Sammanfattning: Grönsaksplantor är det första steget i grönsaksproduktion, och kvaliteten på plantor är mycket viktig för skörden och kvaliteten på grönsaker efter plantering.Med den kontinuerliga förfining av arbetsfördelningen inom grönsaksindustrin har grönsaksplantor gradvis bildat en självständig industrikedja och tjänat grönsaksproduktion.Påverkade av dåligt väder möter traditionella plantmetoder oundvikligen många utmaningar som långsam tillväxt av plantor, benväxt och skadedjur och sjukdomar.För att hantera långbenta plantor använder många kommersiella odlare tillväxtregulatorer.Det finns dock risker för styvhet för plantor, livsmedelssäkerhet och miljöförorening med användning av tillväxtregulatorer.Förutom kemiska kontrollmetoder, även om mekanisk stimulering, temperatur- och vattenkontroll också kan spela en roll för att förhindra benväxt av plantor, är de något mindre bekväma och effektiva.Under påverkan av den globala nya Covid-19-epidemin har problemen med produktionsstyrningssvårigheter orsakade av arbetskraftsbrist och stigande arbetskostnader inom plantindustrin blivit mer framträdande.

Med utvecklingen av belysningsteknik har användningen av artificiellt ljus för odling av grönsaksplantor fördelarna med hög planteffektivitet, mindre skadedjur och sjukdomar och enkel standardisering.Jämfört med traditionella ljuskällor har den nya generationen LED-ljuskällor egenskaperna energibesparing, hög effektivitet, lång livslängd, miljöskydd och hållbarhet, liten storlek, låg termisk strålning och liten våglängdsamplitud.Den kan formulera lämpligt spektrum enligt tillväxt- och utvecklingsbehoven hos plantor i miljön av växtfabriker, och noggrant kontrollera den fysiologiska och metaboliska processen för plantor, samtidigt som det bidrar till föroreningsfri, standardiserad och snabb produktion av grönsaksplantor. , och förkortar plantcykeln.I södra Kina tar det cirka 60 dagar att odla peppar- och tomatplantor (3-4 äkta blad) i plastväxthus och cirka 35 dagar för gurkplantor (3-5 äkta blad).Under växtfabriksförhållanden tar det bara 17 dagar att odla tomatplantor och 25 dagar för pepparplantor under förhållanden med en fotoperiod på 20 timmar och en PPF på 200-300 μmol/(m2•s).Jämfört med den konventionella plantodlingsmetoden i växthuset förkortade användningen av LED plantfabrikens plantodlingsmetoden gurkans tillväxtcykel avsevärt med 15-30 dagar, och antalet honblommor och frukt per planta ökade med 33,8 % och 37,3 % , respektive, och den högsta avkastningen höjdes med 71,44 %.

När det gäller energiutnyttjandeeffektivitet är växtfabrikernas energiutnyttjandeeffektivitet högre än för växthus av Venlotyp på samma breddgrad.Till exempel i en svensk växtfabrik krävs 1411 MJ för att producera 1 kg torrsubstans av sallad, medan 1699 MJ krävs i ett växthus.Men om elektriciteten som krävs per kilo sallads torrsubstans beräknas behöver fabriksfabriken 247 kW·h för att producera 1 kg torrvikt av sallad, och växthusen i Sverige, Nederländerna och Förenade Arabemiraten kräver 182 kW· h, 70 kW·h respektive 111 kW·h.

Samtidigt, i växtfabriken, kan användningen av datorer, automatisk utrustning, artificiell intelligens och annan teknik noggrant kontrollera de miljöförhållanden som är lämpliga för plantodling, bli av med begränsningarna i naturliga miljöförhållanden och förverkliga de intelligenta, mekaniserad och årlig stabil produktion av plantor.Under de senaste åren har plantor från fabriker använts i kommersiell produktion av bladgrönsaker, fruktgrönsaker och andra ekonomiska grödor i Japan, Sydkorea, Europa och USA och andra länder.Den höga initiala investeringen av växtfabriker, höga driftskostnader och enorma systemenergiförbrukning är fortfarande flaskhalsarna som begränsar främjandet av teknik för plantodlingsteknik i kinesiska växtfabriker.Därför är det nödvändigt att ta hänsyn till kraven på hög avkastning och energibesparing när det gäller ljushanteringsstrategier, etablering av modeller för vegetabilisk tillväxt och automationsutrustning för att förbättra de ekonomiska fördelarna.

I den här artikeln granskas inverkan av LED-ljusmiljö på tillväxt och utveckling av grönsaksplantor i växtfabriker under de senaste åren, med utsikterna från forskningsriktningen för ljusreglering av grönsaksplantor i växtfabriker.

1. Effekter av ljusmiljö på tillväxt och utveckling av grönsaksplantor

Som en av de väsentliga miljöfaktorerna för växternas tillväxt och utveckling är ljus inte bara en energikälla för växter för att utföra fotosyntes, utan också en nyckelsignal som påverkar växternas fotomorfogenes.Växter känner av signalens riktning, energi och ljuskvalitet genom ljussignalsystemet, reglerar sin egen tillväxt och utveckling och reagerar på ljusets närvaro eller frånvaro, våglängd, intensitet och varaktighet.För närvarande kända växtfotoreceptorer inkluderar minst tre klasser: fytokromer (PHYA~PHYE) som känner av rött och långt rött ljus (FR), kryptokromer (CRY1 och CRY2) som känner av blått och ultraviolett A, och element (Phot1 och Phot2), UV-B-receptor UVR8 som känner av UV-B.Dessa fotoreceptorer deltar i och reglerar uttrycket av relaterade gener och reglerar sedan livsaktiviteter såsom växtfrögroning, fotomorfogenes, blomningstid, syntes och ackumulering av sekundära metaboliter och tolerans mot biotiska och abiotiska påfrestningar.

2. Inverkan av LED-ljusmiljö på fotomorfologisk etablering av vegetabiliska plantor

2.1 Effekter av olika ljuskvalitet på fotomorfogenes av grönsaksplantor

De röda och blå områdena i spektrumet har hög kvanteffektivitet för växtbladfotosyntes.Långvarig exponering av gurkblad för rent rött ljus kommer dock att skada fotosystemet, vilket resulterar i fenomenet "rött ljussyndrom" såsom hämmad stomatal respons, minskad fotosynteskapacitet och kväveanvändningseffektivitet och tillväxthämning.Under förhållanden med låg ljusintensitet (100±5 μmol/(m2•s)) kan rent rött ljus skada kloroplasterna i både unga och mogna gurkblad, men de skadade kloroplasterna återfanns efter att det ändrats från rent rött ljus till rött och blått ljus (R:B= 7:3).Tvärtom, när gurkplantorna bytte från miljön med röd-blått ljus till miljön med rent rött ljus, minskade inte den fotosyntetiska effektiviteten nämnvärt, vilket visar anpassningsförmågan till miljön med rött ljus.Genom elektronmikroskopanalys av bladstrukturen hos gurkplantor med "rött ljussyndrom" fann försöksledarna att antalet kloroplaster, storleken på stärkelsegranulat och tjockleken på grana i blad under rent rött ljus var betydligt lägre än de under vitt ljusbehandling.Ingreppet av blått ljus förbättrar ultrastrukturen och fotosyntetiska egenskaperna hos gurkkloroplaster och eliminerar den överdrivna ansamlingen av näringsämnen.Jämfört med vitt ljus och rött och blått ljus främjade rent rött ljus hypokotylförlängning och kotyledonexpansion av tomatplantor, ökade avsevärt växthöjden och bladarean, men signifikant minskad fotosyntetisk kapacitet, minskade Rubisco-innehåll och fotokemisk effektivitet och avsevärt ökad värmeavledning.Man kan se att olika typer av växter reagerar olika på samma ljuskvalitet, men jämfört med monokromatiskt ljus har växter högre fotosynteseffektivitet och kraftigare tillväxt i miljön med blandat ljus.

Forskare har gjort mycket forskning om optimering av ljuskvalitetskombinationen av grönsaksplantor.Under samma ljusintensitet, med ökningen av förhållandet mellan rött ljus, förbättrades växthöjden och färskvikten hos tomat- och gurkplantor avsevärt, och behandlingen med förhållandet rött till blått på 3:1 hade den bästa effekten;tvärtom, en hög andel av blått ljus Det hämmade tillväxten av tomat- och gurkplantor, som var korta och kompakta, men ökade innehållet av torrsubstans och klorofyll i skotten på plantor.Liknande mönster observeras i andra grödor, såsom paprika och vattenmeloner.Jämfört med vitt ljus förbättrade dessutom rött och blått ljus (R:B=3:1) inte bara avsevärt bladtjockleken, klorofyllinnehållet, fotosynteseffektiviteten och elektronöverföringseffektiviteten hos tomatplantor, utan också uttrycksnivåerna för enzymrelaterade enzymer. till Calvin-cykeln förbättrades också avsevärt tillväxtvegetariskt innehåll och kolhydratackumulering.Genom att jämföra de två förhållandena av rött och blått ljus (R:B=2:1, 4:1), var ett högre förhållande av blått ljus mer gynnsamt för att framkalla bildandet av honblommor i gurkplantor och påskyndade blomningstiden för honblommor .Även om olika förhållanden av rött och blått ljus inte hade någon signifikant effekt på färskviktsutbytet av grönkåls-, ruccola- och senapsplantor, minskade ett högt förhållande av blått ljus (30 % blått ljus) signifikant hypokotyllängden och hjärtbladsarean hos grönkålen. och senapsplantor, medan hjärtbladsfärgen fördjupades.Därför, vid produktion av plantor, kan en lämplig ökning av andelen blått ljus avsevärt förkorta nodavståndet och bladarean hos vegetabiliska plantor, främja den laterala förlängningen av plantor och förbättra plantans styrka, vilket bidrar till odla robusta plantor.Under förutsättning att ljusintensiteten förblev oförändrad, förbättrade ökningen av grönt ljus i rött och blått ljus avsevärt färskvikten, bladarean och planthöjden för paprikaplantor.Jämfört med den traditionella vita lysrörslampan, under de röd-gröna-blå (R3:G2:B5) ljusförhållandena, förbättrades Y[II], qP och ETR för 'Okagi No. 1 tomato' plantor avsevärt.Komplettering av UV-ljus (100 μmol/(m2•s) blått ljus + 7 % UV-A) till rent blått ljus reducerade signifikant stamförlängningshastigheten för ruccola och senap, medan tillskott av FR var motsatsen.Detta visar också att förutom rött och blått ljus spelar även andra ljuskvaliteter en viktig roll i växternas tillväxt och utveckling.Även om varken ultraviolett ljus eller FR är energikällan för fotosyntes, är båda involverade i växtfotomorfogenes.Högintensivt UV-ljus är skadligt för växternas DNA och proteiner etc. UV-ljus aktiverar dock cellulära stressreaktioner, vilket gör att växternas tillväxt, morfologi och utveckling anpassas till miljöförändringar.Studier har visat att lägre R/FR inducerar skuggundvikande svar hos växter, vilket resulterar i morfologiska förändringar i växter, såsom stamförlängning, bladförtunning och minskat torrsubstansutbyte.En smal stjälk är inte en bra växtegenskap för att odla starka plantor.För generella blad- och fruktgrönsaksplantor är fasta, kompakta och elastiska plantor inte utsatta för problem under transport och plantering.

UV-A kan göra gurkplantor kortare och mer kompakta, och skörden efter transplantation skiljer sig inte nämnvärt från kontrollen;medan UV-B har en mer signifikant hämmande effekt, och den skördeminskningseffekt efter transplantation inte är signifikant.Tidigare studier har föreslagit att UV-A hämmar växttillväxt och gör växter dvärgväxta.Men det finns växande bevis för att närvaron av UV-A, istället för att undertrycka grödans biomassa, faktiskt främjar det.Jämfört med det grundläggande röda och vita ljuset (R:W=2:3, PPFD är 250 μmol/(m2·s)), är tilläggsintensiteten i rött och vitt ljus 10 W/m2 (ca 10 μmol/(m2·· s)) UV-A för grönkål ökade signifikant biomassan, internodlängden, stjälkdiametern och växtkronans bredd för grönkålsplantor, men den främjande effekten försvagades när UV-intensiteten översteg 10 W/m2.Daglig 2 timmars UV-A-tillskott (0,45 J/(m2•s)) kan avsevärt öka växthöjden, hjärtbladsarean och färskvikten för 'Oxheart' tomatplantor, samtidigt som H2O2-innehållet i tomatplantor minskar.Man kan se att olika grödor reagerar olika på UV-ljus, vilket kan vara relaterat till grödors känslighet för UV-ljus.

För att odla ympade plantor bör längden på stjälken ökas på lämpligt sätt för att underlätta ympning av grundstammar.Olika intensiteter av FR hade olika effekter på tillväxten av tomat-, peppar-, gurka-, kalebass- och vattenmelonplantor.Tillskott av 18,9 μmol/(m2•s) FR i kallt vitt ljus ökade signifikant hypokotyllängden och stjälkdiametern hos tomat- och pepparplantor;FR på 34,1 μmol/(m2•s) hade den bästa effekten på att främja hypokotyllängd och stamdiameter hos gurka, kalebass och vattenmelonplantor;högintensiv FR (53,4 μmol/(m2•s)) hade bäst effekt på dessa fem grönsaker.Hypokotyllängden och stamdiametern på plantorna ökade inte längre nämnvärt och började visa en nedåtgående trend.Färskvikten för pepparplantor minskade signifikant, vilket tyder på att FR-mättnadsvärdena för de fem grönsaksplantorna alla var lägre än 53,4 μmol/(m2•s), och FR-värdet var signifikant lägre än för FR.Effekterna på tillväxten av olika grönsaksplantor är också olika.

2.2 Effekter av olika dagsljusintegraler på fotomorfogenes av grönsaksplantor

Dagsljusintegralen (DLI) representerar den totala mängden fotosyntetiska fotoner som tas emot av växtytan under en dag, vilket är relaterat till ljusintensiteten och ljustiden.Beräkningsformeln är DLI (mol/m2/dag) = ljusintensitet [μmol/(m2•s)] × Daglig ljustid (h) × 3600 × 10-6.I en miljö med låg ljusintensitet reagerar växter på miljö med låg ljus genom att förlänga stjälk- och internodlängden, öka växthöjden, bladskaftslängden och bladarean och minska bladtjockleken och nettofotosynteshastigheten.Med ökningen av ljusintensiteten, förutom senap, minskade hypokotyllängden och stjälkförlängningen av ruccola-, kål- och grönkålsplantor under samma ljuskvalitet avsevärt.Man kan se att ljusets effekt på växternas tillväxt och morfogenes är relaterad till ljusintensitet och växtarter.Med ökningen av DLI (8,64~28,8 mol/m2/dag) blev växttypen av gurkplantor korta, starka och kompakta, och den specifika bladvikten och klorofyllhalten minskade gradvis.6~16 dagar efter sådd av gurkplantor torkade bladen och rötterna.Vikten ökade gradvis, och tillväxttakten accelererade gradvis, men 16 till 21 dagar efter sådd minskade tillväxthastigheten för löv och rötter av gurkplantor avsevärt.Förbättrad DLI främjade nettofotosynteshastigheten för gurkplantor, men efter ett visst värde började nettofotosynteshastigheten sjunka.Att välja lämplig DLI och använda olika kompletterande ljusstrategier vid olika tillväxtstadier av plantor kan därför minska energiförbrukningen.Innehållet av lösligt socker och SOD-enzym i gurka- och tomatplantor ökade med ökningen av DLI-intensiteten.När DLI-intensiteten ökade från 7,47 mol/m2/dag till 11,26 mol/m2/dag, ökade innehållet av lösligt socker och SOD-enzym i gurkplantor med 81,03% respektive 55,5%.Under samma DLI-förhållanden, med ökningen av ljusintensiteten och förkortningen av ljustiden, hämmades PSII-aktiviteten hos tomat- och gurkplantor, och valet av en kompletterande ljusstrategi med låg ljusintensitet och lång varaktighet var mer gynnsamt för att odla hög plantor index och fotokemisk effektivitet hos gurka och tomatplantor.

Vid produktion av ympade plantor kan miljön med svagt ljus leda till att kvaliteten på de ympade plantorna minskar och läkningstiden ökar.Lämplig ljusintensitet kan inte bara förbättra bindningsförmågan hos den ympade läkningsplatsen och förbättra indexet för starka plantor, utan också minska nodpositionen för honblommor och öka antalet honblommor.I växtfabriker var DLI på 2,5-7,5 mol/m2/dag tillräckligt för att tillgodose läkande behov hos tomatympade plantor.Kompaktheten och bladtjockleken hos ympade tomatplantor ökade markant med ökande DLI-intensitet.Detta visar att ympade plantor inte kräver hög ljusintensitet för läkning.Därför, med hänsyn till strömförbrukningen och planteringsmiljön, kommer att välja en lämplig ljusintensitet bidra till att förbättra de ekonomiska fördelarna.

3. Effekter av LED-ljusmiljö på stressbeständigheten hos vegetabiliska plantor

Växter tar emot externa ljussignaler genom fotoreceptorer, vilket orsakar syntes och ackumulering av signalmolekyler i växten, vilket förändrar växtorganens tillväxt och funktion och i slutändan förbättrar växtens motståndskraft mot stress.Olika ljuskvalitet har en viss främjande effekt på förbättringen av kyltolerans och salttolerans hos plantor.Till exempel, när tomatplantor kompletterades med ljus under 4 timmar på natten, jämfört med behandlingen utan extra ljus, kunde vitt ljus, rött ljus, blått ljus och rött och blått ljus minska elektrolytpermeabiliteten och MDA-halten i tomatplantor, och förbättra kyltoleransen.Aktiviteterna för SOD, POD och CAT i tomatplantorna under behandling av 8:2 röd-blått förhållande var signifikant högre än för andra behandlingar, och de hade högre antioxidantkapacitet och köldtolerans.

Effekten av UV-B på sojaböns rottillväxt är främst att förbättra växtens stressbeständighet genom att öka innehållet av rot NO och ROS, inklusive hormonsignalmolekyler som ABA, SA och JA, och hämma rotutvecklingen genom att minska innehållet av IAA CTK och GA.Fotoreceptorn för UV-B, UVR8, är inte bara involverad i att reglera fotomorfogenes, utan spelar också en nyckelroll vid UV-B-stress.I tomatplantor förmedlar UVR8 syntesen och ackumuleringen av antocyaniner, och UV-acklimatiserade vilda tomatplantor förbättrar deras förmåga att klara av högintensiv UV-B-stress.Anpassningen av UV-B till torkastress inducerad av Arabidopsis beror dock inte på UVR8-vägen, vilket indikerar att UV-B fungerar som ett signalinducerat korssvar av växtförsvarsmekanismer, så att en mängd olika hormoner är gemensamt inblandad i att motstå torkstress, vilket ökar ROS-rensförmågan.

Både förlängningen av växthypokotyl eller stam orsakad av FR och växternas anpassning till kylastress regleras av växthormoner.Därför är den "skuggundvikande effekten" som orsakas av FR relaterad till kallanpassning av växter.Försöksledarna kompletterade kornplantorna 18 dagar efter groning vid 15°C i 10 dagar, kylning till 5°C + kompletterade FR i 7 dagar och fann att jämfört med behandling med vitt ljus förbättrade FR frostbeständigheten hos kornplantor.Denna process åtföljs av ökat ABA- och IAA-innehåll i kornplantor.Efterföljande överföring av 15°C FR-förbehandlade kornplantor till 5°C och fortsatt FR-tillskott under 7 dagar resulterade i liknande resultat som ovanstående två behandlingar, men med minskat ABA-svar.Växter med olika R:FR-värden kontrollerar biosyntesen av fytohormoner (GA, IAA, CTK och ABA), som också är involverade i växtsalttolerans.Under saltstress kan ljusmiljön med lågt förhållande R:FR förbättra antioxidant- och fotosynteskapaciteten hos tomatplantor, minska produktionen av ROS och MDA i plantorna och förbättra salttoleransen.Både salthaltsstress och lågt R:FR-värde (R:FR=0,8) hämmade biosyntesen av klorofyll, vilket kan vara relaterat till den blockerade omvandlingen av PBG till UroIII i klorofyllsyntesvägen, medan den låga R:FR-miljön effektivt kan lindra salthalten Stressinducerad försämring av klorofyllsyntesen.Dessa resultat indikerar en signifikant korrelation mellan fytokromer och salttolerans.

Förutom den ljusa miljön påverkar även andra miljöfaktorer tillväxten och kvaliteten på grönsaksplantor.Till exempel kommer ökningen av CO2-koncentrationen att öka ljusmättnadens maximala värde Pn (Pnmax), minska ljuskompensationspunkten och förbättra ljusutnyttjandets effektivitet.Ökningen av ljusintensitet och CO2-koncentration hjälper till att förbättra innehållet av fotosyntetiska pigment, vattenanvändningseffektivitet och aktiviteten hos enzymer relaterade till Calvin-cykeln, och slutligen uppnå högre fotosyntetisk effektivitet och biomassaackumulering av tomatplantor.Torrvikten och kompaktheten hos tomat- och pepparplantor var positivt korrelerade med DLI, och temperaturförändringen påverkade också tillväxten under samma DLI-behandling.Miljön på 23 ~ 25 ℃ var mer lämplig för tillväxt av tomatplantor.Utifrån temperatur- och ljusförhållanden utvecklade forskarna en metod för att förutsäga den relativa tillväxthastigheten för peppar baserat på bate-fördelningsmodellen, som kan ge vetenskaplig vägledning för miljöreglering av pepparympad fröplantaproduktion.

När man utformar ett ljusregleringssystem i produktionen bör därför inte bara ljusmiljöfaktorer och växtarter beaktas, utan även odlings- och skötselfaktorer såsom näring för plantor och vattenhantering, gasmiljö, temperatur och plantans tillväxtstadium.

4. Problem och utsikter

För det första är ljusregleringen av grönsaksplantor en sofistikerad process, och effekterna av olika ljusförhållanden på olika typer av grönsaksplantor i växtfabriksmiljön behöver analyseras i detalj.Detta innebär att för att uppnå målet om högeffektiv och högkvalitativ plantproduktion krävs kontinuerlig utforskning för att etablera ett moget tekniskt system.

För det andra, även om strömutnyttjandet av LED-ljuskällan är relativt hög, är strömförbrukningen för växtbelysning den huvudsakliga energiförbrukningen för odling av plantor med artificiellt ljus.Växtfabrikernas enorma energiförbrukning är fortfarande flaskhalsen som begränsar utvecklingen av växtfabriker.

Slutligen, med den breda tillämpningen av växtbelysning inom jordbruket, förväntas kostnaden för LED-växtlampor minska kraftigt i framtiden;Tvärtom, ökningen av arbetskraftskostnaderna, särskilt under den post-epidemina eran, är bristen på arbetskraft bunden att främja processen för mekanisering och automatisering av produktionen.I framtiden kommer artificiell intelligens-baserade kontrollmodeller och intelligent produktionsutrustning att bli en av kärnteknikerna för produktion av grönsaksplantor, och kommer att fortsätta att främja utvecklingen av plantfabriksteknik för plantor.

Författare: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Artikelkälla: Wechat-konto för Agricultural Engineering Technology (växthusgårdsodling)