光合作用有效能量的評估

人類視覺光譜與植物生長光譜：光合作用有效能量的評估

人類眼睛對於可見光譜的感受度並非一致的，而是在波長 555 nm 的黃綠色區域感受最強。人類眼睛對於波長 430 nm 的藍光和波長 690 nm 的暗紅光，敏感度只有百分之一（參見圖一和圖二）。

圖一

圖二

 為了讓光學數據能表達出對人類的作用，便將光譜中的輻射量 Xe,λ，以人眼在日間視覺的光譜明亮感受度 V(λ) 來評估。

我們便得到了數值如每平方米的燭光（cd/qm）或光照強度 Lux。如何進行評估？光譜之輻射物理量 Xe,λ 的數值，將和評估功能的數值 V(λ) 在 λ 的位置相乘，並且在所期望的光譜範圍內相加，然後把所獲得的數值再與常數 Km 相乘（參見圖三）。
在本評估當中，Xe,λ 是單指的燈泡的輻射功率在波長 λ 時的量，這個數值可由廠商所提供的燈泡資料圖表中讀取。數學的算式寫起來如下：

這個光學數值和單位運用在植物上會有個問題，光合作用的色素對於光照的反應和人眼完全不同。葉綠素的吸收光譜在藍光和紅光的光譜區域是 最大的，而在之間則是最小的，但此處卻又是人眼最敏感的區域（參見圖四）。

圖三

圖四

於是我們就決定了，要以光合作用有效能量（PAR, Photosynthetic Active Radiation）來說明，PAR 的單位有三種： 在每單位面積每單位時間內，介於波長 400 至 700 nm 光譜範圍內的照射光能。單位為 PAR J/(s·m^2) 或 PAR W/m^2。McCree 在 1972 年指出，光子的數量表示方式，比起光度計的測量值 Lux 或 Lumen，是更好的光合作用效能測量方式。底下的定義是用來計算光量子的。一莫耳光子（6.022*10^23）稱為一愛因斯坦（Einstein）， 愛因斯坦是光電效應的發現者因此以E（Einsten）的單位來紀念他。 由光源所送出在波長 400 至 700 nm 光譜範圍內的光子，稱為光合作用光量子 PAR PPF（Photosynthetic Photon Flux），單位是 μmol/s 或 μE/s。 在單位面積所接受到波長 400 至 700 nm 光譜範圍內的光子，稱為光合作用光量子密度 PAR PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density)，單位是 μmol/(m^2*s) oder μE/(m^2*s)。 光合作用有效能量（PAR）並不顧及光合作用器官的光子吸收，所以並非如同圖四所顯示出來的曲線。光合作用有效能量將每個光子一視同仁來計算，可是植物對 於對於不同的光子（也就是不同波長）之吸收能量其實並不相同。我的想法於是形成，為光合作用進行一次評估，就如同光度計的測量是一樣的。很不幸的是不論在 文獻或網路上，都可找到許多不同的光合作用光譜，以及研究學者們為何會採用這些光譜。我曾對此進行過詳盡的文獻搜尋。其中刊載於日本農業研究季刊 （Japan Agricultural Research Quarterly）1999 年第 33 期中，由田澤信二（Shinji TAZAWA）所發表的論文「不同光線來源對植物成長的影響」一文中，總結了日本學者 Katsumi IANADA 和美國學者 Keith J. MCCREE 在美國德州農工大學所做的研究，根據田澤的論述總共考量了 61 種植物的光合作用有效能量（在本文中以 McCree 光譜表示），這也是至今研究規模最大的一次。 第二個採用的是 2000 年三月德國工業標準（DIN）所出版的 DIN 5031「視覺範圍的輻射物理與光學技術」中的第十部分「光合作用有效能量」。

圖五