Регулирование и контроль освещения на заводе

изображение1

Аннотация: Рассада овощей является первым этапом в производстве овощей, и качество рассады очень важно для урожайности и качества овощей после посадки.С непрерывным совершенствованием разделения труда в овощной промышленности рассада овощей постепенно сформировала независимую производственную цепочку и обслуживала овощеводство.Под влиянием плохой погоды традиционные методы выращивания рассады неизбежно сталкиваются со многими проблемами, такими как медленный рост рассады, длинноногий рост, вредители и болезни.Для борьбы с длинноногой рассадой многие коммерческие культиваторы используют регуляторы роста.Однако существуют риски жесткости проростков, пищевой безопасности и загрязнения окружающей среды при использовании регуляторов роста.В дополнение к химическим методам борьбы, хотя механическая стимуляция, контроль температуры и воды также могут играть роль в предотвращении длинноногого роста рассады, они немного менее удобны и эффективны.Под влиянием новой глобальной эпидемии Covid-19 проблемы управления производством, вызванные нехваткой рабочей силы и ростом затрат на рабочую силу в рассадной промышленности, стали более заметными.

С развитием технологий освещения использование искусственного света для выращивания рассады овощей имеет преимущества высокой эффективности рассады, меньшего количества вредителей и болезней и легкой стандартизации.По сравнению с традиционными источниками света новое поколение светодиодных источников света отличается энергосбережением, высокой эффективностью, долговечностью, защитой окружающей среды и долговечностью, небольшими размерами, низким тепловым излучением и малой амплитудой длины волны.Он может сформулировать соответствующий спектр в соответствии с потребностями роста и развития рассады в среде растительных заводов и точно контролировать физиологический и метаболический процесс рассады, в то же время способствуя экологически чистому, стандартизированному и быстрому производству рассады овощей. , и сокращает цикл рассады.В Южном Китае выращивание рассады перца и помидоров (3-4 настоящих листа) в пластиковых теплицах занимает около 60 дней, а рассады огурцов (3-5 настоящих листьев) - около 35 дней.В заводских условиях выращивание рассады томатов занимает всего 17 дней, а рассады перца - 25 дней при фотопериоде 20 ч и ФПП 200-300 мкмоль/(м2•с).По сравнению с обычным методом выращивания рассады в теплице, использование метода выращивания рассады на светодиодной фабрике 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 самый высокий выход увеличился на 71,44%.

С точки зрения эффективности использования энергии, эффективность использования энергии растительных заводов выше, чем у теплиц типа Венло на той же широте.Например, на шведском растительном заводе для производства 1 кг сухого вещества салата требуется 1411 МДж, а в теплице – 1699 МДж.Однако, если рассчитать количество электроэнергии, необходимой для производства килограмма сухого вещества салата, заводу требуется 247 кВт·ч для производства 1 кг сухого веса салата, а теплицам в Швеции, Нидерландах и Объединенных Арабских Эмиратах требуется 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 может точно контролировать условия окружающей среды, подходящие для выращивания рассады, избавиться от ограничений естественных условий окружающей среды и реализовать интеллектуальные, механизированное и ежегодное стабильное производство рассадной продукции.В последние годы заводские саженцы растений использовались в коммерческом производстве листовых овощей, фруктовых овощей и других экономических 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 выращиванию растений.Поэтому необходимо учитывать требования высокой урожайности и энергосбережения с точки зрения стратегий управления светом, создания моделей роста овощей и оборудования для автоматизации для повышения экономической выгоды.

В этой статье рассматривается влияние светодиодной световой среды на рост и развитие рассады овощных культур в растениеводческих хозяйствах в последние годы с перспективой направления исследований светового регулирования рассады овощных культур в растениеводческих хозяйствах.

1. Влияние световой среды на рост и развитие рассады овощных культур.

Являясь одним из важнейших факторов окружающей среды для роста и развития растений, свет является не только источником энергии для 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), которые воспринимают красный и дальний красный свет (FR), криптохромы (CRY1 и CRY2), которые воспринимают синий и ультрафиолетовый свет A, и элементы (Phot1 и Phot2). Рецептор УФ-В UVR8, воспринимающий УФ-В.Эти фоторецепторы участвуют и регулируют экспрессию родственных генов, а затем регулируют жизнедеятельность, такую ​​как прорастание семян растений, фотоморфогенез, время цветения, синтез и накопление вторичных метаболитов и устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам.

2. Влияние светодиодной световой среды на фотоморфологическую приживаемость рассады овощных культур.

2.1 Влияние различного качества света на фотоморфогенез проростков овощных культур

Красная и синяя области спектра обладают высокой квантовой эффективностью для фотосинтеза листьев растений.Однако длительное воздействие чистого красного света на листья огурца повреждает фотосистему, что приводит к феномену «синдрома красного света», такому как замедленная реакция устьиц, снижение фотосинтетической способности и эффективности использования азота, а также задержка роста.В условиях малой интенсивности света (100±5 мкмоль/(м2•с)) чистый красный свет может повреждать хлоропласты как молодых, так и зрелых листьев огурца, но поврежденные хлоропласты восстанавливались после замены на чистый красный свет. на красный и синий свет (R:B= 7:3).Напротив, когда растения огурца переключились с красно-синей световой среды на чисто красную световую среду, эффективность фотосинтеза существенно не снизилась, что свидетельствует об адаптации к красной световой среде.При электронно-микроскопическом анализе структуры листа проростков огурцов с «синдромом красного света» экспериментаторы обнаружили, что количество хлоропластов, размер зерен крахмала и толщина гран в листьях при чистом красном свете были значительно ниже, чем при «синдроме красного света». 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 проростков томата, значительно увеличивал высоту растения и площадь листа, но значительно снижал фотосинтетическую способность, снижал содержание Rubisco и фотохимическую эффективность, а также значительно увеличивал рассеивание тепла.Видно, что разные виды растений по-разному реагируют на одинаковое качество света, но по сравнению с монохроматическим светом растения имеют более высокую эффективность фотосинтеза и более энергичный рост в условиях смешанного света.

Исследователи провели много исследований по оптимизации сочетания светового качества рассады овощей.При одинаковой интенсивности освещения с увеличением соотношения красного света значительно улучшались высота растений и сырая масса рассады томатов и огурцов, причем наилучший эффект оказывала обработка с соотношением красного и синего 3:1;наоборот, высокий коэффициент синего света тормозил рост проростков томатов и огурцов, которые были короткими и компактными, но повышал содержание сухого вещества и хлорофилла в побегах проростков.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 улучшают толщину листа, содержание хлорофилла, эффективность фотосинтеза и эффективность переноса электронов у рассады томата, но и уровни экспрессии соответствующих ферментов. к циклу Кальвина рост вегетарианского содержания и накопление углеводов также значительно улучшились.При сравнении двух соотношений красного и синего света (R:B=2:1, 4:1) более высокое соотношение синего света в большей степени способствовало формированию женских цветков у рассады огурцов и ускоряло время цветения женских цветков. .Хотя различное соотношение красного и синего света не оказало существенного влияния на выход сырой массы проростков капусты, рукколы и горчицы, высокое соотношение синего света (30% синего света) значительно уменьшило длину гипокотиля и площадь семядолей капусты. и проростков горчицы, при этом окраска семядолей стала более насыщенной.Следовательно, при выращивании рассады соответствующее увеличение доли синего света может значительно сократить расстояние между узлами и площадь листьев рассады овощей, способствовать боковому удлинению рассады и улучшить индекс прочности рассады, что способствует выращивание крепких саженцев.При условии, что интенсивность света оставалась неизменной, увеличение зеленого света в красном и синем свете значительно улучшало сырую массу, площадь листьев и высоту растений проростков сладкого перца.По сравнению с традиционной белой люминесцентной лампой, в условиях красно-зелено-синего (R3:G2:B5) освещения Y[II], qP и ETR проростков 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 стеблей рукколы и горчицы, в то время 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 световые качества.Хотя ни УФ свет, ни ФР не являются источником энергии для фотосинтеза, оба они участвуют в фотоморфогенезе растений.Ультрафиолетовый свет высокой интенсивности вреден для ДНК и белков растений и т. д. Однако ультрафиолетовый свет активирует клеточные реакции на стресс, вызывая изменения в росте, морфологии и развитии растений, чтобы адаптироваться к изменениям окружающей среды.Исследования показали, что более низкий R/FR вызывает у растений реакцию избегания тени, что приводит к морфологическим изменениям растений, таким как удлинение стебля, истончение листьев и снижение выхода сухого вещества.Тонкий стебель не является хорошим показателем роста для выращивания сильной рассады.Рассада обычных листовых и плодово-овощных культур – крепкая, компактная и эластичная рассада, не подверженная проблемам при транспортировке и посадке.

УФ-А может сделать рассаду огурцов более короткой и компактной, а урожайность после пересадки существенно не отличается от контрольной;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 их 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 увеличивала биомассу, длину междоузлий, диаметр стебля и ширину растительного покрова проростков капусты, но стимулирующий эффект ослаблялся, когда интенсивность УФ превышала 10 Вт/м2.Ежедневное 2-часовое облучение УФ-А (0,45 Дж/(м2•с)) может значительно увеличить высоту растения, площадь семядолей и сырой вес рассады томатов сорта «Оксхарт», при одновременном снижении содержания H2O2 в рассаде томатов.Видно, что разные культуры по-разному реагируют на УФ-свет, что может быть связано с чувствительностью культур к УФ-свету.

Для выращивания привитых саженцев длина стебля должна быть соответствующим образом увеличена, 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 при холодном белом свете значительно увеличило длину гипокотиля и диаметр стебля проростков томата и перца;FR 34,1 мкмоль/(м2•с) лучше всего повлияла на увеличение длины гипокотиля и диаметра стебля проростков огурца, тыквы и арбуза;FR высокой интенсивности (53,4 мкмоль/(м2•с)) лучше всего действовала на эти пять овощей.Длина гипокотиля и диаметр стебля проростков больше не увеличивались значительно, а начали демонстрировать тенденцию к снижению.Свежий вес проростков перца значительно уменьшился, что указывает на то, что значения насыщения FR всех пяти проростков овощей были ниже 53,4 мкмоль/(м2•с), а значение FR было значительно ниже, чем у FR.Влияние на рост рассады разных овощей также различно.

2.2. Влияние различных интегралов 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 временем освещения.Формула расчета: DLI (моль/м2/день) = интенсивность света [мкмоль/(м2•с)] × дневное время освещения (ч) × 3600 × 10-6.В среде с низкой интенсивностью света растения реагируют на низкую освещенность удлинением стебля и длины междоузлий, увеличением высоты растения, длины черешка и площади листьев, а также уменьшением толщины листьев и чистой скорости фотосинтеза.С увеличением освещенности, кроме горчицы, длина гипокотиля и удлинение стебля у проростков рукколы, белокочанной капусты и капусты при одинаковом освещении значительно уменьшались.Можно видеть, что влияние света на рост и морфогенез растений связано с интенсивностью света и видами растений.С увеличением DLI (8,64~28,8 моль/м2/сутки) растительный тип проростков огурца становился низкорослым, крепким и компактным, а удельная масса листа и содержание хлорофилла постепенно снижались.Через 6-16 дней после посева рассады огурцов листья и корни засыхали.Масса постепенно увеличивалась, а скорость роста постепенно ускорялась, но через 16-21 день после посева скорость роста листьев и корней рассады огурца значительно снижалась.Улучшенный DLI повышал чистую скорость фотосинтеза проростков огурцов, но после достижения определенного значения чистая скорость фотосинтеза начинала снижаться.Таким образом, выбор подходящего DLI и применение различных стратегий дополнительного освещения на разных стадиях роста рассады может снизить энергопотребление.Содержание растворимого сахара и фермента СОД в проростках огурца и томата увеличивалось с увеличением интенсивности ДЛИ.При повышении интенсивности ИПЛ с 7,47 моль/м2/сут до 11,26 моль/м2/сут содержание растворимого сахара и фермента СОД в проростках огурца увеличилось на 81,03 и 55,5% соответственно.В тех же условиях DLI, с увеличением интенсивности света и сокращением времени освещения, активность ФСII у проростков томатов и огурцов подавлялась, а выбор стратегии дополнительного освещения с низкой интенсивностью и продолжительностью освещения был более благоприятным для выращивания высоких проростков. индекс и фотохимическая эффективность рассады огурцов и томатов.

При производстве привитых саженцев условия низкой освещенности могут привести к снижению качества привитых саженцев и увеличению времени приживления.Соответствующая интенсивность света может не только повысить связывающую способность привитого места заживления и улучшить индекс сильных сеянцев, но также уменьшить положение узла женских цветков и увеличить количество женских цветков.На заводах по выращиванию растений DLI 2,5-7,5 моль/м2/сутки было достаточно для удовлетворения потребности в заживлении привитой рассады томата.Плотность и толщина листа привитой рассады томата значительно увеличивались с увеличением интенсивности DLI.Это показывает, что привитые сеянцы не требуют высокой интенсивности света для заживления.Таким образом, принимая во внимание энергопотребление и среду для посадки, выбор подходящей интенсивности света поможет повысить экономическую выгоду.

3. Влияние среды светодиодного освещения на стрессоустойчивость рассады овощных культур.

Растения получают внешние световые сигналы через фоторецепторы, вызывая синтез и накопление в растении сигнальных молекул, тем самым изменяя рост и функции органов растения и в конечном итоге повышая устойчивость растения к стрессу.Различное качество света оказывает определенный стимулирующий эффект на улучшение холодоустойчивости и солеустойчивости рассады.Например, когда рассаду томатов дополнительно освещали в течение 4 часов ночью, по сравнению с обработкой без дополнительного освещения, белый свет, красный свет, синий свет, красный и синий свет могли снизить проницаемость электролитов и содержание МДА в рассаде томатов. и улучшить переносимость холода.Активность СОД, ПОД и КАТ в проростках томата при обработке красно-синим соотношением 8:2 была значительно выше, чем при других обработках, и они обладали более высокой антиоксидантной способностью и холодостойкостью.

Влияние УФ-В на рост корней сои в основном заключается в улучшении стрессоустойчивости растений за счет увеличения содержания NO и АФК в корнях, включая гормональные сигнальные молекулы, такие как АБК, СК и ЖАК, и ингибировании развития корней за счет снижения содержания ИУК. , ЧТК и ГА.Фоторецептор УФ-В, UVR8, не только участвует в регуляции фотоморфогенеза, но также играет ключевую роль в стрессе от УФ-В.В проростках томатов UVR8 опосредует синтез и накопление антоцианов, а проростки диких томатов, акклиматизированные к УФ-излучению, улучшают свою способность справляться с высокоинтенсивным стрессом УФ-В.Однако адаптация УФ-В к стрессу, вызванному засухой, вызванной арабидопсисом, не зависит от пути УВР8, что указывает на то, что УФ-В действует как индуцированный сигналом перекрестный ответ защитных механизмов растений, так что различные гормоны действуют совместно. участвует в сопротивлении стрессу от засухи, увеличивая способность поглощать АФК.

Как удлинение гипокотиля или стебля растений, вызванное FR, так и адаптация растений к холодовому стрессу регулируются растительными гормонами.Следовательно, «эффект избегания тени», вызываемый FR, связан с холодовой адаптацией растений.Экспериментаторы докармливали проростки ячменя через 18 дней после прорастания при 15°С в течение 10 дней, охлаждали до 5°С + дополняли ФР в течение 7 дней и обнаружили, что по сравнению с обработкой белым светом ФР повышает морозостойкость проростков ячменя.Этот процесс сопровождается повышенным содержанием АБК и ИУК в проростках ячменя.Последующий перенос проростков ячменя, предварительно обработанных FR при 15°C, в среду с температурой 5°C и продолжение добавления FR в течение 7 дней привело к таким же результатам, как и при двух вышеуказанных обработках, но со сниженным ответом ABA.Растения с разными значениями R:FR контролируют биосинтез фитогормонов (ГА, 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.Как солевой стресс, так и низкое значение R:FR (R:FR=0,8) ингибировали 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 соленость Стресс-индуцированное нарушение синтеза хлорофилла.Эти результаты указывают на значительную корреляцию между фитохромами и солеустойчивостью.

Помимо световой среды, на рост и качество рассады овощных культур влияют и другие факторы внешней среды.Например, увеличение концентрации CO2 увеличит максимальное значение насыщения светом Pn (Pnmax), уменьшит точку компенсации света и улучшит эффективность использования света.Увеличение интенсивности света и концентрации СО2 помогает улучшить содержание фотосинтетических пигментов, эффективность использования воды и активность ферментов, связанных с циклом Кальвина, и, наконец, добиться более высокой эффективности фотосинтеза и накопления биомассы рассады томатов.Сухой вес и компактность проростков томата и перца положительно коррелировали с DLI, и изменение температуры также влияло на рост при той же обработке DLI.Среда 23~25℃ была более подходящей для роста рассады томатов.В зависимости от температуры и освещенности исследователи разработали метод прогнозирования относительной скорости роста перца на основе модели распределения бате, которая может служить научным руководством для экологического регулирования производства привитых саженцев перца.

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

4. Проблемы и перспективы

Во-первых, регулирование освещенности рассады овощных культур является сложным процессом, и необходимо детально проанализировать влияние различных условий освещения на различные типы рассады овощных культур в заводских условиях.Это означает, что для достижения цели высокоэффективного и высококачественного производства рассады необходимы непрерывные исследования для создания зрелой технической системы.

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

Наконец, с широким применением освещения растений в сельском хозяйстве ожидается, что в будущем стоимость светодиодных светильников для растений значительно снизится;напротив, рост затрат на рабочую силу, особенно в постэпидемическую эпоху, недостаток 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 выращивания рассады овощей и будут продолжать способствовать развитию технологии рассады растений.

Авторы: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Источник статьи: учетная запись Wechat о сельскохозяйственных инженерных технологиях (тепличное садоводство).


Время публикации: 22 февраля 2022 г.