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LED补光灯在设施园艺中的应用与对作物生长的影响

导读: 设施园艺的设施类型主要包括塑料大棚、日光温室、连栋温室和植物工厂等,由于设施建筑在一定程度上遮挡了自然光源,导致室内光线不足,进而造成作物减产和品质降低。

设施园艺的设施类型主要包括塑料大棚、日光温室、连栋温室和植物工厂等,由于设施建筑在一定程度上遮挡了自然光源,导致室内光线不足,进而造成作物减产和品质降低。因此,补光灯在设施作物的优质高产上起到了不可或缺的作用,但也成为设施内能耗和运行成本增加的主要因素。

长期以来,在设施园艺领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等,突出缺点是产热高、能耗大、运行费用高。新一代照明光源发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)的发展,使低能耗人工光源在设施园艺领域的应用成为可能。LED具有光电转换效率高、使用直流电、体积小、寿命长、耗能低、波长固定、热辐射低、环保等优点,与目前普遍使用的高压钠灯和荧光灯相比,LED不仅光量、光质( 各种波段光的比例等) 可以根据植物生长的需要精确调整,并因其冷光性可近距离照射植物, 从而使栽培层数和空间利用率提高,实现传统光源无法替代的节能、环保和空间高效利用等功能。基于这些优点,LED被成功应用于设施园艺照明、可控环境基础研究、植物组织培养、植物工厂化育苗及航天生态系统等。近年来,LED补光灯的性能不断提高、价格逐渐下降以及各类特定波长的产品逐渐被开发,其在农业与生物领域的应用范围将会更加广阔。

该文综述了LED在设施园艺领域的研究现状,重点介绍了LED补光灯应用的光生物学基础、LED补光灯对植物光形态建成、营养品质与延缓衰老的影响、光配方的构建与应用等方面的应用,并对LED补光灯技术目前存在的问题与前景进行了分析和展望。

LED补光灯对园艺作物生长的影响  

光对植物生长发育的调节作用包括种子萌发、茎的伸长、叶和根的发育、向光性、叶绿素的合成与分解及花的诱导等。设施内的光照环境要素包括光照强度、光照周期和光谱分布,采用人工补光的方式,可以对其要素进行调节而不受天气条件的限制。

植物对光具有选择性吸收的特性,由不同的光受体感知光信号,目前发现植物体内至少有三类光受体,光敏素(吸收红光和远红光)、隐花色素(吸收蓝光和近紫外光)和紫外光受体(UV-A和UV-B)。采用特定波长光源来照射作物,可提高植物的光合作用效率,使其光形态建成加快,从而促进植物的生长发育。植物光合作用主要是利用红橙光(610~720 nm)和蓝紫光(400~510nm)。利用LED技术,能够辐射出符合叶绿素最强吸收区波段的单色光(如波峰为660nm的红光、波峰为450nm的蓝光等),光谱域宽仅为±20 nm。目前认为,红橙光会使植物的发育显著加速,促进干物质的积累,鳞茎、块根、叶球以及其他植物器官的形成,引起植物较早开花、结实,在植物增色中起着主导作用;蓝、紫光能够控制植物叶片向光性,促进气孔开放及叶绿体运动,抑制茎伸长,防止植物徒长,还可延迟植物开花,促进营养器官的生长;红蓝光LED 组合后可弥补两者单色光的不足,形成与作物光合作用和形态建成基本吻合的光谱吸收峰值,光能利用率可达80%~90%,节能效果显著。

设施园艺中配备LED补光灯可达到非常显著的增产效果。有研究表明,300 μmol/(m2·s)LED灯带和LED灯管12h(8:00~20:00)补光下的樱桃番茄的挂果数、总产量和单果重都显著提高, 其中LED灯带补光分别提高了42.67%、66.89%和16.97%,LED灯管补光分别提高了48.91%、94.86%和30.86%。全生育期LED灯补光[红蓝光质比为3:2,光强为300 μmol/(m2·s)] 处理可显著增加节瓜和茄子的单果质量和单位面积产量,节瓜提高了5.3%、15.6%,茄子提高了7.6%、7.8%。通过全生育期LED光质及其强度、时长的时空调配,能够缩短植物生长周期,提高农产品商品性产量、营养品质及形态价值,实现设施园艺作物高效、节能和智能化生产。

LED补光灯在蔬菜育苗上的应用  

LED光源调控植株形态建成和生长发育是温室栽培领域的一项重要技术。高等植物能通过光敏色素、隐花色素、向光素等光受体系统感应并接受光信号,经胞内信使传导,调控植物组织和器官建成等形态变化。光形态建成是植物依赖光来控制细胞的分化、结构和功能的改变,以及组织和器官的建成,包括对部分种子萌发的影响、促进顶端优势抑制侧芽生长、茎伸长、引起向性运动等。

蔬菜育苗是设施农业的重要环节。连续的阴雨天气会使设施内的光照不足,幼苗极易发生徒长,进而影响蔬菜的生长、花芽分化及果实发育,最终影响其产量和品质。生产中,为调控幼苗的生长会使用一些植物生长调节剂,如赤霉素、生长素、多效唑和矮壮素等,但是植物生长调节剂的不合理使用易使蔬菜及设施环境受到污染,对人类健康不利。LED补光灯独有诸多补光优势,应用LED 补光灯育苗是一个可行的途径。在弱光[0~35 μmol/(m2·s)] 条件下进行的LED补光[25±5 μmol/(m2·s)] 试验中发现,绿光促进黄瓜幼苗的伸长生长,红光与蓝光抑制幼苗徒长,与自然弱光下幼苗壮苗指数相比,补充红、蓝光的壮苗指数分别提高了151.26%、237.98%,且与单色光质相比,含红蓝成分的复合光质补光处理下壮苗指数提高304.46%。对黄瓜幼苗补红光能提高黄瓜幼苗的真叶数、叶面积、株高、茎粗、干鲜质量、壮苗指数、根系活力、SOD活性和可溶性蛋白含量,补UV-B则能提高黄瓜幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量;与自然光相比,补充LED红光、蓝光使番茄幼苗叶面积、干物质量、壮苗指数显著提高,补充LED红光、绿光使番茄幼苗株高、茎粗显著增加;LED绿光补光处理能够显著提高黄瓜和番茄幼苗的生物量,且幼苗鲜、干重随绿光补光强度增强呈增加的趋势,而番茄幼苗茎粗、壮苗指数均随绿光补光强度的增强而增加;LED红蓝组合光能增加茄子的茎粗、叶面积、全株干重、根冠比、壮苗指数;与白光相比,LED红光能提高结球甘蓝幼苗的生物量,促进结球甘蓝幼苗的伸长生长和叶片扩展;LED蓝光促进结球甘蓝幼苗的加粗生长、干物质积累和壮苗指数,使结球甘蓝幼苗矮化。以上结果表明,结合光调控技术培育出的蔬菜幼苗优势十分明显。

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