led植物生长补光灯在设施园艺中的应用

2018-06-17 22:21:11 15

led植物生长补光灯在设施园艺中的应用

*  李雅旻,张继业,张轶婷,刘厚诚 (华南农业大学园艺学院,广州  510642)
【摘要】人工补光是设施园艺光环境调控的重要手段,LED 作为新一代“绿色光源”,具有高光效、低能耗的特点,是当前农业照明领域研究与应用的热点。从 生产、研究和发展的角度,阐述 led植物生长补光灯应用的光生物学基础、led植物生长补光灯对 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问题,阐 述了 led植物生长补光灯在设施园艺照明应用上的潜力与优势。

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 [3]。 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植物生长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植物生长补光灯应用的光生物学基础、 led植物生长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植物生长补光灯技术目前存在的问题与前景进 行了分析和展望。

led植物生长补光灯对园艺作物生长的影

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 [5]。植物光合 作用主要是利用红橙光(610~720 nm)和蓝紫光 (400~510 nm)。

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 660 nm 的红光、波峰为450 nm 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植物生长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12 h(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%[9]。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植物生长补光灯在蔬菜育苗上的应用

LED植物生长灯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 [11-13],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 [15-16],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植物生长补光灯独有诸多补光优势,应用led植物生长补光灯育苗是一个可行的途径。 董皓在弱光[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。

led植物生长补光灯对果蔬营养品质的影响

果蔬含有的蛋白质、糖类、有机酸、维生素 是对人体健康有益的营养物质 。光质可通过调 控 VC 合成与分解酶的活性影响植物中VC 的含 量,且对园艺植物体内蛋白质代谢和碳水化合物 的积累有调控作用,红光促进碳水化合物的积累, 蓝光处理有利于蛋白质形成 ,而红蓝光组合 对植物营养品质的提高效果显著高于单色光。补 充 LED 红光或蓝光能降低生菜体内的硝酸盐含量 ,补充蓝光或绿光能促进生菜可溶性糖的 积累 ,补充红外光则有利于生菜体内VC 的 积累 [30]。

补充蓝光能够促进番茄VC 含量、可溶 性蛋白含量的提高 ;红光和红蓝组合光处理对 番茄果实中的糖、酸含量起到促进作用,并在红 蓝组合光处理下其糖酸比最高 [32];红蓝组合光则 能促进黄瓜果实 VC 含量的提高 。 果蔬所含的酚类物质、类黄酮类、花色苷等物质,不仅对果蔬的色泽、风味、商品价值有重 要影响,同时具有天然的抗氧化活性,能够有效 抑制或清除人体自由基。

使用LED 蓝光补光 能使茄皮花青素含量显著提高 73.6%,而使用 LED 红光、红蓝组合光则能提高类黄酮和总酚含量 [22]; 蓝光则能促进番茄果实中的番茄红素、类黄酮和花 青素的积累 ,红蓝组合光在一定程度上促进 花青素的生成,但抑制类黄酮的合成 ;与白光 处理相比,红光处理能够显著提高生菜地上部的 花青素含量,但蓝光处理的生菜地上部花青素含 量最低 ;绿叶、紫叶和红叶生菜的总酚含量在白光、红蓝组合光及蓝光处理下均有较大值,但在红光处理下均为最低值 ;补充LED 紫外光或橙 色光能够增加生菜叶片中酚类化合物的含量,而补 充绿光可以提高花青素的含量 。因此采用LED 补光是调控设施果蔬营养品质的有效途径。文章未完,请看下篇:LED植物生长灯对植物延缓衰老的影响.

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