光谱，光合作用，植物生长及健康

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前几天发帖问一个有关DIY LED 的问题，有一个坛友说植物需要白光。翻了翻前面的帖子，包括精华中都没有专门谈光谱和植物吸收效率关系的。而坛子里自制LED的帖子里，虽然有谈光谱的，但对这方面的认识也都有不足，缺乏理论依据。

植物LED的市场非常红火，相比较普通LED，价格也高出几倍。 厂商公布信息是否真实，其相对效果如何，是否真的能如其所说， 也值得观察和讨论。这段时间自己看了一些这方面的东西，而又快到过年放假，虽然年底有些忙，但也可以挤出点时间，特开此贴。等过些天放了假，要是有时间，再多开几个帖子，专门讨论这个问题。

现在有很多水族论坛，专门讨论水族植物的也不少。这个论坛的老人应该都看的出来，我的ID注册没有几天。之所以选择这个论坛发帖而不是其他的，是因为此论坛对非注册用户也全面开放。而不像有些论坛，只有注册才能看到全部信息。这个有违信息共享的初衷，更何况本来养鱼养虾养植物就是玩儿的，又不是一地金钱别人捡了自己就没有了，何必呢。

闲聊结束，正文在此。

这个世界开始的第几天来着，某个ㄨ说，要有光。于是从此就有了植物。我们来到这个世界，睁开眼的第一感受就是光，于是很不习惯的哇哇大哭。稍微长大点，冬天早上睡醒看到外面下雪了，就会激动的冲出去。 光对于我们来说并不陌生， 但这不等于说我们对光不陌生。

我们都知道白光是由单色光组成的----红橙黄绿蓝靛紫，这个我们都很熟悉。下面这个图就是太阳可见光光谱，两端包括了红外和紫外这两个区域。红外和紫外对肉眼不可见(但并不是对植物没有影响，这个以后再谈)。单色光不可再分，为最基本单位。单色光之所以不同，是因为光波长的不同，所谓的波粒二向性中的一个特性。虽然我们可以用红色和绿色混出黄色，但并不等于黄色不是基础光之一，能够继续向下分解。



在这个图里面，我们可以看到绿光中心在550纳米附近，红光为650，蓝光为450。之所以提这三色，是因为他们对植物光合作用的重要性，或者不重要性。这也是我们认识的一般误区所在。


对正常人类来说，光分七色(什么，你是学美术的，好吧，你排除在正常人类之外)。但是，我们人类对单色光的敏感度不同。其实，这个世界在每种生物的眼里都不一样。这源于生物进化和适应生存环境的需要。比如说，许多昆虫能看到部分紫外线的区域。在它们眼里，花的美丽和我们眼里的花自然是不同的。哦，对了。花在它们眼里，可以等同于满汉全席在我们中间吃货的眼里。概述一下，每种生物眼睛的对光色的敏感度，只与下面这两个方面有关系:  吃，和避免被吃。眼睛的进化，也是生物间军备竞赛的直接结果。这也是食肉动物的眼睛都朝前，食草动物的眼睛大多在两边的缘故。

我们的老祖宗，说的是类人猿的那代。但是你知道吗，在人类进化史上，还有类猿，类人的分类。如果我没有记错，应该是这么一个顺序: 猿， 类猿，类猿猿， 类人猿， 类猿人， 类人，人。很绕，是不是。就像说单身狗们有两类: 一种是不知道什么叫做爱，另外一种是不知道什么叫做爱。

我们的老祖宗，过着采集，狩猎，互相狩猎，防止被互相狩猎，防止被动物狩猎的生活。所以我们的眼睛对黄绿色，或者红橙色最敏感。下图是人眼的光谱敏感分布。想想小麦什么颜色，成熟的水果什么颜色，老虎狮子皮又什么颜色。



关于互相狩猎， 据说，早期人类之一的尼安特人，就被我们的老祖宗们吃光了。尼安特人似乎是一个艺术天分很高，智力也很高的古人分支。现在所谓有艺术细胞的，估计是当初吃人吃的比较多的那一些。

题外话，地球上第一个具有第一个光感细胞的生物(再绕你一下)， 如果不是十几亿年，也至少有几亿年的历史了。光感细胞一出现，就像核武器一样，再也不能消除掉了。每种动物都在拼命的向前进化。螳螂虾，北方人也叫皮皮虾，眼睛的构成是十二原色。人类对色彩的分辨能力，三原色，与之相比，简直就是小学生了。

太阳，是最慷慨的----不管我爱的我恨的，我都同等给予(太阳光谱见下图)。这也就不难想象太阳是最早被崇拜的对象之一了。当然，太阳也给一些人皮肤癌。这些人，也许就是太阳不喜欢的人吧。



这个太阳光谱的曲线似乎过于平滑了。也许此图采取了某种算法来平滑曲线。下下图是在网上找到的另外一个太阳光谱。






受太阳周期的影响，比如太阳黑子什么的，到达地球的能量有变化，但基本不大(光强和植物的关系可另外开一文)。经过几十亿年的进化，植物能够利用其中对自己最有利的那部分光谱。见下图----植物吸收光谱。



相比较上面的太阳光谱图，可见植物是很挑剔的，并不是来者不拒，老少通吃，胖瘦皆宜。普通植物对可见光的吸收主要集中在红光和蓝光区域。对绿光，黄橙光也吸收，但是效率很低。这也是很多人争论的地方----有人说不吸收，有人说这种说法不对。单纯为了争论而争论的样子

不知道大家进入过原始森林没有。原始森林不是指的你家附近的小树林，而是没有人类活动影响过的森林。如果去过，就会知道森林底层基本是没有植物的----只有2%的阳光能到达森林底层，这对于绝大多数植物来说都是死地。请注意蘑菇真菌等不是植物。但就是这样的环境，有些植物已经适应了。经过树叶的层层过滤，在这2%的阳光中，主要是绿色光。这些底层植物的叶片都比较厚，以利于充分吸收那剩下的一丁点光线。有的甚至在叶片内部有反光层，可以把穿过叶片的光反射回叶片内以二次吸收利用。但是大家也不种植这种植物不是。所以绿光，包括蓝绿和黄橙光，对大家草缸植物的生长作用可以不计。但是这不是说绿光没用。还记得上面那个人眼对光谱敏感度的图吗? 如果缺少绿光，植物，鱼虾都会比较难看。你也不想坐在你家草缸鱼缸前， 每天欣赏下面这个图里的样子是吧。

上面的图里只有红蓝两色LED，下图里加了绿色LED。




休息一下，改天再写植物吸收光谱与选购LED的关系



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上面做了很多铺垫，下面就要谈到重点了----应该选择什么样的LED。

植物光合作用主要靠这三种成分: 叶绿素a，叶绿素b，和贝塔-胡萝卜素。 叶绿素a和叶绿素b的有效吸收峰值见下图。草绿色曲线是叶绿素a，蓝绿色是b。从图上可以看到叶绿素a和 b 在红光和蓝光区域内都各有一个峰值。记住下面这两组数字，因为很重要:

叶绿素 a 峰值: 430/662
叶绿素 b 峰值: 453/642。




叶绿素a／b的光谱吸收图有另外一大特点----有效利用区间狭窄，峰值两侧急剧衰减( 我不是学农学的，要是此图有另外一种解读方法，请告知)，波长500-600nm间吸收效率非常低。这就意味着，如果单从植物生长角度看，光源波长峰值应该与植物光谱吸收峰值重合，或者最大限度的接近。这样你花在草缸上的电钱，才会被最大利用。


下面插图中的黄色线就是胡萝卜素的吸收曲线。可见胡萝卜素也有两个峰值， 在双峰之间衰减不多，但在双峰值两侧也是吸收效率急剧衰减的。红色植物之所以显示红色，就是源于其胡萝卜素含量，这也是其光合作用的主要来源。由此说来，如果你有红色植物，且想要其发色的话，那么你应该提供大量的蓝光。坛子里已经有人说用了ＬＥＤ原先变绿的红叶植物已经转红了


贝塔-胡萝卜素峰值: 449/475







现在来谈一下市场上的LED。本版DIY LED的，大多用的是正白，有些另加了植物蓝，或者植物红。有少部分用超白的，10000K (关于色温和植物生长的关系，以后另开一文谈)。现在看看这样的LED能否满足植物生长需要。

白光LED我还没有看到任何波长数据。植物红的LED我见过的波长是655-660，植物蓝450-455(如果有人见到覆盖430，642的LED，请告诉我一声)。可以看到如果同时使用上面这两种植物红和植物蓝 LED，这样就满足了叶绿素b的第一个峰值和叶绿素a的第二个峰值，却错过了叶绿素b的第二个峰值和叶绿素a的第一个峰值。同时，也错过了胡萝卜素的第二峰值。请记住植物的光谱有效利用范围非常窄。

下面三图是白和红蓝LED的光谱图，都是在本版发过的，借用一下。我还没有看到生产厂商发布的光谱图。如果有网友知道链接，请发给我一下。

第一图是白光LED。白光LED是蓝色发光体激发黄色粉以混合蓝光和黄光达到输出白光的效果。此图显示白光LED是全光谱LED，也就是说七色全有，但光强度不同。如果此图是对的，可以看到不管正白，自然白，还是暖白，在植物可利用的红色区域，642/662nm，数值都非常低。在蓝色区域，且估计正白峰值在445，自然白在455。和植物光谱吸收峰值相比，这两个峰值虽然有偏差，但还是能够提供部分蓝光给植物光合作用。由此说来，使用全白LED，不管蓝光是否足够，红光是非常不足的。补红光对植物生长似乎更合理一些。当然，好看不好看就是另外一回事了。



下图是某TB店家提供的合并的LED光谱和植物吸收图谱。似乎很不错的样子----峰值和胡萝卜素第一个峰值完美契合，也正好在叶绿素b的峰值正中间，虽然强度不够。但是大家看出问题来了吗? 和上图比一下，注意一下纵坐标。




下面的是植物红，植物蓝LED和植物吸收光谱的合版。完美无缺啊。只是，这是真的么? 太完美的东西一般都是假的。当你觉得一件事情进行的非常顺利，不可能出任何错误的时候，有个地方已经出错了......来个无奖竞猜，看看这个图的问题在哪儿。

很详细，期待续集。

楼主写的很认真，应该支持和鼓励，但也免不了老调重弹的感觉。。。

学习了

好难懂

顶起

植物需要的光应该 红光650，蓝光450，这两种波长的高质量LED不好找




这里贴出两种LED的光谱图，大家有兴趣在给说型号吧！另外国产、台湾的建议大家别考虑了光效太低，质量太差。
其实365nm的光也应该考虑进去，365nm的光能促进花青素的生成。但365nm的LED查来查只有日本日亚生产的质量好，价格贵得要命~！

chier 发表于 2015-2-5 20:40
植物需要的光应该 红光650，蓝光450，这两种波长的高质量LED不好找

多谢贴图。

第三附图就是眼睛观感和光谱的关系--看着好看得，未必对植物有多大用处。实线中心在４５０nm

第二图时色彩和波长得关系。

第一图能给一下原图连接吗？

看不懂日文，如果有英文得最好

下半部写完了，改天贴上来

完美水草 发表于 2015-2-5 14:14
好难懂

改天贴下半部，你就会发现只要记住个数字去找ＬＥＤ就行了