Анотація: Розсада овочів є першим кроком у виробництві овочів, і якість розсади дуже важлива для врожайності та якості овочів після посадки. З безперервним удосконаленням розподілу праці в овочевій промисловості розсада овочів поступово сформувалася в самостійний промисловий ланцюг і обслуговувала овочівництво. Під впливом поганої погоди традиційні методи розсади неминуче стикаються з багатьма проблемами, такими як повільний ріст розсади, ріст ніг, а також шкідники та хвороби. Для боротьби з довгоногою розсадою багато комерційних культиваторів використовують регулятори росту. Однак існують ризики жорсткості розсади, безпеки харчових продуктів і забруднення навколишнього середовища при використанні регуляторів росту. На додаток до хімічних методів боротьби, хоча механічна стимуляція, контроль температури та води також можуть відігравати певну роль у запобіганні росту довгоногої розсади, вони дещо менш зручні та ефективні. Під впливом нової глобальної епідемії Covid-19 проблеми управління виробництвом, спричинені нестачею робочої сили та зростанням вартості робочої сили в розсадницькій галузі, стали більш помітними.

З розвитком технології освітлення використання штучного освітлення для вирощування розсади овочів має такі переваги, як висока продуктивність розсади, менше шкідників і хвороб і проста стандартизація. У порівнянні з традиційними джерелами світла нове покоління світлодіодних джерел світла має характеристики енергозбереження, високої ефективності, тривалого терміну служби, захисту навколишнього середовища та довговічності, невеликого розміру, низького теплового випромінювання та малої амплітуди довжини хвилі. Він може сформулювати відповідний спектр відповідно до потреб росту та розвитку розсади в середовищі рослинницьких фабрик і точно контролювати фізіологічний та метаболічний процес розсади, в той же час сприяючи безпечному, стандартизованому та швидкому виробництву розсади овочів. , і скорочує цикл розсади. У Південному Китаї для вирощування розсади перцю та помідорів (3-4 справжніх листків) у пластикових теплицях потрібно близько 60 днів, а для розсади огірків (3-5 справжніх листків) – близько 35 днів. У фабричних умовах вирощування розсади томатів займає лише 17 діб, а розсади перцю – 25 діб за умов фотоперіоду 20 год і ППФ 200-300 мкмоль/(м2•с). У порівнянні зі звичайним методом вирощування розсади в теплиці, використання фабричного методу вирощування розсади LED істотно скоротило цикл росту огірків на 15-30 днів, а кількість жіночих квіток і плодів на рослині збільшилася на 33,8% і 37,3% , відповідно, а найбільший урожай збільшився на 71,44%.

З точки зору ефективності використання енергії, ефективність використання енергії рослинних заводів вища, ніж у теплиць типу Венло на тій самій широті. Наприклад, на шведській рослинній фабриці для виробництва 1 кг сухої речовини салату потрібно 1411 МДж, а в теплиці – 1699 МДж. Однак, якщо розрахувати електроенергію, необхідну на кілограм сухої речовини салату, заводу потрібно 247 кВт·год для виробництва 1 кг сухої маси салату, а теплицям у Швеції, Нідерландах та Об’єднаних Арабських Еміратах потрібно 182 кВт·год. год, 70 кВт·год і 111 кВт·год відповідно.

У той же час на фабриці рослин використання комп’ютерів, автоматичного обладнання, штучного інтелекту та інших технологій може точно контролювати умови навколишнього середовища, придатні для вирощування розсади, позбутися обмежень умов природного середовища та реалізувати інтелектуальне, механізоване та щорічне стійлове виробництво розсадної продукції. Останніми роками фабрична розсада використовується для комерційного виробництва листових овочів, фруктових овочів та інших економічних культур у Японії, Південній Кореї, Європі, Сполучених Штатах та інших країнах. Великі початкові інвестиції в рослинницькі заводи, високі експлуатаційні витрати та величезне системне енергоспоживання все ще залишаються вузькими місцями, які обмежують просування технології вирощування розсади на китайських рослинницьких заводах. Таким чином, необхідно враховувати вимоги високої врожайності та енергозбереження з точки зору стратегії управління освітленням, встановлення моделей росту овочів та обладнання для автоматизації для покращення економічних вигод.

У даній статті розглядається вплив світлодіодного світлового середовища на ріст і розвиток розсади овочів у рослинницьких фабриках за останні роки, з оглядом на напрямок досліджень освітленості розсади овочів у рослинницьких фабриках.

1. Вплив світлового середовища на ріст і розвиток розсади овочів

Будучи одним із важливих факторів навколишнього середовища для росту та розвитку рослин, світло є не лише джерелом енергії для фотосинтезу рослин, але й ключовим сигналом, що впливає на фотоморфогенез рослин. Рослини сприймають напрямок, енергію та якість світла через систему світлових сигналів, регулюють власний ріст і розвиток і реагують на наявність або відсутність, довжину хвилі, інтенсивність і тривалість світла. Відомі на даний момент рослинні фоторецептори включають принаймні три класи: фітохроми (PHYA~PHYE), які сприймають червоне та дальнє червоне світло (FR), криптохроми (CRY1 і CRY2), які сприймають синій і ультрафіолет А, і елементи (Phot1 і Phot2), Рецептор UV-B UVR8, який сприймає UV-B. Ці фоторецептори беруть участь і регулюють експресію споріднених генів, а потім регулюють життєві процеси, такі як проростання насіння рослин, фотоморфогенез, час цвітіння, синтез і накопичення вторинних метаболітів, а також стійкість до біотичних і абіотичних стресів.

2. Вплив світлодіодного середовища на фотоморфологічне приживлення сходів овочів

2.1 Вплив різної якості освітлення на фотоморфогенез проростків овочів

Червона та синя області спектра мають високу квантову ефективність для фотосинтезу листя рослини. Однак тривалий вплив чистого червоного світла на листя огірків пошкоджує фотосистему, що призведе до феномену «синдрому червоного світла», такого як затримка продихової реакції, зниження фотосинтетичної здатності та ефективності використання азоту, а також уповільнення росту. За умови низької інтенсивності світла (100±5 мкмоль/(м2•с)) чисте червоне світло може пошкодити хлоропласти як молодих, так і зрілих листків огірка, але пошкоджені хлоропласти відновлюються після заміни чистого червоного світла. до червоного та синього світла (R:B= 7:3). Навпаки, коли рослини огірка перейшли з середовища червоно-синього світла на середовище чистого червоного світла, фотосинтетична ефективність не зменшилася суттєво, демонструючи адаптивність до середовища червоного світла. Завдяки електронному мікроскопу досліджуючи структуру листя розсади огірків із «синдромом червоного світла», експериментатори виявили, що кількість хлоропластів, розмір гранул крохмалю та товщина зерна в листках під чистим червоним світлом були значно нижчими, ніж під час освітлення. лікування білим світлом. Втручання синього світла покращує ультраструктуру та фотосинтетичні характеристики хлоропластів огірка та усуває надмірне накопичення поживних речовин. Порівняно з білим світлом, червоним і синім світлом, чисте червоне світло сприяло подовженню гіпокотилю та розширенню сім’ядолей розсади томатів, значно збільшувало висоту рослини та площу листя, але значно знижувало фотосинтетичну здатність, знижувало вміст Rubisco та фотохімічну ефективність, а також значно збільшувало розсіювання тепла. Можна побачити, що різні типи рослин по-різному реагують на однакову якість світла, але порівняно з монохроматичним світлом рослини мають вищу ефективність фотосинтезу та більш інтенсивний ріст у середовищі змішаного світла.

Дослідники провели багато досліджень щодо оптимізації поєднання якості світла розсади овочів. За однакової інтенсивності освітлення зі збільшенням співвідношення червоного світла висота рослин і свіжа маса розсади помідорів і огірків значно покращувалися, а найкращий ефект мала обробка із співвідношенням червоного до синього 3:1; Навпаки, високий коефіцієнт синього світла пригнічував ріст розсади томатів та огірків, які були низькорослими та компактними, але підвищував вміст сухої речовини та хлорофілу в пагонах розсади. Подібні закономірності спостерігаються і в інших культурах, таких як перець і кавун. Крім того, порівняно з білим світлом, червоне та синє світло (R:B=3:1) не тільки значно покращили товщину листя, вміст хлорофілу, ефективність фотосинтезу та ефективність перенесення електронів розсади томатів, а й рівні експресії пов’язаних із цим ферментів. до циклу Кальвіна, вегетаріанський вміст росту та накопичення вуглеводів також значно покращилися. Порівнюючи два співвідношення червоного та синього світла (R:B=2:1, 4:1), більш високе співвідношення синього світла було більш сприятливим для індукції утворення жіночих квіток у розсади огірка та прискорило час цвітіння жіночих квіток. . Хоча різне співвідношення червоного та синього світла не мало суттєвого впливу на врожай свіжої ваги проростків листової капусти, руколи та гірчиці, високе співвідношення синього світла (30% синього світла) значно зменшувало довжину гіпокотилю та площу сім’ядолей листової капусти. і сходів гірчиці, при цьому забарвлення сім'ядолей поглибилася. Отже, у виробництві розсади відповідне збільшення частки синього світла може значно скоротити відстань між вузлами та площу листя розсади овочів, сприяти бічному витягуванню розсади та покращити індекс міцності розсади, що сприяє вирощування міцної розсади. За умови незмінної інтенсивності освітлення збільшення зеленого світла в червоному та синьому світлі значно покращувало свіжу масу, площу листка та висоту рослин розсади перцю солодкого. Порівняно з традиційною білою люмінесцентною лампою, в умовах червоно-зелено-синього (R3:G2:B5) освітлення Y[II], qP та ETR розсади помідорів 'Okagi No. 1' були значно покращені. Додавання УФ-світла (100 мкмоль/(м2•с) синього світла + 7% УФ-А) до чистого синього світла значно зменшувало швидкість подовження стебла руколи та гірчиці, тоді як додавання FR було навпаки. Це також показує, що крім червоного та синього світла, інші якості світла також відіграють важливу роль у процесі росту та розвитку рослин. Хоча ні ультрафіолетове світло, ні FR не є джерелом енергії фотосинтезу, обидва вони беруть участь у фотоморфогенезі рослин. УФ-світло високої інтенсивності шкідливе для ДНК і білків рослин тощо. Однак УФ-світло активує клітинні реакції на стрес, викликаючи зміни в рості, морфології та розвитку рослин, щоб адаптуватися до змін навколишнього середовища. Дослідження показали, що нижчий R/FR викликає реакції уникнення тіні у рослин, що призводить до морфологічних змін у рослинах, таких як подовження стебла, витончення листя та зниження врожаю сухої речовини. Тонкий стебло не є хорошою ознакою зростання для вирощування сильної розсади. Для загальної розсади листових і плодових овочів тверда, компактна і пружна розсада не схильна до проблем під час транспортування і посадки.

УФ-А може зробити рослини розсади огірків нижчими та компактнішими, а врожайність після пересадки істотно не відрізняється від контрольної; в той час як UV-B має більш значний інгібуючий ефект, і ефект зниження врожаю після пересадки незначний. Попередні дослідження показали, що УФ-А пригнічує ріст рослин і робить рослини карликовими. Але є все більше доказів того, що присутність УФ-А замість того, щоб пригнічувати біомасу сільськогосподарських культур, насправді сприяє цьому. У порівнянні з основним червоно-білим світлом (R:W=2:3, PPFD становить 250 мкмоль/(м2·с)), додаткова інтенсивність червоно-білого світла становить 10 Вт/м2 (приблизно 10 мкмоль/(м2·с)). s)) УФ-А капусти кале значно збільшило біомасу, довжину міжвузля, діаметр стебла та ширину рослинного покрову проростків капусти кале, але ефект просування був послаблений, коли інтенсивність УФ перевищувала 10 Вт/м2. Щоденне 2-годинне додавання УФ-А (0,45 Дж/(м2•с)) може значно збільшити висоту рослини, площу сім’ядолей і свіжу вагу розсади томатів «Волове серце», одночасно зменшуючи вміст H2O2 у розсаді томатів. Можна побачити, що різні культури по-різному реагують на ультрафіолетове світло, що може бути пов’язано з чутливістю культур до ультрафіолетового світла.

Для вирощування щеплених саджанців необхідно відповідно збільшити довжину держака, щоб полегшити щеплення підщепи. Різна інтенсивність ФР по-різному впливала на ріст розсади томатів, перцю, огірків, гарбузів та кавунів. Додавання 18,9 мкмоль/(м2•с) FR у холодному білому світлі значно збільшило довжину гіпокотилю та діаметр стебла розсади томатів і перцю; FR 34,1 мкмоль/(м2•с) мав найкращий вплив на підвищення довжини гіпокотилю та діаметра стебла проростків огірка, гарбуза та кавуна; висока інтенсивність FR (53,4 мкмоль/(м2•с)) мала найкращий вплив на ці п’ять овочів. Довжина гіпокотилю та діаметр стебла сіянців більше не збільшувалися суттєво, а почали демонструвати тенденцію до зменшення. Свіжа вага проростків перцю значно зменшилася, що свідчить про те, що значення насичення FR п’яти проростків овочів були нижчими за 53,4 мкмоль/(м2•с), а значення FR було значно нижчим, ніж значення FR. Вплив на ріст розсади різних овочів також різний.

2.2 Вплив різного інтегралу денного світла на фотоморфогенез проростків овочів

Інтеграл денного світла (DLI) представляє загальну кількість фотосинтетичних фотонів, отриманих поверхнею рослини за день, яка пов’язана з інтенсивністю світла та часом світла. Формула обчислення DLI (моль/м2/день) = інтенсивність світла [мкмоль/(м2•с)] × добовий час освітлення (год) × 3600 × 10-6. У середовищі з низькою інтенсивністю освітлення рослини реагують на слабке освітлення подовженням стебла та міжвузлів, збільшенням висоти рослини, довжини черешка та площі листя, а також зменшенням товщини листя та чистої швидкості фотосинтезу. Зі збільшенням інтенсивності освітлення, за винятком гірчиці, довжина гіпокотилю та подовження стебла проростків руколи, капусти та листової капусти за однакової якості освітлення значно зменшувалися. Можна побачити, що вплив світла на ріст і морфогенез рослин пов’язаний з інтенсивністю освітлення та видом рослин. Зі збільшенням DLI (8,64~28,8 моль/м2/добу) рослинний тип сходів огірків ставав низькорослим, міцним і компактним, а питома маса листка та вміст хлорофілу поступово знижувалися. Через 6-16 днів після посіву огірків на розсаду листя і коріння підсихали. Маса поступово збільшувалася, темпи росту поступово прискорювалися, але через 16-21 день після посіву швидкість росту листків і коренів розсади огірків значно зменшувалася. Покращений DLI підвищив чисту швидкість фотосинтезу розсади огірків, але після певного значення чиста швидкість фотосинтезу почала знижуватися. Тому вибір відповідного DLI та застосування різних стратегій додаткового освітлення на різних стадіях росту розсади може зменшити споживання електроенергії. Вміст розчинного цукру та ферменту СОД у проростках огірків і томатів зростав зі збільшенням інтенсивності ДЛІ. При збільшенні інтенсивності ДЛІ від 7,47 моль/м2/добу до 11,26 моль/м2/добу вміст розчинного цукру та ферменту СОД у проростках огірка збільшився на 81,03 % та 55,5 % відповідно. За тих самих умов DLI, зі збільшенням інтенсивності освітлення та скороченням часу освітлення, активність PSII у розсади томатів і огірків пригнічувалася, а вибір додаткової стратегії освітлення з низькою інтенсивністю та довгою тривалістю був більш сприятливим для вирощування високої розсади. показник і фотохімічна ефективність розсади огірків і томатів.

При виробництві щеплених саджанців низька освітленість може призвести до зниження якості щеплених саджанців і збільшення часу загоєння. Відповідна інтенсивність освітлення може не тільки посилити зв’язувальну здатність щепленого місця загоєння та покращити індекс сильних саджанців, але також зменшити положення вузла жіночих квіток і збільшити кількість жіночих квіток. На рослинницьких заводах DLI 2,5-7,5 моль/м2/день був достатнім, щоб задовольнити потреби в загоєнні щепленої розсади томатів. Компактність і товщина листя щепленої розсади томатів суттєво зростала зі збільшенням інтенсивності ДЛІ. Це свідчить про те, що щеплені саджанці не потребують високої інтенсивності освітлення для загоєння. Тому, беручи до уваги споживання електроенергії та середовище посадки, вибір відповідної інтенсивності освітлення допоможе збільшити економічні вигоди.

3. Вплив світлодіодного освітлення на стресостійкість розсади овочів

Рослини отримують зовнішні світлові сигнали через фоторецептори, спричиняючи синтез і накопичення сигнальних молекул у рослині, тим самим змінюючи ріст і функцію органів рослини та, зрештою, покращуючи стійкість рослини до стресу. Різна якість освітлення має певний стимулюючий вплив на підвищення холодостійкості та солостійкості розсади. Наприклад, коли розсада томатів була доповнена освітленням протягом 4 годин вночі, порівняно з обробкою без додаткового освітлення, біле світло, червоне світло, синє світло, а також червоне та синє світло могли знизити проникність електроліту та вміст MDA у розсаді томатів, і покращити морозостійкість. Активність SOD, POD і CAT у розсаді томатів при обробці червоно-синього співвідношення 8:2 була значно вищою, ніж при інших обробках, і вони мали вищу антиоксидантну здатність і холодостійкість.

Вплив УФ-В на ріст коренів сої головним чином полягає в покращенні стресостійкості рослин шляхом збільшення вмісту кореневих NO та АФК, включаючи сигнальні молекули гормонів, таких як ABA, SA та JA, та пригнічення розвитку коренів шляхом зменшення вмісту IAA , CTK і GA. Фоторецептор УФ-В, UVR8, бере участь не тільки в регуляції фотоморфогенезу, але також відіграє ключову роль в УФ-В стресі. У розсаді томатів UVR8 бере участь у синтезі та накопиченні антоціанів, а акліматизована до УФ-променів розсада диких томатів покращує свою здатність справлятися зі стресом високої інтенсивності УФ-В. Однак адаптація УФ-В до посухового стресу, спричиненого арабідопсисом, не залежить від шляху UVR8, що вказує на те, що УФ-В діє як індукована сигналом перехресна реакція захисних механізмів рослин, так що різноманітні гормони спільно діють бере участь у протистоянні посуховому стресу, збільшуючи здатність поглинати АФК.

Як подовження гіпокотилю рослини або стебла, викликане FR, так і адаптація рослин до холодового стресу регулюються рослинними гормонами. Отже, «ефект уникнення тіні», спричинений FR, пов’язаний із адаптацією рослин до холоду. Експериментатори доповнювали проростки ячменю через 18 днів після проростання при 15°C протягом 10 днів, охолоджуючи до 5°C + додаючи FR протягом 7 днів, і виявили, що порівняно з обробкою білим світлом FR підвищує морозостійкість проростків ячменю. Цей процес супроводжується підвищенням вмісту АБК та ІУК у проростках ячменю. Подальше перенесення проростків ячменю, попередньо оброблених 15°C FR, до 5°C і продовження додавання FR протягом 7 днів призвело до результатів, подібних до двох описаних вище обробок, але зі зниженою відповіддю ABA. Рослини з різними значеннями R:FR контролюють біосинтез фітогормонів (GA, IAA, CTK і ABA), які також беруть участь у солестійкості рослин. В умовах сольового стресу освітлене середовище з низьким співвідношенням R:FR може покращити антиоксидантну та фотосинтетичну здатність розсади томатів, зменшити виробництво ROS та MDA у розсади та покращити стійкість до солі. І стрес солоності, і низьке значення R:FR (R:FR=0,8) пригнічують біосинтез хлорофілу, що може бути пов’язано з блокуванням перетворення PBG в UroIII на шляху синтезу хлорофілу, тоді як низьке середовище R:FR може ефективно полегшити солоність Стрес-індуковане порушення синтезу хлорофілу. Ці результати вказують на значну кореляцію між фітохромами та стійкістю до солі.

Крім освітленості, на ріст і якість розсади овочів впливають і інші чинники зовнішнього середовища. Наприклад, збільшення концентрації CO2 збільшить максимальне значення світлової насиченості Pn (Pnmax), зменшить точку компенсації світла та покращить ефективність використання світла. Збільшення інтенсивності освітлення та концентрації СО2 сприяє покращенню вмісту фотосинтетичних пігментів, ефективності використання води та активності ферментів, пов’язаних із циклом Кальвіна, і, нарешті, досягненню вищої фотосинтетичної ефективності та накопичення біомаси розсади томатів. Суха вага та компактність розсади томатів і перцю позитивно корелювали з DLI, а зміна температури також вплинула на ріст за такої ж обробки DLI. Середовище 23~25 ℃ було більш придатним для вирощування розсади томатів. Залежно від температури та умов освітлення дослідники розробили метод прогнозування відносної швидкості росту перцю на основі моделі розподілу бат, який може забезпечити наукове керівництво для екологічного регулювання виробництва щепленої розсади перцю.

Тому, розробляючи схему регулювання освітленості у виробництві, слід враховувати не лише фактори освітленості та види рослин, а й фактори вирощування та управління, такі як живлення розсади та управління водою, газове середовище, температура та стадія росту розсади.

4. Проблеми та перспективи

По-перше, регулювання освітленості розсади овочів є складним процесом, і слід детально проаналізувати вплив різних умов освітлення на різні типи розсади овочів у рослинницькому середовищі. Це означає, що для досягнення мети високоефективного та високоякісного виробництва розсади необхідні безперервні дослідження для створення зрілої технічної системи.

По-друге, хоча коефіцієнт використання потужності світлодіодного джерела світла є відносно високим, споживання електроенергії для освітлення рослин є основним споживанням енергії для вирощування розсади з використанням штучного освітлення. Величезне споживання енергії заводами все ще є вузьким місцем, що обмежує розвиток заводів.

Нарешті, із широким застосуванням освітлення рослин у сільському господарстві, очікується, що вартість світлодіодних світильників для рослин значно зменшиться в майбутньому; навпаки, зростання витрат на робочу силу, особливо в постепідемічний період, нестача робочої сили неминуче сприятиме процесу механізації та автоматизації виробництва. У майбутньому моделі управління на основі штучного інтелекту та інтелектуальне виробниче обладнання стануть одними з основних технологій виробництва розсади овочів і продовжуватимуть сприяти розвитку технології фабричної розсади.

Автори: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Джерело статті: обліковий запис Wechat Agricultural Engineering Technology (парникове садівництво)