温室设施光环境调节光的作用•光可以帮助植物进行光合作用•光可以创造植物生长的环境条件•光可以给植物生长的信息辐射的热效应辐射的光合效应辐射的光形态效应第一节太阳辐射能•波长范围为380-760nm的可见光部分,能量占太阳辐射总量的50%左右•太阳辐射能还包括紫外线(波长范围200-380nm)占1-2%和红外线(波长范围760nm)占48-49%•可见光:380~760nm•太阳辐射:200~3000nm(占太阳辐射能总量99%)•常温物体的辐射:3000~105nm•热射线:100~105nm10-810-30.1105107100109波长(nm)X射线紫外线红外线可见光太阳辐射常温辐射热射线无线电波g射线103可见光红外光长波红外辐射太阳辐射(短波辐射)紫外光波长范围作用300nm以下①对于多数植物,具有杀伤作用,可能导致植物气孔关闭,影响光合作用,增加病菌感染。②加速塑料覆盖材料老化300~400nm有利植物成形、抑制徒长,促进花果着色和维生素C、D形成400~720nm①植物光合作用400~510nm蓝紫光植物吸收率高,光合作用强,有利植物成形。510~610nm绿光植物吸收率及光合作用效率较低。610~720nm红橙光植物吸收率高,光合作用强,一些条件下具有较强的光周期作用。②提供辐射热量720~1000nm影响植物伸长,700~800nm辐射称为远红光,对光周期及种子形成有重要作用,并控制开花及果实颜色。1000~3000nm提供太阳辐射热量。3000~100000nm(3~100mm)常温物体的热辐射,散失温室内热量。光辐射强度的度量1.光照度Ev照度Ev——受照平面上接受的光通量面密度(单位面积光通量),lx;光通量Fv——按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量(辐射功率),单位:流明(lm),1流明是发光强度为1坎德拉(cd)的均匀点光源在1球面度立体角内发出的光通量。1lx=1lm/m22.光合有效辐射照度PAR•单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射(400~700nm)的能量。单位:W/m23.光合有效光量子流密度PPFD或PPF光化学定律指出:•吸收一个量子,只能激活一个分子或原子,故在研究光电效应或光化学反应如光合作用与光照关系时,应以量子流密度作为计量光辐射的单位更为合理。•光合有效光量子流密度即为单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射的光量子数。•单位:mmol/(m2·s)各种光辐射度量单位的相互关系光照度、辐射照度、光量子流密度等与光谱能量分布密切相关,几者之间无固定的比例关系。只有在确定的光谱能量分布(El)情况下,才有明确的相关关系。一般天气自然(太阳)光照情况下几种光辐射度量单位的近似换算关系对应量已知量光照度lx光合有效辐射照度W/m2光合有效光量子流密度mmol/m2.s总短波辐射照度W/m2光照度1lx=10.00420.0040.01680.0180.01光合有效辐射照度PAR1W/m2=23825014.04.62.38光合有效光量子流密度PPFD1mmol/m2.s=59.555.60.250.2210.595总短波辐射照度1W/m2=1000.421.681几种光源的光照强度单位近似换算关系光源W·m-2/klxmmol·m-2·s-1/klxmmol·m-2·s-1/W·m-2荧光灯2.7312.54.59金属卤化灯3.1314.44.59高压钠灯2.8145白炽灯3.9619.95.02一、太阳透过大气层的变化大气100%辐射直接辐射24%6%灰尘云雾19%50%辐射散射辐射11%15%太阳辐射透过大气层的变化特点•太阳辐射透过大气层的方式:直接辐射,散射辐射•太阳辐射的强度减弱将近一半•太阳辐射通过大气层后,太阳辐射光谱也有较大的变化(红光比例增加,蓝光比例减小)二、地表的光照条件•地表的直射光随地理纬度、季节、海拔高的不同而异•地表的散射光比重与太阳高度角和云量有关•在地球的不同纬度和季节中,日照长度的变化是有规律的三、太阳辐射在作物群体内的分布•1、作物群体对太阳辐射的反射、透射和吸收。太阳辐射到达作物群体表面时,一部分被作物(主要是叶面)反射出去,一部分被作物吸收,一部分穿过叶面或枝叶间隙到达下层A、反射率、吸收率和透射率之和等于1B、各生育期太阳辐射截获率,随各期叶面积系数减小而依次降低(单位面积作物在生育期总叶面积与所占土地面积之比)C、480nm以下的蓝紫光和670-680nm的橙光吸收率百达95%左右,550nm的绿光只有75%左右,红外光部分吸收最少,约为1-3.6%•2、太阳辐射在作物群体内的垂直分布。太阳辐射在作物群体内的总光强、直射光强和散射光强的垂直分布曲线,都是从植株顶部向下递减,并在植株相对高度20-70%之间递减速度最快。第二节光的生物学效应一、作物的光合生产力•从生物学角度看,产量形成的最基本生理活动是光和作用,作物的干物质产量,有90-95%是通过光合作用形成的•光能利用率是指作物光合作用所累积的有机物所含能量,占照射在单位地面上的日光能量的比率。这样,太阳辐射能的60%-70%被作物吸收,但其中仅有1-5%被光合作用利用,其余大部分都作为“蒸发潜热”而消耗于叶面的蒸腾作用目前,光能利用率为2-3%20%10-20%1-2%吸收60-70%•光合速率通常以每小时每平方分米叶面积吸收CO2毫克数表示光辐射的照度(W/m2或mmol/m2·s)CO2的交换速度(kg/m2·s)0光饱和点光补偿点暗呼吸速度•达到某一光照度时,光合速率就不再增加了,这种现象称为光饱和现象•光合作用过程中吸收的二氧化碳和呼吸过程中放出的二氧化碳等量时的光照度,称为光补偿点•光饱和点高是需要强光作物的特点,光饱和点低是能充分利用弱光作物的特点。•光合面积即作物同化面积,主要指叶面积。叶面积大小通常用叶面积系数表示•最适叶面积系数要使群体获得最大的生物产量和经济产量的叶面积系数•南瓜、冬瓜等蔬菜最适叶面积系数一般为1-2,直立型茄子、番茄、青椒等蔬菜的叶片,因均匀伸向四方,互相遮荫少,最适叶面积系数为3-4;蔓生支架类型蔬菜(黄瓜、菜豆等)最适叶面积系数为4-5二、光照度的生物学效应1、作物对光照度适应的生态类型强光作物(40klx)(甜瓜、番茄、西瓜、玫瑰、菊花)中光作物(10-40klx)(豌豆、芹菜、仙客来、紫罗兰)弱光作物(10klx)(姜、莴苣、茼蒿、凤梨)2、光照度对作物营养生长的影响•光照度一方面影响光合作用强度和干物质的积累,另一方面改变幼苗的形态•弱光下幼苗节间伸长、叶薄色淡、含水量增加,强光下幼苗节间短而茁壮、叶厚色浓、干物重高,适应性强•光照的强弱应与温度的高低相互配合,才有利于作物生育及产品器官形成•光照弱,温度应相应降低;光照增强,温度也应该提高,有利于光和产物积累•昼强光与夜低温育苗效果最佳3、光照度对生殖生长的影响•果菜类蔬菜对光照度反应很敏感。在开花期或幼果期光照减弱,可引起落花、落果、果实膨大减缓,显著减产•番茄的花粉质量。光弱时,花粉中贮藏的淀粉减少,致使花粉发芽率降低,花粉管伸长缓慢,防碍了正常受精,从而引起落花率增加•对各种喜光作物来说,各种设施内,无论哪一种栽培方式,生育期都处在光照不足的条件下。•因而,设施栽培如何有效地利用光,是光照管理的重点。•采用合理密植、改善水肥等栽培管理措施,以创造适宜的叶面积系数,提高光能利用率三、光质(光谱组成)的生物学效应•光合有效辐射又称生理有效辐射,可见光区(380一760nm)的部分光波能被叶片吸收用于光合作用的这部分辐射•在生理有效辐射中,红、橙光具有最大光合活性,绿光在光合作用中被吸收的最少,称为生理无效辐射。•A、光波的长短,对蔬菜幼苗的生长及干物质的积累有较大影响•B、不同波长的光对光合产物的成分也有影响。如红光有利于碳水化合物的合成,蓝光有利于蛋白质的合成•C、不同波长对作物形态建成、向光性、色素形成影响也不同。如青紫光能抑制作物伸长而形成矮小形态,并能促进花青素及叶绿素的形成•采用人工改变光质的措施,来改善作物的生长发育、产量及产品品质•各种颜色薄膜的生理辐射各波段的比例不同,通过有色薄膜改变光质•在欧洲地区用有色玻璃修建温室已经实用化,例如在意大利石刁柏温室用红色玻璃,荷兰花卉栽培多用蓝色玻璃。•食用菌的生长是从抱子萌发开始,经过菌丝生长阶段、子实体分化阶段和子实体发育阶段,栽培食用菌的目的在于获得其子实体。•光线对某些食用菌菌丝生长甚至是一个抑制因子。这种不良影响主要是由蓝光(380-540nm)引起的。•食用菌在子实体分化和发育阶段都需要一定数量的散射光,即对菌丝生长有抑制作用的蓝光,却对子实体分化最有效。四、光周期的生物学效应•光周期是光期与暗期长短的周期性变化1、作物对光周期适应的生态类型长日照植物:指日照长度超过它们的临界长度时,才能形成花芽的作物(冬小麦、菠菜、甘蓝、萝卜以及金盏菊、矢车菊)短日照作物:是指当日照长度短于其临界长度时,才能开花的作物(大豆、秋菊、早金莲)中日照作物:指只有当昼夜长短接近相等时才开花的作物,如甘蔗、夏菊等中间型作物:这类作物的开花受日照长短的影响较小,只要其它条件适宜,都能开花,如番茄、黄瓜、四季豆、香石竹、月季等2、光周期对作物开花的影响•作物开花的光周期现象,在光期和暗期中,对于诱发花原基形成起决定性作用的是暗期的长短•短日照作物必须在超过某一临界暗期的情况下才能形成花芽;而长日照作物则必须在短于某一临界暗期时才能形成花芽。一般是以12一14h为长日照与短日照的分界时数•长日照作物可以在不断的光照下开花,而短日照作物必须在光周期中有一个暗期。•引起作物开花的适宜周期(即适宜的日照长度)处理,并不需要继续到花芽分化为止。作物只需要一定时间适宜的光周期处理,以后即使处于不适宜的光周期下,仍然可以长期保持刺激的效果,即花的分化不出现在适宜光周期的当时,而是在处理后若干天,这种现象叫光周期诱导3、光周期对地下贮藏器官形成的影响在影响洋葱、大蒜等鳞茎形成的环境条件中,起决定性作用的是光周期。在通常的温度下约为12-16小时,当日照加长时,鳞茎更易形成第三节设施的光环境及其调节•一、设施光环境的特点任何形式的温室、塑料大棚等设施内的光环境与露地比较,均具有以下三个特点:1.光量减少一般温室内由于覆盖材料及构造物的遮光,比露地光量减少15-50%。2.光量分布不均匀无论任何形式的设施,其内部不同位置的光量不同,地面上光量分布不均匀。3.光质变化不同波长的光量在设施内外也有差异。•二、设施的透过率•采用光照度绝对值作为设施内光照度指标是有一定困难的,因而采用光照度的相对值――透过率作为设施内光量的评价指标•透过率t是设施内的太阳辐射能或光照度I与设施外太阳辐射能或自然光照度Io之比,•即:t0IIt•设施的总透过率可表示为•M——直接辐射比率,太阳高度角0°、20°、50°时,M≈0%、10%、82%;•——温室覆盖材料直接辐射透过率;•——温室覆盖材料散射辐射透过率。ztszMMttt)1(st•1、设施对散射光的透过率•设施对散射光的透过率与太阳光的入射角几乎无关,与设施的结构、形式、覆盖材料及覆盖物的污染状况有关。ts0――干洁透明覆盖材料对散射光的透过率;r1――设施内构架、设备等不透光材料的遮光损失率,一般温室为0.05~0.15;r2――覆盖材料因老化的透光损失;r3――水滴和尘埃的透光损失,一般可达0.15~0.3。)1)(1)(1(3210rrrsstt•由此可知散射光是太阳辐射的重要组成成分,因此在设计温室结构时,应考虑如何充分利用散射光的问题•2、设施对直射光的透过率•设施对直射光的透过率,除与设施的形式、覆盖材料、表面污染程度等因素有关外,主要与直射光对采光面的入射角有关,即与设施方位屋而坡度和太阳高度角有密切关系。)1)(1)(1(321rrrztt――干洁透明覆盖材料在入射角为时的透光率,由太阳高度角、园艺设施方位和屋面坡度决定二、设施结构与