Авторы: Ямин Ли, Хоучэн Лю и др., Колледж садоводства, Южно-Китайский сельскохозяйственный университет.

Источник статьи: Тепличное садоводство

К основным типам тепличных комплексов относятся пластиковые теплицы, солнечные теплицы, многопролетные теплицы и заводы по выращиванию растений. Поскольку здания комплексов в определенной степени блокируют естественные источники света, внутри помещений недостаточно освещения, что, в свою очередь, снижает урожайность и качество продукции. Поэтому дополнительное освещение играет незаменимую роль в обеспечении высокого качества и урожайности сельскохозяйственных культур, но также стало одним из основных факторов увеличения энергопотребления и эксплуатационных расходов комплекса.

Долгое время в сфере озеленения растений в качестве искусственных источников света использовались в основном натриевые лампы высокого давления, люминесцентные лампы, металлогалогенные лампы, лампы накаливания и др. К основным недостаткам относятся высокое тепловыделение, высокое энергопотребление и высокие эксплуатационные расходы. Разработка светодиодов (LED) нового поколения позволила использовать в озеленении растений энергосберегающие искусственные источники света. Светодиоды обладают такими преимуществами, как высокая эффективность фотоэлектрического преобразования, питание от постоянного тока, малый объем, длительный срок службы, низкое энергопотребление, фиксированная длина волны, низкое тепловое излучение и экологичность. По сравнению с широко используемыми в настоящее время натриевыми лампами высокого давления и люминесцентными лампами, светодиоды позволяют не только регулировать количество и качество света (пропорции света различных диапазонов) в соответствии с потребностями роста растений, но и освещать растения на близком расстоянии благодаря своему холодному свету. Таким образом, можно увеличить количество ярусов выращивания и коэффициент использования пространства, а также реализовать функции энергосбережения, экологичности и эффективного использования пространства, которые не могут быть заменены традиционными источниками света.

Благодаря этим преимуществам светодиоды успешно используются в промышленном освещении для растениеводства, в фундаментальных исследованиях контролируемой среды, в культивировании растительных тканей, в производстве рассады на плантациях и в аэрокосмической экосистеме. В последние годы характеристики светодиодного освещения для выращивания растений улучшаются, цены снижаются, и постепенно разрабатываются различные продукты с определенными длинами волн, поэтому его применение в сельском хозяйстве и биологии будет расширяться.

В данной статье обобщается состояние исследований светодиодного освещения в области садоводства, рассматриваются вопросы применения дополнительного светодиодного освещения в основах световой биологии, его влияние на формирование светового режима растений, их питательную ценность и замедление старения, разработка и применение световых формул, а также анализируются текущие проблемы и перспективы развития технологии дополнительного светодиодного освещения.

Влияние дополнительного светодиодного освещения на рост садовых культур

Регулирующее воздействие света на рост и развитие растений включает в себя прорастание семян, удлинение стебля, развитие листьев и корней, фототропизм, синтез и разложение хлорофилла, а также индукцию цветения. Элементы светового режима в помещении включают интенсивность света, световой цикл и спектральное распределение. Эти элементы могут регулироваться с помощью искусственного освещения без ограничений, связанных с погодными условиями.

В настоящее время в растениях существует как минимум три типа фоторецепторов: фитохром (поглощающий красный и дальний красный свет), криптохром (поглощающий синий и ближний ультрафиолетовый свет) и УФ-А и УФ-В. Использование источников света определенной длины волны для облучения сельскохозяйственных культур может повысить эффективность фотосинтеза растений, ускорить световой морфогенез и способствовать росту и развитию растений. Для фотосинтеза растений использовался красно-оранжевый свет (610–720 нм) и сине-фиолетовый свет (400–510 нм). С помощью светодиодной технологии можно излучать монохроматический свет (например, красный свет с пиком 660 нм, синий свет с пиком 450 нм и т. д.) в соответствии с наиболее сильной полосой поглощения хлорофилла, при этом ширина спектрального диапазона составляет всего ± 20 нм.

В настоящее время считается, что красно-оранжевый свет значительно ускоряет развитие растений, способствует накоплению сухой массы, формированию луковиц, клубней, листовых луковиц и других органов растений, вызывает более раннее цветение и плодоношение, а также играет ведущую роль в усилении окраски растений; синий и фиолетовый свет могут контролировать фототропизм листьев растений, способствовать открытию устьев и движению хлоропластов, подавлять удлинение стебля, предотвращать удлинение растения, задерживать цветение и стимулировать рост вегетативных органов; комбинация красных и синих светодиодов может компенсировать недостаток света от одного цвета и формировать пик спектрального поглощения, в основном соответствующий фотосинтезу и морфологии растений. Коэффициент использования световой энергии может достигать 80-90%, а эффект энергосбережения значителен.

Использование дополнительных светодиодных светильников в садоводческих хозяйствах позволяет добиться значительного увеличения урожайности. Исследования показали, что количество плодов, общий урожай и вес каждого томата черри при дополнительном освещении светодиодными лентами и трубками интенсивностью 300 мкмоль/(м²·с) в течение 12 часов (с 8:00 до 20:00) значительно увеличиваются. При дополнительном освещении светодиодной лентой урожайность увеличивается на 42,67%, 66,89% и 16,97% соответственно, а при дополнительном освещении светодиодной трубкой — на 48,91%, 94,86% и 30,86% соответственно. Дополнительное светодиодное освещение в течение всего периода роста [соотношение красного и синего света 3:2, интенсивность света 300 мкмоль/(м²·с)] может значительно повысить качество отдельных плодов и урожайность на единицу площади у чиехва и баклажанов. Урожайность чикуцюаня увеличилась на 5,3% и 15,6%, а баклажанов — на 7,6% и 7,8%. Благодаря качеству светодиодного освещения, его интенсивности и продолжительности на протяжении всего периода роста, можно сократить цикл роста растений, повысить товарную урожайность, улучшить питательную ценность и морфологические характеристики сельскохозяйственной продукции, а также реализовать высокоэффективное, энергосберегающее и интеллектуальное производство садовых культур в промышленных масштабах.

Применение светодиодного дополнительного освещения при выращивании рассады овощей.

Регулирование морфологии, роста и развития растений с помощью светодиодных источников света является важной технологией в области тепличного выращивания. Высшие растения способны воспринимать световые сигналы через фоторецепторные системы, такие как фитохром, криптохром и фоторецепторы, и осуществлять морфологические изменения посредством внутриклеточных мессенджеров для регулирования растительных тканей и органов. Фотоморфогенез означает, что растения используют свет для контроля дифференциации клеток, структурных и функциональных изменений, а также формирования тканей и органов, включая влияние на прорастание некоторых семян, стимулирование апикального доминирования, подавление роста боковых почек, удлинение стебля и тропизм.

Выращивание рассады овощных культур является важной частью тепличного земледелия. Длительные дожди приводят к недостатку света в помещении, и рассада склонна к вытягиванию, что влияет на рост овощей, дифференциацию цветочных почек и развитие плодов, и в конечном итоге сказывается на урожайности и качестве. В производстве для регулирования роста рассады используются некоторые регуляторы роста растений, такие как гиббереллин, ауксин, паклобутразол и хлормекват. Однако нерациональное использование регуляторов роста растений может легко загрязнить окружающую среду, включающую овощи и теплицы, что негативно сказывается на здоровье человека.

Дополнительное светодиодное освещение обладает множеством уникальных преимуществ и является перспективным способом выращивания рассады. В эксперименте с дополнительным светодиодным освещением [25±5 мкмоль/(м²·с)], проведенном в условиях низкой освещенности [0~35 мкмоль/(м²·с)], было установлено, что зеленый свет способствует удлинению и росту рассады огурцов. Красный и синий свет подавляют рост рассады. По сравнению с естественным слабым светом, индекс жизнеспособности рассады, выращенной с использованием дополнительного красного и синего света, увеличился на 151,26% и 237,98% соответственно. По сравнению с монохроматическим освещением, индекс жизнеспособности рассады, содержащей красный и синий компоненты, при обработке комбинированным дополнительным светом увеличился на 304,46%.

Добавление красного света к рассаде огурцов может увеличить количество настоящих листьев, площадь листьев, высоту растения, диаметр стебля, сухое и свежее качество, индекс прочности рассады, жизнеспособность корней, активность СОД и содержание растворимых белков в рассаде огурцов. Дополнительное УФ-В излучение может увеличить содержание хлорофилла а, хлорофилла b и каротиноидов в листьях рассады огурцов. По сравнению с естественным светом, добавление красного и синего светодиодного света может значительно увеличить площадь листьев, качество сухого вещества и индекс прочности рассады томатов. Дополнительное красное и зеленое светодиодное излучение значительно увеличивает высоту и толщину стебля рассады томатов. Дополнительное зеленое светодиодное освещение может значительно увеличить биомассу рассады огурцов и томатов, при этом свежая и сухая масса рассады увеличивается с увеличением интенсивности дополнительного зеленого света, в то время как толщина стебля и индекс прочности рассады томатов увеличиваются вслед за увеличением интенсивности дополнительного зеленого света. Сочетание красного и синего светодиодного света может увеличить толщину стебля, площадь листьев, сухую массу всего растения, соотношение корней и побегов, а также индекс роста рассады баклажана. По сравнению с белым светом, красный светодиодный свет может увеличить биомассу рассады капусты и способствовать её вытягиванию и расширению листьев. Синий светодиодный свет способствует более густому росту, накоплению сухой массы и индексу роста рассады капусты, а также приводит к её карликовому росту. Приведенные выше результаты показывают, что преимущества выращивания рассады овощей с использованием технологии регулирования освещения очевидны.

Влияние дополнительного светодиодного освещения на пищевую ценность фруктов и овощей.

Белки, сахара, органические кислоты и витамины, содержащиеся во фруктах и ​​овощах, являются питательными веществами, полезными для здоровья человека. Качество света может влиять на содержание витамина С в растениях, регулируя активность ферментов, синтезирующих и расщепляющих витамин С, а также регулируя белковый обмен и накопление углеводов в садовых растениях. Красный свет способствует накоплению углеводов, обработка синим светом благоприятна для образования белка, а сочетание красного и синего света может значительно улучшить питательную ценность растений по сравнению с монохроматическим светом.

Добавление красного или синего светодиодного света может снизить содержание нитратов в салате, добавление синего или зеленого светодиодного света может способствовать накоплению растворимых сахаров в салате, а добавление инфракрасного светодиодного света способствует накоплению витамина С в салате. Результаты показали, что добавление синего света может улучшить содержание витамина С и растворимого белка в томатах; красный свет и комбинация красного и синего света могут повысить содержание сахара и кислоты в плодах томатов, при этом соотношение сахара и кислоты было самым высоким при комбинированном красно-синем свете; комбинированный красно-синий свет может улучшить содержание витамина С в плодах огурца.

Фенолы, флавоноиды, антоцианы и другие вещества, содержащиеся во фруктах и ​​овощах, не только оказывают важное влияние на цвет, вкус и товарную ценность фруктов и овощей, но также обладают природной антиоксидантной активностью и могут эффективно подавлять или нейтрализовать свободные радикалы в организме человека.

Использование синего светодиодного света в качестве дополнительного освещения может значительно увеличить содержание антоцианов в кожуре баклажана на 73,6%, в то время как использование красного светодиодного света и комбинации красного и синего света может увеличить содержание флавоноидов и общего количества фенолов. Синий свет может способствовать накоплению ликопина, флавоноидов и антоцианов в плодах томата. Комбинация красного и синего света в определенной степени способствует выработке антоцианов, но подавляет синтез флавоноидов. По сравнению с обработкой белым светом, обработка красным светом может значительно увеличить содержание антоцианов в побегах салата, но обработка синим светом показала самое низкое содержание антоцианов. Общее содержание фенолов в зеленолистном, фиолетоволистном и краснолистном салате было выше при обработке белым светом, комбинированным красно-синим светом и синим светом, но самым низким при обработке красным светом. Дополнительное воздействие ультрафиолетового или оранжевого света от светодиодов может увеличить содержание фенольных соединений в листьях салата, а дополнительное воздействие зеленого света — увеличить содержание антоцианов. Таким образом, использование светодиодных фитоламп является эффективным способом регулирования питательной ценности фруктов и овощей в условиях промышленного огородничества.

Влияние дополнительного светодиодного освещения на замедление старения растений.

Деградация хлорофилла, быстрая потеря белка и гидролиз РНК во время старения растений в основном проявляются в виде старения листьев. Хлоропласты очень чувствительны к изменениям внешней световой среды, особенно к качеству света. Красный свет, синий свет и комбинированный красно-синий свет способствуют морфогенезу хлоропластов, синий свет способствует накоплению крахмальных зерен в хлоропластах, а красный свет и дальний красный свет оказывают отрицательное воздействие на развитие хлоропластов. Комбинация синего света и красно-синего света может способствовать синтезу хлорофилла в листьях рассады огурца, а комбинация красного и синего света также может замедлить снижение содержания хлорофилла в листьях на более поздней стадии. Этот эффект более выражен при уменьшении доли красного света и увеличении доли синего света. Содержание хлорофилла в листьях рассады огурца при обработке комбинированным красно-синим светодиодным светом было значительно выше, чем при обработке флуоресцентным светом и монохроматическим красно-синим светом. Синий свет светодиодов может значительно повысить показатель соотношения хлорофилла a/b у рассады чеснока сорта Вутакай и зеленого чеснока.

В процессе старения происходят изменения содержания цитокининов (ЦТК), ауксина (ИУК), абсцизовой кислоты (АБК) и разнообразные изменения активности ферментов. Содержание растительных гормонов легко зависит от светового режима. Различные качества света оказывают различное регулирующее воздействие на растительные гормоны, а начальные этапы передачи светового сигнала включают цитокинины.

ЦТК способствует расширению клеток листьев, усиливает фотосинтез, подавляя активность рибонуклеазы, дезоксирибонуклеазы и протеазы, а также замедляет деградацию нуклеиновых кислот, белков и хлорофилла, что значительно замедляет старение листьев. Существует взаимодействие между светом и опосредованной ЦТК регуляцией развития, при этом свет может стимулировать повышение уровня эндогенных цитокининов. Когда растительные ткани находятся в состоянии старения, содержание эндогенных цитокининов в них снижается.

ИУК в основном концентрируется в участках с интенсивным ростом, и её содержание очень низкое в стареющих тканях или органах. Фиолетовый свет может повышать активность индолуксусной кислоты оксидазы, а низкий уровень ИУК может подавлять удлинение и рост растений.

АБК образуется преимущественно в стареющих тканях листьев, зрелых плодах, семенах, стеблях, корнях и других частях растения. Содержание АБК в огурце и капусте при комбинированном воздействии красного и синего света ниже, чем при воздействии белого и синего света.

Пероксидаза (POD), супероксиддисмутаза (SOD), аскорбатпероксидаза (APX) и каталаза (CAT) являются наиболее важными и связанными со светом защитными ферментами в растениях. С возрастом активность этих ферментов быстро снижается.

Различные качества света оказывают существенное влияние на активность антиоксидантных ферментов растений. После 9 дней обработки красным светом активность APX у рассады рапса значительно увеличилась, а активность POD снизилась. Активность POD у томата после 15 дней обработки красным и синим светом была выше, чем при обработке белым светом, на 20,9% и 11,7% соответственно. После 20 дней обработки зеленым светом активность POD у томата была самой низкой, всего 55,4% от активности при обработке белым светом. Дополнительное воздействие синего света в течение 4 часов может значительно увеличить содержание растворимых белков, а также активность ферментов POD, SOD, APX и CAT в листьях огурца на стадии рассады. Кроме того, активность SOD и APX постепенно снижается с увеличением продолжительности светового воздействия. Активность SOD и APX при синем и красном свете снижается медленно, но всегда выше, чем при обработке белым светом. Облучение красным светом значительно снизило активность пероксидазы и ИУК-пероксидазы в листьях томата, а также ИУК-пероксидазы в листьях баклажана, но привело к значительному увеличению активности пероксидазы в листьях баклажана. Таким образом, применение разумной стратегии дополнительного светодиодного освещения может эффективно замедлить старение сельскохозяйственных культур, выращиваемых в условиях теплицы, и улучшить урожайность и качество.

Разработка и применение формулы светодиодного освещения

Рост и развитие растений в значительной степени зависят от качества света и его различных соотношений компонентов. Формула освещения включает в себя несколько элементов, таких как соотношение качества света, интенсивность света и продолжительность освещения. Поскольку разные растения имеют разные потребности в свете и находятся на разных стадиях роста и развития, для выращиваемых культур необходимо оптимальное сочетание качества света, интенсивности света и продолжительности дополнительного освещения.

 ◆Соотношение светового спектра

По сравнению с белым светом и использованием только красного и синего света, комбинация красного и синего светодиодного света обладает значительными преимуществами для роста и развития рассады огурцов и капусты.

При соотношении красного и синего света 8:2 значительно увеличиваются толщина стебля, высота растения, сухая масса растения, свежая масса растения, индекс устойчивости сеянцев и т.д., а также это благоприятно влияет на формирование хлоропластного матрикса и базальной пластинки, а также на выход ассимиляционных веществ.

Использование комбинации красного, зеленого и синего света для проростков красной фасоли способствует накоплению сухого вещества, при этом зеленый свет также стимулирует накопление сухого вещества. Наиболее заметный рост наблюдается при соотношении красного, зеленого и синего света 6:2:1. Наилучший эффект удлинения гипокотиля ростков красной фасоли наблюдался при соотношении красного и синего света 8:1, а при соотношении 6:3 удлинение гипокотиля заметно подавлялось, но при этом содержание растворимого белка было максимальным.

При соотношении красного и синего света 8:1 для рассады люффы наблюдаются самые высокие показатели роста и содержания растворимых сахаров. При использовании освещения с соотношением красного и синего света 6:3 содержание хлорофилла а, соотношение хлорофилла а/б и содержание растворимых белков в рассаде люффы также достигают максимальных значений.

Использование соотношения красного и синего света 3:1 для освещения сельдерея эффективно способствует увеличению высоты растения, длины черешков, количества листьев, качества сухого вещества, содержания витамина С, растворимого белка и растворимых сахаров. При выращивании томатов увеличение доли синего светодиодного света способствует образованию ликопина, свободных аминокислот и флавоноидов, а увеличение доли красного света способствует образованию титруемых кислот. При соотношении красного и синего света к листьям салата 8:1 это благоприятно сказывается на накоплении каротиноидов, эффективно снижает содержание нитратов и увеличивает содержание витамина С.

 ◆Интенсивность света

Растения, растущие при слабом освещении, более восприимчивы к фотоингибированию, чем при сильном освещении. Чистая скорость фотосинтеза рассады томатов увеличивается с увеличением интенсивности света [50, 150, 200, 300, 450, 550 мкмоль/(м²·с)], демонстрируя тенденцию к сначала увеличению, а затем уменьшению, достигая максимума при 300 мкмоль/(м²·с). Высота растений, площадь листьев, содержание воды и содержание витамина С у салата значительно увеличились при интенсивности света 150 мкмоль/(м²·с). При интенсивности света 200 мкмоль/(м²·с) значительно увеличились свежая масса, общая масса и содержание свободных аминокислот, а при интенсивности света 300 мкмоль/(м²·с) площадь листьев, содержание воды, хлорофилла а, хлорофилла а+б и каротиноидов у салата уменьшились. По сравнению с темнотой, с увеличением интенсивности светодиодного освещения [3, 9, 15 мкмоль/(м²·с)] содержание хлорофилла а, хлорофилла b и хлорофилла а+b в ростках черной фасоли значительно возрастало. Содержание витамина С достигало максимума при 3 мкмоль/(м²·с), а содержание растворимого белка, растворимых сахаров и сахарозы — при 9 мкмоль/(м²·с). При тех же температурных условиях с увеличением интенсивности света [(2~2,5) лк×10³ лк, (4~4,5) лк×10³ лк, (6~6,5) лк×10³ лк] время прорастания рассады перца сокращалось, содержание растворимых сахаров увеличивалось, но содержание хлорофилла а и каротиноидов постепенно снижалось.

 ◆Световое время

Правильное увеличение продолжительности светового дня может в определенной степени смягчить стресс, вызванный недостаточным освещением, способствовать накоплению продуктов фотосинтеза у садовых культур и обеспечить повышение урожайности и улучшение качества. Содержание витамина С в ростках постепенно увеличивалось с увеличением продолжительности светового дня (0, 4, 8, 12, 16, 20 ч/день), в то время как содержание свободных аминокислот, активность СОД и КАТ снижались. С увеличением продолжительности светового дня (12, 15, 18 ч) свежая масса растений китайской капусты значительно увеличивалась. Содержание витамина С в листьях и стеблях китайской капусты было максимальным через 15 и 12 ч соответственно. Содержание растворимого белка в листьях китайской капусты постепенно снижалось, но в стеблях оно было максимальным после 15 ч. Содержание растворимых сахаров в листьях китайской капусты постепенно увеличивалось, а в стеблях оно было максимальным через 12 ч. При соотношении красного и синего света 1:2, по сравнению с 12-часовым световым днем, 20-часовая обработка светом снижает относительное содержание общих фенолов и флавоноидов в зеленом листовом салате, но при соотношении красного и синего света 2:1 20-часовая обработка светом значительно увеличивает относительное содержание общих фенолов и флавоноидов в зеленом листовом салате.

Из вышеизложенного видно, что различные световые режимы по-разному влияют на фотосинтез, фотоморфогенез и углеродный и азотный обмен различных видов сельскохозяйственных культур. Для определения оптимального светового режима, конфигурации источников света и разработки стратегий интеллектуального управления необходимо исходить из вида растения и вносить соответствующие корректировки в зависимости от товарных потребностей садоводческих культур, производственных целей, факторов производства и т.д., чтобы достичь цели интеллектуального управления световым режимом и получения высококачественных и высокоурожайных садоводческих культур в условиях энергосбережения.

Существующие проблемы и перспективы

Значительное преимущество светодиодных фитоламп заключается в возможности интеллектуальной настройки светового режима в соответствии с требуемым спектром фотосинтетических характеристик, морфологией, качеством и урожайностью различных растений. Разные виды культур и разные периоды роста одной и той же культуры предъявляют разные требования к качеству света, интенсивности света и фотопериоду. Это требует дальнейшего развития и совершенствования исследований в области световых формул для формирования обширной базы данных световых формул. В сочетании с исследованиями и разработками профессиональных ламп можно реализовать максимальную ценность светодиодного дополнительного освещения в сельском хозяйстве, что позволит лучше экономить энергию, повышать эффективность производства и экономическую выгоду. Применение светодиодных фитоламп в стационарном садоводстве демонстрирует высокую эффективность, однако стоимость светодиодного осветительного оборудования и устройств относительно высока, а единовременные инвестиции значительны. Требования к дополнительному освещению различных культур в разных условиях окружающей среды неясны, спектр дополнительного света, нерациональная интенсивность и продолжительность освещения неизбежно вызывают различные проблемы в применении фитоламп.

Однако, благодаря развитию и совершенствованию технологий, а также снижению себестоимости производства светодиодных фитоламп, дополнительное светодиодное освещение будет все шире использоваться в стационарном садоводстве. В то же время, развитие и совершенствование систем дополнительного светодиодного освещения и сочетание новых источников энергии позволят быстро развивать стационарное сельское хозяйство, семейное сельское хозяйство, городское сельское хозяйство и космическое сельское хозяйство, удовлетворяя потребности людей в выращивании садовых культур в особых условиях.