Автор: Ямін Лі та Хоучен Лю та інші, з Коледжу садівництва, Південнокитайського сільськогосподарського університету

Джерело статті: Тепличне садівництво

Типи садівничих споруд включають переважно пластикові теплиці, сонячні теплиці, багатопрольотні теплиці та рослинні заводи. Оскільки будівлі споруд певною мірою блокують природні джерела світла, освітлення всередині приміщень недостатнє, що, своєю чергою, знижує врожайність та якість сільськогосподарських культур. Тому додаткове освітлення відіграє незамінну роль у отриманні високоякісних та високоврожайних культур, але воно також стало основним фактором збільшення споживання енергії та експлуатаційних витрат на об'єкті.

Протягом тривалого часу джерела штучного світла, що використовувалися в галузі садівництва, включали переважно натрієві лампи високого тиску, люмінесцентні лампи, металогалогенні лампи, лампи розжарювання тощо. Основними недоліками були високе тепловиділення, високе енергоспоживання та високі експлуатаційні витрати. Розробка світлодіодів (LED) нового покоління дозволила використовувати низькоенергетичні джерела штучного світла в галузі садівництва. Світлодіоди мають такі переваги, як висока ефективність фотоелектричного перетворення, потужність постійного струму, малий об'єм, тривалий термін служби, низьке енергоспоживання, фіксована довжина хвилі, низьке теплове випромінювання та захист навколишнього середовища. Порівняно з натрієвими лампами високого тиску та люмінесцентними лампами, що зазвичай використовуються в даний час, світлодіоди можуть не тільки регулювати кількість та якість світла (співвідношення різних смуг світла) відповідно до потреб росту рослин, але й опромінювати рослини на близькій відстані завдяки своєму холодному світлу. Таким чином, можна покращити кількість шарів вирощування та коефіцієнт використання простору, а також реалізувати функції енергозбереження, захисту навколишнього середовища та ефективного використання простору, які не можуть бути замінені традиційними джерелами світла.

Завдяки цим перевагам, світлодіоди успішно використовуються в освітленні садівничих приміщень, фундаментальних дослідженнях контрольованого середовища, культурах тканин рослин, вирощуванні розсади рослин на заводах та аерокосмічній екосистемі. В останні роки продуктивність світлодіодного освітлення для вирощування покращується, ціна знижується, і поступово розробляються всілякі продукти з певними довжинами хвиль, тому їх застосування в галузі сільського господарства та біології буде ширшим.

У цій статті підсумовано стан досліджень світлодіодів у галузі садівництва, зосереджено увагу на застосуванні додаткового світлодіодного освітлення в основі світлобіології, впливі світлодіодних ламп на формування світла рослин, поживну якість та вплив уповільнення старіння, розробці та застосуванні світлової формули, а також проаналізовано та розглянуто поточні проблеми та перспективи технології додаткового світлодіодного освітлення.

Вплив додаткового світлодіодного освітлення на ріст садових культур

Регулюючий вплив світла на ріст і розвиток рослин включає проростання насіння, видовження стебла, розвиток листя та коренів, фототропізм, синтез і розклад хлорофілу, а також індукцію цвітіння. Елементи освітлення в приміщенні включають інтенсивність світла, світловий цикл та спектральний розподіл. Ці елементи можна регулювати за допомогою штучного додавання світла без обмеження погодних умов.

Наразі у рослин існує щонайменше три типи фоторецепторів: фітохром (поглинає червоне світло та далеке червоне світло), криптохром (поглинає синє світло та ближнє ультрафіолетове світло) та УФ-А та УФ-В. Використання джерела світла певної довжини хвилі для опромінення сільськогосподарських культур може покращити фотосинтетичну ефективність рослин, прискорити світловий морфогенез та сприяти росту та розвитку рослин. Червоно-помаранчеве світло (610 ~ 720 нм) та синьо-фіолетове світло (400 ~ 510 нм) використовуються у фотосинтезі рослин. За допомогою світлодіодної технології монохроматичне світло (наприклад, червоне світло з піком 660 нм, синє світло з піком 450 нм тощо) може випромінюватися відповідно до найсильнішої смуги поглинання хлорофілу, а ширина спектрального домену становить лише ± 20 нм.

Наразі вважається, що червоно-помаранчеве світло значно прискорює розвиток рослин, сприяє накопиченню сухої речовини, формуванню цибулин, бульб, листових цибулин та інших органів рослин, змушує рослини раніше цвісти та плодоносити, а також відіграє провідну роль у покращенні кольору рослин; синє та фіолетове світло можуть контролювати фототропізм листя рослин, сприяти відкриттю продихів та руху хлоропластів, гальмувати видовження стебла, запобігати видовженню рослин, затримувати цвітіння рослин та сприяти росту вегетативних органів; комбінація червоних та синіх світлодіодів може компенсувати недостатнє освітлення одного з двох кольорів та формувати спектральний пік поглинання, який в основному відповідає фотосинтезу та морфології рослин. Коефіцієнт використання світлової енергії може сягати 80%-90%, а ефект енергозбереження є значним.

Оснащення садівничих приміщень додатковим світлодіодним освітленням може призвести до значного збільшення виробництва. Дослідження показали, що кількість плодів, загальний урожай та вага кожного помідора чері під додатковим освітленням світлодіодними стрічками та світлодіодними трубками потужністю 300 мкмоль/(м²·с) протягом 12 годин (8:00-20:00) значно збільшуються. Додаткове освітлення світлодіодною стрічкою збільшилося на 42,67%, 66,89% та 16,97% відповідно, а додаткове освітлення світлодіодною трубкою – на 48,91%, 94,86% та 30,86% відповідно. Додаткове світлодіодне освітлення світлодіодним світильником для вирощування протягом усього періоду росту [співвідношення червоного та синього світла становить 3:2, а інтенсивність світла – 300 мкмоль/(м²·с)] може значно підвищити якість окремих плодів та врожайність на одиницю площі чері та баклажанів. Врожайність чікуцюаню зросла на 5,3% та 15,6%, а баклажанів – на 7,6% та 7,8%. Завдяки якості світлодіодного освітлення, його інтенсивності та тривалості всього періоду росту можна скоротити цикл росту рослин, покращити комерційну врожайність, харчову якість та морфологічну цінність сільськогосподарської продукції, а також досягти високоефективного, енергозберігаючого та інтелектуального виробництва садових культур.

Застосування додаткового світлодіодного освітлення у вирощуванні розсади овочів

Регулювання морфології, росту та розвитку рослин за допомогою світлодіодного джерела світла є важливою технологією в галузі тепличного вирощування. Вищі рослини можуть відчувати та отримувати світлові сигнали через системи фоторецепторів, такі як фітохром, криптохром та фоторецептор, і здійснювати морфологічні зміни через внутрішньоклітинні месенджери для регулювання тканин та органів рослин. Фотоморфогенез означає, що рослини покладаються на світло для контролю диференціації клітин, структурних та функціональних змін, а також формування тканин та органів, включаючи вплив на проростання деяких видів насіння, сприяння апікальному домінуванню, пригнічення росту латеральних бруньок, видовження стебла та тропізм.

Вирощування розсади овочів є важливою частиною сільського господарства. Тривала дощова погода призводить до недостатнього освітлення в приміщенні, а розсада схильна до видовження, що негативно впливає на ріст овочів, диференціацію квіткових бруньок та розвиток плодів, і зрештою впливає на їхню врожайність та якість. У виробництві для регулювання росту розсади використовуються деякі регулятори росту рослин, такі як гіберелін, ауксин, паклобутразол та хлормекват. Однак необґрунтоване використання регуляторів росту рослин може легко забруднити навколишнє середовище овочів та приміщень, що негативно впливає на здоров'я людини.

Додаткове світлодіодне освітлення має багато унікальних переваг і є практичним способом його використання для вирощування розсади. У експерименті зі світлодіодним додатковим освітленням [25±5 мкмоль/(м²·с)], проведеному за умов слабкого освітлення [0~35 мкмоль/(м²·с)], було виявлено, що зелене світло сприяє видовжуванню та росту розсади огірка. Червоне та синє світло пригнічують ріст розсади. Порівняно зі слабким природним світлом, індекс сильної розсади розсади з додаванням червоного та синього світла збільшився на 151,26% та 237,98% відповідно. Порівняно з монохроматичним світлом, індекс сильної розсади, що містить червоний та синій компоненти, під час обробки додатковим світлом зі складним світлом збільшився на 304,46%.

Додавання червоного світла до розсади огірків може збільшити кількість справжніх листків, площу листя, висоту рослин, діаметр стебла, якість сухої та свіжої речовини, високий індекс розсади, життєздатність коренів, активність SOD та вміст розчинного білка у розсаді огірків. Додавання УФ-B випромінювання може збільшити вміст хлорофілу a, хлорофілу b та каротиноїдів у листі розсади огірків. Порівняно з природним світлом, додавання червоного та синього світлодіодного світла може значно збільшити площу листя, якість сухої речовини та високий індекс розсади розсади помідорів. Додавання червоного та зеленого світлодіодного світла значно збільшує висоту та товщину стебла розсади помідорів. Додаткове світлодіодне зелене світло може значно збільшити біомасу розсади огірків та помідорів, а вага свіжої та сухої речовини розсади збільшується зі збільшенням інтенсивності додаткового зеленого світла, тоді як товсте стебло та високий індекс розсади розсади помідорів слідують за додатковим зеленим світлом. Збільшення сили світла збільшується. Поєднання червоного та синього світлодіодного світла може збільшити товщину стебла, площу листя, суху масу всієї рослини, співвідношення коренів до пагонів та високий індекс розсади баклажанів. Порівняно з білим світлом, червоне світлодіодне світло може збільшити біомасу розсади капусти та сприяти видовжуванню та розширенню листя розсади капусти. Синє світлодіодне світло сприяє густому росту, накопиченню сухої речовини та високому індексу росту розсади капусти, а також робить розсаду капусти карликовою. Наведені вище результати показують, що переваги вирощування розсади овочів із використанням технології регулювання світла є дуже очевидними.

Вплив додаткового світлодіодного освітлення на харчову якість фруктів та овочів

Білок, цукор, органічні кислоти та вітаміни, що містяться у фруктах та овочах, є поживними речовинами, корисними для здоров'я людини. Якість світла може впливати на вміст ВІЛ у рослинах, регулюючи активність ферментів синтезу та розкладання ВІЛ, а також може регулювати метаболізм білка та накопичення вуглеводів у садівничих рослинах. Червоне світло сприяє накопиченню вуглеводів, обробка синім світлом корисна для утворення білка, тоді як поєднання червоного та синього світла може значно покращити поживну якість рослин, ніж монохроматичне світло.

Додавання червоного або синього світлодіодного світла може зменшити вміст нітратів у салаті, додавання синього або зеленого світлодіодного світла може сприяти накопиченню розчинного цукру в салаті, а додавання інфрачервоного світлодіодного світла сприяє накопиченню цитокінази (VC) у салаті. Результати показали, що додавання синього світла може покращити вміст VC та вміст розчинного білка в томатах; комбіноване червоне світло та червоно-синє світло можуть сприяти вмісту цукру та кислоти в плодах томатів, а співвідношення цукру до кислоти було найвищим під впливом комбінованого червоно-синього світла; комбіноване червоно-синє світло може покращити вміст VC у плодах огірка.

Феноли, флавоноїди, антоціани та інші речовини, що містяться у фруктах та овочах, не тільки мають важливий вплив на колір, смак та товарну цінність фруктів та овочів, але й мають природну антиоксидантну активність і можуть ефективно пригнічувати або видаляти вільні радикали в організмі людини.

Використання світлодіодного синього світла як доповнення до освітлення може значно збільшити вміст антоціанів у шкірці баклажана на 73,6%, тоді як використання червоного світлодіодного світла та комбінації червоного та синього світла може збільшити вміст флавоноїдів та загального вмісту фенолів. Синє світло може сприяти накопиченню лікопену, флавоноїдів та антоціанів у плодах помідорів. Комбінація червоного та синього світла певною мірою сприяє виробленню антоціанів, але пригнічує синтез флавоноїдів. Порівняно з обробкою білим світлом, обробка червоним світлом може значно збільшити вміст антоціанів у пагонах салату, але обробка синім світлом має найнижчий вміст антоціанів. Загальний вміст фенолів у зеленолистому, фіолетоволистому та червонолистому салаті був вищим при обробці білим світлом, комбінованим червоно-синім світлом та синім світлом, але найнижчим при обробці червоним світлом. Додавання світлодіодного ультрафіолетового світла або помаранчевого світла може збільшити вміст фенольних сполук у листі салату, тоді як доповнення зеленого світла може збільшити вміст антоціанів. Таким чином, використання світлодіодних ламп для вирощування є ефективним способом регулювання поживної якості фруктів та овочів у садівничих господарствах.

Вплив додаткового світлодіодного освітлення на боротьбу зі старінням рослин

Деградація хлорофілу, швидка втрата білка та гідроліз РНК під час старіння рослин головним чином проявляються як старіння листя. Хлоропласти дуже чутливі до змін зовнішнього світлового середовища, особливо до впливу якості світла. Червоне світло, синє світло та комбіноване червоно-синє світло сприяють морфогенезу хлоропластів, синє світло сприяє накопиченню крохмальних зерен у хлоропластах, а червоне світло та далеке червоне світло негативно впливають на розвиток хлоропластів. Поєднання синього світла та червоного та синього світла може сприяти синтезу хлорофілу в листі розсади огірка, а поєднання червоного та синього світла також може затримувати ослаблення вмісту хлорофілу в листі на пізнішій стадії. Цей ефект більш очевидний зі зменшенням співвідношення червоного світла та збільшенням співвідношення синього світла. Вміст хлорофілу в листі розсади огірка під впливом комбінованого червоного та синього світлодіодного світла був значно вищим, ніж під впливом флуоресцентного світла та монохроматичного червоного та синього світла. Синє світлодіодне світло може значно збільшити значення хлорофілу a/b у розсаді часнику сорту Вутакай та зеленого часнику.

Під час старіння відбуваються зміни вмісту цитокінінів (CTK), ауксинів (IAA), абсцизинової кислоти (ABA) та різноманітних змін активності ферментів. Вміст рослинних гормонів легко залежить від світлового середовища. Різні якості світла мають різний регуляторний вплив на рослинні гормони, і початкові етапи шляху передачі світлового сигналу включають цитокініни.

CTK сприяє розширенню клітин листя, посилює фотосинтез листя, пригнічуючи активність рибонуклеази, дезоксирибонуклеази та протеази, а також уповільнює деградацію нуклеїнових кислот, білків і хлорофілу, що може значно затримати старіння листя. Існує взаємодія між світлом та CTK-опосередкованою регуляцією розвитку, і світло може стимулювати підвищення рівня ендогенних цитокінінів. Коли тканини рослин перебувають у стані старіння, вміст ендогенних цитокінінів у них зменшується.

ІОК переважно зосереджена в частинах рослин, що активно ростуть, і дуже мало її міститься в тканинах або органах, що старіють. Фіолетове світло може підвищувати активність індол-оцтової кислоти оксидази, а низький рівень ІОК може пригнічувати видовження та ріст рослин.

АБК утворюється переважно у старіючих тканинах листя, зрілих плодах, насінні, стеблах, коренях та інших частинах. Вміст АБК в огірку та капусті під впливом поєднання червоного та синього світла нижчий, ніж у білому та синьому світлі.

Пероксидаза (POD), супероксиддисмутаза (SOD), аскорбатпероксидаза (APX), каталаза (CAT) є важливішими та пов'язаними зі світлом захисними ферментами у рослин. Зі старінням рослин активність цих ферментів швидко знижується.

Різні якості світла мають значний вплив на активність антиоксидантних ферментів рослин. Після 9 днів обробки червоним світлом активність APX розсади ріпаку значно зросла, а активність POD знизилася. Активність POD томатів після 15 днів червоного та синього світла була вищою, ніж активність білого світла, на 20,9% та 11,7% відповідно. Після 20 днів обробки зеленим світлом активність POD томатів була найнижчою, лише 55,4% від білого світла. Додавання 4 годин синього світла може значно збільшити вміст розчинного білка, активність ферментів POD, SOD, APX та CAT у листках огірків на стадії розсади. Крім того, активність SOD та APX поступово знижується зі збільшенням тривалості освітлення. Активність SOD та APX під впливом синього та червоного світла повільно знижується, але завжди вища, ніж під впливом білого світла. Опромінення червоним світлом значно знизило активність пероксидази та IAA-пероксидази листя томатів та IAA-пероксидази листя баклажана, але призвело до значного збільшення активності пероксидази листя баклажана. Таким чином, впровадження розумної стратегії додаткового світлодіодного освітлення може ефективно уповільнити старіння садових культур та покращити врожайність і якість.

Конструкція та застосування світлодіодної формули

Ріст і розвиток рослин суттєво залежать від якості освітлення та його різних співвідношень. Формула освітлення в основному включає кілька елементів, таких як співвідношення якості освітлення, інтенсивність освітлення та тривалість освітлення. Оскільки різні рослини мають різні вимоги до освітлення та різні стадії росту та розвитку, для вирощуваних культур необхідне найкраще поєднання якості освітлення, інтенсивності освітлення та тривалості додаткового освітлення.

 ◆Співвідношення світлового спектру

Порівняно з білим світлом та одним червоним і синім світлом, комбінація світлодіодного червоного та синього світла має значну перевагу для росту та розвитку розсади огірків та капусти.

Коли співвідношення червоного та синього світла становить 8:2, товщина стебла рослини, висота рослини, суха вага рослини, свіжа вага, індекс сильної розсади тощо значно збільшуються, а також це сприяє формуванню хлоропластної матриці та базальних ламелей, а також виходу речовин, що мають значення для асиміляції.

Використання комбінації червоного, зеленого та синього кольорів для паростків червоної квасолі сприяє накопиченню сухої речовини, а зелене світло може сприяти накопиченню сухої речовини паростками червоної квасолі. Ріст найбільш помітний, коли співвідношення червоного, зеленого та синього світла становить 6:2:1. Ефект подовження гіпокотиля розсади овочів червоної квасолі був найкращим при співвідношенні червоного та синього світла 8:1, а подовження гіпокотиля паростків червоної квасолі явно гальмувалося при співвідношенні червоного та синього світла 6:3, але вміст розчинного білка був найвищим.

Коли співвідношення червоного та синього світла для розсади люфи становить 8:1, індекс проростання та вміст розчинного цукру в розсаді люфи є найвищими. При використанні якості освітлення зі співвідношенням червоного та синього світла 6:3, вміст хлорофілу а, співвідношення хлорофілу a/b та вміст розчинного білка в розсаді люфи були найвищими.

При використанні співвідношення червоного та синього світла до селери 3:1, це може ефективно сприяти збільшенню висоти рослини селери, довжини черешка, кількості листя, якості сухої речовини, вмісту ВІЛ, вмісту розчинного білка та вмісту розчинного цукру. У вирощуванні томатів збільшення частки синього світлодіодного світла сприяє утворенню лікопіну, вільних амінокислот та флавоноїдів, а збільшення частки червоного світла сприяє утворенню титрованих кислот. Коли співвідношення червоного та синього світла до листя салату становить 8:1, це сприяє накопиченню каротиноїдів, ефективно знижує вміст нітратів та збільшує вміст ВІЛ.

 ◆Інтенсивність світла

Рослини, що ростуть за слабкого освітлення, більш схильні до фотоінгібування, ніж за сильного. Чиста швидкість фотосинтезу розсади томатів зростає зі збільшенням інтенсивності світла [50, 150, 200, 300, 450, 550 мкмоль/(м²·с)], демонструючи тенденцію спочатку до зростання, а потім до зниження, і при 300 мкмоль/(м²·с) досягає максимуму. Висота рослини, площа листя, вміст води та вміст вільних амінокислот (VC) салату значно збільшилися при обробці інтенсивністю світла 150 мкмоль/(м²·с). При обробці інтенсивністю світла 200 мкмоль/(м²·с) значно збільшилася свіжа маса, загальна маса та вміст вільних амінокислот, а при обробці інтенсивністю світла 300 мкмоль/(м²·с) площа листя, вміст води, хлорофіл a, хлорофіл a+b та каротиноїди салату зменшилися. Порівняно з темрявою, зі збільшенням інтенсивності світлодіодного освітлення [3, 9, 15 мкмоль/(м²·с)] значно збільшився вміст хлорофілу a, хлорофілу b та хлорофілу a+b у паростках чорної квасолі. Вміст ВК є найвищим і становить 3 мкмоль/(м²·с), а вміст розчинного білка, розчинного цукру та сахарози — найвищим і становить 9 мкмоль/(м²·с). За тих самих температурних умов, зі збільшенням інтенсивності світла [(2~2,5)лк×10³ лк, (4~4,5)лк×10³ лк, (6~6,5)лк×10³ лк], час проростання розсади перцю скорочується, вміст розчинного цукру збільшується, але вміст хлорофілу a та каротиноїдів поступово зменшується.

 ◆Світлий час

Правильне подовження світлового дня може певною мірою полегшити стрес від низької освітленості, спричинений недостатньою інтенсивністю світла, сприяти накопиченню фотосинтетичних продуктів садівничих культур та досягти ефекту збільшення врожайності та покращення якості. Вміст ВЦ у паростках демонстрував поступово зростаючу тенденцію зі збільшенням світлового дня (0, 4, 8, 12, 16, 20 год/день), тоді як вміст вільних амінокислот, активність СОД та ХАТ демонстрували тенденцію до зниження. Зі збільшенням світлового дня (12, 15, 18 год) свіжа маса рослин китайської капусти значно збільшувалася. Вміст ВЦ у листі та стеблах китайської капусти був найвищим через 15 та 12 годин відповідно. Вміст розчинного білка в листі китайської капусти поступово зменшувався, але в стеблах був найвищим після 15 годин. Вміст розчинного цукру в листі китайської капусти поступово збільшувався, тоді як у стеблах був найвищим через 12 годин. Коли співвідношення червоного та синього світла становить 1:2, порівняно з 12-годинним освітленням, 20-годинна обробка світлом знижує відносний вміст загальних фенолів та флавоноїдів у зеленолистому салаті, але коли співвідношення червоного та синього світла становить 2:1, 20-годинна обробка світлом значно збільшує відносний вміст загальних фенолів та флавоноїдів у зеленолистому салаті.

З вищесказаного видно, що різні формули світла мають різний вплив на фотосинтез, фотоморфогенез та метаболізм вуглецю й азоту різних типів сільськогосподарських культур. Отримання найкращої формули світла, конфігурації джерела світла та розробка інтелектуальних стратегій контролю вимагає відправної точки від виду рослин, а відповідні корективи слід вносити відповідно до товарних потреб садових культур, цілей виробництва, виробничих факторів тощо, щоб досягти мети інтелектуального контролю світлового середовища та отримання високоякісних і високоврожайних садових культур в умовах енергозбереження.

Існуючі проблеми та перспективи

Значною перевагою світлодіодного освітлення для вирощування рослин є те, що воно може здійснювати інтелектуальне комбінування налаштувань відповідно до спектру потреб фотосинтетичних характеристик, морфології, якості та врожайності різних рослин. Різні види культур та різні періоди росту однієї й тієї ж культури мають різні вимоги до якості світла, інтенсивності світла та фотоперіоду. Це вимагає подальшого розвитку та вдосконалення досліджень світлових формул для формування величезної бази даних світлових формул. У поєднанні з дослідженнями та розробками професійних ламп можна досягти максимальної цінності додаткових світлодіодних світильників у сільськогосподарському застосуванні, щоб краще економити енергію, підвищити ефективність виробництва та отримати економічні вигоди. Застосування світлодіодних світильників для вирощування рослин у садівництві демонструє значну життєздатність, але ціна на світлодіодне освітлювальне обладнання або пристрої є відносно високою, а одноразові інвестиції – великими. Потреби різних культур у додатковому світлі за різних умов навколишнього середовища незрозумілі, спектр додаткового світла, необґрунтована інтенсивність та тривалість освітлення для вирощування неминуче спричиняють різні проблеми у застосуванні освітлення для вирощування рослин.

Однак, з розвитком та вдосконаленням технологій і зниженням виробничих витрат на світлодіодні лампи для вирощування рослин, додаткове світлодіодне освітлення буде ширше використовуватися в садівництві. Водночас, розвиток та прогрес у системі світлодіодного додаткового освітлення та поєднання нових джерел енергії сприятимуть швидкому розвитку сільського господарства для господарств, сімейного сільського господарства, міського сільського господарства та космічного сільського господарства, щоб задовольнити попит людей на садівничі культури в особливих умовах.