光線量測與植物生長

陳令錫

《臺中區農業改良場特刊》 111號 (2012/05) Pp. 64-71

https://doi.org/10.29563/ZHWHGX.201205.0013

摘要

光是一種人類眼睛可以見的電磁波（可見光譜），光是由一種稱為光子的基本粒子組成，具有粒子性與波動性，可見光的頻譜約在380－760nm間。光量（luminous intensity）I為光源發光之強度，基本單位為燭光（candela; cd），早期的燭光描述為每小時燃燒7.776g標準燭所發出的光，1979年定義為：光源在一給定方向發射5.4 × 10^14 Hz單色輻射及在該方向具有1/683 W/sr的輻射強度。光通量（luminous fl ux）Φ為光源通過的功率，量度人類眼睛感知光的功率，單位為流明（lumen; lm），為從1cd（燭光）之光源散發出來之每單位立體角的光束（1 lm =1 cd.sr）。光通量為光源用於產生可見光時所消耗能源的功率。照度（Illuminance）E為每單位面積接受之光束，照度的單位為lm/m^2，稱之為Lux（勒克司; lx）。用以表示植物光量需求的另一描述方式為PAR（Photosynthetically Active Radiation，光合作用有效能量），單位為μmol/m^2s。陽光帶有的光源波段從紫外光到紅外光，並非所有波段皆對植物生長有所幫助，植物吸收的光譜範圍為400－700nm之間，以紅光最為敏感。農業常用的光量計有照度計、光量子計、輻射計等3種，照度計用於量測照度，單位為lux，最敏感波長在可見光頻譜的中央，此處也是人類眼睛最敏感波段；光量子計用於量測PPFD（photosynthetic photon flux (area) density），單位為μmol/ m^2s，通常在400至700 nm有均勻一致的響應，此區段光合色素吸收量最大，理想狀況下可見光範圍外UV及IR區域沒有反應；輻射計理想狀況下反應全波長的輻射能量範圍，單位為w/ m^2（J / m^2s）。台灣地區園藝界仍習用lux來表示光強度，1 lux之照度為1 lumen之光通量均勻分佈在面積為一平方米之區域。照度計、光量子計、輻射計，放置在相同光源下其量測值可以互相計算。但是在不同光源下方的量測值，其數值不可以相互換算。作物對光的需求可分三方面來考量：光強度（Intensity），光質（Quality，係指不同光譜範圍的光）與光周期（Duration，光照時間），作物所接受到的陽光，此三方面之可用量亦隨季節、緯度、海拔、地形、被覆資材、結構、氣象條件等之影響而時有不同。台灣夏季之光強度高達12萬至15萬Lux，作物之最適光強度隨作物種類而不同。在相同陽光條件下試驗照度計、光量子計、輻射計等3種光量計之量測結果顯示變化趨勢一致，存在比例關係，其中照度計較便宜，其餘2種價格高，因此在陽光利用型農業，是否需要堅持使用昂貴的光量子計與輻射計？值得深思。當前熱門的話題為植物工廠，分成陽光型、人工光源型與綜合型，其中人工光源型的主力近期以螢光燈具較為可行。LED燈具體積小，可釋出一定光譜範圍的波長，電源效率高，當LED燈具之技術、價格、散熱等問題解決後才有機會成為人工光源的主力。