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植物補(bǔ)光燈在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

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植物補(bǔ)光燈在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

摘要:人工光源在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用一改往日作物種植過程中單純依靠自然光源的窘境。不同植物種類和生長階段對光源的需求不盡相同,本文通過分析現(xiàn)有研究及應(yīng)用試驗,對不同生育時期常見經(jīng)濟(jì)作物在補(bǔ)光前后植物生理生態(tài)特征進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示,LED植物補(bǔ)光燈設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用有利于培育優(yōu)苗壯苗,提升蔬菜水果品質(zhì);利用補(bǔ)光燈產(chǎn)生的光環(huán)境的動態(tài)控制管理技術(shù)將會是日后植物工廠研究領(lǐng)域的一大熱點。

關(guān)鍵詞:LED植物補(bǔ)光燈;設(shè)施農(nóng)業(yè);溫室;植物工廠;稀土

引言

受到氣候條件的影響,我國北方地區(qū)大田農(nóng)業(yè)耕作多為一年一熟制或兩年三熟制。為適應(yīng)市場需求,滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需要,利用現(xiàn)代工程技術(shù),創(chuàng)造合理的生長環(huán)境,為農(nóng)作物提供最合適的光照、溫度、濕度、植保及水肥條件,使其保持最佳的生長狀態(tài),以期獲得優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品,已經(jīng)成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。光照、溫度、空氣、水和養(yǎng)分是植物生長的核心要素。隨著農(nóng)事操作水平的提高,設(shè)施內(nèi)溫度、水肥綜合管理條件在不斷的趨于完善。但由于設(shè)施建筑在一定程度上會遮擋部分自然光源,導(dǎo)致室內(nèi)光線不足,且北方初春、晚秋及冬季日照時長較短,會顯著影響喜光作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。人工光源的引入一改往日作物種植過程中單純依靠自然光源的窘境,通過添加白熾燈、鹵鎢燈、高壓鈉燈、熒光燈和LED燈等人工光源來滿足植物的光需求。這其中,LED具有光電轉(zhuǎn)換效率高、體積小、壽命長、耗能低、波長穩(wěn)定、熱輻射低、環(huán)保等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用。

1光對植物生長的影響

光作為一種外界信號可以影響植物發(fā)育的諸多方面,從種子的發(fā)芽,脫黃化到營養(yǎng)形態(tài),晝夜節(jié)律的建成。植物通過光合作用制造有機(jī)物為其生長發(fā)育提供物質(zhì)和能量,因此光也是植物獲取能量的來源。光照強(qiáng)度、光照周期和光譜分布構(gòu)成了設(shè)施內(nèi)的光照環(huán)境。在弱光條件下,遠(yuǎn)紅光比例升高,紅光、藍(lán)光和紫外光的比例降低,這些變化很可能形成了果菜類作物生長失調(diào)的光信號[1]。利用補(bǔ)光燈,對設(shè)施內(nèi)的光照環(huán)境進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié),克服了設(shè)施自身和天氣條件帶來的光源限制。植物光合作用的有效波長范圍是380~710nm。這其中,葉綠素對紅光部分及藍(lán)紫光部分的光譜吸收最強(qiáng)。研究表明,紅光會促進(jìn)細(xì)胞的伸長,而藍(lán)光則具有相反的效果。長波長的光(紅光)可以顯著提升植物各器官的發(fā)育速率,最顯著的效果就是引起植物提前開花、結(jié)果;短波長的光(藍(lán)光)會抑制莖的伸長,防止徒長,促進(jìn)營養(yǎng)器官的生長。紅藍(lán)組合LED補(bǔ)光燈可以相互彌補(bǔ)各單色光源的不足,且光能利用率高達(dá)80%~90%,節(jié)能效果顯著。

2LED植物補(bǔ)光燈在植物營養(yǎng)生長期的應(yīng)用

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷趨于集約化,規(guī)范化,設(shè)施溫室育苗成為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié)。在育苗生產(chǎn)中,常會使用到一些植物生長調(diào)節(jié)劑(赤霉素、生長素、矮壯素等)來調(diào)控幼苗生長,但不合理的施用會對幼苗及設(shè)施環(huán)境造成污染,影響人類身體健康[2]。有研究表明,補(bǔ)光對常見經(jīng)濟(jì)作物(如:番茄、黃瓜、草莓等)的產(chǎn)量、品質(zhì)以及生長發(fā)育具有積極的意義[3,4]。在溫室栽培領(lǐng)域,利用調(diào)控光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期來控制植物形態(tài)建成和生長發(fā)育是一項重要的技術(shù)[5]。植物通過體內(nèi)的感光受體整合不同的光源信號,經(jīng)胞內(nèi)信使傳導(dǎo),調(diào)節(jié)植物的形態(tài)建成及生長發(fā)育[6]。在溫室補(bǔ)光育苗方面,隨著補(bǔ)光處理時間的延長,補(bǔ)光時間及光質(zhì)對黃瓜幼苗葉面積生長的促進(jìn)作用逐漸顯現(xiàn)[7]。通過延長光照時間、增強(qiáng)光照強(qiáng)度,會有效提高番茄的壯苗率及抵抗病蟲害的能力[8],而紅藍(lán)組合LED光源則會顯著提升黃瓜幼苗的葉面積及地上部分干物重[9]。植物幼苗期補(bǔ)充藍(lán)光可以有效提升葉片中保護(hù)酶的活性,延緩葉片衰老[7]。我們使用中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所研發(fā)的稀土LED植物補(bǔ)光燈對CM966大番茄苗期補(bǔ)光試驗,結(jié)果表明,在同樣波長組合稀土LED植物補(bǔ)光燈下,不同光照時長顯著影響番茄幼苗形態(tài)。適當(dāng)延長番茄苗期光照時間可加快細(xì)胞生長,幼苗壯苗程度較好,細(xì)胞活性較強(qiáng),生物量累積較多。每日低于10h的組合光照會導(dǎo)致植株莖部纖細(xì),色澤清淡,幼苗呈徒長狀態(tài)。此外,組合光補(bǔ)光亦可顯著提高黃瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量。因此,研究新型LED人工光源及光源調(diào)控在溫室育苗生產(chǎn)中的應(yīng)用,對于揭示植物光質(zhì)調(diào)控機(jī)制,培育幼苗壯苗,促進(jìn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)具有重要意義。

3LED植物補(bǔ)光燈在植物生殖生長期的應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn),紅光和藍(lán)光是影響果實轉(zhuǎn)色期品質(zhì)變化的主要光質(zhì)。紅光可以顯著提高番茄果實番茄紅素含量,藍(lán)光可以顯著提高番茄果實維生素C、可溶性蛋白含量[10];組合補(bǔ)光可提升番茄果實可溶性固形物含量、可溶性蛋白含量和番茄紅素含量[11]。對草莓來說,組合補(bǔ)光可以提高光合色素含量,對果實產(chǎn)量和品質(zhì)有較大的提升作用[12]。2017年11月至2018年3月,我們分別在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗、準(zhǔn)格爾旗智能溫室中進(jìn)行稀土LED植物補(bǔ)光燈的相關(guān)試驗。試驗結(jié)果表明,通過增加光照時長,可以令草莓提前10~15d開花,增強(qiáng)草莓植株耐旱性,提升果色、果實口感和果實品質(zhì),增強(qiáng)市場競爭力。每日4h的組合補(bǔ)光,草莓的總糖含量提升了10.72%,花青素含量提升了65.73%,維生素C含量提升了1.47%。與未安裝稀土LED植物補(bǔ)光燈的溫室相比,安裝補(bǔ)光燈的草莓溫室在本次試驗草莓采收期每畝多收入5000~8000元。同期對不同品種的茄子生育期進(jìn)行補(bǔ)光試驗,結(jié)果表明,通過增加光照時長,可以提高茄子的耐寒性。每日4h的組合補(bǔ)光,可以顯著提升圓茄的總糖(18.48%)及淀粉(85.71%)含量、長茄的花青素(5.05%)及維生素C(24.44%)含量。并且我們發(fā)現(xiàn),茄子的不同品種對補(bǔ)光燈使用效果表現(xiàn)不一??傮w來說,使用稀土LED植物補(bǔ)光燈可以提升蔬菜品質(zhì),但對于茄子相關(guān)色素形成的影響還需要進(jìn)一步的研究。

4LED植物補(bǔ)光燈在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的發(fā)展前景及方向

近些年,由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不合理的使用工業(yè)化學(xué)用品,導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)殘超標(biāo),嚴(yán)重影響了人類的身體健康和人身安全。食品安全問題愈演愈烈,引起了人們對食品安全的極大關(guān)注。農(nóng)業(yè)是否可以實現(xiàn)高產(chǎn)量、高效益、高品質(zhì)的連續(xù)化生產(chǎn),高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)———植物工廠的形成提供了一個解決方案。植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的高級階段和必然趨勢[13]。它顛覆了傳統(tǒng)的土地利用方式和農(nóng)作形式,為提供安全、高附加值植物提供了高效穩(wěn)定的生產(chǎn)環(huán)境。隨著各學(xué)科高新技術(shù)的交叉應(yīng)用(如:LED人工光源、無土栽培、水肥一體化、環(huán)境控制、智慧控制等相關(guān)設(shè)備、技術(shù)裝備領(lǐng)域),國內(nèi)外太陽光/人工光源植物工廠發(fā)展迅速。這其中,人工光源植物工廠的市場規(guī)模發(fā)展?jié)摿薮蟆V参锕S的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益主要受到設(shè)施裝備水平、環(huán)境調(diào)控水平、植物品種特征、地理環(huán)境及社會市場環(huán)境等因素的控制。試驗數(shù)據(jù)表明,每種植物對光源的光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期都有其獨(dú)特的偏好,并且在同一種植物的不同生長階段其對光源的偏好也是動態(tài)變化的。理清環(huán)境影響植物生理學(xué)原理,嚴(yán)格遵循植物生理需求,耦合多方參數(shù),建立完善系統(tǒng)的智能LED光配方成為了植物工廠的關(guān)鍵核心技術(shù)[13]。因此,在今后很長一段時期內(nèi),光環(huán)境的動態(tài)控制管理技術(shù)將會是植物工廠智能化研究領(lǐng)域的一大熱點。

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作者:張彤 李成宇 池建義 張洪杰 秦新苗 單位:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所 中國科學(xué)院包頭稀土研發(fā)中心 中科瑞豐科技有限公司

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