Автор: Ямин Ли и Хоучэн Лю и др. из Колледжа садоводства Южно-Китайского сельскохозяйственного университета.

Источник статьи: тепличное садоводство.

Типы садовых сооружений в основном включают пластиковые теплицы, солнечные теплицы, многопролетные теплицы и заводы по производству растений.Поскольку здания хозяйственных построек в определенной степени блокируют источники естественного света, внутреннего освещения недостаточно, что, в свою очередь, снижает урожайность и качество урожая.Таким образом, дополнительное освещение играет незаменимую роль в получении качественных и высокоурожайных культур на предприятии, но оно также стало основным фактором увеличения энергопотребления и эксплуатационных расходов на предприятии.

В течение долгого времени искусственные источники света, используемые в садоводстве, в основном включали натриевые лампы высокого давления, люминесцентные лампы, металлогалогенные лампы, лампы накаливания и т. д. Основными недостатками являются высокая теплопродукция, высокое потребление энергии и высокие эксплуатационные расходы.Разработка светоизлучающих диодов (LED) нового поколения позволяет использовать источник искусственного света с низким энергопотреблением в области садоводства.Светодиод обладает такими преимуществами, как высокая эффективность фотоэлектрического преобразования, мощность постоянного тока, небольшой объем, длительный срок службы, низкое энергопотребление, фиксированная длина волны, низкое тепловое излучение и защита окружающей среды.По сравнению с натриевой лампой высокого давления и люминесцентной лампой, обычно используемой в настоящее время, светодиоды могут не только регулировать количество и качество света (пропорцию различных диапазонов света) в соответствии с потребностями роста растений, но и могут облучать растения на близком расстоянии из-за к его холодному свету. Таким образом, количество слоев выращивания и коэффициент использования пространства могут быть улучшены, а также могут быть реализованы функции энергосбережения, защиты окружающей среды и эффективного использования пространства, которые не могут быть заменены традиционным источником света.

Основываясь на этих преимуществах, светодиоды успешно используются в садоводческом освещении, фундаментальных исследованиях контролируемой среды, культурах тканей растений, рассаде растений и аэрокосмической экосистеме.В последние годы производительность светодиодного освещения для выращивания улучшается, цена снижается, и постепенно разрабатываются все виды продуктов с определенной длиной волны, поэтому его применение в области сельского хозяйства и биологии будет шире.

В этой статье обобщается статус исследований светодиодов в области садоводства, основное внимание уделяется применению светодиодного дополнительного света в основе световой биологии, светодиодным светильникам для выращивания растений при формировании света растений, качеству питания и эффекту замедления старения, конструкция и применение формулы света, а также анализ и перспективы текущих проблем и перспектив технологии светодиодного дополнительного освещения.

Влияние дополнительного светодиодного освещения на рост садовых культур

Регуляторные эффекты света на рост и развитие растений включают прорастание семян, удлинение стебля, развитие листьев и корней, фототропизм, синтез и разложение хлорофилла и индукцию цветения.Элементы световой среды на объекте включают интенсивность света, световой цикл и спектральное распределение.Элементы могут регулироваться искусственным освещением без ограничения погодных условий.

В настоящее время у растений существует как минимум три типа фоторецепторов: фитохромные (поглощающие красный свет и дальний красный свет), криптохромные (поглощающие синий свет и ближний ультрафиолетовый свет) и УФ-А и УФ-В.Использование источника света с определенной длиной волны для облучения сельскохозяйственных культур может повысить эффективность фотосинтеза растений, ускорить световой морфогенез и способствовать росту и развитию растений.В фотосинтезе растений использовали красно-оранжевый свет (610 ~ 720 нм) и сине-фиолетовый свет (400 ~ 510 нм).Используя светодиодную технологию, монохроматический свет (например, красный свет с пиком 660 нм, синий свет с пиком 450 нм и т. д.) может излучаться в соответствии с самой сильной полосой поглощения хлорофилла, а ширина спектральной области составляет всего ± 20 нм.

В настоящее время считается, что красно-оранжевый свет значительно ускорит развитие растений, будет способствовать накоплению сухого вещества, формированию луковиц, клубней, листовых луковиц и других органов растений, заставит растения раньше цвести и плодоносить, играть ведущая роль в улучшении окраски растений;Синий и фиолетовый свет может контролировать фототропизм листьев растений, способствовать открытию устьиц и движению хлоропластов, препятствовать удлинению стеблей, предотвращать удлинение растений, задерживать цветение растений и способствовать росту вегетативных органов;комбинация красных и синих светодиодов может компенсировать недостаток света одного цвета из двух и сформировать пик спектрального поглощения, который в основном соответствует фотосинтезу и морфологии сельскохозяйственных культур.Коэффициент использования световой энергии может достигать 80-90%, а эффект энергосбережения значителен.

Оснащение садоводческого хозяйства дополнительными светодиодными светильниками позволяет добиться очень значительного увеличения производства.Исследования показали, что количество плодов, общий выход и масса каждого помидора черри при дополнительном освещении 300 мкмоль/(м²·с) светодиодными лентами и светодиодными трубками в течение 12 часов (8:00-20:00) значительно увеличиваются. повысился.Дополнительный свет светодиодной ленты увеличился на 42,67%, 66,89% и 16,97% соответственно, а дополнительный свет светодиодной трубки увеличился на 48,91%, 94,86% и 30,86% соответственно.Дополнительный светодиодный свет светодиодного светильника для выращивания в течение всего периода роста [соотношение красного и синего света составляет 3: 2, а интенсивность света составляет 300 мкмоль / (м²·с)] может значительно повысить качество отдельных плодов и урожайность. на единицу площади чихвы и баклажанов.Chikuquan увеличился на 5,3% и 15,6%, а баклажан увеличился на 7,6% и 7,8%.Благодаря качеству светодиодного света, его интенсивности и продолжительности всего периода роста можно сократить цикл роста растений, улучшить товарный урожай, питательные качества и морфологическую ценность сельскохозяйственных продуктов, а также повысить эффективность, энергосбережение и может быть реализовано интеллектуальное производство садовых культур.

Применение дополнительного светодиодного освещения при выращивании рассады овощей

Регулирование морфологии, роста и развития растений с помощью светодиодного источника света является важной технологией в области выращивания в теплицах.Высшие растения могут воспринимать и получать световые сигналы через системы фоторецепторов, такие как фитохром, криптохром и фоторецептор, и проводить морфологические изменения через внутриклеточные мессенджеры для регулирования тканей и органов растений.Фотоморфогенез означает, что растения полагаются на свет для контроля дифференцировки клеток, структурных и функциональных изменений, а также формирования тканей и органов, включая влияние на прорастание некоторых семян, стимулирование апикального доминирования, ингибирование роста боковых почек, удлинение стебля. и тропизм.

Выращивание рассады овощей является важной частью агротехники.Постоянная дождливая погода приведет к недостаточному освещению помещения, а всходы склонны к удлинению, что повлияет на рост овощей, дифференциацию цветочных почек и развитие плодов и, в конечном итоге, отразится на их урожайности и качестве.В производстве для регуляции роста рассады используют некоторые регуляторы роста растений, такие как гиббереллин, ауксин, паклобутразол и хлормекват.Однако необоснованное использование регуляторов роста растений может легко загрязнить окружающую среду овощей и помещений, что неблагоприятно сказывается на здоровье человека.

Дополнительный светодиодный свет имеет много уникальных преимуществ дополнительного света, и это вполне осуществимый способ использования дополнительного светодиодного света для выращивания рассады.В эксперименте со светодиодным дополнительным светом [25±5 мкмоль/(м²·с)], проведенном в условиях низкой освещенности [0~35 мкмоль/(м²·с)], было обнаружено, что зеленый свет способствует удлинению и росту рассада огурцов.Красный свет и синий свет подавляют рост рассады.По сравнению с естественным слабым светом индекс сильной всхожести сеянцев, дополненных красным и синим светом, увеличился на 151,26% и 237,98% соответственно.По сравнению с монохроматическим освещением показатель сильных проростков, содержащих красный и синий компоненты, при обработке составным светом дополнит свет на 304,46%.

Добавление красного света к рассаде огурца может увеличить количество настоящих листьев, площадь листьев, высоту растения, диаметр стебля, сухое и свежее качество, сильный индекс рассады, жизнеспособность корней, активность SOD и содержание растворимого белка в рассаде огурца.Добавление УФ-В может увеличить содержание хлорофилла а, хлорофилла b и каротиноидов в листьях рассады огурца.По сравнению с естественным освещением, добавление красного и синего светодиодного света может значительно увеличить площадь листа, качество сухого вещества и сильный индекс рассады рассады томатов.Дополнение светодиодов красным светом и зеленым светом значительно увеличивает высоту и толщину стеблей рассады томатов.Обработка дополнительным светом светодиодного зеленого света может значительно увеличить биомассу рассады огурцов и помидоров, а свежая и сухая масса рассады увеличивается с увеличением интенсивности дополнительного света зеленого света, в то время как толстый стебель и сильный индекс рассады томата все саженцы следуют за дополнительным зеленым светом.Прирост силы увеличивается.Комбинация светодиодного красного и синего света может увеличить толщину стебля, площадь листа, сухую массу всего растения, соотношение корней и побегов, а также сильный индекс рассады баклажана.По сравнению с белым светом красный светодиодный свет может увеличить биомассу рассады капусты и способствовать росту удлинения и расширению листьев рассады капусты.Светодиодный синий свет способствует густому росту, накоплению сухого вещества и сильному индексу рассады рассады капусты, а также делает рассаду капусты карликовой.Вышеприведенные результаты показывают, что преимущества рассады овощей, выращенной по технологии светового регулирования, весьма очевидны.

Влияние дополнительного светодиодного освещения на пищевую ценность фруктов и овощей

Белок, сахар, органические кислоты и витамины, содержащиеся во фруктах и ​​овощах, являются питательными веществами, полезными для здоровья человека.Качество света может влиять на содержание VC в растениях, регулируя активность синтеза VC и фермента разложения, а также может регулировать белковый обмен и накопление углеводов в садовых растениях.Красный свет способствует накоплению углеводов, обработка синим светом полезна для образования белка, а сочетание красного и синего света может улучшить качество питания растений значительно выше, чем при монохроматическом свете.

Добавление красного или синего светодиода может снизить содержание нитратов в салате, добавление синего или зеленого светодиода может способствовать накоплению растворимого сахара в салате, а добавление инфракрасного светодиода способствует накоплению VC в салате.Результаты показали, что добавление синего света может улучшить содержание VC и содержание растворимого белка в помидорах;красный свет и красно-синий комбинированный свет могут повышать содержание сахара и кислоты в плодах томатов, а отношение сахара к кислоте было самым высоким при комбинированном красно-синем свете;красный синий комбинированный свет может улучшить содержание VC в плодах огурца.

Фенолы, флавоноиды, антоцианы и другие вещества 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 ингибировать или удалять свободные радикалы в организме человека.

Использование синего светодиодного света в дополнение к свету может значительно увеличить содержание антоцианов в кожуре баклажанов на 73,6%, а 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 томатов.Сочетание красного и синего света в определенной степени способствует выработке антоцианов, но угнетает синтез флавоноидов.По сравнению с обработкой белым светом, обработка красным светом может значительно увеличить содержание антоцианов в побегах салата, но обработка синим светом имеет самое низкое содержание антоцианов.Общее содержание фенолов в зеленых, фиолетовых и красных листьях салата было выше при обработке белым светом, красно-синим комбинированным светом и синим светом, но было самым низким при обработке красным светом.Добавление светодиодного ультрафиолетового или оранжевого света может увеличить содержание фенольных соединений в листьях салата, а добавление зеленого света может увеличить содержание антоцианов.Таким образом, использование светодиодного освещения для выращивания растений является эффективным способом регулирования питательной ценности фруктов и овощей при выращивании в садоводстве.

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 изменению качества света.Красный свет, синий свет и красно-синий комбинированный свет способствуют морфогенезу хлоропластов, синий свет способствует накоплению зерен крахмала в хлоропластах, а красный свет и дальний красный свет отрицательно влияют на развитие хлоропластов.Сочетание синего света, красного и синего света может способствовать синтезу хлорофилла в листьях рассады огурца, а сочетание красного и синего света может также задержать снижение содержания хлорофилла в листьях на более поздней стадии.Этот эффект более заметен при уменьшении коэффициента красного света и увеличении коэффициента синего света.Содержание хлорофилла в листьях проростков огурца при комбинированной обработке светодиодным красным и синим светом было значительно выше, чем при флуоресцентном контроле и монохроматическом красном и синем свете.Синий светодиодный свет может значительно увеличить значение хлорофилла a/b в рассаде Wutacai и зеленого чеснока.

В процессе старения наблюдаются цитокинины (ЦТК), ауксин (ИУК), изменения содержания абсцизовой кислоты (АБК) и разнообразные изменения активности ферментов.На содержание растительных гормонов легко влияет световая среда.Различное качество света оказывает различное регулирующее влияние на растительные гормоны, и начальные этапы пути передачи светового сигнала включают цитокинины.

CTK способствует размножению клеток листа, усиливает фотосинтез листьев, ингибируя активность рибонуклеазы, дезоксирибонуклеазы и протеазы, а также задерживает деградацию нуклеиновых кислот, белков и хлорофилла, поэтому он может значительно замедлять старение листьев.Существует взаимодействие между светом и CTK-опосредованной регуляцией развития, и свет может стимулировать повышение уровня эндогенных цитокининов.Когда ткани растений находятся в состоянии старения, в них снижается содержание эндогенных цитокининов.

ИУК в основном концентрируется в участках интенсивного роста, а в стареющих тканях или органах содержится очень мало.Фиолетовый свет может повышать активность оксидазы индолуксусной кислоты, а низкие уровни ИУК могут ингибировать удлинение и рост растений.

АБК в основном образуется в стареющих тканях листьев, зрелых плодах, семенах, стеблях, корнях и других частях.Содержание АБК в огурце и капусте при сочетании красного и синего света ниже, чем при белом и синем свете.

Пероксидаза (POD), супероксиддисмутаза (SOD), аскорбатпероксидаза (APX), каталаза (CAT) являются более важными и связанными со светом защитными ферментами растений.Если растения стареют, активность этих ферментов быстро снижается.

Различное качество света оказывает значительное влияние на активность антиоксидантных ферментов растений.После 9 дней воздействия красным светом активность АРХ проростков рапса значительно увеличилась, а активность ПОД снизилась.Активность ПОД томата после 15 дней красного и синего света была выше, чем у белого света, на 20,9% и 11,7% соответственно.После 20 дней обработки зеленым светом активность POD томата была самой низкой, всего 55,4% от белого света.Добавление 4-часового синего света может значительно увеличить содержание растворимого белка, активность ферментов POD, SOD, APX и CAT в листьях огурца на стадии проростков.Кроме того, активность СОД и АПК постепенно снижается с увеличением продолжительности светового дня.Активность СОД и АПК при синем и красном свете снижается медленно, но всегда выше, чем при белом свете.Облучение красным светом значительно снижало активность пероксидазы и пероксидазы ИУК листьев томатов и пероксидазы ИУК листьев баклажанов, но вызывало значительное повышение активности пероксидазы листьев баклажанов.Таким образом, принятие разумной стратегии дополнительного светодиодного освещения может эффективно отсрочить старение садовых культур и повысить урожайность и качество.

Конструкция и применение формулы светодиодного света

На рост и развитие растений существенное влияние оказывает качество света и различные соотношения его состава.Формула света в основном включает несколько элементов, таких как соотношение качества света, интенсивность света и время освещения.Поскольку разные растения имеют разные требования к свету и разные стадии роста и развития, для возделываемых культур требуется наилучшее сочетание качества света, интенсивности света и времени досвечивания.

 ◆Соотношение светового спектра

По сравнению с белым светом и одиночным красным и синим светом, комбинация светодиодного красного и синего света имеет всестороннее преимущество в росте и развитии рассады огурцов и капусты.

Когда соотношение красного и синего света составляет 8:2, толщина стебля растения, высота растения, сухая масса растения, сырая масса, сильный индекс проростков и т. д. значительно увеличиваются, и это также полезно для формирования матрицы хлоропластов и базальная пластинка и выход ассимиляции имеет значение.

Использование комбинации красных, зеленых и синих качеств для ростков красной фасоли полезно для накопления сухого вещества, а зеленый свет может способствовать накоплению сухого вещества в ростках красной фасоли.Рост наиболее заметен при соотношении красного, зеленого и синего света 6:2:1.Эффект удлинения гипокотиля проростков красной фасоли был лучшим при соотношении красного и синего света 8:1, а удлинение гипокотиля проростков красной фасоли явно ингибировалось при соотношении красного и синего света 6:3, но растворимый белок содержание было самым высоким.

Когда соотношение красного и синего света составляет 8: 1 для проростков люфы, индекс сильной прорастания и содержание растворимого сахара в проростках люфы являются самыми высокими.При использовании качества света с соотношением красного и синего света 6:3 содержание хлорофилла а, соотношение хлорофилла а/b и содержание растворимого белка в проростках люфы были самыми высокими.

При использовании соотношения красного и синего света 3:1 к сельдерею, это может эффективно способствовать увеличению высоты растения сельдерея, длины черешка, количества листьев, качества сухого вещества, содержания VC, содержания растворимого белка и содержания растворимого сахара.При выращивании томатов увеличение доли синего света светодиодов способствует образованию ликопина, свободных аминокислот и флавоноидов, а увеличение доли красного света способствует образованию титруемых кислот.Когда свет с соотношением красного и синего света к листьям салата составляет 8:1, это благоприятно влияет на накопление каротиноидов, эффективно снижает содержание нитратов и увеличивает содержание ВК.

 ◆Интенсивность света

Растения, растущие при слабом освещении, более восприимчивы к фотоингибированию, чем при ярком свете.Чистая скорость фотосинтеза рассады томата увеличивается с увеличением интенсивности света [50, 150, 200, 300, 450, 550 мкмоль/(м²·с)], демонстрируя тенденцию сначала к увеличению, а затем к снижению, а при 300 мкмоль/(м² ·s) для достижения максимума.Высота растения, площадь листа, содержание воды и содержание VC в салате-латуке значительно увеличились при интенсивности света 150 мкмоль/(м²·с).При обработке с интенсивностью света 200 мкмоль/(м²·с) сырая масса, общая масса и содержание свободных аминокислот значительно увеличивались, а при обработке с интенсивностью света 300 мкмоль/(м²·с) площадь листа, содержание воды , хлорофилл а, хлорофилл а+b и каротиноиды салата были снижены.По сравнению с темнотой, с увеличением интенсивности светодиодного света [3, 9, 15 мкмоль/(м²·с)] содержание хлорофилла а, хлорофилла b и хлорофилла а+b в проростках черной фасоли значительно увеличилось.Содержание VC является самым высоким при 3 мкмоль/(м²·с), а содержание растворимого белка, растворимого сахара и сахарозы является самым высоким при 9 мкмоль/(м²·с).В тех же температурных условиях при увеличении освещенности [(2~2,5)лк×103 лк, (4~4,5)лк×103 лк, (6~6,5)лк×103 лк] срок прорастания рассады перца укорачивается, увеличивается содержание растворимых сахаров, но постепенно снижается содержание хлорофилла а и каротиноидов.

 ◆Световое время

Надлежащее увеличение времени освещения может в определенной степени смягчить стресс от низкой освещенности, вызванный недостаточной интенсивностью света, помочь накоплению продуктов фотосинтеза садовых культур и добиться эффекта увеличения урожайности и улучшения качества.Содержание VC в проростках постепенно увеличивалось с увеличением времени освещения (0, 4, 8, 12, 16, 20 ч/день), в то время как содержание свободных аминокислот, активность SOD и CAT демонстрировали тенденцию к снижению.С увеличением светового времени (12, 15, 18 ч) сырая масса растений пекинской капусты значительно увеличивалась.Содержание ВК в листьях и стеблях пекинской капусты было максимальным в 15 и 12 ч соответственно.Содержание растворимого белка в листьях пекинской капусты постепенно снижалось, но самое высокое в стеблях наблюдалось через 15 часов.Содержание растворимого сахара в листьях пекинской капусты постепенно увеличивалось, в то время как в стеблях оно было самым высоким через 12 часов.Когда соотношение красного и синего света составляет 1:2, по сравнению с 12-часовым световым временем, 20-часовая световая обработка снижает относительное содержание общих фенолов и флавоноидов в зеленом листовом салате, но когда соотношение красного и синего света составляет 2:1, 20-часовая световая обработка значительно увеличила относительное содержание общих фенолов и флавоноидов в зеленом листовом салате.

Из вышеизложенного видно, что разные световые формулы по-разному влияют на фотосинтез, фотоморфогенез и углеродный и азотный обмен разных видов сельскохозяйственных культур.Чтобы получить наилучшую формулу света, конфигурацию источника света и формулировку интеллектуальных стратегий управления, в качестве отправной точки требуются виды растений, и должны быть внесены соответствующие коррективы в соответствии с товарными потребностями садовых культур, производственными целями, факторами производства и т. д., для достижения цели интеллектуального управления световой средой и получения качественных и высокоурожайных садовых культур в условиях энергосбережения.

Существующие проблемы и перспективы

Существенным преимуществом светодиодного освещения для выращивания растений является то, что оно может вносить разумные комбинированные корректировки в соответствии со спектром требований 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 формул света для формирования огромной базы данных формул света.В сочетании с исследованиями и разработками профессиональных ламп можно реализовать максимальную ценность дополнительных светодиодных светильников в сельском хозяйстве, чтобы лучше экономить энергию, повышать эффективность производства и экономические выгоды.Применение светодиодного освещения для выращивания растений в садоводстве показало высокую жизнеспособность, но цена на светодиодное осветительное оборудование или устройства относительно высока, а единовременные инвестиции велики.Требования к дополнительному свету для различных культур в различных условиях окружающей среды не ясны, спектр дополнительного света, необоснованная интенсивность и время освещения для выращивания неизбежно вызовут различные проблемы в применении индустрии освещения для выращивания.

Тем не менее, с развитием и совершенствованием технологий и снижением себестоимости светодиодного освещения для выращивания, светодиодное дополнительное освещение будет более широко использоваться в садоводстве.В то же время развитие и прогресс системы светодиодных технологий дополнительного освещения и сочетание новой энергии позволят быстро развивать мелкое сельское хозяйство, семейное сельское хозяйство, городское сельское хозяйство и космическое сельское хозяйство, чтобы удовлетворить спрос людей на садовые культуры в особых условиях.