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

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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(guò)程中單純依靠自然光源的窘境。不同植物種類和生長(zhǎng)階段對(duì)光源的需求不盡相同，本文通過(guò)分析現(xiàn)有研究及應(yīng)用試驗(yàn)，對(duì)不同生育時(shí)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(duì)比。結(jié)果顯示，LED植物補(bǔ)光燈在設(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(dòng)態(tài)控制管理技術(shù)將會(huì)是日后植物工廠研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。

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(guó)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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)。光照、溫度、空氣、水和養(yǎng)分是植物生長(zhǎng)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?xiàng)l件在不斷的趨于完善。但由于設(shè)施建筑在一定程度上會(huì)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(shí)長(zhǎng)較短，會(huì)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(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(zhǎng)、耗能低、波長(zhǎng)穩(wěn)定、熱輻射低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。

1光對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

光作為一種外界信號(hào)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(yǎng)形態(tài)，晝夜節(jié)律的建成。植物通過(guò)光合作用制造有機(jī)物為其生長(zhǎng)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(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(zhǎng)失調(diào)的光信號(hào)［1］。利用補(bǔ)光燈，對(duì)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(lái)的光源限制。植物光合作用的有效波長(zhǎng)范圍是380～710nm。這其中，葉綠素對(duì)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(huì)促進(jìn)細(xì)胞的伸長(zhǎng)，而藍(lán)光則具有相反的效果。長(zhǎng)波長(zhǎng)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(zhǎng)的光(藍(lán)光)會(huì)抑制莖的伸長(zhǎng)，防止徒長(zhǎng)，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)。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(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)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(huì)使用到一些植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑(赤霉素、生長(zhǎng)素、矮壯素等)來(lái)調(diào)控幼苗生長(zhǎng)，但不合理的施用會(huì)對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(lái)控制植物形態(tài)建成和生長(zhǎng)發(fā)育是一項(xiàng)重要的技術(shù)［5］。植物通過(guò)體內(nèi)的感光受體整合不同的光源信號(hào)，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(zhǎng)發(fā)育［6］。在溫室補(bǔ)光育苗方面，隨著補(bǔ)光處理時(shí)間的延長(zhǎng)，補(bǔ)光時(shí)間及光質(zhì)對(duì)黃瓜幼苗葉面積生長(zhǎng)的促進(jìn)作用逐漸顯現(xiàn)［7］。通過(guò)延長(zhǎng)光照時(shí)間、增強(qiáng)光照強(qiáng)度，會(huì)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(huì)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(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所研發(fā)的稀土LED植物補(bǔ)光燈對(duì)CM966大番茄苗期補(bǔ)光試驗(yàn)，結(jié)果表明，在同樣波長(zhǎng)組合稀土LED植物補(bǔ)光燈下，不同光照時(shí)長(zhǎng)顯著影響番茄幼苗形態(tài)。適當(dāng)延長(zhǎng)番茄苗期光照時(shí)間可加快細(xì)胞生長(zhǎng)，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(huì)導(dǎo)致植株莖部纖細(xì)，色澤清淡，幼苗呈徒長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)期的應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn)，紅光和藍(lán)光是影響果實(shí)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(shí)番茄紅素含量，藍(lán)光可以顯著提高番茄果實(shí)維生素C、可溶性蛋白含量［10］;組合補(bǔ)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(duì)草莓來(lái)說(shuō)，組合補(bǔ)光可以提高光合色素含量，對(duì)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(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(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)增加光照時(shí)長(zhǎng)，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(shí)口感和果實(shí)品質(zhì)，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(yàn)草莓采收期每畝多收入5000～8000元。同期對(duì)不同品種的茄子生育期進(jìn)行補(bǔ)光試驗(yàn)，結(jié)果表明，通過(guò)增加光照時(shí)長(zhǎng)，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(zhǎng)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(duì)補(bǔ)光燈使用效果表現(xiàn)不一。總體來(lái)說(shuō)，使用稀土LED植物補(bǔ)光燈可以提升蔬菜品質(zhì)，但對(duì)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(guò)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(wèn)題愈演愈烈，引起了人們對(duì)食品安全的極大關(guān)注。農(nóng)業(yè)是否可以實(shí)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(gè)解決方案。植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的高級(jí)階段和必然趨勢(shì)［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(wú)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(guó)內(nèi)外太陽(yáng)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(chǎng)規(guī)模發(fā)展?jié)摿薮?。植物工廠的生產(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(huì)市場(chǎng)環(huán)境等因素的控制。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，每種植物對(duì)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(zhǎng)階段其對(duì)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(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(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，光環(huán)境的動(dòng)態(tài)控制管理技術(shù)將會(huì)是植物工廠智能化研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。

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