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植物補光燈在設施農業(yè)上的應用論文
摘要:人工光源在設施農業(yè)上的應用一改往日作物種植過(guò)程中單純依靠自然光源的窘境。不同植物種類(lèi)和生長(cháng)階段對光源的需求不盡相同，本文通過(guò)分析現有研究及應用試驗，對不同生育時(shí)期常見(jiàn)經(jīng)濟作物在補光前后植物生理生態(tài)特征進(jìn)行了對比。結果顯示，LED植物補光燈在設施農業(yè)上的應用有利于培育優(yōu)苗壯苗，提升蔬菜水果品質(zhì);利用補光燈產(chǎn)生的光環(huán)境的動(dòng)態(tài)控制管理技術(shù)將會(huì )是日后植物工廠(chǎng)研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:LED植物補光燈;設施農業(yè);溫室;植物工廠(chǎng);稀土
引言
受到氣候條件的影響，我國北方地區大田農業(yè)耕作多為一年一熟制或兩年三熟制。為適應市場(chǎng)需求，滿(mǎn)足現代農業(yè)發(fā)展需要，利用現代工程技術(shù)，創(chuàng )造合理的生長(cháng)環(huán)境，為農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(cháng)狀態(tài)，以期獲得優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的農產(chǎn)品，已經(jīng)成為了現代農業(yè)發(fā)展的趨勢。光照、溫度、空氣、水和養分是植物生長(cháng)的核心要素。隨著(zhù)農事操作水平的提高，設施內溫度、水肥綜合管理條件在不斷的趨于完善。但由于設施建筑在一定程度上會(huì )遮擋部分自然光源，導致室內光線(xiàn)不足，且北方初春、晚秋及冬季日照時(shí)長(cháng)較短，會(huì )顯著(zhù)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(guò)程中單純依靠自然光源的窘境，通過(guò)添加白熾燈、鹵鎢燈、高壓鈉燈、熒光燈和LED燈等人工光源來(lái)滿(mǎn)足植物的光需求。這其中，LED具有光電轉換效率高、體積小、壽命長(cháng)、耗能低、波長(cháng)穩定、熱輻射低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應用。
1光對植物生長(cháng)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(yíng)養形態(tài)，晝夜節律的建成。植物通過(guò)光合作用制造有機物為其生長(cháng)發(fā)育提供物質(zhì)和能量，因此光也是植物獲取能量的來(lái)源。光照強度、光照周期和光譜分布構成了設施內的光照環(huán)境。在弱光條件下，遠紅光比例升高，紅光、藍光和紫外光的比例降低，這些變化很可能形成了果菜類(lèi)作物生長(cháng)失調的光信號［1］。利用補光燈，對設施內的光照環(huán)境進(jìn)行靈活的調節，克服了設施自身和天氣條件帶來(lái)的光源限制。植物光合作用的有效波長(cháng)范圍是380～710nm。這其中，葉綠素對紅光部分及藍紫光部分的光譜吸收最強。研究表明，紅光會(huì )促進(jìn)細胞的伸長(cháng)，而藍光則具有相反的效果。長(cháng)波長(cháng)的光(紅光)可以顯著(zhù)提升植物各器官的發(fā)育速率，最顯著(zhù)的效果就是引起植物提前開(kāi)花、結果;短波長(cháng)的光(藍光)會(huì )抑制莖的伸長(cháng)，防止徒長(cháng)，促進(jìn)營(yíng)養器官的生長(cháng)。紅藍組合LED補光燈可以相互彌補各單色光源的不足，且光能利用率高達80%～90%，節能效果顯著(zhù)。
2LED植物補光燈在植物營(yíng)養生長(cháng)期的應用
隨著(zhù)農業(yè)生產(chǎn)不斷趨于集約化，規范化，設施溫室育苗成為設施農業(yè)的重要環(huán)節。在育苗生產(chǎn)中，常會(huì )使用到一些植物生長(cháng)調節劑(赤霉素、生長(cháng)素、矮壯素等)來(lái)調控幼苗生長(cháng)，但不合理的施用會(huì )對幼苗及設施環(huán)境造成污染，影響人類(lèi)身體健康［2］。有研究表明，補光對常見(jiàn)經(jīng)濟作物(如:番茄、黃瓜、草莓等)的產(chǎn)量、品質(zhì)以及生長(cháng)發(fā)育具有積極的意義［3，4］。在溫室栽培領(lǐng)域，利用調控光質(zhì)、光強、光周期來(lái)控制植物形態(tài)建成和生長(cháng)發(fā)育是一項重要的技術(shù)［5］。植物通過(guò)體內的感光受體整合不同的光源信號，經(jīng)胞內信使傳導，調節植物的形態(tài)建成及生長(cháng)發(fā)育［6］。在溫室補光育苗方面，隨著(zhù)補光處理時(shí)間的延長(cháng)，補光時(shí)間及光質(zhì)對黃瓜幼苗葉面積生長(cháng)的促進(jìn)作用逐漸顯現［7］。通過(guò)延長(cháng)光照時(shí)間、增強光照強度，會(huì )有效提高番茄的壯苗率及抵抗病蟲(chóng)害的能力［8］，而紅藍組合LED光源則會(huì )顯著(zhù)提升黃瓜幼苗的葉面積及地上部分干物重［9］。植物幼苗期補充藍光可以有效提升葉片中保護酶的活性，延緩葉片衰老［7］。我們使用中科院長(cháng)春應用化學(xué)研究所研發(fā)的稀土LED植物補光燈對CM966大番茄苗期補光試驗，結果表明，在同樣波長(cháng)組合稀土LED植物補光燈下，不同光照時(shí)長(cháng)顯著(zhù)影響番茄幼苗形態(tài)。適當延長(cháng)番茄苗期光照時(shí)間可加快細胞生長(cháng)，幼苗壯苗程度較好，細胞活性較強，生物量累積較多。每日低于10h的組合光照會(huì )導致植株莖部纖細，色澤清淡，幼苗呈徒長(cháng)狀態(tài)。此外，組合光補光亦可顯著(zhù)提高黃瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素含量。因此，研究新型LED人工光源及光源調控在溫室育苗生產(chǎn)中的應用，對于揭示植物光質(zhì)調控機制，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植物補光燈在植物生殖生長(cháng)期的應用
研究發(fā)現，紅光和藍光是影響果實(shí)轉色期品質(zhì)變化的主要光質(zhì)。紅光可以顯著(zhù)提高番茄果實(shí)番茄紅素含量，藍光可以顯著(zhù)提高番茄果實(shí)維生素C、可溶性蛋白含量［10］;組合補光可提升番茄果實(shí)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(lái)說(shuō)，組合補光可以提高光合色素含量，對果實(shí)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，我們分別在內蒙古自治區鄂爾多斯市杭錦旗、準格爾旗智能溫室中進(jìn)行稀土LED植物補光燈的相關(guān)試驗。試驗結果表明，通過(guò)增加光照時(shí)長(cháng)，可以令草莓提前10～15d開(kāi)花，增強草莓植株耐旱性，提升果色、果實(shí)口感和果實(shí)品質(zhì)，增強市場(chǎng)競爭力。每日4h的組合補光，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植物補光燈的溫室相比，安裝補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)行補光試驗，結果表明，通過(guò)增加光照時(shí)長(cháng)，可以提高茄子的耐寒性。每日4h的組合補光，可以顯著(zhù)提升圓茄的總糖(18.48%)及淀粉(85.71%)含量、長(cháng)茄的花青素(5.05%)及維生素C(24.44%)含量。并且我們發(fā)現，茄子的不同品種對補光燈使用效果表現不一�？傮w來(lái)說(shuō)，使用稀土LED植物補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植物補光燈在設施農業(yè)中的發(fā)展前景及方向
近些年，由于農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不合理的使用工業(yè)化學(xué)用品，導致農產(chǎn)品的農殘超標，嚴重影響了人類(lèi)的身體健康和人身安全。食品安全問(wèn)題愈演愈烈，引起了人們對食品安全的極大關(guān)注。農業(yè)是否可以實(shí)現高產(chǎn)量、高效益、高品質(zhì)的連續化生產(chǎn)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)———植物工廠(chǎng)的形成提供了一個(gè)解決方案。植物工廠(chǎng)是設施園藝發(fā)展的高級階段和必然趨勢［13］。它顛覆了傳統的土地利用方式和農作形式，為提供安全、高附加值植物提供了高效穩定的生產(chǎn)環(huán)境。隨著(zhù)各學(xué)科高新技術(shù)的交叉應用(如:LED人工光源、無(wú)土栽培、水肥一體化、環(huán)境控制、智慧控制等相關(guān)設備、技術(shù)裝備領(lǐng)域)，國內外太陽(yáng)光/人工光源植物工廠(chǎng)發(fā)展迅速。這其中，人工光源植物工廠(chǎng)的市場(chǎng)規模發(fā)展潛力巨大。植物工廠(chǎng)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益主要受到設施裝備水平、環(huán)境調控水平、植物品種特征、地理環(huán)境及社會(huì )市場(chǎng)環(huán)境等因素的控制。試驗數據表明，每種植物對光源的光質(zhì)、光強、光周期都有其獨特的偏好，并且在同一種植物的不同生長(cháng)階段其對光源的偏好也是動(dòng)態(tài)變化的。理清環(huán)境影響植物生理學(xué)原理，嚴格遵循植物生理需求，耦合多方參數，建立完善系統的智能LED光配方成為了植物工廠(chǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù)［13］。因此，在今后很長(cháng)一段時(shí)期內，光環(huán)境的動(dòng)態(tài)控制管理技術(shù)將會(huì )是植物工廠(chǎng)智能化研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。
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