Аннотация: Рассада овощей является первым шагом в производстве овощей, и качество рассады очень важно для урожайности и качества овощей после посадки. Благодаря постоянному совершенствованию разделения труда в овощной отрасли рассада овощей постепенно сформировала самостоятельную производственную цепочку и обслуживает производство овощей. Под влиянием плохой погоды традиционные методы рассады неизбежно сталкиваются со многими проблемами, такими как медленный рост рассады, длинный рост, а также вредители и болезни. Для борьбы с длинноногими сеянцами многие коммерческие культиваторы используют регуляторы роста. Однако при использовании регуляторов роста существуют риски жесткости рассады, безопасности пищевых продуктов и загрязнения окружающей среды. Помимо химических методов борьбы, хотя механическая стимуляция, контроль температуры и воды также могут сыграть роль в предотвращении длинноногого роста рассады, они несколько менее удобны и эффективны. Под воздействием новой глобальной эпидемии Covid-19 проблемы управления производством, вызванные нехваткой рабочей силы и ростом затрат на рабочую силу в отрасли рассады, стали более заметными.

С развитием технологий освещения использование искусственного света при выращивании рассады овощей имеет преимущества, заключающиеся в высокой эффективности рассады, меньшем количестве вредителей и болезней, а также легкой стандартизации. По сравнению с традиционными источниками света новое поколение светодиодных источников света обладает характеристиками энергосбережения, высокой эффективности, длительного срока службы, защиты окружающей среды и долговечности, небольшого размера, низкого теплового излучения и малой амплитуды длины волны. Он может сформулировать соответствующий спектр в соответствии с потребностями роста и развития рассады в среде заводов по производству растений и точно контролировать физиологические и метаболические процессы рассады, в то же время способствуя экологически чистому, стандартизированному и быстрому производству рассады овощей. и сокращает цикл рассады. В Южном Китае на выращивание рассады перца и томатов (3-4 настоящих листа) в пластиковых теплицах уходит около 60 дней, а на рассаду огурцов (3-5 настоящих листьев) - около 35 дней. В заводских условиях выращивание рассады томата занимает всего 17 дней, а рассады перца - 25 дней при условиях фотопериода 20 ч и ФПП 200-300 мкмоль/(м2•с). По сравнению с традиционным методом выращивания рассады в теплице, использование метода выращивания рассады LED Plant Factory значительно сократило цикл роста огурцов на 15-30 дней, а количество женских цветков и плодов на растении увеличилось на 33,8% и 37,3%. соответственно, а максимальная доходность увеличилась на 71,44%.

С точки зрения эффективности использования энергии, эффективность использования энергии заводов-заводов выше, чем у теплиц типа Венло на той же широте. Например, на шведском заводе по производству растений для производства 1 кг сухого вещества салата требуется 1411 МДж, а в теплице — 1699 МДж. Однако если подсчитать необходимое количество электроэнергии на килограмм сухого вещества салата, заводу потребуется 247 кВт·ч для производства 1 кг сухого веса салата, а теплицам в Швеции, Нидерландах и Объединенных Арабских Эмиратах потребуется 182 кВт·ч. ч, 70 кВт·ч и 111 кВт·ч соответственно.

В то же время на заводе использование компьютеров, автоматического оборудования, искусственного интеллекта и других технологий позволяет точно контролировать условия окружающей среды, подходящие для выращивания рассады, избавиться от ограничений условий естественной среды и реализовать интеллектуальные, механизированное и ежегодное стабильное производство рассадной продукции. В последние годы фабричные саженцы растений используются в коммерческом производстве листовых овощей, плодовых овощей и других хозяйственных культур в Японии, Южной Корее, Европе, США и других странах. Высокие первоначальные инвестиции в заводы по производству растений, высокие эксплуатационные расходы и огромное энергопотребление системы по-прежнему являются узкими местами, которые ограничивают продвижение технологии выращивания рассады на китайских заводах по производству растений. Следовательно, необходимо учитывать требования высокой урожайности и энергосбережения с точки зрения стратегий управления освещением, создания моделей роста овощей и оборудования автоматизации для повышения экономической выгоды.

В данной статье рассмотрено влияние светодиодной световой среды на рост и развитие рассады овощных культур в растениеводческих хозяйствах за последние годы, а также рассмотрены перспективы направления исследований световой регуляции рассады овощных культур в растениеводческих хозяйствах.

1. Влияние световой среды на рост и развитие рассады овощей.

Свет, являющийся одним из важнейших факторов окружающей среды для роста и развития растений, является не только источником энергии для осуществления фотосинтеза растений, но и ключевым сигналом, влияющим на фотоморфогенез растений. Растения чувствуют направление, энергию и качество света сигнала через систему световых сигналов, регулируют свой собственный рост и развитие и реагируют на присутствие или отсутствие, длину волны, интенсивность и продолжительность света. Известные в настоящее время фоторецепторы растений включают как минимум три класса: фитохромы (PHYA~PHYE), воспринимающие красный и дальний красный свет (FR), криптохромы (CRY1 и CRY2), воспринимающие синий и ультрафиолет А, и элементы (Phot1 и Phot2), Рецептор UV-B UVR8, воспринимающий УФ-B. Эти фоторецепторы участвуют и регулируют экспрессию родственных генов, а затем регулируют жизнедеятельность растений, такую ​​как прорастание семян растений, фотоморфогенез, время цветения, синтез и накопление вторичных метаболитов, а также толерантность к биотическим и абиотическим стрессам.

2. Влияние светодиодного освещения на фотоморфологическое развитие рассады овощных культур.

2.1 Влияние различного качества света на фотоморфогенез рассады овощных культур

Красная и синяя области спектра обладают высокой квантовой эффективностью фотосинтеза листьев растений. Однако длительное воздействие на листья огурца чистого красного света повредит фотосистему, что приведет к такому явлению, как «синдром красного света», например, замедлению реакции устьиц, снижению фотосинтетической способности и эффективности использования азота, а также задержке роста. В условиях низкой интенсивности света (100±5 мкмоль/(м2•с)), чистый красный свет может повредить хлоропласты как молодых, так и зрелых листьев огурца, но поврежденные хлоропласты восстанавливаются после замены чистого красного света. на красный и синий свет (R:B= 7:3). Напротив, когда растения огурца переключились из среды красно-синего света в среду чистого красного света, эффективность фотосинтеза существенно не снизилась, что свидетельствует об адаптивности к среде красного света. Путем электронного микроскопического анализа структуры листьев рассады огурца с «синдромом красного света» экспериментаторы установили, что количество хлоропластов, размер крахмальных гранул и толщина гран в листьях под чистым красным светом были значительно ниже, чем под чистым красным светом. лечение белым светом. Вмешательство синего света улучшает ультраструктуру и фотосинтетические характеристики хлоропластов огурца и устраняет избыточное накопление питательных веществ. По сравнению с белым светом, красным и синим светом, чистый красный свет способствовал удлинению гипокотилей и расширению семядолей рассады томатов, значительно увеличивал высоту растений и площадь листьев, но значительно снижал фотосинтетическую способность, снижал содержание Рубиско и фотохимическую эффективность, а также значительно увеличивал рассеивание тепла. Видно, что разные виды растений по-разному реагируют на одно и то же качество света, но по сравнению с монохроматическим светом растения имеют более высокую эффективность фотосинтеза и более энергичный рост в среде смешанного света.

Исследователи провели много исследований по оптимизации сочетания качества света для рассады овощей. При той же интенсивности освещения, с увеличением соотношения красного света, значительно улучшались высота растений и сырая масса рассады томатов и огурцов, а лучший эффект имела обработка с соотношением красного и синего света 3:1; напротив, высокое соотношение синего света подавляло рост проростков томатов и огурцов, которые были короткими и компактными, но повышало содержание сухого вещества и хлорофилла в побегах рассады. Аналогичные закономерности наблюдаются и у других культур, таких как перец и арбузы. Кроме того, по сравнению с белым светом красный и синий свет (R:B=3:1) не только значительно улучшили толщину листьев, содержание хлорофилла, эффективность фотосинтеза и эффективность переноса электронов у рассады томатов, но также и уровни экспрессии ферментов, связанных с белым светом. Согласно циклу Кальвина, содержание вегетарианской диеты и накопление углеводов также значительно улучшились. Сравнивая два соотношения красного и синего света (R:B=2:1, 4:1), более высокое соотношение синего света больше способствовало формированию женских цветков у рассады огурцов и ускоряло время цветения женских цветков. . Хотя различные соотношения красного и синего света не оказали существенного влияния на выход сырой массы проростков капусты, рукколы и горчицы, высокое соотношение синего света (30% синего света) значительно уменьшало длину гипокотиля и площадь семядолей капусты. и проростки горчицы, при этом окраска семядолей углубляется. Таким образом, при производстве рассады соответствующее увеличение доли синего света может значительно сократить расстояние между узлами и площадь листьев рассады овощей, способствовать боковому выдвижению рассады и улучшить показатель прочности рассады, что способствует выращивание крепкой рассады. При условии, что интенсивность освещения оставалась неизменной, увеличение количества зеленого света в красном и синем значительно улучшало вес в свежем виде, площадь листьев и высоту растений рассады сладкого перца. По сравнению с традиционной белой люминесцентной лампой в условиях красно-зелено-синего (R3:G2:B5) освещения Y[II], qP и ETR рассады томата «Окаги № 1» были значительно улучшены. Добавление УФ-света (100 мкмоль/(м2•с) синего света + 7% УФ-А) к чистому синему свету значительно снижало скорость удлинения стебля рукколы и горчицы, тогда как добавление FR было противоположным. Это также показывает, что помимо красного и синего света важную роль в процессе роста и развития растений играют и другие качества света. Хотя ни ультрафиолет, ни ФР не являются источником энергии фотосинтеза, оба они участвуют в фотоморфогенезе растений. Высокоинтенсивный УФ-свет вреден для ДНК, белков и т. д. растений. Однако УФ-свет активирует клеточные стрессовые реакции, вызывая изменения в росте, морфологии и развитии растений, необходимые для адаптации к изменениям окружающей среды. Исследования показали, что более низкий R/FR вызывает у растений реакцию избегания тени, что приводит к морфологическим изменениям в растениях, таким как удлинение стебля, истончение листьев и снижение выхода сухого вещества. Тонкий стебель не является хорошим признаком роста для выращивания сильной рассады. Для рассады обычных листовых и плодовых овощей прочные, компактные и эластичные саженцы не подвержены проблемам при транспортировке и посадке.

УФ-А может сделать рассаду огурца короче и компактнее, а урожайность после пересадки существенно не отличается от контроля; в то время как УФ-В оказывает более значительное ингибирующее действие, а эффект снижения урожайности после пересадки незначителен. Предыдущие исследования показали, что УФ-А подавляет рост растений и делает растения карликовыми. Но появляется все больше свидетельств того, что присутствие УФ-А вместо подавления биомассы сельскохозяйственных культур на самом деле способствует этому. По сравнению с основным красным и белым светом (R:W=2:3, PPFD составляет 250 мкмоль/(м2·с)), дополнительная интенсивность красного и белого света составляет 10 Вт/м2 (около 10 мкмоль/(м2·с) s)) УФ-А капусты значительно увеличивало биомассу, длину междоузлий, диаметр стебля и ширину растительного покрова сеянцев капусты, но эффект стимулирования ослаблялся, когда интенсивность УФ-излучения превышала 10 Вт/м2. Ежедневная 2-часовая добавка УФ-А (0,45 Дж/(м2•с)) может значительно увеличить высоту растений, площадь семядолей и сырую массу рассады томатов «Бычье сердце», одновременно снижая содержание H2O2 в рассаде томатов. Видно, что разные культуры по-разному реагируют на УФ-свет, что может быть связано с чувствительностью культур к УФ-свету.

При выращивании привитых саженцев длину стебля следует соответственно увеличить, чтобы облегчить прививку подвоя. Разная интенсивность ФР по-разному влияла на рост рассады томата, перца, огурца, тыквы и арбуза. Добавление 18,9 мкмоль/(м2•с) FR в холодном белом свете значительно увеличивало длину гипокотиля и диаметр стебля рассады томатов и перца; FR 34,1 мкмоль/(м2•с) оказал наилучшее влияние на увеличение длины гипокотиля и диаметра стебля у сеянцев огурца, тыквы и арбуза; ФР высокой интенсивности (53,4 мкмоль/(м2•с)) оказало наилучшее влияние на эти пять овощей. Длина гипокотиля и диаметр стебля проростков существенно не увеличились и начали иметь тенденцию к снижению. Свежая масса проростков перца значительно снизилась, что указывает на то, что значения насыщения FR пяти проростков овощей были ниже 53,4 мкмоль/(м2•с), а значение FR было значительно ниже, чем у FR. Влияние на рост различных рассады овощей также различно.

2.2. Влияние различного интеграла светового дня на фотоморфогенез проростков овощных культур.

Интеграл дневного света (DLI) представляет собой общее количество фотосинтетических фотонов, полученных поверхностью растения за день, которое связано с интенсивностью света и продолжительностью освещения. Формула расчета: DLI (моль/м2/день) = интенсивность света [мкмоль/(м2•с)] × дневное время освещения (ч) × 3600 × 10-6. В среде с низкой интенсивностью освещения растения реагируют на низкую освещенность удлинением длины стебля и междоузлий, увеличением высоты растения, длины черешка и площади листьев, а также уменьшением толщины листа и чистой скорости фотосинтеза. С увеличением интенсивности света, за исключением горчицы, длина гипокотиля и удлинение стебля у проростков рукколы, кочанной и капустной капусты при одинаковом качестве света значительно уменьшались. Видно, что влияние света на рост и морфогенез растений связано с интенсивностью света и видом растений. С увеличением ДЛИ (8,64~28,8 моль/м2/сут) растительный тип сеянцев огурца становился низкорослым, сильным и компактным, а удельный вес листьев и содержание хлорофилла постепенно снижались. Через 6-16 дней после посева рассады огурцов листья и корни засохли. Вес постепенно увеличивался, а скорость роста постепенно ускорялась, но через 16-21 день после посева скорость роста листьев и корней рассады огурцов значительно снизилась. Улучшенный DLI повысил чистую скорость фотосинтеза рассады огурцов, но после определенного значения чистая скорость фотосинтеза начала снижаться. Таким образом, выбор подходящего DLI и применение различных стратегий дополнительного освещения на разных стадиях роста рассады может снизить потребление энергии. Содержание растворимого сахара и фермента СОД в проростках огурца и томата увеличивалось с увеличением интенсивности ДЛИ. При увеличении интенсивности ДЛИ с 7,47 моль/м2/сут до 11,26 моль/м2/сут содержание растворимого сахара и фермента СОД в проростках огурца увеличивалось на 81,03 и 55,5% соответственно. В тех же условиях ДЛИ, с увеличением интенсивности света и сокращением светового времени, активность ФСII рассады томатов и огурцов ингибировалась, а выбор стратегии дополнительного освещения низкой интенсивности света и длительной продолжительности более благоприятствовал выращиванию высокой рассады. индекс и фотохимическая эффективность рассады огурцов и томатов.

При производстве привитых саженцев недостаточная освещенность может привести к снижению качества привитых саженцев и увеличению сроков приживления. Соответствующая интенсивность света может не только повысить связывающую способность привитого места заживления и улучшить показатель сильных сеянцев, но также уменьшить положение узла женских цветков и увеличить количество женских цветков. На заводах по выращиванию растений DLI в размере 2,5-7,5 моль/м2/день была достаточна для удовлетворения потребностей в заживлении привитых саженцев томатов. Компактность и толщина листьев привитых сеянцев томата существенно увеличивались с увеличением интенсивности ДЛИ. Это показывает, что привитые саженцы не требуют высокой интенсивности света для заживления. Поэтому, принимая во внимание энергопотребление и условия посадки, выбор соответствующей интенсивности освещения поможет повысить экономическую выгоду.

3. Влияние светодиодного освещения на стрессоустойчивость рассады овощных культур.

Растения получают внешние световые сигналы через фоторецепторы, вызывая синтез и накопление сигнальных молекул в растении, тем самым изменяя рост и функцию органов растения и в конечном итоге улучшая устойчивость растения к стрессу. Различное качество света оказывает определенное стимулирующее воздействие на повышение холодоустойчивости и солеустойчивости рассады. Например, когда рассаду томатов освещали светом в течение 4 часов в ночное время, по сравнению с обработкой без дополнительного освещения, белый свет, красный свет, синий свет, а также красный и синий свет могли снизить проницаемость электролитов и содержание МДА в рассаде томатов. и улучшить холодоустойчивость. Активность СОД, ПОД и КАТ в проростках томатов при обработке в соотношении красно-синий 8:2 была значительно выше, чем при других обработках, они обладали более высокой антиоксидантной способностью и холодоустойчивостью.

Влияние УФ-В на рост корней сои заключается в основном в повышении стрессоустойчивости растений за счет увеличения содержания в корнях NO и АФК, включая сигнальные молекулы гормонов, таких как АБК, СК и ЖА, и ингибировании развития корней за счет снижения содержания ИУК. , CTK и GA. Фоторецептор УФ-В, UVR8, не только участвует в регуляции фотоморфогенеза, но также играет ключевую роль в стрессе УФ-В. В проростках томатов UVR8 опосредует синтез и накопление антоцианов, а акклиматизированные к УФ-излучению саженцы диких томатов улучшают свою способность справляться с высокоинтенсивным стрессом УФ-В. Однако адаптация УФ-В к стрессу от засухи, вызванному арабидопсисом, не зависит от пути UVR8, что указывает на то, что УФ-В действует как индуцируемый сигналом перекрестный ответ защитных механизмов растений, так что различные гормоны совместно участвует в сопротивлении стрессу, вызванному засухой, повышая способность улавливать АФК.

Как удлинение гипокотиля или стебля растений, вызванное FR, так и адаптация растений к холодовому стрессу регулируются растительными гормонами. Таким образом, «эффект избегания тени», вызываемый ФР, связан с холодовой адаптацией растений. Экспериментаторы подкармливали проростки ячменя через 18 дней после прорастания при температуре 15°C в течение 10 дней, охлаждении до 5°C + внесение ФР в течение 7 дней и обнаружили, что по сравнению с обработкой белым светом ФР повышал морозостойкость проростков ячменя. Этот процесс сопровождается увеличением содержания АБК и ИУК в проростках ячменя. Последующий перенос проростков ячменя, предварительно обработанных FR при 15°C, в температуру 5°C и дальнейшее добавление FR в течение 7 дней привели к результатам, аналогичным результатам двух вышеуказанных обработок, но со сниженной реакцией АБК. Растения с разными значениями R:FR контролируют биосинтез фитогормонов (ГК, ИУК, ЦТК и АБК), которые также участвуют в солеустойчивости растений. В условиях солевого стресса световая среда с низким соотношением R:FR может улучшить антиоксидантную и фотосинтетическую способность рассады томатов, снизить выработку АФК и МДА в рассаде и улучшить солеустойчивость. И стресс, вызванный соленостью, и низкое значение R:FR (R:FR=0,8) ингибируют биосинтез хлорофилла, что может быть связано с блокировкой превращения PBG в UroIII на пути синтеза хлорофилла, в то время как среда с низким R:FR может эффективно облегчать засоление. Стресс-индуцированное нарушение синтеза хлорофилла. Эти результаты указывают на значительную корреляцию между фитохромами и солеустойчивостью.

Помимо световой среды, на рост и качество рассады овощей влияют и другие факторы внешней среды. Например, увеличение концентрации CO2 увеличит максимальное значение светонасыщенности Pn (Pnmax), уменьшит точку компенсации света и улучшит эффективность использования света. Увеличение интенсивности света и концентрации CO2 помогает улучшить содержание фотосинтетических пигментов, эффективность использования воды и активность ферментов, связанных с циклом Кальвина, и, наконец, достичь более высокой эффективности фотосинтеза и накопления биомассы рассады томата. Сухая масса и компактность рассады томатов и перца положительно коррелировали с DLI, а изменение температуры также влияло на рост при той же обработке DLI. Температура окружающей среды 23–25 ℃ была более подходящей для роста рассады томатов. В зависимости от температуры и условий освещения исследователи разработали метод прогнозирования относительной скорости роста перца на основе модели распределения батата, который может служить научным руководством для экологического регулирования производства привитых саженцев перца.

Поэтому при разработке схемы регулирования света в производстве следует учитывать не только факторы световой среды и виды растений, но также такие факторы выращивания и управления, как питание рассады и управление водными ресурсами, газовая среда, температура и стадия роста рассады.

4. Проблемы и перспективы

Во-первых, регулирование освещенности рассады овощей представляет собой сложный процесс, и необходимо детально проанализировать влияние различных условий освещенности на разные типы рассады овощей в условиях завода. Это означает, что для достижения цели высокоэффективного и качественного производства саженцев необходимы постоянные исследования для создания зрелой технической системы.

Во-вторых, хотя коэффициент использования мощности светодиодного источника света относительно высок, энергопотребление на освещение растений является основным расходом энергии при выращивании рассады с использованием искусственного света. Огромное энергопотребление заводов-растителей по-прежнему является узким местом, ограничивающим их развитие.

Наконец, с широким применением освещения растений в сельском хозяйстве ожидается, что в будущем стоимость светодиодных светильников для растений значительно снизится; наоборот, рост затрат на рабочую силу, особенно в постэпидемическую эпоху, нехватка рабочей силы не может не способствовать процессу механизации и автоматизации производства. В будущем модели управления на основе искусственного интеллекта и интеллектуальное производственное оборудование станут одной из основных технологий производства рассады овощей и будут продолжать способствовать развитию технологии рассады растений.

Авторы: Цзехуэй Тан, Хоучэн Лю
Источник статьи: Wechat-аккаунт сельскохозяйственных инженерных технологий (тепличное садоводство).