冷循环部件以解决LED 光源散热问题。

2.3 多种单色光输出装置研制

为了能够提供不同光照强度的多种单色光，除了解决光源光谱问题外，解决多种单色光更换及其光照强度调控是另一关键问题。采用转盘式更换滤光片能够解决更换不同波长单色光问题，如图2 所示[11]。将单色性好的滤光片放置在转盘固定的位置上，即固定各单色光波长位置，通过转动合适步进电机角度就能够将相应波长滤光片送到出光口，即获取所需波长的单色光。同时，由于LED 是电流性器件，故单色光光照强度调控可通过调节电流大小来实现。

3 系统应用

3.1 树种幼苗测试

应用植物特征光谱测试系统，开展红椎与马褂木幼苗22 种单色光的光合响应曲线测试试验，结果如图3、图4 和图5 所示[6]。第一，同一植物对不同波长的单色光，其光合响应曲线是不同的；第二，同一植物不同光合响应曲线有不同的饱和点或准饱和点；第三，不同植物对同一波长光有不同的光合响应曲线。

将同一植物在有效光合辐射区域内的所有饱和点连成的曲线叫做该植物的饱和点曲线；将同一植物在有效光合辐射区域内的所有补偿点连成的曲线叫做该植物的补偿点曲线。红椎与马褂木的饱和点曲线和补偿点曲线，如图6 所示。通过对比其饱和点曲线和补偿点曲线可知，每一种植物有自己独特的饱和点曲线和补偿点曲线；通过饱和点曲线可以看出，饱和点光强值随波长变化差异较大，即植物进行光合作用时的最大光合作用速率所需光照强度上限值不同；补偿点曲线中，各补偿点光强值随波长变化差异较小，故植物启动光合作用的阈值可使用相同光照强度的光。通过植物饱和点曲线和补偿点曲线，在两者之间选择与饱和点曲线相近的光谱进行植物栽培验证，能够筛选出该植物光照的最佳光谱。因此，通过植物特征光谱测试系统为获取植物最佳光谱指明了方向。