Автор: Ямін Лі та Хоученг Лю та інші з коледжу садівництва Південно-Китайського сільськогосподарського університету

Джерело статті: Тепличне садівництво

Типи об'єктів садівництва в основному включають пластикові теплиці, сонячні теплиці, багатопролітні теплиці та рослинні фабрики. Оскільки будівлі підприємства певною мірою блокують природні джерела світла, у приміщеннях недостатньо освітлення, що, у свою чергу, знижує врожайність та якість сільськогосподарських культур. Таким чином, додаткове освітлення відіграє незамінну роль у високоякісних і високоврожайних культурах на об’єкті, але воно також стало головним фактором збільшення споживання енергії та експлуатаційних витрат на об’єкті.

Довгий час штучні джерела світла, що використовуються в галузі садівництва, в основному включають натрієву лампу високого тиску, люмінесцентну лампу, металогалогенну лампу, лампу розжарювання тощо. Основними недоліками є висока теплопродукція, високе споживання енергії та висока експлуатаційна вартість. Розробка світлодіода (LED) нового покоління дозволяє використовувати штучне джерело світла низької енергії в галузі садівництва. Світлодіод має такі переваги, як висока ефективність фотоелектричного перетворення, потужність постійного струму, малий об’єм, тривалий термін служби, низьке споживання енергії, фіксована довжина хвилі, низьке теплове випромінювання та захист навколишнього середовища. У порівнянні з натрієвою лампою високого тиску та люмінесцентною лампою, яка зазвичай використовується в даний час, світлодіод може не тільки регулювати кількість і якість світла (пропорцію різної смуги світла) відповідно до потреб росту рослин, а також може опромінювати рослини на близькій відстані завдяки до його холодного світла, Таким чином, можна покращити кількість шарів вирощування та швидкість використання простору, а також можна реалізувати функції енергозбереження, захисту навколишнього середовища та ефективного використання простору, які не можуть бути замінені традиційним джерелом світла.

Завдяки цим перевагам світлодіоди успішно використовуються в садовому освітленні об’єктів, фундаментальних дослідженнях контрольованого середовища, культурі рослинних тканин, розсаді рослин і аерокосмічній екосистемі. Останніми роками продуктивність світлодіодного освітлення зростає, ціна знижується, і всі види продуктів із певною довжиною хвилі розробляються поступово, тому його застосування в галузі сільського господарства та біології буде ширшим.

Ця стаття підсумовує статус досліджень світлодіодів у галузі садівництва, зосереджується на застосуванні додаткового світлодіодного освітлення в основі біології світла, світлодіодних лампах для вирощування на освітленні рослин, якості харчування та ефекті затримки старіння, конструкції та застосуванні. формули світла, а також аналіз і перспективи поточних проблем і перспектив світлодіодної додаткової світлової технології.

Вплив світлодіодного додаткового освітлення на ріст садових культур

Регуляторний вплив світла на ріст і розвиток рослин включає проростання насіння, подовження стебла, розвиток листків і коренів, фототропізм, синтез і розпад хлорофілу та індукцію цвітіння. Елементи освітлювального середовища в об'єкті включають інтенсивність світла, світловий цикл і спектральний розподіл. Елементи можна регулювати штучним освітленням без обмежень погодних умов.

В даний час існує щонайменше три типи фоторецепторів у рослин: фітохром (поглинають червоне світло і далеке червоне світло), криптохром (поглинають синє світло і ближнє ультрафіолетове світло) і УФ-А і УФ-В. Використання джерела світла певної довжини хвилі для опромінення сільськогосподарських культур може підвищити ефективність фотосинтезу рослин, прискорити морфогенез світла та сприяти росту та розвитку рослин. Червоно-оранжеве світло (610 ~ 720 нм) і синьо-фіолетове світло (400 ~ 510 нм) використовувалися у фотосинтезі рослин. Використовуючи світлодіодну технологію, 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.

В даний час вважається, що червоно-оранжеве світло значно прискорить розвиток рослин, сприятиме накопиченню сухої речовини, формуванню цибулин, бульб, листових цибулин та інших органів рослин, змусить рослини раніше цвісти і плодоносити, грати провідна роль у посиленні забарвлення рослин; Синє та фіолетове світло може контролювати фототропізм листя рослин, сприяти відкриттю продихів і руху хлоропластів, перешкоджати подовженню стебла, запобігати подовженню рослин, затримувати цвітіння рослин і сприяти росту вегетативних органів; комбінація червоних і синіх світлодіодів може компенсувати недостатнє освітлення одного кольору обох і сформувати пік спектрального поглинання, який в основному відповідає фотосинтезу та морфології культур. Коефіцієнт використання світлової енергії може досягати 80% до 90%, а ефект енергозбереження є значним.

Оснащення додатковими світлодіодними лампами в садівництві може досягти дуже значного збільшення виробництва. Дослідження показали, що кількість плодів, загальний урожай і вага кожного помідора черрі під додатковим світлом 300 мкмоль/(м²·с) світлодіодними стрічками та світлодіодними трубками протягом 12 годин (8:00-20:00) значно змінюються. збільшився. Додаткове світло світлодіодної стрічки зросло на 42,67%, 66,89% і 16,97% відповідно, а додаткове світло світлодіодної трубки збільшилося на 48,91%, 94,86% і 30,86% відповідно. Світлодіодне додаткове світло світлодіодного освітлювального приладу для вирощування протягом усього періоду росту [співвідношення червоного та синього світла становить 3:2, а інтенсивність світла становить 300 мкмоль/(м²·с)] може значно підвищити якість і врожайність окремого плоду. на одиницю площі чиєхви та баклажанів. Chikuquan збільшився на 5,3% і 15,6%, а баклажани збільшилися на 7,6% і 7,8%. Завдяки якості світлодіодного освітлення, його інтенсивності та тривалості всього періоду росту можна скоротити цикл росту рослин, покращити комерційну врожайність, поживну якість і морфологічну цінність сільськогосподарської продукції, а також отримати високу ефективність, енергозбереження та може бути реалізовано інтелектуальне виробництво садових культур.

Застосування світлодіодної добавки у вирощуванні розсади овочів

Регулювання морфології рослин, росту та розвитку 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 і фоторецептори, і проводити морфологічні зміни через внутрішньоклітинні месенджери для регулювання рослинних тканин і органів. Фотоморфогенез означає, що рослини покладаються на світло для контролю диференціювання клітин, структурних і функціональних змін, а також формування тканин і органів, включаючи вплив на проростання деяких насінин, сприяння верхівковому домінуванню, пригнічення росту бічних бруньок, подовження стебла. , і тропізм.

Вирощування розсади овочів є важливою частиною ведення сільського господарства. Тривала дощова погода призведе до недостатнього освітлення приміщення, а сходи схильні до витягування, що позначиться на зростанні овочів, диференціації квіткових бруньок і розвитку плодів, а в кінцевому підсумку – на їх урожайності та якості. У виробництві для регуляції росту проростків використовують деякі регулятори росту рослин, такі як гіберелін, ауксин, паклобутразол і хлормекват. Однак необґрунтоване застосування регуляторів росту рослин може легко забруднити довкілля овочів і приміщень, завдаючи шкоди здоров’ю людини.

Додаткове світлодіодне освітлення має багато унікальних переваг додаткового освітлення, і це можливий спосіб використовувати додаткове світлодіодне освітлення для вирощування розсади. В експерименті з додатковим світлодіодним світлом [25±5 мкмоль/(м²·с)], проведеному в умовах слабкого освітлення [0~35 мкмоль/(м²·с)], було виявлено, що зелене світло сприяє подовженню та зростанню розсада огірків. Червоне світло і синє світло пригнічують ріст розсади. Порівняно з природним слабким освітленням, індекс сильної розсади розсади, доповненої червоним і синім світлом, збільшився на 151,26% і 237,98% відповідно. Порівняно з монохроматичною якістю освітлення індекс сильних проростків, що містить червоний і синій компоненти, за обробки комбінованим освітленням підвищився на 304,46%.

Додавання червоного світла до розсади огірків може збільшити кількість справжніх листків, площу листя, висоту рослини, діаметр стебла, суху та свіжу якість, індекс сильної розсади, життєздатність коренів, активність СОД та вміст розчинного білка в розсаді огірка. Додавання UV-B може збільшити вміст хлорофілу а, хлорофілу b і каротиноїдів у листках розсади огірків. Порівняно з природним світлом, додавання червоного та синього світлодіодного світла може значно збільшити площу листя, якість сухої речовини та сильний індекс розсади розсади томатів. Доповнення світлодіодним світлом червоного та зеленого світла значно збільшує висоту та товщину стебла розсади томатів. Обробка світлодіодним доповненням зеленим світлом може значно збільшити біомасу розсади огірків і томатів, а свіжа та суха вага розсади збільшується зі збільшенням інтенсивності освітлення доповненням зеленим світлом, тоді як товсте стебло та сильний індекс розсади помідорів всі саджанці слідують за додатковим світлом зеленого світла. Приріст сили збільшується. Поєднання світлодіодного червоного та синього світла може збільшити товщину стебла, площу листя, суху вагу всієї рослини, співвідношення коренів і пагонів і сильний індекс розсади баклажанів. У порівнянні з білим світлом червоне світлодіодне світло може збільшити біомасу розсади капусти та сприяти подовженню росту та розширенню листя розсади капусти. Світлодіодне синє світло сприяє густому росту, накопиченню сухої речовини та сильному показнику розсади розсади капусти, а також робить розсаду капусти карликовою. Наведені результати свідчать про те, що переваги розсади овочів, вирощеної за технологією світлорегуляції, дуже очевидні.

Вплив додаткового світлодіодного світла на поживну якість фруктів і овочів

Білок, цукор, органічні кислоти та вітаміни, що містяться у фруктах і овочах, є поживними речовинами, корисними для здоров'я людини. Якість світла може впливати на вміст VC у рослинах, регулюючи активність синтезу VC та ферменту, що розкладає, а також може регулювати метаболізм білка та накопичення вуглеводів у садових 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 чи зеленого світлодіодного світла може сприяти накопиченню розчинного цукру в салаті, а додавання інфрачервоного світлодіодного світла сприяє накопиченню VC у салаті. Результати показали, що добавка синього світла може покращити вміст VC і вміст розчинного білка в томатах; червоне світло та червоно-синє комбіноване світло могли підвищити вміст цукру та кислоти в плодах томатів, і співвідношення цукру та кислоти було найвищим під червоним синім комбінованим освітленням; червоне синє комбіноване світло може покращити вміст VC у плодах огірка.

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

Використання світлодіодного синього світла для доповнення до світла може значно підвищити вміст антоціанів у шкірці баклажанів на 73,6%, тоді як використання світлодіодного червоного світла та комбінації червоного та синього світла може збільшити вміст флавоноїдів і загальних фенолів. Синє світло може сприяти накопиченню лікопіну, флавоноїдів і антоціанів у плодах помідорів. Поєднання червоного і синього світла певною мірою сприяє виробленню антоціанів, але гальмує синтез флавоноїдів. Порівняно з обробкою білим світлом обробка червоним світлом може значно підвищити вміст антоціанів у пагонах салату, але обробка синім світлом має найнижчий вміст антоціанів. Загальний вміст фенолу в зеленому листі, пурпурно-листовому та червонолистовому салатах був вищим при обробці білим світлом, червоно-синім комбінованим світлом і синім світлом, але він був найнижчим при обробці червоним світлом. Додавання світлодіодного ультрафіолетового або помаранчевого світла може збільшити вміст фенольних сполук у листі салату, тоді як додавання зеленого світла може збільшити вміст антоціанів. Таким чином, використання світлодіодного освітлення є ефективним способом регулювання поживної якості фруктів і овочів у садівництві.

Вплив додаткового світлодіодного світла на запобігання старінню рослин

Деградація хлорофілу, швидка втрата білка та гідроліз РНК під час старіння рослин в основному проявляються у вигляді старіння листя. Хлоропласти дуже чутливі до змін зовнішнього світлового середовища, особливо на якість світла. Червоне світло, синє світло та червоно-синє комбіноване світло сприяють морфогенезу хлоропластів, синє світло сприяє накопиченню крохмальних зерен у хлоропластах, а червоне світло та далеко-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 затримати ослаблення вмісту хлорофілу в листі на пізній стадії. Цей ефект більш очевидний при зменшенні коефіцієнта червоного світла та збільшенні коефіцієнта синього світла. Вміст хлорофілу в листках розсади огірка під комбінованим обробленням світлодіодним червоним і синім світлом був значно вищим, ніж при обробці флуоресцентним світлом і монохроматичним червоним і синім світлом. Синє світлодіодне світло може значно підвищити значення хлорофілу a/b у саджанцях Wutacai та зеленого часнику.

Під час старіння відбуваються цитокініни (CTK), ауксин (IAA), зміни вмісту абсцизової кислоти (ABA) і різноманітні зміни в активності ферментів. На вміст рослинних гормонів легко впливає освітленість 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, одночасно пригнічуючи діяльність рибонуклеази, дезоксирибонуклеази та протеази, а також затримує деградацію нуклеїнових кислот, білків і хлорофілу, тому він може значно затримати старіння листя. Існує взаємодія між світлом і опосередкованою CTK регуляцією розвитку, і світло може стимулювати підвищення рівня ендогенного цитокініну. Коли рослинні тканини перебувають у стані старіння, вміст ендогенних цитокінінів у них зменшується.

IAA в основному зосереджена в частинах інтенсивного росту, і її дуже мало в старіючих тканинах або органах. Фіолетове світло може збільшити активність оксидази індолоцтової кислоти, а низькі рівні IAA можуть пригнічувати подовження та ріст рослин.

АБК в основному утворюється в тканинах старіючого листя, зрілих плодах, насінні, стеблах, коренях та інших частинах. Вміст АБК в огірках і капусті при поєднанні червоного і синього світла нижчий, ніж білого і синього світла.

Пероксидаза (POD), супероксиддисмутаза (SOD), аскорбатпероксидаза (APX), каталаза (CAT) є більш важливими та пов’язаними зі світлом захисними ферментами рослин. Якщо рослини старіють, активність цих ферментів швидко знижується.

Різні якості освітлення мають значний вплив на активність антиоксидантних ферментів рослин. Після 9 днів обробки червоним світлом активність APX проростків ріпаку значно зросла, а активність POD знизилася. Активність POD у помідорів після 15 днів червоного та синього світла була вищою, ніж білого світла на 20,9% та 11,7% відповідно. Після 20 днів обробки зеленим світлом активність ПОД томатів була найнижчою, лише 55,4% білого світла. Додавання 4-годинного синього світла може значно підвищити вміст розчинного білка, активності ферментів POD, SOD, APX і CAT у листі огірка на стадії розсади. Крім того, активності SOD і APX поступово знижуються з подовженням світла. Активність SOD і APX під синім і червоним світлом знижується повільно, але завжди вище, ніж у білому світлі. Опромінення червоним світлом значно знизило пероксидазну та IAA пероксидазну активність листя томатів і IAA пероксидазу листя баклажанів, але призвело до значного підвищення пероксидазної активності листя баклажанів. Таким чином, прийняття розумної стратегії додаткового світлодіодного освітлення може ефективно затримати старіння садових культур і підвищити врожайність і якість.

Побудова та застосування світлодіодної формули світла

На ріст і розвиток рослин суттєво впливає якість освітлення та різне співвідношення його складу. Формула світла в основному включає кілька елементів, таких як коефіцієнт якості світла, інтенсивність світла та час освітлення. Оскільки різні рослини мають різні вимоги до світла та різні стадії росту та розвитку, для вирощуваних культур необхідне найкраще поєднання якості освітлення, інтенсивності освітлення та тривалості освітлення.

 ◆Коефіцієнт спектру світла

У порівнянні з білим світлом і одним червоним і синім світлом, комбінація світлодіодного червоного і синього світла має всебічну перевагу на ріст і розвиток розсади огірків і 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, і це також корисно для формування матриці хлоропластів та базальної пластинки і вихід асиміляційних матерій.

Використання комбінації червоної, зеленої та синьої якості для паростків червоної квасолі сприяє накопиченню сухої речовини, а зелене світло може сприяти накопиченню сухої речовини паростків червоної квасолі. Зростання найбільш помітне при співвідношенні червоного, зеленого та синього світла 6:2:1. Ефект подовження гіпокотиля проростків червоної квасолі був найкращим при співвідношенні червоного та синього світла 8:1, а подовження гіпокотиля паростків червоної квасолі було явно пригнічено при співвідношенні червоного та синього світла 6:3, але розчинний білок вміст був найвищим.

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

При використанні співвідношення 3:1 червоного та синього світла до селери, це може ефективно сприяти збільшенню висоти рослини селери, довжини черешків, кількості листя, якості сухої речовини, вмісту VC, вмісту розчинного білка та вмісту розчинного цукру. При вирощуванні томатів збільшення частки світлодіодного синього світла сприяє утворенню лікопіну, вільних амінокислот і флавоноїдів, а збільшення частки червоного світла сприяє утворенню титрованих кислот. Коли світло із співвідношенням червоного та синього світла до листя салату становить 8:1, це сприятливо впливає на накопичення каротиноїдів і ефективно знижує вміст нітратів і підвищує вміст VC.

 ◆Інтенсивність світла

Рослини, що ростуть при слабкому освітленні, більш сприйнятливі до фотоінгібування, ніж при сильному освітленні. Чиста швидкість фотосинтезу розсади томатів зростає зі збільшенням інтенсивності освітлення [50, 150, 200, 300, 450, 550 мкмоль/(м²·с)], демонструючи тенденцію спочатку до збільшення, а потім до зменшення, а при 300 мкмоль/(м²) ·s) для досягнення максимуму. Висота рослини, площа листя, вміст води та вміст VC салату значно зросли при обробці інтенсивністю світла 150 мкмоль/(м²·с). При обробці інтенсивністю світла 200 мкмоль/(м²·с) свіжа вага, загальна вага та вміст вільних амінокислот значно збільшилися, а при обробці інтенсивністю світла 300 мкмоль/(м²·с) площа листя, вміст води значно збільшилися. , хлорофіл a, хлорофіл a+b і каротиноїди салату були знижені. Порівняно з темрявою, зі збільшенням інтенсивності освітлення світлодіодів [3, 9, 15 мкмоль/(м²·с)], вміст хлорофілу a, хлорофілу b і хлорофілу a+b у паростках чорної квасолі значно збільшився. Вміст VC найвищий – 3 мкмоль/(м²·с), а вміст розчинного білка, розчинного цукру та сахарози – 9 мкмоль/(м²·с). За тих же температурних умов зі збільшенням інтенсивності освітлення [(2~2,5)лк×103 лк, (4~4,5)лк×103 лк, (6~6,5)лк×103 лк] час сходів розсади перцю скорочується, вміст розчинного цукру зростає, але поступово знижується вміст хлорофілу а і каротиноїдів.

 ◆Світловий час

Правильне продовження тривалості освітлення може певною мірою зменшити стрес, спричинений недостатньою інтенсивністю освітлення, сприяти накопиченню продуктів фотосинтезу садових культур і досягти ефекту збільшення врожайності та покращення якості. Вміст VC у паростках демонстрував тенденцію до поступового збільшення з подовженням часу освітлення (0, 4, 8, 12, 16, 20 год/день), тоді як вміст вільних амінокислот, активності SOD та CAT демонстрували тенденцію до зменшення. З подовженням світлового часу (12, 15, 18 год) свіжа маса рослин пекінської капусти значно зростала. Вміст ВК у листі та стеблах пекінської капусти був найвищим на 15 та 12 годині відповідно. Вміст розчинного білка в листках пекінської капусти поступово знижувався, але у стеблах був найвищий через 15 год. Вміст розчинного цукру в листках пекінської капусти поступово зростав, а стебла були найвищими через 12 годин. Коли співвідношення червоного та синього світла становить 1:2, порівняно з 12-годинним часом освітлення, 20-годинна обробка світлом знижує відносний вміст загальних фенолів і флавоноїдів у зеленому листі салату, але коли співвідношення червоного та синього світла становить 2:1, 20-годинна обробка світлом значно збільшила відносний вміст загальних фенолів і флавоноїдів у зеленому листовому салаті.

З вищесказаного видно, що різні світлові формули по-різному впливають на фотосинтез, фотоморфогенез і метаболізм вуглецю та азоту різних типів культур. Як отримати найкращу формулу світла, конфігурацію джерела світла та формулювання інтелектуальних стратегій керування вимагає видів рослин як відправної точки, і, відповідні коригування повинні бути зроблені відповідно до товарних потреб садових культур, виробничих цілей, факторів виробництва тощо, досягти мети інтелектуального керування світловим середовищем та високоякісних і високоврожайних садових культур в умовах енергозбереження.

Існуючі проблеми та перспективи

Значною перевагою світлодіодного освітлення для росту є те, що він може вносити інтелектуальні коригування комбінацій відповідно до попиту на спектр фотосинтетичних характеристик, морфології, якості та врожайності різних рослин. Різні типи культур і різні періоди росту однієї культури мають різні вимоги до якості освітлення, інтенсивності освітлення та фотоперіоду. Це вимагає подальшого розвитку та вдосконалення досліджень легких формул для формування величезної бази даних легких формул. У поєднанні з дослідженнями та розробкою професійних ламп можна реалізувати максимальну цінність додаткових світлодіодних ламп у сільському господарстві, щоб краще заощадити енергію, підвищити ефективність виробництва та економічні вигоди. Застосування світлодіодного світла для садівництва демонструє потужну життєздатність, але ціна світлодіодного освітлювального обладнання або пристроїв є відносно високою, а одноразові інвестиції великі. Вимоги до додаткового світла для різних культур у різних умовах навколишнього середовища не зрозумілі, додатковий спектр світла. Нерозумна інтенсивність і час вирощування світла неминуче спричинять різноманітні проблеми у застосуванні індустрії освітлення для вирощування.

Проте з розвитком і вдосконаленням технології та зниженням вартості виробництва світлодіодного освітлення для вирощування, додаткове світлодіодне освітлення буде більш широко використовуватися в садівництві. У той же час, розробка та прогрес світлодіодної додаткової системи світлових технологій і поєднання нової енергії дозволить швидко розвивати сільське господарство для об’єктів, сімейне сільське господарство, міське сільське господарство та космічне сільське господарство, щоб задовольнити попит людей на садові культури в особливих умовах.