Författare: Yamin Li och Houcheng Liu, etc, från College of Horticulture, South China Agriculture University

Artikelkälla: växthus trädgårdsodling

De typer av anläggningstillverkningsanläggningar inkluderar huvudsakligen plast växthus, sol växthus, flera spännande växthus och växtfabriker. Eftersom anläggningsbyggnader blockerar naturliga ljuskällor i viss utsträckning finns det otillräckligt inomhusljus, vilket i sin tur minskar grödor och kvalitet. Därför spelar det kompletterande ljuset en oumbärlig roll i anläggningens högkvalitativa och högavkastningsgrödor, men det har också blivit en viktig faktor i ökningen av energiförbrukning och driftskostnader i anläggningen.

Under lång tid inkluderar konstgjorda ljuskällor som används inom området anläggningstillverkning främst högtrycksnatriumlampa, lysrör, metallhalogenlampa, glödlampa, etc. De framstående nackdelarna är hög värmeproduktion, hög energiförbrukning och höga driftskostnader. Utvecklingen av den nya generationens ljusemitterande diod (LED) gör det möjligt att använda artificiell ljuskälla med låg energi inom området anläggningstillverkning. LED har fördelarna med hög fotoelektrisk omvandlingseffektivitet, DC -effekt, liten volym, lång livslängd, låg energiförbrukning, fast våglängd, låg termisk strålning och miljöskydd. Jämfört med den högtrycks natriumlampan och fluorescerande lampan som vanligtvis används för närvarande, kan LED inte bara justera ljusmängden och kvaliteten (andelen olika bandljus) enligt behoven hos växttillväxt och kan bestråla växter på nära avstånd förfaller Till dess kalla ljus kan således antalet odlingsskikt och rymdutnyttjandehastighet förbättras, och funktionerna för energibesparing, miljöskydd och rymdeffektivt utnyttjande som inte kan ersättas av traditionell ljuskälla kan realiseras.

Baserat på dessa fördelar har LED framgångsrikt använts i anläggningstillverkningsbelysning, grundläggande forskning av kontrollerbar miljö, växtvävnadskultur, växtfabriksplantor och flyg- och rymdekosystem. Under de senaste åren förbättras prestandan för LED -växande belysning, priset minskar och alla typer av produkter med specifika våglängder utvecklas gradvis, så dess tillämpning inom jordbruk och biologi kommer att bli bredare.

Den här artikeln sammanfattar forskningsstatusen för LED inom området för anläggningstillverkning, fokuserar på applicering av LED -kompletterande ljus i Light Biology Foundation, LED -odlingsljus på växtljusformning, näringskvalitet och effekten av försening av åldrande, konstruktion och applicering av ljusformel och analyser och utsikter för de aktuella problemen och utsikterna för LED -kompletterande ljusteknologi.

Effekt av LED -kompletterande ljus på tillväxten av trädgårdsgrödor

De reglerande effekterna av ljus på växttillväxt och utveckling inkluderar fröspiring, stamförlängning, blad- och rotutveckling, fototropism, klorofyllsyntes och nedbrytning och blommorinduktion. Ljusmiljöelementen i anläggningen inkluderar ljusintensitet, ljuscykel och spektralfördelning. Elementen kan justeras genom konstgjorda ljustillskott utan begränsning av väderförhållandena.

För närvarande finns det minst tre typer av fotoreceptorer i växter: fytokrom (absorberande rött ljus och långt rött ljus), kryptokrom (absorberande blått ljus och nära ultraviolett ljus) och UV-A och UV-B. Användningen av specifik våglängdsljuskälla för att bestråla grödor kan förbättra växternas fotosyntetiska effektivitet, påskynda ljusmorfogenesen och främja växternas tillväxt och utveckling. Rött orange ljus (610 ~ 720 nm) och blått violett ljus (400 ~ 510 nm) användes i växtfotosyntes. Med användning av LED -teknik kan monokromatiskt ljus (såsom rött ljus med 660 nm topp, blått ljus med 450 nm topp, etc.) strålas i linje med det starkaste absorptionsbandet av klorofyll, och den spektrala domänbredden är endast ± 20 nm.

Det tros för närvarande att det röda orange ljuset avsevärt kommer en ledande roll i växtfärgförbättringen; Blått och violett ljus kan kontrollera fototropismen hos växtblad, främja stomataöppning och kloroplaströrelse, hämma stamförlängning, förhindra växtförlängning, fördröja växtblomning och främja tillväxten av vegetativa organ; Kombinationen av röda och blå lysdioder kan kompensera för det otillräckliga ljuset med enstaka färg på de två och bilda en spektral absorptionstopp som i princip är förenlig med grödosyntes och morfologi. Ljusenergianvändningshastigheten kan nå 80% till 90% och energibesparande effekten är betydande.

Utrustad med LED -kompletterande lampor i anläggningstillverkning kan uppnå en mycket betydande produktionsökning. Studier har visat att antalet frukter, den totala utgången och vikten på varje körsbärstomat under det kompletterande ljuset på 300 μmol/(m² · s) LED-remsor och LED-rör för 12h (8: 00-20: 00) är signifikant ökad. Det kompletterande ljuset för LED -remsan har ökat med 42,67%, 66,89% respektive 16,97%, och det kompletterande ljuset för LED -röret har ökat med 48,91%, 94,86% respektive 30,86%. LED -tilläggslampan för LED -växningens fixtur under hela tillväxtperioden [förhållandet mellan rött och blått ljus är 3: 2, och ljusintensiteten är 300 μmol/(m² · s)] kan öka den enskilda fruktkvaliteten och utbytet avsevärt och utbytet per enhetsområde Chiehwa och aubergine. Chikuquan ökade med 5,3% och 15,6% och aubergine ökade med 7,6% och 7,8%. Genom LED-ljuskvaliteten och dess intensitet och varaktighet för hela tillväxtperioden kan växttillväxtcykeln förkortas, den kommersiella utbytet, näringskvaliteten och det morfologiska värdet av jordbruksprodukter kan förbättras och den högeffektiva, energibesparande och Intelligent produktion av anläggningstillverkningsgrödor kan realiseras.

Applicering av LED -tilläggsljus i odling av grönsaksplantor

Att reglera växtmorfologi och tillväxt och utveckling genom LED -ljuskälla är en viktig teknik inom området växthusodling. Högre växter kan känna och ta emot ljussignaler genom fotoreceptorsystem såsom fytokrom, kryptokrom och fotoreceptor och genomföra morfologiska förändringar genom intracellulära budbärare för att reglera växtvävnader och organ. Fotomorfogenes innebär att växter förlitar sig på ljus för att kontrollera celldifferentiering, strukturella och funktionella förändringar, liksom bildandet av vävnader och organ, inklusive påverkan på spiring av vissa frön, främjande av apikal dominans, hämning av lateral knopptillväxt, stamförlängning och tropism.

Vegetabilisk plantor odling är en viktig del av anläggningens jordbruk. Kontinuerligt regnigt väder kommer att orsaka otillräckligt ljus i anläggningen, och plantor är benägna att förlänga, vilket kommer att påverka tillväxten av grönsaker, blomknoppdifferentiering och fruktutveckling och i slutändan påverka deras utbyte och kvalitet. I produktionen används vissa växttillväxtregulatorer, såsom gibberellin, auxin, paklobutrazol och klormekvat för att reglera tillväxten av plantor. Emellertid kan den orimliga användningen av växttillväxtregulatorer lätt förorena miljön med grönsaker och anläggningar, varvid människors hälsa är ogynnsam.

LED -kompletterande ljus har många unika fördelar med kompletterande ljus, och det är ett genomförbart sätt att använda LED -kompletterande ljus för att höja plantor. I LED -tilläggsljuset [25 ± 5 μmol/(m² · s)] experiment som genomförts under villkoret av svagt ljus [0 ~ 35 μmol/(m² · s)] konstaterades att grönt ljus främjar förlängningen och tillväxten av gurkaplantor. Rött ljus och blått ljus hämmar plantatillväxt. Jämfört med naturligt svagt ljus ökade det starka plantindexet för plantor kompletterat med rött och blått ljus med 151,26% respektive 237,98%. Jämfört med monokromatisk ljuskvalitet ökade indexet för starka plantor som innehåller röda och blå komponenter under behandling av sammansatt ljustillskott ljus med 304,46%.

Att lägga till rött ljus till gurkaplantor kan öka antalet riktiga blad, bladarea, växthöjd, stamdiameter, torr och färsk kvalitet, starkt plantindex, rot vitalitet, sodaktivitet och lösligt proteininnehåll i gurkaplantor. Att komplettera UV-B kan öka innehållet i klorofyll A, klorofyll B och karotenoider i gurkaplantor. Jämfört med naturligt ljus kan komplettering av det röda och blå LED -ljuset öka bladområdet, torrmaterialkvalitet och starkt plantorindex för tomatplantor. Tillägg av LED rött ljus och grönt ljus ökar signifikant höjden och stamtjockleken på tomatplantor. LED -ljuset tillskottet för grönt ljus kan öka biomassan för gurka och tomatplantor avsevärt, och den färska och torra vikten av plantorna ökar med ökningen av det gröna ljustillskottets ljusintensitet, medan det tjocka stammen och den starka plantindexet för tomaten Plantor följer alla grönt ljustillskottsljus. Ökningen i styrka ökar. Kombinationen av LED -rött och blått ljus kan öka stamtjockleken, bladområdet, torrvikten för hela växten, rot -till -skjutförhållandet och starkt plantorindex för aubergine. Jämfört med vitt ljus kan LED rött ljus öka biomassan av kålplantor och främja töjningstillväxten och bladutvidgningen av kålplantor. LED -blått ljus främjar den tjocka tillväxten, torrmaterialansamlingen och starkt plantorindex för kålplantorna och gör att kålplantorna dvärgar. Ovanstående resultat visar att fördelarna med vegetabiliska plantor som odlas med lätt regleringsteknik är mycket uppenbara.

Effekt av LED -kompletterande ljus på näringskvaliteten på frukt och grönsaker

Proteinet, socker, organisk syra och vitamin som finns i frukt och grönsaker är näringsmaterial som är fördelaktiga för människors hälsa. Ljuskvaliteten kan påverka VC -innehållet i växter genom att reglera aktiviteten för VC -syntes och sönderdelning av enzym, och det kan reglera proteinmetabolismen och kolhydratansamlingen i trädgårdsväxter. Rödljus främjar kolhydratansamling, behandling av blått ljus är fördelaktigt för proteinbildning, medan kombinationen av rött och blått ljus kan förbättra näringskvaliteten hos växter som är betydligt högre än för monokromatiskt ljus.

Att lägga till rött eller blått LED -ljus kan minska nitratinnehållet i sallad, tillsats av blått eller grönt LED -ljus kan främja ackumulering av lösligt socker i sallad, och tillsats av infraröd LED -ljus är gynnsam till ackumulering av VC i sallad. Resultaten visade att tillskottet av blått ljus kunde förbättra VC -innehållet och det lösligt proteininnehållet i tomat; Rött ljus och rött blått kombinerat ljus kunde främja socker och syrahalten i tomatfrukt, och förhållandet mellan socker och syra var det högsta under rött blå kombinerat ljus; Rödblå kombinerat ljus kan förbättra VC -innehållet i gurkafrukten.

Fenolerna, flavonoiderna, antocyaninerna och andra ämnen i frukt och grönsaker har inte bara ett viktigt inflytande på färgen, smaken och råvaruvärdet för frukt och grönsaker, utan har också naturlig antioxidantaktivitet och kan effektivt hämma eller ta bort fria radikaler i mänskliga kroppar.

Att använda LED -blått ljus för att komplettera ljus kan öka antocyanininnehållet i auberginhuden avsevärt med 73,6%, medan man använder LED rött ljus och en kombination av rött och blått ljus kan öka innehållet i flavonoider och totala fenoler. Blått ljus kan främja ackumulering av lykopen, flavonoider och antocyaniner i tomatfrukter. Kombinationen av rött och blått ljus främjar produktionen av antocyaniner i viss utsträckning, men hämmar syntesen av flavonoider. Jämfört med behandling av vitt ljus kan rött ljusbehandling avsevärt öka antocyanininnehållet i salladskott, men den blå ljusbehandlingen har det lägsta antocyanininnehållet. Det totala fenolinnehållet i grönt blad, lila blad och rött bladsallad var högre under vitt ljus, rödblå kombinerat ljus och blått ljusbehandling, men det var den lägsta under rött ljusbehandling. Att komplettera LED -ultraviolett ljus eller orange ljus kan öka innehållet i fenolföreningar i salladblad, medan komplettering av grönt ljus kan öka innehållet i antocyaniner. Därför är användningen av LED -växande ljus ett effektivt sätt att reglera näringskvaliteten hos frukt och grönsaker i anläggningsodlingsodling.

Effekten av LED-kompletterande ljus på anti-aging av växter

Klorofyllnedbrytning, snabb proteinförlust och RNA -hydrolys under växt senescens manifesteras huvudsakligen som blad senescens. Kloroplaster är mycket känsliga för förändringar i den yttre ljusmiljön, särskilt påverkade av ljuskvalitet. Rött ljus, blått ljus och rödblå kombinerat ljus är gynnsamma för kloroplastmorfogenes, blått ljus är gynnsam för ackumulering av stärkelsekorn i kloroplaster, och rött ljus och långt rött ljus har en negativ effekt på kloroplastutvecklingen. Kombinationen av blått ljus och rött och blått ljus kan främja syntesen av klorofyll i gurkaplantor, och kombinationen av rött och blått ljus kan också försena dämpningen av bladklorofyllinnehållet i det senare stadiet. Denna effekt är mer uppenbar med minskningen av rött ljusförhållande och ökningen av blått ljusförhållande. Klorofyllinnehållet i gurkaplantor lämnar under LED -röd och blå kombinerad ljusbehandling var signifikant högre än under fluorescerande ljuskontroll och monokromatiska röda och blå ljusbehandlingar. LED -blått ljus kan öka klorofyll A/B -värdet på wutacai och gröna vitlökplantor.

Under senescence finns det cytokininer (CTK), auxin (IAA), Abscisic Acid -innehållsförändringar (ABA) och en mängd förändringar i enzymaktivitet. Innehållet i växthormoner påverkas lätt av den lätta miljön. Olika ljuskvaliteter har olika reglerande effekter på växthormoner, och de initiala stegen i ljussignaltransduktionsvägen involverar cytokininer.

CTK främjar utvidgningen av bladceller, förbättrar bladfotosyntesen, samtidigt som man hämmar aktiviteterna av ribonukleas, deoxyribonukleas och proteas och försenar nedbrytningen av nukleinsyror, proteiner och klorofyll, så att det kan försena bladens senescens avsevärt. Det finns en interaktion mellan ljus och CTK-medierad utvecklingsreglering, och ljus kan stimulera ökningen av endogena cytokininnivåer. När växtvävnader är i ett tillstånd av senescens minskar deras endogena cytokinininnehåll.

IAA är huvudsakligen koncentrerad i delar av kraftig tillväxt, och det finns mycket lite innehåll i åldrande vävnader eller organ. Violett ljus kan öka aktiviteten för indolättiksyraoxidas, och låga IAA -nivåer kan hämma förlängning och tillväxt av växter.

ABA bildas huvudsakligen i senescent bladvävnader, mogna frukter, frön, stjälkar, rötter och andra delar. ABA -innehållet i gurka och kål under kombinationen av rött och blått ljus är lägre än det för vitt ljus och blått ljus.

Peroxidas (POD), superoxiddismutas (SOD), askorbat peroxidas (APX), katalas (CAT) är viktigare och ljusrelaterade skyddande enzymer i växter. Om växter åldras kommer aktiviteterna för dessa enzymer snabbt att minska.

Olika ljuskvaliteter har betydande effekter på växtantioxidantenzymaktiviteter. Efter 9 dagars behandling med rött ljus ökade APX -aktiviteten hos våldtäktplantor avsevärt och POD -aktiviteten minskade. POD -aktiviteten av tomat efter 15 dagars rött ljus och blått ljus var högre än för vitt ljus med 20,9% respektive 11,7%. Efter 20 dagars behandling av grönt ljus var podaktiviteten för tomat den lägsta, endast 55,4% av vitt ljus. Att komplettera 4H blått ljus kan öka det lösliga proteininnehållet, POD, SOD, APX och CAT -enzymaktiviteter i bladgurka vid plantor. Dessutom minskar aktiviteterna hos SOD och APX gradvis med förlängning av ljus. Aktiviteten hos SOD och APX under blått ljus och rött ljus minskar långsamt men är alltid högre än det för vitt ljus. Bestrålning av rött ljus minskade signifikant peroxidas- och IAA -peroxidasaktiviteterna hos tomatblad och IAA -peroxidas av auberginblad, men orsakade peroxidasaktiviteten hos auberginbladen att öka avsevärt. Därför kan man använda en rimlig LED -kompletterande ljusstrategi effektivt försena senescensen av anläggningstillverkningsgrödor och förbättra avkastningen och kvaliteten.

Konstruktion och applicering av LED -ljusformel

Växternas tillväxt och utveckling påverkas signifikant av ljuskvaliteten och dess olika sammansättningsförhållanden. Ljuformeln inkluderar huvudsakligen flera element såsom ljuskvalitetsförhållande, ljusintensitet och lätt tid. Eftersom olika växter har olika krav för ljus och olika tillväxt- och utvecklingsstadier krävs den bästa kombinationen av ljuskvalitet, ljusintensitet och ljustillskottstid för de odlade grödorna.

 ◆Ljusspektrumförhållande

Jämfört med vitt ljus och enstaka rött och blått ljus har kombinationen av LED -rött och blått ljus en omfattande fördel med tillväxt och utveckling av gurka och kålplantor.

När förhållandet mellan rött och blått ljus är 8: 2 ökas växtstamtjockleken, växthöjden, växtvikt, färsk vikt, starkt plantindex osv. Basal lamella och utgången från assimileringsfrågor.

Användningen av en kombination av röd, grön och blå kvalitet för röda bönor groddar är till nytta för dess torrmaterialansamling, och grönt ljus kan främja torrmaterialansamlingen av röda bönor groddar. Tillväxten är mest uppenbar när förhållandet mellan rött, grönt och blått ljus är 6: 2: 1. Den röda bönor groddplantor vegetabiliska hypokotylförlängningseffekt var den bästa under det röda och blå ljusförhållandet 8: 1, och den röda bönor groddhypokotylförlängningen hämmades uppenbarligen under det röda och blå ljusförhållandet 6: 3, men det lösliga proteinet Innehållet var det högsta.

När förhållandet mellan rött och blått ljus är 8: 1 för loofah -plantor är det starka plantindex och lösligt sockerinnehållet i loofah -plantor de högsta. När man använder en ljuskvalitet med ett förhållande av rött och blått ljus på 6: 3, var klorofyll A -innehållet, klorofyll A/B -förhållandet och det lösliga proteininnehållet i loofah -plantorna det högsta.

När du använder ett 3: 1 -förhållande av rött och blått ljus till selleri kan det effektivt främja ökningen av selleri växthöjd, petiollängd, bladantal, torrmaterialkvalitet, VC -innehåll, lösligt proteininnehåll och lösligt sockerinnehåll. Vid tomatodling främjar andelen LED -blått ljus bildandet av lykopen, fria aminosyror och flavonoider och ökar andelen rött ljus främjar bildningen av titrerbara syror. När ljuset med förhållandet mellan rött och blått ljus och salladblad är 8: 1, är det fördelaktigt för ackumulering av karotenoider och minskar effektivt innehållet i nitrat och ökar innehållet i VC.

 ◆Lättintensitet

Växter som växer under svagt ljus är mer mottagliga för fotoinhibition än under starkt ljus. Den netto fotosyntetiska hastigheten för tomatplantor ökar med ökningen av ljusintensiteten [50, 150, 200, 300, 450, 550μmol/(m² · s), visar en trend att först öka och sedan minska, och vid 300μmol/(m² · S) för att nå maximalt. Växthöjden, bladområdet, vatteninnehållet och VC -innehållet i sallad ökade signifikant under 150μmol/(m² · s) ljusintensitetsbehandling. Under 200μmol/(m² · s) ljusintensitetsbehandling ökades den färska vikten, totalvikten och innehållet i fri aminosyran signifikant, och under behandling av 300μmol/(m² · s) ljusintensitet, bladområdet, vatteninnehållet , klorofyll A, klorofyll A+B och karotenoider av sallad minskade alla. Jämfört med mörkret, med ökningen av LED -växande ljusintensitet [3, 9, 15 μmol/(m² · s)] ökade innehållet i klorofyll A, klorofyll B och klorofyll A+B av svarta bönor spirar avsevärt. VC -innehållet är det högsta vid 3μmol/(m² · s), och det lösliga proteinet, lösligt socker och sackarosinnehåll är det högsta vid 9μmol/(m² · s). Under samma temperaturförhållanden, med ökningen av ljusintensiteten [(2 ~ 2,5) LX × 103 LX, (4 ~ 4,5) LX × 103 LX, (6 ~ 6,5) LX × 103 LX], plantan för pepparplantor förkortas, innehållet i lösligt socker ökade, men innehållet i klorofyll A och karotenoider minskade gradvis.

 ◆Lätt

Korrekt förlängning av ljustiden kan lindra den låga ljusspänningen orsakad av otillräcklig ljusintensitet i viss utsträckning, hjälpa ackumulering av fotosyntetiska produkter från trädgårdsgrödor och uppnå effekten av att öka utbytet och förbättra kvaliteten. VC -innehållet i groddar visade en gradvis ökande trend med förlängningen av lätt tid (0, 4, 8, 12, 16, 20H/dag), medan det fria aminosyraninnehållet, SOD och CAT -aktiviteter alla visade en minskande trend. Med förlängningen av ljustiden (12, 15, 18 timmar) ökade den färska vikten av kinesiska kålväxter avsevärt. Innehållet i VC i bladen och stjälkarna i kinesisk kål var det högsta vid 15 respektive 12 timmar. Det lösliga proteininnehållet i bladen på kinesisk kål minskade gradvis, men stjälkarna var det högsta efter 15 timmar. Det lösliga sockerinnehållet i kinesisk kålblad ökade gradvis, medan stjälkarna var de högsta vid 12 timmar. När förhållandet mellan rött och blått ljus är 1: 2, jämfört med 12 timmars ljus tid, minskar 20 timmar ljusbehandling det relativa innehållet i totala fenoler och flavonoider i grönt bladsallad, men när förhållandet mellan rött och blått ljus är 2: 1, 20H -ljusbehandlingen ökade signifikant det relativa innehållet i totala fenoler och flavonoider i gröna bladsallad.

Från ovanstående kan man se att olika ljusformler har olika effekter på fotosyntes, fotomorfogenes och kol- och kvävemetabolism hos olika grödtyper. Hur man får den bästa ljusformeln, ljuskällkonfiguration och formulering av intelligenta kontrollstrategier kräver växter som utgångspunkt, och lämpliga justeringar bör göras enligt råvarubehovet för trädgårdsodlingar, produktionsmål, produktionsfaktorer etc., Att uppnå målet om intelligent kontroll av den lätta miljön och högkvalitativa och högavkastande trädgårdsgrödor under energibesparande förhållanden.

Befintliga problem och framtidsutsikter

Den betydande fördelen med LED -växande ljus är att det kan göra intelligenta kombinationsjusteringar enligt efterfrågespektrumet för fotosyntetiska egenskaper, morfologi, kvalitet och utbyte av olika växter. Olika typer av grödor och olika tillväxtperioder för samma gröda har alla olika krav för ljuskvalitet, ljusintensitet och fotoperiod. Detta kräver vidareutveckling och förbättring av lätt formelforskning för att bilda en enorm lätt formeldatabas. Kombinerat med forskning och utveckling av professionella lampor kan det maximala värdet på LED -kompletterande lampor i jordbruksapplikationer realiseras för att bättre spara energi, förbättra produktionseffektiviteten och ekonomiska fördelar. Tillämpningen av LED växer ljus i anläggningstillverkning har visat kraftig vitalitet, men priset på LED-belysningsutrustning eller enheter är relativt hög och engångsinvesteringen är stor. Tilläggsljuskraven för olika grödor under olika miljöförhållanden är inte tydliga, tilläggens ljuspektrum, den orimliga intensiteten och tiden för växande ljus kommer oundvikligen att orsaka olika problem i tillämpningen av växande belysningsindustrin.

Men med utvecklingen och förbättringen av teknik och minskningen av produktionskostnaden för LED -ljus kommer LED -kompletterande belysning att användas mer i allmänhet i anläggningstillverkning. Samtidigt kommer utvecklingen och framstegen i LED -kompletterande ljusteknologisystem och kombinationen av ny energi att möjliggöra en snabb utveckling av anläggnings jordbruk, familje jordbruk, stads jordbruk och rymd jordbruk för att möta människors efterfrågan på trädgårdsgrödor i speciella miljöer.