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植物補光燈在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用論文
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程中單純依靠自然光源的窘境。不同植物種類和生長階段對光源的需求不盡相同，本文通過分析現(xiàn)有研究及應(yīng)用試驗，對不同生育時期常見經(jīng)濟作物在補光前后植物生理生態(tài)特征進行了對比。結(jié)果顯示，LED植物補光燈在設(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);利用補光燈產(chǎn)生的光環(huán)境的動態(tài)控制管理技術(shù)將會是日后植物工廠研究領(lǐng)域的一大熱點。
關(guān)鍵詞:LED植物補光燈;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。光照、溫度、空氣、水和養(yǎng)分是植物生長的核心要素。隨著農(nóng)事操作水平的提高，設(shè)施內(nèi)溫度、水肥綜合管理條件在不斷的趨于完善。但由于設(shè)施建筑在一定程度上會遮擋部分自然光源，導(dǎo)致室內(nèi)光線不足，且北方初春、晚秋及冬季日照時長較短，會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程中單純依靠自然光源的窘境，通過添加白熾燈、鹵鎢燈、高壓鈉燈、熒光燈和LED燈等人工光源來滿足植物的光需求。這其中，LED具有光電轉(zhuǎn)換效率高、體積小、壽命長、耗能低、波長穩(wěn)定、熱輻射低、環(huán)保等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用。
1光對植物生長的影響
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，脫黃化到營養(yǎng)形態(tài)，晝夜節(jié)律的建成。植物通過光合作用制造有機物為其生長發(fā)育提供物質(zhì)和能量，因此光也是植物獲取能量的來源。光照強度、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作物生長失調(diào)的光信號［1］。利用補光燈，對設(shè)施內(nèi)的光照環(huán)境進行靈活的調(diào)節(jié)，克服了設(shè)施自身和天氣條件帶來的光源限制。植物光合作用的有效波長范圍是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，紅光會促進細胞的伸長，而藍光則具有相反的效果。長波長的光(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;短波長的光(藍光)會抑制莖的伸長，防止徒長，促進營養(yǎng)器官的生長。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(jié)能效果顯著。
2LED植物補光燈在植物營養(yǎng)生長期的應(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，常會使用到一些植物生長調(diào)節(jié)劑(赤霉素、生長素、矮壯素等)來調(diào)控幼苗生長，但不合理的施用會對幼苗及設(shè)施環(huán)境造成污染，影響人類身體健康［2］。有研究表明，補光對常見經(jīng)濟作物(如:番茄、黃瓜、草莓等)的產(chǎn)量、品質(zhì)以及生長發(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、光周期來控制植物形態(tài)建成和生長發(fā)育是一項重要的技術(shù)［5］。植物通過體內(nèi)的感光受體整合不同的光源信號，經(jīng)胞內(nèi)信使傳導(dǎo)，調(diào)節(jié)植物的形態(tài)建成及生長發(fā)育［6］。在溫室補光育苗方面，隨著補光處理時間的延長，補光時間及光質(zhì)對黃瓜幼苗葉面積生長的促進作用逐漸顯現(xiàn)［7］。通過延長光照時間、增強光照強度，會有效提高番茄的壯苗率及抵抗病蟲害的能力［8］，而紅藍組合LED光源則會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］。我們使用中科院長春應(yīng)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(jié)果表明，在同樣波長組合稀土LED植物補光燈下，不同光照時長顯著影響番茄幼苗形態(tài)。適當(dāng)延長番茄苗期光照時間可加快細胞生長，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的組合光照會導(dǎo)致植株莖部纖細，色澤清淡，幼苗呈徒長狀態(tài)。此外，組合光補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，對于揭示植物光質(zhì)調(diào)控機制，培育幼苗壯苗，促進作物優(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期的應(yīng)用
研究發(fā)現(xiàn)，紅光和藍光是影響果實轉(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番茄紅素含量，藍光可以顯著提高番茄果實維生素C、可溶性蛋白含量［10］;組合補光可提升番茄果實可溶性固形物含量、可溶性蛋白含量和番茄紅素含量［11］。對草莓來說，組合補光可以提高光合色素含量，對果實產(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行稀土LED植物補光燈的相關(guān)試驗。試驗結(jié)果表明，通過增加光照時長，可以令草莓提前10～15d開花，增強草莓植株耐旱性，提升果色、果實口感和果實品質(zhì)，增強市場競爭力。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行補光試驗，結(jié)果表明，通過增加光照時長，可以提高茄子的耐寒性。每日4h的組合補光，可以顯著提升圓茄的總糖(18.48%)及淀粉(85.71%)含量、長茄的花青素(5.05%)及維生素C(24.44%)含量。并且我們發(fā)現(xiàn)，茄子的不同品種對補光燈使用效果表現(xiàn)不一。總體來說，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一步的研究。
4LED植物補光燈在設(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。食品安全問題愈演愈烈，引起了人們對食品安全的極大關(guān)注。農(nóng)業(yè)是否可以實現(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解決方案。植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的高級階段和必然趨勢［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)，國內(nèi)外太陽光/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規(guī)模發(fā)展?jié)摿薮�。植物工廠的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益主要受到設(shè)施裝備水平、環(huán)境調(diào)控水平、植物品種特征、地理環(huán)境及社會市場環(huán)境等因素的控制。試驗數(shù)據(jù)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階段其對光源的偏好也是動態(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，在今后很長一段時期內(nèi)，光環(huán)境的動態(tài)控制管理技術(shù)將會是植物工廠智能化研究領(lǐng)域的一大熱點。
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