除了技术进步和许多其他因素外，人口增长和气候变化的力量还将影响未来的农业。然而，最后，这意味着未来的农场将被要求以更少，可能处于较差的状态生产更多。目前正在开发将使未来耕种成为可能的进步。
Plant Physiology Research
植物生理，植物如何生长，繁殖和发展，以多种方式影响生产产量和质量。光可能是影响植物生理的最重要的环境因素。
Plants give diverse responses to the quality, direction, quantity, and duration of light cues in their environment. They generate hormones and other secondary metabolites that influence food quality, production yield, and taste.
对于成功的室内种植，了解植物对光线提示的反应至关重要。来自比利时，丹麦和保加利亚的研究人员一直在研究不同的光条件对植物生理学的影响。植物具有感光体，可感知紫外线-A，紫外线B，红色和蓝光。这些光感受器可以感觉到光的质量，强度，持续时间和方向。
红色v。蓝光
光合作用活性辐射（PAR）在400-700波长范围内用于光合作用的光子数量由光合光子磁通密度（PPFD）表示。靠近表面，红色和蓝光被有效吸收，是光合作用的最关键波长。
光合作用，叶绿素，吸收蓝色（420-450 nm）和红色（600-7100 nm）光的关键植物色素。
- 叶绿素型A型在430 nm（蓝色）和665 nm（红色）的吸收峰
- 叶绿素-b在453 nm（蓝色）和642 nm（红色）上具有吸收峰
叶绿素中的光吸收在550 nm处的最低水平下降到最低。（Ouzounis 2019）
As it possesses a higher frequency and thus, a shorter wavelength, blue light has more energy than red light. However, photosynthesis depends on the total number of photons absorbed and not the energy content of the individual photons. The extra energy is lost as heat in the case of blue light. In the lower efficiency in the blue range this effect is clear. (Ouzounis 2019)
不同种类的植物对红色和蓝光的反应不同，即使是不同类型的同一植物，在不同的光条件下也会更好地蓬勃发展。在拥挤的条件下，在容器中出售的幼苗植物通常会生长不足的光，并且由于轻质质量差而导致伸长的下胚轴（位于种子叶子下方和根部的茎）。
不自然的植物的新鲜重量产量低，因此生长薄的叶子。这种细长的特征在香料植物和草药中特别突出。由于在发芽阶段的质量轻巧，特别是莳萝植物的叶子较少，伸长高和叶片面积较小。
Researchers at the Poznan University of Life Sciences, Poland examined different amounts of blue light between 10 and 15% with a constant proportion of red light and its effect on dill plants. They discovered that generally, dill plants treated with red light were higher overall and displayed elongated internodes, but the plants treated with blue light had shorter internodes and generated relatively high herb yields.
但是，植物对蓝光的反应非常敏感，不仅取决于蓝色或红光的比例，还取决于植物的生长阶段。（Frąszczak2016）
在高剂量的蓝光过程中，在发芽的早期几周中，抑制了下胚轴茎结构的伸长，蓝光低于50％的蓝光的植物表现出最短的下胚轴长度。
但是，在生长的后期阶段，较低的蓝光可能足以抑制伸长率，同时为净光合速率提供优势，其中在30％以下的蓝光处理中发现了最高值。（Frąszczak2016）
Other plant species show the best growth under different conditions. For example, a 1:1 ratio of red to blue light was found to be effective for cherry tomatoes, yet a red to blue ratio of 0.9:0.1 could be better for some spinach, lettuce and radishes.
尽管蓝光抑制了生菜和莳萝植物中的茎伸长，但在蓝光下生长的茄子表现出比在任何其他颜色下生长的植物更长的茎。光也可能改变非食品商业植物的表达。提高蓝光到菊花和玫瑰的比例导致花高。（Frąszczak2016）
紫外线辐射
由于臭氧层的耗竭，紫外线B辐射（280-315 nm）对地球的生物体具有越来越多的负面影响。此外，除了非常高的高度外，紫外线辐射在上层大气中被吸收，很少到达地球表面。然而，这可能不再是真实的，因为1997年，科学家记录了在马德里的直接太阳能UV-C辐射。（Katerova 2009）
保加利亚科学院研究人员研究了UV-B和UV亚博老虎机网登录-C暴露对调节环境压力反应的三种重要植物激素的影响：
- 脱节酸（ABA）
- 吲哚-3-乙酸（IAA）
- 1-氨基丙烷-A-羧酸（ACC）
这些植物激素是调节发育过程的一部分，例如响应环境线索，例如横向根开始和植物生长。（Katerova 2009）
人造光的光谱特性
Typically, greenhouses supply plants with between 16 and 20 hours of artificial light each day, at intensity ranges of 100-200 μmol٠m-2s-1。多年来，在室内植物种植中，高压钠（HPS）灯泡一直是行业标准，因为它们的效率很高（1.9μmol٠m-2٠W-1）将电转换为光合辐射。
Yet, the light which comes from HPS lamps is still suboptimal, generating light mostly in the yellow and orange ranges with some red light between 550 and 650 nm. Only around 5% of the light generated by HPS bulbs is in the blue range, and there is no way to alter their spectral output.
发射二极管（LED）在狭窄的光谱中供应光，范围从紫外线到近红外，允许操纵光谱，以促进生理变化，并具有潜在的增强植物生长。LED的光分布特性可比或超过其HPS对应物，使其成为完全可扩展的替代品。
Increasingly, LEDs have comparable quantum efficiency to HPS lamps, and in the instances of some new Danish and Dutch and manufactured fixtures (2.2-2.4 μmol٠m-2٠W-1），甚至可以超过HPS灯的功能。此外，LED是耐用的固态光源，可提供更好的灯泡寿命，高达100,000小时，而HPS的平均寿命在10,000至20,000小时之间。（Ouzounis 2019）
Spectrometers from Avantes have been utilized to enhance LED light mixtures, plus they automatically adjust shading systems within greenhouses in order to regulate the daily light integral (DLI) which is the total amount of light received by a plant in 24 hours. Avantes has been a pioneer in the implementation of spectroscopy within greenhouse environments.
植物健康监测和质量评估
在智能农业中，更常见的领域之一就是实现了一种无创的方法来衡量植物质量和健康。由于它需要有限的硬件，并且可以以极高的速度（例如每秒600个光谱）进行，因此光谱弥漫性反射非常适合该应用。
A good example of this method can be observed in Image 1, which shows a sensor head mounted on the top of a tractor which is pulling a fertilizer implement. This system was developed and is commercialized by Yara AG, and it measures the solar illumination and correlates this with reflection data from the crops simultaneously.
来自农作物的反射光提供了有关叶绿素含量的丰富信息，允许生产健康评分，然后将其实时调节肥料施用水平，并将其映射到GPS坐标以进行未来的监测。该系统提供了一个很好的例子，说明了智能农业优化资源以增强农业产量的潜力。
成功实施光谱方法的农业生产的另一个重要领域是作物质量。西班牙瓦伦西亚理工大学的研究人员正在利用Avantes仪器来开发芒果质量指数进行预测建模，并创建具有同时NIR和触觉光谱测量的机器人抓手，以建立芒果成熟度和质量。（Cortes 2017）
这种检查水果质量的无损技术是基于芒果样品的物理和生化特性。通常，在成熟时，芒果还没有准备好食用，需要成熟的时期，在此期间，许多重要的物理和化学改变了水果。
结合与芒果皮肤直接接触的光纤探针，弥漫性反射光谱被用于测量抗坏血酸，可溶性固体，肤色和水含量的任何改变。
为了开发此质量指数，采用了Avantes多通道光谱系统。AVASPEC-ULS2048-USB2星线光谱仪观察到可见范围为600-100 nm和AVASPEC-NIR256-1.7 NIRLINE光谱仪覆盖了900-1750 nm。
光谱法
为了表征农业中的人造和自然光，光谱仪和光谱仪是重要的工具。这些设备有时与传感器混淆，这些设备提供了有关植物吸收，接收或传播光的数量和质量的强大信息。
相反，传感器通常仅限于测量一个狭窄的光波长，这些波长是在骨料中接收的。由于植物收到的光波长的组成的重要性，光谱仪是表征这种组成的宝贵工具。
AVANTES AVASPEC仪器非常强大，并针对野外光谱挑战进行了优化。在UV/VIS范围内avaspec-uls2048cl-evoand the AvaSpec-Mini2048CL are two of the more common candidate instruments utilized in this application. They are optimal candidates for field use because of their high-speed data acquisition, compact and robust designs, and thermal stability.
AVASPEC-NIR256/512-1.7-EVO和AVASPEC-NIR256/512-1.7-HSC-EVO是近红外应用领域中青贮和谷物分析的首选工具。
Resources
- Cortés, Victoria, Carlos Blanes, José Blasco, Coral Ortíz, Nuria Aleixos, Martín Mellado, Sergio Cubero, and Pau Talens. "Integration of Simultaneous Tactile Sensing and Visible and Near-infrared Reflectance Spectroscopy in a Robot Gripper for Mango Quality Assessment." Biosystems Engineering 162 (10 2017): 112-23. doi:10.1016/j.biosystemseng.2017.08.005.
- Cortés，V.，C。Ortiz，N。Aleixos，J。Blasco，S。Cubero和P. Talens。“芒果的新内部质量指数及其通过外部可见和近红外反射光谱的预测。”Tharvest生物学与技术118（08 2016）：148-58。doi：10.1016/j.postharvbio.2016.04.011。
- Frąszczak，芭芭拉。“不同剂量的蓝光对莳萝植物的生物特征性状和光合作用的影响。”Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj-Napoca 44，No。1（06，2016）。doi：10.15835/nbha.44.1.10212。
- Katerova，Z.，S。Ivanov，E。Prinsen，H。VanOnckelen，V。Alexieva和A. Azmi。“低剂量的紫外线B或紫外线辐射会影响年轻的豌豆植物中的植物激素。”Biologia Plantarum 53，no。2（06 2009）：365-68。doi：10.1007/s10535-009-0068-1。
- Ouzounis，Theoharis，Eva Rosenqvist和Carl-Totso Ottosen。“人造光对植物生理学和继发代谢的光谱影响：综述。”Hort亚博老虎机网登录science 50，没有。8（08 2015）：1128-135。doi：10.21273/hortsci.50.8.1128。
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