设施光环境和其调控要求

1、设施光环境和其调控要求26 七月 2022第二章 设施光环境及调控2基本内容： （1）设施光环境特征（2）作物对光环境的要求（3）设施光环境的调节技术及设备基本要求： （1）掌握设施光环境的构成、影响因素、调节技术及设备。（2）理解不同设施环境光的变化规律及与其他因素的关系（3）了解作物对光环境的要求、光环境调节设备的发展现状与趋势 教学重点及难点：（1）教学重点是光环境的构成、影响因素、调节技术及变化规律。（2）教学难点是设施光环境调节技术。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控3第一节 设施光环境特征一、太阳辐射的光谱能量分布二、太阳辐射强度三、设施光环境特点（一）光照强度（二）光照

2、时数（三）光质（四）光分布四、影响设施光环境的因素 （一）覆盖材料（二）直射光入射角（三）屋面倾斜角（四）温室的方位角（五）植株垄（行）向（六）温室光环境季节的变化26 七月 2022第二章 设施光环境及调控4Keywords Radiation: electromagnetic wave Light： Radiation with wavelengths in a range of 1 nm to 1 mm. Visible radiation (380 - 780 nm, approximately) in a practical definition. 26 七月 2022第二章 设施光

3、环境及调控5Importance of light for plant lifeThermal effects Photosynthesis Photomorphogenesis (flower development, etc.) Morphology (phototropism, heliotropism, etc.)Mutagenesis 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控6Importance of light for plant lifeThermal effects -Light intensity (quantity)Photosynthesis -Light inte

4、nsity (quantity) Photomorphogenesis - Light quality, duration of light period Morphology - Light quality, Direction of light Mutagenesis -Light quality 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控7一、太阳辐射的光谱能量分布10-810-6110-410210410-2106电磁波谱波长( mm )X射线紫外线红外线可见光太阳辐射热射线无线电波g 射线可见光：0.76 mm太阳辐射：3 mm（占太阳辐射能总量99%）常温物体的辐射：3100 m

5、m热射线：100 mm 1mm（毫米）=1000mm（微米）1000000nm（纳米） 1mm （微米）=1000nm（纳米）26 七月 2022第二章 设施光环境及调控8太阳辐射光谱波长（nm）05001500100020003000250025002000150010005000辐射能（W/m2.mm）地面大气层外缘6000K黑体辐射可见光红外线紫外线38076048.38.7%43.0%植物光合有效辐射(生理辐射)300780nm 对植物生理产生作用的光辐射波长范围400720nm 产生植物光合作用的光辐射波长范围，一般在400700nm的范围计量26 七月 2022第二章 设施光环境及

6、调控9300K ( 27 )常温物体的热辐射约在 380 mm之间 550 mm 辐射能量 占总辐射能量95%20000400006000080000100000 (nm)026 七月 2022第二章 设施光环境及调控10波长范围不同波长的光热辐射对植物及环境的作用300nm以下对于多数植物，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。加速塑料覆盖材料老化300400nm有利植物的成形与花、果着色、维生素C形成400720nm植物光合作用400510nm蓝紫光 植物吸收率高，光合作用强，有利植物成形。510610nm绿光 植物吸收率及光合作用效率较低。610720nm红橙光

7、 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。提供辐射热量7201000nm影响植物伸长，700800nm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。10003000nm提供太阳辐射热量。300080000nm常温物体的热辐射，散失温室内热量。可见光红外光长波红外辐射太 阳 辐 射 (短 波 辐 射）紫外光26 七月 2022第二章 设施光环境及调控11光照环境的要素光照对植物的二类作用 植物产物形成和生理活动的光合作用能量源 影响生长发育过程和形态形成的信息源光照环境的要素 光合作用 光照强度量 光周期现象 光照时数 光合有效辐射，不同光谱对植物的作用

8、光质26 七月 2022第二章 设施光环境及调控12（三）光照强度的度量光照度受照平面上接受的光通量面密度（单位面积光通量），单位：lx光通量 是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）人眼视觉对555nm黄绿光最敏感，以该波长光为基准，对可见光380760nm范围内的不同波长光按人眼的感觉区别计算。植物生理辐射的光波长与人眼感受范围不同，同时不同波长光的植物生理效应与人眼视觉不同，用光照度作为植物光照的度量指标是不适宜的。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控13光合有效辐射照度 PAR（Photosynthetically Active Radiation） 单位时间、

9、单位面积上到达或通过的光合有效辐射（400700nm）的能量。 单位：W / m2光合有效光量子流密度 PPFD或PPF（Photosynthetic Photon Flux Density） 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 / m2s 植物光合作用的强度取决于植物吸收的光量子数量，用光量子数度量植物的光照更为合理。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控14太阳总辐射照度 单位时间、单位面积上到达或通过的全部波长范围内的太阳辐射能量。单位：W/m2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

10、的比例关系。只有在确定的光谱能量分布情况下，才有明确的相关关系。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控15各种光照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）光照情况下几种光照度量单位的近似换算关系 光合有效辐射照度W/m2光合有效光量子流密度mmol/m2.s对应的太阳总辐射照度W/m2光照度 1 klx 4.2 (4)16.8 (16)10k lx数 4 W/m2 W/m2 4 mmol/m2.s 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控163.光照

11、强度与植物光合作用光辐射的强度CO2的交换速度0光饱和点光补偿点光合作用产生的物质正好抵偿呼吸作用的消耗，植物吸收的CO2与放出的CO2相等，这时的光强量值称为光补偿点。光合作用随光强增加而增加，当光强达到一定数值，净光合作用达到最大值不再增加，这时的光强量值称为光饱和点。不同植物、不同生长期的光补偿点与光饱和点数值各异，并且与温度、CO2浓度、水份条件等有关。光照对植物的作用：植物产物形成和生理活动的光合作用能量源影响生长发育过程和形态形成的信息源26 七月 2022第二章 设施光环境及调控17光照度LxPARW/m2 PPFDmmol/m2.s光 补 偿 点10040000.4171.76

12、7光饱和点阳性植物（番茄、黄瓜、西瓜、甜瓜、葡萄、樱桃、桃等）600009000025038010001500中性植物（茄子、甜椒、草莓、甘蓝、白菜、萝卜等）40000600001702506801000阴性植物（兰科、观叶类、姜科、天南星、秋海棠科花卉、叶菜等）2500040000100170400680一些植物的光补偿点与光饱和点的大致数值植物有效进行光合作用需要的光照强度应在其光补偿点与饱和点之间26 七月 2022第二章 设施光环境及调控184.光周期与植物对光照时间的要求P660占优势时，可促进短日照植物、抑制长日照植物的生长发育；P730占优势时，可促进长日照植物、抑制短日照植物的

13、生长发育。P660对660nm波长的红光吸收敏感，经一定时间的光照或660nm的光照射，R660可转变为P730；P730对730nm的远红光吸收敏感。 P730经一定的暗期或730nm的辐射照射，可转变为R660。长日照植物 1214小时以上光照促进生长发育短日照植物 光照少于1214小时促进生长发育中光性植物 对光照时数无严格要求660nm光照730nm光照连续暗期连续明期R660P730光敏色素合成光敏色素代谢破坏26 七月 2022第二章 设施光环境及调控19三、设施光环境特点（一）光照强度（二）光照时数（三）光质（四）光分布26 七月 2022第二章 设施光环境及调控20（一）光照强

14、度温室内的光照强度比自然光要弱，这是因为自然光是透过透明屋面覆盖材料才能进入的，这个过程中会由于覆盖材料吸收、反射、覆盖材料内表面结露的水珠折射、吸收等而降低透光率。尤其在寒冷的冬、春季节或阴雪天，透光率只有自然光的50%70%，如果透明覆盖材料染尘而不清洁、使用时间长而老，透光率甚至会降到自然光强的50%以下。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控21（二）光照时数温室内的光照时数会受到温室类型的影响。塑料大棚和大型连栋温室，因全面透光，无外覆盖，温室内的光照时数与露地基本相同。日光温室等单屋面温室内的光照时数一般比露地要短。在寒冷季节为了防寒保温覆盖的蒲席、草苫揭盖时间直接影响温室内

15、受光时数。在寒冷的冬季或早春，一般在日出后才揭苫，而在日落前或刚刚日落就需盖上，1日内作物受光时间不过78小时，在高纬度地区冬季甚至不足6小时。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控22（三）光质室内光谱组成（光质）也与自然光不同，与透明覆盖材料的性质有关，主要影响的是380nm以下紫外光的透光率，虽然有一些塑料膜可以透过310-380nm的紫外光，但大多数覆盖材料不能透过波长310nm以下的紫外光。此外，覆盖材料还可以影响红光和远红光的比例。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控23（四）光分布露地栽培作物在自然光下光分布是均匀的，温室内则不然。由于骨架结构材料和保温墙壁的影响，

16、会产生不均匀的光分布。例如，单屋面温室的后屋面及东、西、北三面有墙，都是不透光部分，在其附近或下部往往会有遮荫。朝南的透明屋面下，光照明显优于北部。据测定，温室栽培床的前、中、后排黄瓜产量有很大的差异，前排光照条件好，产量最高，中排次之，后排最低，反映了光照分布不均匀。温室内不同部位的地面，距屋面的远近不同，光照条件也不同。温室内光分布的不均匀性，使得园艺作物的生长也不一致。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控24四、影响设施光环境的因素温室地平面或温室栽培床平面内平均单位面积的光通量即为温室的光照强度。温室的光照强度与其平均透射率有关。假定室外的自然光照强度为I0温室的平均透光率为t

17、，则温室内的光照强度为： 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控25温室的透光率 也可分为直射光透光率tz和散射光透光率ts两部分。假如室外直射辐射与总辐射的比率为M，则温室的透光率 可按下式求得：26 七月 2022第二章 设施光环境及调控26t取决于覆盖材料的种类、温室的结构型式以及覆盖材料的污损情况等，也与温室的方位、季节及时间等有关。温室的散射透光率t可按下式确定：式中tso清洁覆盖材料对散射光的透光率，当屋面倾斜角较大时应折减23%。r1由温室构架和设备等引起的遮阳损失系数，一般大型温室不超过，小型温室不超过。r2因覆盖材料老化而引起的透光率损失系数。r3水滴和尘埃引起的透光损

18、失系数，一般由于水滴引起的透光损失系数可达，尘埃引起的透光损失系数可达。 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控27（一）覆盖材料不同的覆盖材料有不同的透光率，所以覆盖材料对温室光照有着决定性的影响。覆盖材料除透光率外，还影响温室内的光谱组成。1不同覆盖材料的透光性能图2-5 普通玻璃和热反射玻璃（玻璃-膜-玻璃）的透光率（TE社资料） 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控28图2-6 硬质板的透光率26 七月 2022第二章 设施光环境及调控29图2-7 软质塑料膜的透光率 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控30图2-8 农用氟素树脂膜（ETFE）的透光率（全日本农技

19、中心，1990） 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控312覆盖材料的污损和老化 覆盖材料对太阳辐射的透光率除了自身的物理特性外，还受其表面附着的尘埃、水汽和自身的老化的影响。覆盖材料的内外表面很容易吸附空气中的尘埃颗粒，透光率会大大降低（图2-9）。如普通PVC膜使用半年后，透光率有时会降低到70%左右， 不同覆盖材料抗老化能力不同，玻璃最强，树脂板较差。尘埃、结露和老化会使覆盖材料的透光率大大下降，最多可降低50-60%。 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控32（二）直射光入射角 图2-11 入射角对玻璃和透明塑料膜的透过率的影响（三原，1972） 26 七月 2022第

20、二章 设施光环境及调控33当温室纵向轴线沿东西向配置时，南坡屋面的入射角为：90- （）北坡屋面的入射角为：90+- （）当温室纵向轴线沿南北向配置时，屋面的入射角为：90- （）26 七月 2022第二章 设施光环境及调控34（三）屋面倾斜角 由上述可知，当温室纵向轴线沿东西向配置时，南北坡屋面的入射角都与太阳高度角及屋面坡度角有关。又根据图2-12无论是玻璃还是透明塑料薄膜，入射角与透光率 有很大的关系。由图2-12可知，为了保证有合理的透光率，入射角应在40以下。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控35（四）温室的方位角 图2-14 东京地区直射光透过率的季节变化（藏田，1986

21、） 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控36温室的朝向、单栋与连栋 温室日平均直射光透过率 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控37温室的朝向、单栋与连栋冬季东西栋温室（屋脊呈东西方向）透光率优于南北栋温室，纬度越高，差异越明显，夏季相反。室内光照均匀性，南北栋温室优于东西栋温室。单栋温室透光率高于连栋温室。实际应用中应根据对温室要求的侧重方面合理选择温室的朝向。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控38（五）植株垄（行）向 图2-17 番茄群落行向和群落折射光入射率（藏田，1998） 一天中进入温室的直射光中，被植物群体吸收的比例被称作直射光群落入射率。 26 七月 2

22、022第二章 设施光环境及调控39（六）温室光环境季节的变化 图2-18 北半球不同纬度的昼长的变化 图2-19 不同纬度下各月份的太阳辐射月平均日总量 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控40第二节 园艺作物对光环境的要求 一、蔬菜作物对光环境的要求（一）蔬菜作物对光照强度的要求1阳性植物 这类植物必须在完全的光照下生长，不能忍受长期荫蔽环境，一般原产于热带或高原阳面。蔬菜中的西瓜、甜瓜、番茄、茄子等都要求较强的光照，才能很好地生长，光饱和点大多在6万7万1x以上。光照不足会严重影响产量和品质，特别是西瓜、甜瓜，含糖量会大大降低。2阴性植物 这类植物不耐较强的光照，遮荫下方能生长良好

23、，不能忍受强烈的直射光线。它们多产于热带雨林或阴坡。蔬菜中多数绿叶菜和葱蒜类比较耐弱光，光饱和点万4万lx。3中性植物 这类植物对光照强度的要求介于上述两者之间。一般喜欢阳光充足，但在微阴下生长也较好，中光型的蔬菜有黄瓜、甜椒、甘蓝类、白菜、萝卜等、光饱和点4万5万lx。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控41表24 蔬菜作物光合作用的光补偿点、光饱和点及光合速率 光补偿点/光饱和点/光饱和点时的光合速率/蔬菜种类 黄瓜51.01421.021.3西葫芦50.11181.017.2番茄53.11985.024.2甜椒35.01719.019.2茄子51.11682.020.1甘蓝47.

24、01441.023.1花椰菜43.01095.017.3结球莴苣38.4851.1菜豆41.01105.016.7注：上表是单叶光合特性。群体光合速率（CPn）的计算，是以单位土地面积表示的 。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控42图2-20 1天内温室中光合有效辐射（PAR）与作物群体光合作用的变化 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控43Comparison of leaf photosynthesis and canopy photosynthesis (light responses) 200 Wm-2=1000molm-2s-1 PAR26 七月 2022第二章 设

25、施光环境及调控44（二）蔬菜作物对光照时数的要求 光照时数的长短影响蔬菜的生长发育，也就是通常所说的光周期现象。蔬菜对光周期的反应可分为3类：1长光性蔬菜 在1214h以上较长的光照时数下，能促进开花的蔬菜，如多数绿叶菜、甘蓝类、豌豆、葱、蒜等，若光照时数少于1214h，则不抽薹开花，这对设施栽培有利，因为绿叶菜类和葱蒜类的产品器官不是花或果实（豌豆除外）。2短光性蔬菜 当光照时数少于1214h时能促进开花结实的蔬菜，为短光性蔬菜，如豇豆、茼蒿、扁豆、苋、蕹菜等。3中光性蔬菜 对光照时数要求不严格，适应范围宽，如黄瓜、番茄、辣椒、菜豆等。需要说明的是短光型蔬菜，对光照时数的要求不是关键，而关键

26、在于黑暗时间长短，对发育影响很大；而长光型蔬菜则相反，光照时数至关重要，黑暗时间不重要，甚至连续光照也不影响其开花结实。设施栽培光照时数不足往往成为限制因子，因为在高寒地区尽管光照强度能满足要求，但1天内光照时间太短，不能满足要求，一些果菜类或观花的花卉若不进行补光就难以栽培成功。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控45（三）光质及光分布对园艺作物的影响 紫外光的成分以夏季的阳光中最多，秋季次之，春季较少，冬季则最少。夏季阳光中紫外光的成分是冬季的20倍，而蓝紫光比冬季仅多4倍。因此，这种光质的变化可以影响到同一种植物不同生产季节的产量及品质。 紫外光与维生素C的合成有关，玻璃温室栽培

27、的番茄、黄瓜等其果实维生素C的含量往往没有露地栽培的高，就是因为玻璃阻隔紫外光的透过率，塑料薄膜温室的紫外光透光率就比较高。光质对设施栽培的园艺作物的果实着色有影响，颜色一般较露地栽培色淡，如茄子为淡紫色。番茄没有露地栽培风味好，味淡，口感不甜。 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控46表2-5 各种光谱成分对植物的影响 光谱/nm植物生理效应1000被植物吸收后转变为热能，影响有机体的温度和蒸腾情况，可促进干物质的积累，但不参加光合作用1000720对植物伸长起作用，其中700800nm辐射称为远红光，对光周期及种子形成有重要作用，并控制开花及果实的颜色720610（红、橙光）被叶绿

28、素强烈吸收，光合作用最强，某种情况下表现为强的光周期作用610510（主要为绿光）叶绿素吸收不多，光合效率也较低510400（主要为蓝、紫光）叶绿素吸收最多，表现为强的光合作用与成形作用400320起成形和着色作用320对大多数植物有害，可能导致植物气孔关闭，影响光合作用，促进病菌感染26 七月 2022第二章 设施光环境及调控47二、花卉作物对光环境的要求 （一）花卉作物对光照强度的要求光照强度不仅直接影响花卉植物光合作用的强度，而且还影响到花卉植物一系列形态上和解剖上的变化，如叶片的大小和厚薄；茎的粗细、节间的长短；叶肉结构以及花色浓淡等。另外，不同的花卉植物种类对光照强度的反应也不一样，

29、多数露地草花，在阳光充足的条件下，植株生长健壮，着花多，花也大；而有些花卉，如玉簪、铃兰、万年青等在阳光充足的条件下生长极为不良，在半荫条件下才能健康生长，因此常因花卉作物对光照强度要求的不同分为以下几类：26 七月 2022第二章 设施光环境及调控481阳性植物 在全光照条件下生长良好而不能忍受荫蔽的植物。如一二年生花卉、宿根花卉、球根花卉、木本花卉景天科、仙人掌类植物等和番杏科等多浆植物；木本如落叶松属、水杉、桦木属、杨属、柳属、栎属的多种树木。2阴性植物 在较弱光照条件下比在全光照下生长良好，生长期间一般要求有50%80%蔽荫度的环境条件。多生于热带雨林下或分布于林下及阴坡，如蕨类植物、

30、兰科植物、凤梨科、姜科、天南星科以及秋海棠科植物等均为阴性植物；3中性植物 对光照强度的要求介于上述二者之间，一般喜欢阳光充足，但在微荫下生长也良好。如萱草、桔梗、麦冬草等。光照强弱除对植物生长有影响外，对花色亦有影响，这对花卉设施栽培尤为重要。如紫红色的花是由于花青素的存在而形成的，而花青素必须在强光下才能产生，散射光下不易产生。因此，开花的观赏植物一般要求较强的光照。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控49（二）花卉作物对光照时间的要求 1、长日照植物 植物在开花以前需要一段特定时期，每日的光照时数大于14小时的临界时数称为长日照时数。如瓜叶菊、紫罗兰、锥花福禄考等。2、短日照植物

31、 在开花前需要一段时期每日的光照时数少于12小时的临界时数的称为短日照植物。如菊花、一品红均在短日照下才能开花，因此为使它们在“十一”国庆节开花，必须进行遮光处理。3、中日性植物 对光照与黑暗的长短没有严格的要求，只要发育成熟，无论长日照条件或短日照条件均能开花。有大丽花、香石竹、扶桑、等。设施栽培可以利用此特性，通过调控光照时数达到调节开花期的目的。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控50（三）花卉作物对光质条件的要求 一般高山上紫外线较多，能促进花青素的形成，所以高山花卉的色彩比平地生长的花卉色彩艳丽，而热带花卉的花色浓艳亦因热带地区含紫外线较多之故。例如红菠萝花，蓝玉簪龙胆，灰石

32、岩报春等高山花卉的花色鲜艳浓烈。另外，光对花卉种子萌发也有不同的影响，有些花卉的种子，曝光时发芽比在黑暗中发芽效果好，一般称为好光性种子，如报春花、秋海棠、六倍利等，这类好光性种子，播种后不必覆土或稍覆土即可。有些花卉种子需要在黑暗条件下发芽，通常称为嫌（厌）光性种子，如喜林草属等，这类种子播种后必须覆土和覆盖，否则不会发芽。 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控51三、果树作物对光环境的要求 （一）果树作物对光照强度的要求 表2-7 不同光照条件下果树的表现果树情况光照充足光照不足树姿树高冠幅主枝短枝叶片新梢果实产量树冠直立、紧密、无层次较高、向上伸长较窄秃裸部分较多易衰老、枯死小、

33、色淡、薄较细、易老化、节间长较小、着色差较低树冠开张、稀疏、层次分明较低、向四周伸长较宽较少衰老枯死的枝条较少大而厚、色浓绿较粗壮、节间较短较大、色泽好较高26 七月 2022第二章 设施光环境及调控52（二）果树作物对光照时间的要求 大部分果树植物属于中间性类型。 果树因生长周期长，对光照时数要求主要是年积累量，如杏要求年光照时数25003000h，樱桃26002800h，葡萄2700h以上，否则不能正常开花结实，说明光照时数对园艺作物花芽分化，即生殖生长（发育）影响较大。 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控53（三）果树作物对光质条件的要求 光质对设施栽培的园艺作物的果实着色有影

34、响，颜色一般较露地栽培色淡，如设施葡萄等没有露地栽培风味好，味淡，口感不甜。日光温室的葡萄、桃、塑料大棚的油桃等都比露地栽培的风味差，这与光质有密切关系。 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控54第三节 设施光环境的调节 一、光量调节 （一）人工补光 1人工补光的光照度 不同种类和品种的作物对光照的要求不同，例如，番茄之类的喜阳蔬菜光饱和点为1500 molm-2s-1，而芹菜之类的耐荫蔬菜则要求较低的光照强度。 图2-21 光照强度与光合强度及光能利用率之间的关系（Bommer，1962） 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控55表2-8 蔬菜和花卉的人工补光参数 种类幼苗植

35、株光照度（lx）光照时间（h）光照度（lx）光照时间（h）番茄生菜黄瓜芹菜茄子甜椒花椰菜菊花金鱼草翠菊紫罗兰万寿菊海棠3000-60003000-60003000-60003000-60003000-60003000-60003000-6000-1612-2412-2412-2412-2412-2412-24-3000-70003000-70003000-70003000-60003000-60003000-70003000-60002000-75003000-60003000-60003000-60003000-60003000-60001612-2412-2412-2412-2412-24

36、1612-16242424242426 七月 2022第二章 设施光环境及调控562.人工光源的性能和选择 （1）对人工光源的性能要求 a.光谱性能 要求光源有丰富的红色光和蓝紫光。对紫外线透过严重不足的温室，还要求光源光谱中包含有紫外线光，尤其是对于花卉、葡萄等果树、象茄子之类的有色果菜。日本冈山县农业试验场温室先锋葡萄二季栽培中，冬季茬口的果实膨大期和上色期需要用紫外灯照明补光，以促进膨大和上色。b.发光效率 光源的发光效率越高，单位电功率发出的光量越大，相同照度水平所消耗的电能就越少。植物光合作用的光谱灵敏度和人眼白天光谱灵敏度并不完全一致。一般照明的发光效率单位为流明瓦（lmW），而植

37、物栽培的发光效率单位为生理辐射流明瓦或mol m-2s-1。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控57（2）常用的温室人工光源 1、白炽灯2、荧光灯3、高压水银灯4、金属卤化物灯和氙灯5、微波灯6、发光二极管26 七月 2022第二章 设施光环境及调控58卤钨灯寿命、发光的功率提高，光色有所改善，发光效率也有所提高。几种人工光源热辐射光源：白炽灯 结构简单、价格便宜，光照强度易于调节； 辐射光谱主要在红外范围，可见光所占比例很小，发光效率低，且红光偏多，蓝光偏少； 寿命短（1000小时）。不宜用作光合补光的光源但可作光周期补光的光源26 七月 2022第二章 设施光环境及调控59气体放电

38、光源：荧光灯 光谱性能好，发光效率较高，寿命长。 功率小，满足一定光照强度所需灯具多，对自然光遮光大。 目前在园艺设施补光中使用较多，尤其是用于无遮挡自然光问题产生的组培室中的人工光照。高压水银荧光灯 易达到较高功率，寿命较长，但光色较差，发光效率略低于荧光灯，使用较少。金属卤化物灯 发光效率较高，功率大； 光色好（可改变金属卤化物组成满足不同需要）； 寿命较高（数千小时）。使用较多26 七月 2022第二章 设施光环境及调控60高压钠灯 发光效率高，功率大； 光谱分布范围较窄，黄橙光为主； 寿命高（1200020000小时）。目前在园艺设施补光中使用较多。低压钠灯 发光效率很高，功率大； 光

39、色为单一的589 nm黄色光； 寿命高（平均寿命18000小时）。 光色单一，很少单独使用，但可与其他光源配合使用。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控61微波灯 图2-25 微波灯（）照射面的光强分布（350nm-75nm的波长）（古在、北室，1993） 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控62发光二极管 图2-26 发光二极管蓝光和红光的能量分布 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控63日本的LED蔬菜工厂植物栽培用光源为改良型水冷式红色LED（660 nm）。以薄膜水培法(NFT)生产生菜、芹菜等叶菜，生产能力为5900株/日，150万株/年。26 七月 2022

40、第二章 设施光环境及调控64LEDSet: 使用高亮度发光二极管紅外光紅光藍光26 七月 2022第二章 设施光环境及调控6526 七月 2022第二章 设施光环境及调控66几种人工光源的发光效率及光照强度换算注：发光二极管光效率高于白炽灯、低于荧光灯；微波放电灯效率最高26 七月 2022第二章 设施光环境及调控67人工光源的应用 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控68（3）人工光源的选择 选择人工光源时，首先必须满足光谱能量分布和光照强度的要求。光谱能量分布应符合植物的需用光谱；而光照强度方面，当要求的光照强度很大时，希望其体积小功率大，以减少灯遮挡自然光面积。此外，还应选择有较

41、高的发光效率，较长的使用寿命，价格应比较合理。 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控69表2-9 补光栽培中应用的各种光源发光效率的比较（稻田，1986） 发光效率（lm/w）光合效率/w（相对值）寿命（khr）稳定器光合效率/单灯价格（相对值）垂直投影面积（m2/kw）白炽灯：300w 反射型5.21.02无1000.048荧光灯：40w普通型、白色普通型、昼光色植物用、BR型55（1）48（1）17（1）5.84.94.7101010无无无4538313.733.733.73高压水银灯：400w反射型333.912有1300.064金属卤化物灯：“阳光灯” 400w反射型“BOC灯

42、”400w反射型24403.66.066有有36530.0570.064高压钠灯：普通400w反射型色调改良型400w反射型*68577.88.21212有有92980.0640.073注：*使用反射伞罩时的推定值； *从普通型估计值。26 七月 2022第二章 设施光环境及调控70（三）人工光照的计算 人工光照的计算方法有两种，即逐点计算法和查表法。 1逐点计算法（lx） 某点光源S对平面P上的微圆面积A的光照强度E将等于入射到这一微圆面积上的光通量除以该微圆面积A：26 七月 2022第二章 设施光环境及调控71被照平面P上的微圆面积A截获的光通量的，与发出光通量的光源立体角之比称为该光源

43、的发光强度Ee， （Cd） 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控72对点光源构成立体角的微圆面积A上的光照强度E可由E=/A 和Ee=/A联立消去而得出如下公式：（lx） 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控73根据几何关系，=A/r2，式中r是光源S到表面的距离，=A是面积A 在垂直于r的平面上的投影。A=Acos.将这一关系代入上式，可得： 上式表明，一定平面上的照度与其离光源距离的平方成反比，并与光线在表面上的入射角的余弦成正比。 （lx） 26 七月 2022第二章 设施光环境及调控74由多点光源产生的照度等于每一光源分别产生照度的总和，即： （lx） 26 七月 20

44、22第二章 设施光环境及调控75式中 附加照度系数，与灯具类型、顶棚反光等有关。由于温室内表面反射率很低，故可取1.k维护系数，kk1k2k3，其中：k1为光源光通量衰减系数，白炽灯、荧光灯和高压水银灯等为，卤钨灯为；k2为灯具污染衰减系数，当清扫周期为1年时k2，清扫周期2年时，3年时k2；k3为墙壁、顶棚的污染而降低反射率的衰减系数，对于温室，k31。当墙或顶棚的反射光对点的光照影响较大时，可用附加照度系数进行校正。另外，由于光源老化、灯具污垢、顶棚墙壁污垢等会造成光通量的下降和损失，故设计的通常还应考虑维护系数k。考虑上述因素后，点光源逐点计算法的一般公式为： 26 七月 2022第二章

45、 设施光环境及调控76（2）线光源逐点计算法 式中 Eei 线光源长度为1m时，在i方向的发光强度cd（坎）r线光源至被照点P的距离（m） r2=h2+d2h线光源至被照水平面的高度（m）d计算点至线光源的水平距离（m）kn与L/r有关的修正系数（表8）L线光源长度（m）26 七月 2022第二章 设施光环境及调控77表2-10 线光源直射照度修正系数knL/rknL/rKnL/rknL/rkn0.050.050.400.361.000.643.000.770.100.100.450.401.200.694.000.780.150.150.500.431.400.715.000.780.200

46、.200.600.491.600.7310.000.780.250.240.700.531.800.7420.000.790.300.280.800.582.000.7530.000.790.350.320.900.612.500.770.7926 七月 2022第二章 设施光环境及调控782查表法表2-11 各种温室植物补光所需照度数据植 物 和 生 长 期辐射照度（W/m2）（400-850nm）时间（h）钟点黄瓜（快速生长和开花旱期）12-24240000-2400茄子（结果早期）12-48240000-2400球形生菜（快速生长期）12-48240000-2400辣椒（结果早期和果实生

47、长期）12-24240000-2400番茄（快速生长和开花早期）12-24160800-2400石竹（长枝和开花前期）12-24160800-2400菊花（生长期）（长枝和开花期）12-2412-241680800-24000800-1600天竺葵（长枝和开花期）12-48240000-2400玫瑰花（开花早期和快速生长期）12-48240000-240026 七月 2022第二章 设施光环境及调控79表2-12 人工照明设置植物光环境的参数 光 源 种 类在植物生长平面上的波长400-850nm的辐射照度（W/ m2）0.30.939182450冷白荧光灯（40W单灯）光照度（lx）10030010003000-每m2 灯数0.120.361.23.6-离植物距离（m）2.91.70.920.53-冷白荧光灯（双灯，每灯215W）光照度（lx）100300100030006000800016700每m2 灯数0.010.040.130.390.771.02.2离植物距离（m）8.85.112.81.61.11.00.7水银灯（400W，带反射器）光照度（lx）100320110032