温室内的快速辐照度波动：漫射玻璃对阴影斑点的影响

《Biosystems Engineering》：Rapid irradiance fluctuations in a greenhouse: Effects of diffuse glass on shadeflecks

光强度波动特性及其在温室中的调控研究。通过对比透明与扩散玻璃温室中番茄的光合参数发现，扩散玻璃（Haze因子45%）显著减少短时（0.1-0.4秒）光强度骤降事件（每日平均从112降至44次），延长单次波动持续时间至460秒，降低幅度10-20%。但无论何种玻璃，超过80%的波动持续时间小于1秒，且冬季波动幅度较春秋季降低约30%。

　　光合作用和植物生长受到光照强度变化的显著影响，尤其是在现代温室环境中。光照强度的波动，无论是短暂的增强还是减弱，都会对植物的生理过程产生深远的影响。这种波动通常被称为“光斑”（sunflecks）或“遮光斑”（shadeflecks）。光斑指的是在某个基线光强之上短暂的光照增强，而遮光斑则是指短暂的光强下降。在温室环境中，光照波动的频率和强度与外界环境密切相关，比如云层的变化、温室建筑材料的反射和折射效应，以及人为的补充照明管理。本研究通过在荷兰的一个商业化番茄温室中安装不同类型的玻璃（清晰玻璃和扩散玻璃），分析了遮光斑的特性及其随季节的变化，为理解光照波动对植物生长的影响提供了新的视角。

研究的主要发现表明，扩散玻璃显著减少了遮光斑的数量，并延长了遮光斑的持续时间。具体而言，在扩散玻璃覆盖的温室中，遮光斑的日均数量仅为112个，而清晰玻璃覆盖的温室中则达到44个。同时，扩散玻璃下的遮光斑平均持续时间从250秒增加到了460秒。尽管遮光斑的数量减少，但它们的持续时间增加，从而导致整体光照强度的波动幅度相对减小。然而，研究也指出，即使在扩散玻璃的环境下，遮光斑仍然频繁出现，并且很多遮光斑的持续时间非常短，通常小于1秒。这表明，虽然扩散玻璃在一定程度上缓解了光照波动，但其效果并不如预期那样显著。

遮光斑的特性包括其持续时间、频率、幅度以及光照积分。在研究期间，遮光斑的持续时间分布呈现出明显的季节性变化。冬季的遮光斑数量较少且幅度较弱，而到了春季和夏季，遮光斑的数量和幅度都显著增加。此外，研究还发现，尽管在扩散玻璃环境下遮光斑的幅度较小，但其数量的增加和持续时间的延长，仍然导致了可观的光照损失。例如，在冬季，扩散玻璃下的遮光斑造成的每日光照积分损失为13%，而清晰玻璃下则达到了20%。这一结果强调了即使在扩散玻璃的条件下，光照波动仍然对植物的生长和产量产生重要影响。

研究还探讨了遮光斑的来源和形成机制。在没有风的温室环境中，遮光斑的产生可能与结构反射、折射、非均匀的玻璃分布、结露以及大气因素（如空气温度、湿度和气溶胶的变化）有关。值得注意的是，研究中发现，在某些情况下，实际测量的光照强度高于模型预测的值，这可能与云层增强效应、温室与气象站之间的距离以及温室内部金属部件的反射有关。这些因素表明，尽管扩散玻璃在一定程度上可以减少光照波动，但它并不能完全消除所有波动现象，特别是在某些特定的天气条件下。

此外，研究还强调了高频率数据记录的重要性。通过每秒记录一次光照强度，研究人员能够捕捉到那些在低频率记录中可能被忽略的非常短暂的遮光斑。这种高频率的数据记录方法不仅提高了遮光斑识别的准确性，还揭示了遮光斑在温室环境中的复杂性和多样性。例如，在某些晴朗的天气条件下，遮光斑的出现频率和幅度都显著增加，而在阴天或云天时，遮光斑的数量和幅度则有所减少。

研究还讨论了遮光斑对植物光合作用和水分利用效率的影响。尽管光照波动在某些情况下可能对植物的光合作用效率产生负面影响，但研究结果表明，扩散玻璃在一定程度上可以缓解这种影响。然而，由于遮光斑仍然频繁出现，特别是在夏季和初秋，其对植物生长的总体影响仍需进一步研究。此外，研究指出，光照波动对植物的影响不仅限于短期的生理反应，还可能涉及长期的适应机制，如植物对光强变化的生理调整和代谢响应。

在方法论方面，本研究采用了高精度的PAR传感器和数据记录设备，以确保光照强度的准确测量。同时，研究还利用了模型验证和统计分析方法，以评估遮光斑的识别准确性和数据的可靠性。通过计算R2值和均方根误差（RMSE），研究人员能够评估模型与实际测量数据之间的吻合程度。结果显示，模型在大多数情况下与实际数据高度一致，但在某些情况下仍然存在偏差，这可能与模型未考虑的所有光强来源有关。

本研究的局限性也得到了充分讨论。首先，遮光斑的量化仅限于相对晴朗的天气条件，因此结果可能无法完全代表所有天气类型。其次，研究仅使用了一个PAR传感器，这可能无法全面反映温室内部的光照空间分布。尽管如此，研究的时间跨度较长，涵盖了多种天气条件，这在一定程度上弥补了空间分布的不足。

最后，研究对未来的研究和应用提出了建议。例如，通过动态光合作用模型，可以进一步分析遮光斑对植物生长和产量的具体影响。此外，研究还指出，扩散玻璃可能对农业光伏（agrivoltaics）的设计和应用具有重要意义。农业光伏系统通过在作物上方安装不同透光率的太阳能板，可以调节光照强度和光谱成分，从而优化作物的光合作用效率。扩散玻璃的特性可能与农业光伏系统中的某些设计元素相似，因此在未来的农业光伏研究中，可以借鉴本研究的发现，探索如何利用扩散玻璃或类似材料来减少光照波动，提高作物产量和资源利用效率。

总的来说，本研究通过在温室环境中对遮光斑的特性进行系统分析，揭示了扩散玻璃对光照波动的影响及其对植物生长的潜在意义。研究结果不仅为温室设计和光照管理提供了新的思路，也为理解自然环境中光照波动对植物的影响奠定了基础。未来的研究可以进一步探讨不同类型的扩散玻璃、农业光伏系统以及自然条件下的光照波动对植物生理和生态的影响，从而为可持续农业和高效光合作用利用提供更全面的科学依据。