Анотація: Розсада овочів є першим кроком у виробництві овочів, і якість розсади дуже важлива для врожайності та якості овочів після посадки. З постійним удосконаленням розподілу праці в овочевій галузі, розсада овочів поступово сформувала незалежний промисловий ланцюг і обслуговує виробництво овочів. Під впливом негоди традиційні методи вирощування розсади неминуче стикаються з багатьма проблемами, такими як повільний ріст розсади, низькорослий ріст, а також шкідники та хвороби. Для боротьби з низькорослим сіянцем багато комерційних виробників використовують регулятори росту. Однак, використання регуляторів росту пов'язане з ризиками жорсткості розсади, безпеки харчових продуктів та забруднення навколишнього середовища. Окрім хімічних методів боротьби, хоча механічна стимуляція, контроль температури та води також можуть відігравати певну роль у запобіганні низькорослому росту розсади, вони дещо менш зручні та ефективні. Під впливом глобальної епідемії Covid-19 проблеми труднощів управління виробництвом, спричинені нестачею робочої сили та зростанням витрат на робочу силу в розсадній галузі, стали більш помітними.

З розвитком освітлювальних технологій використання штучного світла для вирощування розсади овочів має такі переваги, як висока ефективність розсади, менша кількість шкідників та хвороб, а також легка стандартизація. Порівняно з традиційними джерелами світла, світлодіодні джерела світла нового покоління мають такі характеристики, як енергозбереження, висока ефективність, тривалий термін служби, захист навколишнього середовища та довговічність, невеликі розміри, низьке теплове випромінювання та мала амплітуда довжини хвилі. Вони можуть формувати відповідний спектр відповідно до потреб росту та розвитку розсади в умовах рослинних заводів та точно контролювати фізіологічні та метаболічні процеси розсади, водночас сприяючи екологічно чистому, стандартизованому та швидкому виробництву розсади овочів, а також скорочуючи цикл розсади. У Південному Китаї вирощування розсади перцю та помідорів (3-4 справжні листки) у пластикових теплицях займає близько 60 днів, а розсади огірків (3-5 справжніх листків) – близько 35 днів. В умовах рослинних заводів вирощування розсади помідорів займає лише 17 днів, а розсади перцю – 25 днів за умов фотоперіоду 20 годин та показника площі проростання 200-300 мкмоль/(м2•с). Порівняно зі звичайним методом вирощування розсади в теплиці, використання методу вирощування заводської розсади на світлодіодних рослинах значно скоротило цикл росту огірка на 15-30 днів, а кількість жіночих квіток і плодів на рослину збільшилася на 33,8% і 37,3% відповідно, а найвища врожайність збільшилася на 71,44%.

Що стосується ефективності використання енергії, то ефективність використання енергії на заводах з виробництва рослин вища, ніж у теплицях типу Венло на тій самій широті. Наприклад, на шведському заводі з виробництва рослин для виробництва 1 кг сухої речовини салату потрібно 1411 МДж, тоді як у теплиці потрібно 1699 МДж. Однак, якщо розрахувати електроенергію, необхідну на кілограм сухої речовини салату, то заводу з виробництва рослин 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, 70 кВт·год та 111 кВт·год відповідно.

Водночас, на заводах з вирощування рослин використання комп'ютерів, автоматичного обладнання, штучного інтелекту та інших технологій дозволяє точно контролювати умови навколишнього середовища, придатні для вирощування розсади, позбавлятися обмежень природних умов та реалізовувати інтелектуальне, механізоване та щорічно стабільне виробництво розсади. В останні роки заводські розсада використовується в комерційному виробництві листових овочів, плодових культур та інших економічно вигідних культур у Японії, Південній Кореї, Європі, Сполучених Штатах та інших країнах. Високі початкові інвестиції в заводи з вирощування рослин, високі експлуатаційні витрати та величезне енергоспоживання системи все ще є перешкодами, що обмежують просування технології вирощування розсади на китайських заводах з вирощування рослин. Тому необхідно враховувати вимоги високої врожайності та енергозбереження з точки зору стратегій управління освітленням, встановлення моделей вирощування овочів та автоматизованого обладнання для підвищення економічної вигоди.

У цій статті розглядається вплив світлодіодного освітлення на ріст і розвиток розсади овочів на заводах з виробництва рослинної муки за останні роки, а також розглядається напрямок досліджень регулювання освітлення розсади овочів на заводах.

1. Вплив світлового середовища на ріст і розвиток розсади овочів

Як один з найважливіших факторів навколишнього середовища для росту та розвитку рослин, світло є не лише джерелом енергії для фотосинтезу, але й ключовим сигналом, що впливає на фотоморфогенез рослин. Рослини відчувають напрямок, енергію та якість світла сигналу за допомогою системи світлових сигналів, регулюють власний ріст і розвиток, а також реагують на наявність або відсутність, довжину хвилі, інтенсивність та тривалість світла. Наразі відомі фоторецептори рослин включають щонайменше три класи: фітохроми (PHYA~PHYE), що відчувають червоне та далеке червоне світло (FR), криптохроми (CRY1 та CRY2), що відчувають синє та ультрафіолетове випромінювання А, та елементи (Phot1 та Phot2), рецептор УФ-В випромінювання UVR8, що відчуває УФ-В. Ці фоторецептори беруть участь в експресії споріднених генів та регулюють її, а потім регулюють життєву активність, таку як проростання насіння рослин, фотоморфогенез, час цвітіння, синтез та накопичення вторинних метаболітів, а також стійкість до біотичних та абіотичних стресів.

2. Вплив світлодіодного освітлення на фотоморфологічне формування розсади овочів

2.1 Вплив різної якості світла на фотоморфогенез розсади овочів

Червона та синя області спектру мають високу квантову ефективність для фотосинтезу листя рослин. Однак тривалий вплив чистого червоного світла на листя огірка пошкоджує фотосистему, що призводить до явища «синдрому червоного світла», такого як затримка розвитку продихів, зниження фотосинтетичної здатності та ефективності використання азоту, а також затримка росту. За умов низької інтенсивності світла (100±5 мкмоль/(м2•с)) чисте червоне світло може пошкодити хлоропласти як молодого, так і зрілого листя огірка, але пошкоджені хлоропласти відновлюються після зміни чистого червоного світла на червоне та синє світло (R:B= 7:3). Навпаки, коли рослини огірка переходили з червоно-синього середовища на чисте червоне середовище, ефективність фотосинтезу суттєво не знижувалася, що свідчить про адаптивність до середовища червоного світла. За допомогою електронно-мікроскопічного аналізу структури листя розсади огірка з «синдромом червоного світла» експериментатори виявили, що кількість хлоропластів, розмір крохмальних гранул та товщина гранул у листках під впливом чистого червоного світла були значно меншими, ніж під впливом білого світла. Вплив синього світла покращує ультраструктуру та фотосинтетичні характеристики хлоропластів огірка та усуває надмірне накопичення поживних речовин. Порівняно з білим світлом, червоним та синім світлом, чисте червоне світло сприяло подовженню гіпокотиля та розширенню сім'ядоль розсади томатів, значно збільшувало висоту рослин та площу листя, але значно знижувало фотосинтетичну здатність, знижувало вміст Rubisco та фотохімічну ефективність, а також значно збільшувало тепловіддачу. 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 енергійний ріст в середовищі змішаного світла.

Дослідники провели багато досліджень щодо оптимізації комбінації якості освітлення розсади овочів. За тієї ж інтенсивності освітлення, зі збільшенням співвідношення червоного світла, висота рослин та свіжа вага розсади помідорів та огірків значно покращилися, а обробка співвідношенням червоного до синього 3:1 мала найкращий ефект; навпаки, високе співвідношення синього світла пригнічувало ріст розсади помідорів та огірків, яка була короткою та компактною, але збільшувало вміст сухої речовини та хлорофілу в пагонах розсади. Подібні закономірності спостерігаються і в інших культурах, таких як перець та кавуни. Крім того, порівняно з білим світлом, червоне та синє світло (R:B=3:1) не тільки значно покращило товщину листя, вміст хлорофілу, ефективність фотосинтезу та ефективність переносу електронів розсади помідорів, але й значно покращило рівень експресії ферментів, пов'язаних з циклом Кальвіна, ріст, вміст рослинних речовин та накопичення вуглеводів. Порівнюючи два співвідношення червоного та синього світла (R:B=2:1, 4:1), вище співвідношення синього світла більше сприяло стимулюванню формування жіночих квіток у розсаді огірка та прискорювало час цвітіння жіночих квіток. Хоча різні співвідношення червоного та синього світла не мали суттєвого впливу на врожайність сирої ваги розсади капусти кейл, руколи та гірчиці, високе співвідношення синього світла (30% синього світла) значно зменшило довжину гіпокотиля та площу сім'ядоль розсади капусти кейл та гірчиці, тоді як колір сім'ядоль поглибився. Тому при виробництві розсади відповідне збільшення частки синього світла може значно скоротити відстань між вузлами та площу листя овочевих розсад, сприяти бічному розростанню розсади та покращити показник міцності розсади, що сприяє вирощуванню міцної розсади. За умови, що інтенсивність світла залишалася незмінною, збільшення зеленого світла в червоному та синьому світлі значно покращило сиру масу, площу листя та висоту рослин розсади солодкого перцю. Порівняно з традиційною білою люмінесцентною лампою, за умов червоно-зелено-синього освітлення (R3:G2:B5), показники Y[II], qP та ETR розсади томатів «Окагі № 1» значно покращилися. Додавання УФ-світла (100 мкмоль/(м2•с) синього світла + 7% УФ-А) до чистого синього світла значно знизило швидкість видовження стебла руколи та гірчиці, тоді як додавання FR мало протилежний ефект. Це також показує, що, окрім 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 для фотосинтезу, вони обидва беруть участь у фотоморфогенезі рослин. Високоінтенсивне УФ-світло шкідливе для ДНК та білків рослин тощо. Однак УФ-світло активує клітинні стресові реакції, що викликає зміни в рості, морфології та розвитку рослин для адаптації до змін навколишнього середовища. Дослідження показали, що нижчий показник R/FR викликає реакції уникнення тіні у рослин, що призводить до морфологічних змін у рослинах, таких як видовження стебла, витончення листя та зниження врожайності сухої речовини. Тонке стебло не є хорошою рисою росту для вирощування міцної розсади. Для звичайних листяних та плодових овочів тверда, компактна та еластична розсада не схильна до проблем під час транспортування та посадки.

УФ-А може зробити рослини розсади огірка коротшими та компактнішими, а врожайність після пересадки суттєво не відрізняється від контрольної групи; тоді як УФ-В має більш значний інгібуючий ефект, а ефект зниження врожайності після пересадки не є суттєвим. Попередні дослідження показали, що УФ-А пригнічує ріст рослин і робить їх карликовими. Але з'являється все більше доказів того, що присутність УФ-А, замість того, щоб пригнічувати біомасу культури, насправді сприяє їй. Порівняно з основним червоним та білим світлом (R:W=2:3, PPFD становить 250 мкмоль/(м2·с)), додаткова інтенсивність червоного та білого світла становить 10 Вт/м2 (близько 10 мкмоль/(м2·с)). УФ-А значно збільшував біомасу, довжину міжвузлів, діаметр стебла та ширину крони рослин розсади капусти капусти, але стимулюючий ефект послаблювався, коли інтенсивність УФ перевищувала 10 Вт/м2. Щоденне 2-годинне додавання УФ-А (0,45 Дж/(м2•с)) може значно збільшити висоту рослин, площу сім'ядоль та свіжу масу розсади томатів сорту «Оксхарт», одночасно зменшуючи вміст H2O2 у розсаді томатів. Можна побачити, що різні культури по-різному реагують на УФ-світло, що може бути пов'язано з чутливістю культур до УФ-світла.

Для вирощування щеплених саджанців довжину стебла слід відповідно збільшити, щоб полегшити щеплення підщепи. Різна інтенсивність FR мала різний вплив на ріст саджанців помідорів, перцю, огірків, гарбузів та кавунів. Добавка 18,9 мкмоль/(м2•с) FR у холодному білому світлі значно збільшила довжину гіпокотиля та діаметр стебла саджанців помідорів та перцю; FR 34,1 мкмоль/(м2•с) мала найкращий вплив на збільшення довжини гіпокотиля та діаметра стебла саджанців огірків, гарбузів та кавунів; FR високої інтенсивності (53,4 мкмоль/(м2•с)) мала найкращий вплив на ці п'ять овочів. Довжина гіпокотиля та діаметр стебла саджанців більше не збільшувалися суттєво та почали демонструвати тенденцію до зниження. Свіжа маса саджанців перцю значно зменшилася, що свідчить про те, що значення насичення FR п'яти овочевих саджанців були нижчими за 53,4 мкмоль/(м2•с), а значення FR було значно нижчим, ніж у FR. Вплив на ріст різних розсад овочів також різний.

2.2 Вплив різних інтегралів денного освітлення на фотоморфогенез розсади овочів

Інтеграл денного освітлення (ІДОЛ) відображає загальну кількість фотосинтетичних фотонів, отриманих поверхнею рослини протягом дня, що пов'язано з інтенсивністю світла та тривалістю освітлення. Формула розрахунку: ІДОЛ (моль/м2/день) = інтенсивність світла [мкмоль/(м2•с)] × Добовий світловий час (год) × 3600 × 10-6. У середовищі з низькою інтенсивністю освітлення рослини реагують на низьку освітленість подовженням довжини стебла та міжвузля, збільшенням висоти рослини, довжини черешка та площі листя, а також зменшенням товщини листя та чистої швидкості фотосинтезу. Зі збільшенням інтенсивності світла, за винятком гірчиці, довжина гіпокотиля та подовження стебла розсади руколи, капусти та кале за тієї ж якості освітлення значно зменшилися. Можна побачити, що вплив світла на ріст рослин та морфогенез пов'язаний з інтенсивністю світла та видом рослин. Зі збільшенням ІДОЛ (8,64~28,8 моль/м2/день) тип рослин розсади огірка ставав коротким, міцним та компактним, а питома вага листя та вміст хлорофілу поступово зменшувалися. Через 6~16 днів після посіву розсади огірків листя та коріння підсихали. Вага поступово збільшувалася, а темпи росту поступово прискорювалися, але через 16-21 день після посіву темпи росту листя та коренів розсади огірків значно знизилися. Підвищена інтенсивність денного освітлення (ДЛІ) сприяла збільшенню чистої швидкості фотосинтезу розсади огірків, але після певного значення чиста швидкість фотосинтезу почала знижуватися. Тому вибір відповідної ДЛІ та застосування різних стратегій додаткового освітлення на різних стадіях росту розсади може зменшити споживання енергії. Вміст розчинного цукру та ферменту СОД у розсаді огірків та помідорів збільшувався зі збільшенням інтенсивності ДЛІ. Коли інтенсивність ДЛІ збільшувалася з 7,47 моль/м2/день до 11,26 моль/м2/день, вміст розчинного цукру та ферменту СОД у розсаді огірків збільшувався на 81,03% та 55,5% відповідно. За тих самих умов DLI, зі збільшенням інтенсивності світла та скороченням світлового часу, активність PSII розсади томатів та огірків пригнічувалася, а вибір додаткової світлової стратегії з низькою інтенсивністю світла та тривалою тривалістю був більш сприятливим для вирощування розсади огірків та томатів з високим індексом розсади та фотохімічною ефективністю.

Під час вирощування щеплених саджанців низька освітленість може призвести до зниження якості щеплених саджанців та збільшення часу загоєння. Відповідна інтенсивність світла може не тільки покращити здатність місця загоєння щепленої розсади до зв'язування та покращити індекс міцних саджанців, але й зменшити розташування вузлів жіночих квіток та збільшити їх кількість. На заводах з вирощування довжина освітлення 2,5-7,5 моль/м2/день була достатньою для задоволення потреб щеплених саджанців томатів у загоєнні. Компактність та товщина листя щеплених саджанців томатів значно зростали зі збільшенням інтенсивності довжини освітлення. Це показує, що щеплені саджанці не потребують високої інтенсивності світла для загоєння. Тому, враховуючи споживання енергії та середовище посадки, вибір відповідної інтенсивності світла допоможе покращити економічні вигоди.

3. Вплив світлодіодного освітлення на стресостійкість розсади овочів

Рослини отримують зовнішні світлові сигнали через фоторецептори, що призводить до синтезу та накопичення сигнальних молекул у рослині, тим самим змінюючи ріст і функцію органів рослини та зрештою покращуючи стійкість рослини до стресу. Різна якість світла має певний стимулюючий вплив на покращення холодостійкості та солестійкості розсади. Наприклад, коли розсаду помідорів додатково освітлювали протягом 4 годин вночі, порівняно з обробкою без додаткового світла, біле світло, червоне світло, синє світло, а також червоне та синє світло могли знизити проникність електролітів та вміст MDA у розсаді помідорів, а також покращити холодостійкість. Активність SOD, POD та CAT у розсаді помідорів, обробленій співвідношенням червоного та синього 8:2, була значно вищою, ніж у інших обробках, і вона мала вищу антиоксидантну здатність та холодостійкість.

Вплив УФ-В на ріст коренів сої полягає головним чином у покращенні стійкості рослин до стресу шляхом збільшення вмісту в коренях NO та ROS, включаючи гормональні сигнальні молекули, такі як ABA, SA та JA, та пригніченні розвитку коренів шляхом зниження вмісту IAA, CTK та GA. Фоторецептор УФ-В, UVR8, не тільки бере участь у регуляції фотоморфогенезу, але й відіграє ключову роль у стресі, спричиненому УФ-В. У розсади томатів UVR8 опосередковує синтез та накопичення антоціанів, а акліматизовані до УФ розсада диких томатів покращує свою здатність справлятися з високоінтенсивним стресом від УФ-В. Однак адаптація УФ-В до стресу від посухи, викликаного Arabidopsis, не залежить від шляху UVR8, що вказує на те, що УФ-В діє як сигнально-індукована перехресна відповідь захисних механізмів рослин, так що різноманітні гормони спільно беруть участь у протистоянні стресу від посухи, збільшуючи здатність поглинати ROS.

Як видовження гіпокотиля рослини або стебла, спричинене FR, так і адаптація рослин до холодового стресу регулюються рослинними гормонами. Отже, «ефект уникнення тіні», спричинений FR, пов'язаний з адаптацією рослин до холоду. Експериментатори доповнили проростки ячменю через 18 днів після проростання при температурі 15°C протягом 10 днів, охолодженні до 5°C + додаванні FR протягом 7 днів, і виявили, що порівняно з обробкою білим світлом, FR підвищила морозостійкість проростків ячменю. Цей процес супроводжується підвищенням вмісту ABA та IAA у проростках ячменю. Подальше перенесення проростків ячменю, попередньо оброблених FR при 15°C, до 5°C та продовження додавання FR протягом 7 днів призвели до результатів, подібних до двох вищезгаданих обробок, але зі зниженою реакцією ABA. Рослини з різними значеннями R:FR контролюють біосинтез фітогормонів (GA, IAA, CTK та ABA), які також беруть участь у солестійкості рослин. В умовах сольового стресу світлове середовище з низьким співвідношенням R:FR може покращити антиоксидантну та фотосинтетичну здатність розсади томатів, зменшити вироблення активних форм кисню (ROS) та малодіолового динатрію (MDA) у розсаді, а також покращити солестійкість. Як солестійкий стрес, так і низьке значення R:FR (R:FR=0,8) пригнічували біосинтез хлорофілу, що може бути пов'язано з блокуванням перетворення PBG на UroIII у шляху синтезу хлорофілу, тоді як середовище з низьким співвідношенням R:FR може ефективно полегшити порушення синтезу хлорофілу, викликане сольовим стресом. Ці результати вказують на значну кореляцію між фітохромами та солестійкістю.

Окрім світлового середовища, інші фактори навколишнього середовища також впливають на ріст та якість розсади овочів. Наприклад, збільшення концентрації CO2 збільшить максимальне значення насичення світлом Pn (Pnmax), знизить точку компенсації світла та покращить ефективність використання світла. Збільшення інтенсивності світла та концентрації CO2 допомагає покращити вміст фотосинтетичних пігментів, ефективність використання води та активність ферментів, пов'язаних з циклом Кальвіна, і, зрештою, досягти вищої фотосинтетичної ефективності та накопичення біомаси розсадою томатів. Суха маса та компактність розсади томатів та перцю позитивно корелювали з DLI, а зміна температури також впливала на ріст за тієї ж обробки DLI. Середовище з температурою 23~25℃ було більш придатним для росту розсади томатів. Залежно від температури та світлових умов, дослідники розробили метод прогнозування відносної швидкості росту перцю на основі моделі розподілу осаду, яка може забезпечити наукове керівництво для регулювання навколишнього середовища виробництвом щепленої розсади перцю.

Тому, розробляючи схему регулювання освітлення у виробництві, слід враховувати не лише фактори світлового середовища та види рослин, але 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 освітлення розсади овочів є складним процесом, і вплив різних умов освітлення на різні види розсади овочів у середовищі рослинницької фабрики потребує детального аналізу. Це означає, що для досягнення мети високоефективного та високоякісного виробництва розсади необхідні постійні дослідження для створення зрілої технічної системи.

По-друге, хоча коефіцієнт використання потужності світлодіодного джерела світла є відносно високим, споживання енергії для освітлення рослин є основною витратою енергії на вирощування розсади з використанням штучного освітлення. Величезне споживання енергії рослинними заводами все ще є перешкодою, що обмежує розвиток рослинних заводів.

Зрештою, завдяки широкому застосуванню освітлення рослин у сільському господарстві, очікується, що вартість світлодіодних ламп для рослин у майбутньому значно знизиться; навпаки, зростання витрат на робочу силу, особливо в постепідемічну епоху, та нестача робочої сили неминуче сприятимуть процесу механізації та автоматизації виробництва. У майбутньому моделі управління на основі штучного інтелекту та інтелектуальне виробниче обладнання стануть однією з основних технологій виробництва розсади овочів та продовжуватимуть сприяти розвитку технології заводського вирощування розсади рослин.

Автори: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Джерело статті: обліковий запис Wechat про технології сільськогосподарської техніки (тепличне садівництво)