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植物补光灯在设施农业上的应用

摘要:人工光源在设施农业上的应用一改往日作物种植过程中单纯依靠自然光源的窘境。不同植物种类和生长阶段对光源的需求不尽相同,本文通过分析现有研究及应用试验,对不同生育时期常见经济作物在补光前后植物生理生态特征进行了对比。结果显示,LED植物补光灯在设施农业上的应用有利于培育优苗壮苗,提升蔬菜水果品质;利用补光灯产生的光环境的动态控制管理技术将会是日后植物工厂研究领域的一大热点。

关键词:LED植物补光灯;设施农业;温室;植物工厂;稀土

引言

受到气候条件的影响,我国北方地区大田农业耕作多为一年一熟制或两年三熟制。为适应市场需求,满足现代农业发展需要,利用现代工程技术,创造合理的生长环境,为农作物提供最合适的光照、温度、湿度、植保及水肥条件,使其保持最佳的生长状态,以期获得优质、高产的农产品,已经成为了现代农业发展的趋势。光照、温度、空气、水和养分是植物生长的核心要素。随着农事操作水平的提高,设施内温度、水肥综合管理条件在不断的趋于完善。但由于设施建筑在一定程度上会遮挡部分自然光源,导致室内光线不足,且北方初春、晚秋及冬季日照时长较短,会显著影响喜光作物的产量和品质。人工光源的引入一改往日作物种植过程中单纯依靠自然光源的窘境,通过添加白炽灯、卤钨灯、高压钠灯、荧光灯和LED灯等人工光源来满足植物的光需求。这其中,LED具有光电转换效率高、体积小、寿命长、耗能低、波长稳定、热辐射低、环保等优点而得到广泛的应用。

1光对植物生长的影响

光作为一种外界信号可以影响植物发育的诸多方面,从种子的发芽,脱黄化到营养形态,昼夜节律的建成。植物通过光合作用制造有机物为其生长发育提供物质和能量,因此光也是植物获取能量的来源。光照强度、光照周期和光谱分布构成了设施内的光照环境。在弱光条件下,远红光比例升高,红光、蓝光和紫外光的比例降低,这些变化很可能形成了果菜类作物生长失调的光信号[1]。利用补光灯,对设施内的光照环境进行灵活的调节,克服了设施自身和天气条件带来的光源限制。植物光合作用的有效波长范围是380~710nm。这其中,叶绿素对红光部分及蓝紫光部分的光谱吸收最强。研究表明,红光会促进细胞的伸长,而蓝光则具有相反的效果。长波长的光(红光)可以显著提升植物各器官的发育速率,最显著的效果就是引起植物提前开花、结果;短波长的光(蓝光)会抑制茎的伸长,防止徒长,促进营养器官的生长。红蓝组合LED补光灯可以相互弥补各单色光源的不足,且光能利用率高达80%~90%,节能效果显著。

2LED植物补光灯在植物营养生长期的应用

随着农业生产不断趋于集约化,规范化,设施温室育苗成为设施农业的重要环节。在育苗生产中,常会使用到一些植物生长调节剂(赤霉素、生长素、矮壮素等)来调控幼苗生长,但不合理的施用会对幼苗及设施环境造成污染,影响人类身体健康[2]。有研究表明,补光对常见经济作物(如:番茄、黄瓜、草莓等)的产量、品质以及生长发育具有积极的意义[3,4]。在温室栽培领域,利用调控光质、光强、光周期来控制植物形态建成和生长发育是一项重要的技术[5]。植物通过体内的感光受体整合不同的光源信号,经胞内信使传导,调节植物的形态建成及生长发育[6]。在温室补光育苗方面,随着补光处理时间的延长,补光时间及光质对黄瓜幼苗叶面积生长的促进作用逐渐显现[7]。通过延长光照时间、增强光照强度,会有效提高番茄的壮苗率及抵抗病虫害的能力[8],而红蓝组合LED光源则会显著提升黄瓜幼苗的叶面积及地上部分干物重[9]。植物幼苗期补充蓝光可以有效提升叶片中保护酶的活性,延缓叶片衰老[7]。我们使用中科院长春应用化学研究所研发的稀土LED植物补光灯对CM966大番茄苗期补光试验,结果表明,在同样波长组合稀土LED植物补光灯下,不同光照时长显著影响番茄幼苗形态。适当延长番茄苗期光照时间可加快细胞生长,幼苗壮苗程度较好,细胞活性较强,生物量累积较多。每日低于10h的组合光照会导致植株茎部纤细,色泽清淡,幼苗呈徒长状态。此外,组合光补光亦可显著提高黄瓜幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量。因此,研究新型LED人工光源及光源调控在温室育苗生产中的应用,对于揭示植物光质调控机制,培育幼苗壮苗,促进作物优质高产具有重要意义。

3LED植物补光灯在植物生殖生长期的应用

研究发现,红光和蓝光是影响果实转色期品质变化的主要光质。红光可以显著提高番茄果实番茄红素含量,蓝光可以显著提高番茄果实维生素C、可溶性蛋白含量[10];组合补光可提升番茄果实可溶性固形物含量、可溶性蛋白含量和番茄红素含量[11]。对草莓来说,组合补光可以提高光合色素含量,对果实产量和品质有较大的提升作用[12]。2017年11月至2018年3月,我们分别在内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗、准格尔旗智能温室中进行稀土LED植物补光灯的相关试验。试验结果表明,通过增加光照时长,可以令草莓提前10~15d开花,增强草莓植株耐旱性,提升果色、果实口感和果实品质,增强市场竞争力。每日4h的组合补光,草莓的总糖含量提升了10.72%,花青素含量提升了65.73%,维生素C含量提升了1.47%。与未安装稀土LED植物补光灯的温室相比,安装补光灯的草莓温室在本次试验草莓采收期每亩多收入5000~8000元。同期对不同品种的茄子生育期进行补光试验,结果表明,通过增加光照时长,可以提高茄子的耐寒性。每日4h的组合补光,可以显著提升圆茄的总糖(18.48%)及淀粉(85.71%)含量、长茄的花青素(5.05%)及维生素C(24.44%)含量。并且我们发现,茄子的不同品种对补光灯使用效果表现不一。总体来说,使用稀土LED植物补光灯可以提升蔬菜品质,但对于茄子相关色素形成的影响还需要进一步的研究。

4LED植物补光灯在设施农业中的发展前景及方向

近些年,由于农业生产过程中不合理的使用工业化学用品,导致农产品的农残超标,严重影响了人类的身体健康和人身安全。食品安全问题愈演愈烈,引起了人们对食品安全的极大关注。农业是否可以实现高产量、高效益、高品质的连续化生产,高新技术产业———植物工厂的形成提供了一个解决方案。植物工厂是设施园艺发展的高级阶段和必然趋势[13]。它颠覆了传统的土地利用方式和农作形式,为提供安全、高附加值植物提供了高效稳定的生产环境。随着各学科高新技术的交叉应用(如:LED人工光源、无土栽培、水肥一体化、环境控制、智慧控制等相关设备、技术装备领域),国内外太阳光/人工光源植物工厂发展迅速。这其中,人工光源植物工厂的市场规模发展潜力巨大。植物工厂的生产效率和经济效益主要受到设施装备水平、环境调控水平、植物品种特征、地理环境及社会市场环境等因素的控制。试验数据表明,每种植物对光源的光质、光强、光周期都有其独特的偏好,并且在同一种植物的不同生长阶段其对光源的偏好也是动态变化的。理清环境影响植物生理学原理,严格遵循植物生理需求,耦合多方参数,建立完善系统的智能LED光配方成为了植物工厂的关键核心技术[13]。因此,在今后很长一段时期内,光环境的动态控制管理技术将会是植物工厂智能化研究领域的一大热点。

参考文献

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[13]刘文科,刘义飞.LED智能植物工厂光配方构建与应用[J].中国照明电器,2017,(10):1-3.

作者:张彤 李成宇 池建义 张洪杰 秦新苗 单位:中国科学院长春应用化学研究所 中国科学院包头稀土研发中心 中科瑞丰科技有限公司

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