植物工廠內LED光調控在果樹栽培中應用的研究進展.pdf

118 農機使用與維修2024年第4期 植物工廠內LED光調控在果樹栽培中 應用的研究進展 王文明1 2 潘麗芹1 2 徐森富1 2 1 臺州科技職業(yè)學院 浙江臺州318020 2 臺州市園藝生物技術重點實驗室 浙江臺州 318020 摘 要 相比露天栽培和大田生產 植物工廠具有不受氣候條件影響 自動化程度高 空間單位面積利用率高 可 周年不間斷連續(xù)生產等突出優(yōu)點 該文重點闡述和分析了植物工廠內發(fā)光二級管 LED 光調控在果樹栽培中 的應用 從光質 光周期 光照度三個角度出發(fā) 總結LED光調控對果樹生長發(fā)育與生理生化的影響 并提出存 在的問題 展望了未來的發(fā)展趨勢 關鍵詞 植物工廠 LED光調控 光照 環(huán)境控制 果樹栽培 中圖分類號 S233 4 文獻標識碼 A doi 10 14031 j cnki njwx 2024 04 034 Research Progress of LED Light Regulation in Plant Factories for Fruit Tree Cultivation WANG Wenming1 2 PAN Liqin1 2 XU Senfu1 2 1 Taizhou Vocational College of Science and Technology Taizhou 318020 China 2 Taizhou Key Laboratory of Horti cultural Biotechnology Taizhou 318020 Abstract Compared with open air cultivation and field production plant factories have outstanding advantages such as independent of climatic conditions high degree of automation high utilization of space unit area and continuous pro duction on an annual basis The article focuses on the research progress of LED light regulation in fruit tree cultivation in plant factories summarizes the effects of LED light regulation on fruit tree growth and development and physiology and biochemistry from three perspectives of light quality photoperiod and light intensity and presents the problems and prospects for future development trends Keywords plant factory LED light control light illumination environmental control fruit tree cultivation 基金項目 農業(yè)農村部園藝作物種質資源利用重點實驗室開 放課題 NYZS2023006 臺州市科技局農業(yè)科技 計劃項目 23nya20 作者簡介 王文明 1991 男 哈爾濱人 博士 講師 研究 方向為智能農機機械裝備 通訊作者 徐森富 1969 男 浙江仙居人 碩士 教授 研 究方向為現(xiàn)代園藝技術與裝備 0 引言 植物工廠是通過設施內高精度環(huán)境控制實現(xiàn) 農作物周年連續(xù)生產的高效農業(yè)系統(tǒng) 可實現(xiàn)對植 物生長的溫度 濕度 光照 二氧化碳濃度以及營養(yǎng) 液等環(huán)境因子進行高精度自動化控制 使設施內植 物的生長發(fā)育不受或很少受自然條件制約 從而實 現(xiàn)周年不間斷生產 近年來 隨著信息技術的不斷 發(fā)展 植物工廠技術已廣泛應用于種苗 蔬菜 水 果 花卉 中藥材等作物的規(guī)?；a中 在果樹栽 培領域也應用廣泛 已成為我國果業(yè)發(fā)展的新業(yè) 態(tài) 可擴大優(yōu)良果品栽培區(qū)域 延長鮮果供應期 對 我國果業(yè)發(fā)展具有重要意義 本文從光質 光周期 和光照度三個角度綜述了植物工廠中LED光控制 在果樹栽培中的應用 旨在為果樹設施栽培的研究 提供參考 1 LED光調控技術 植物工廠使用的光照條件包括光質 光照度和 光周期等參數(shù) 這些參數(shù)對果樹生長發(fā)育至關重 要 是設施果樹栽培運行的關鍵因素之一 光調控 技術利用LED光源進行綜合調控 滿足果樹在生長 發(fā)育不同時期對光量的需求 突破自然環(huán)境限制 實現(xiàn)精確供光 與傳統(tǒng)照明條件不同 LED作為冷 光源具有體積更小 發(fā)熱少 效率更高 波長可調性 更強等優(yōu)點 廣泛應用于近年來的設施栽培中 1 1 光質對果樹生長和品質的調控 作物光合作用以紅橙光和藍紫光為吸收峰值 區(qū)域 光譜能量分布是影響植物生理過程的重要屬 性 不同波段范圍內的光具有不同的生物學效應 不同光質對作物細胞分裂和器官分化的作用也不 同 研究發(fā)現(xiàn) 即使在同一作物的不同器官培養(yǎng) 中 光質也會表現(xiàn)出明顯差異 1 2 短波光不利于 葡萄試管苗的生長和生根 而長波光則有利于難生 2024年第4期農機使用與維修119 根的試管苗 3 對于香椿苗來說 紅光處理可以促 進其株高 鮮質量 干質量和可溶性糖含量的增加 藍光處理則可以提高葉綠素含量和可溶性蛋白質 含量 4 另外 張斌斌等 5 研究表明 通過調節(jié)光 的顏色可對紅葉桃產生不同影響 紅 黃色可以改 善葉片的紅色色澤 而藍 綠色會使葉片偏向綠色 白色過濾膜則效果較差 陳光彩等 6 研究表明 單 色紅光處理可增加香蕉組培苗的根數(shù)和根長 低藍 光處理有助于根的伸長 而紅藍光混合 80 R 20 B 處理則能有效促進香蕉組培苗的溶糖和光 合色素的積累 黃文靜等 7 研究顯示 LED紅光和 藍光分別能促進火龍果幼苗植株的增高和莖圍增 大 當采用復合紅藍光 6 4 時 火龍果出苗時間 最短 增殖系數(shù)高 生根率達到100 馬紹英等 8 指出 在LED紅 藍光下 葡萄試管苗的增殖倍數(shù) 冠鮮質量 根鮮質量 葉面積 葉綠素含量 凈光合 速率和葉綠熒光參數(shù)均最高 胡蘿卜素含量則最 低 余陽等 9 通過對嫁接的 夏黑 葡萄進行不同 光質處理發(fā)現(xiàn) 紅光處理有利于提高葉綠素含量和 過氧化物酶 POD 1 活性 而藍光處理則有助于提 升超氧化物歧化酶 SOD 活性和降低丙二醛 MDA 含量 光質還可以明顯促進 夏黑 葡萄的 生長 通過以上研究可知 不同的LED光譜對果樹體 內功能性化學物質的影響也會各不相同 這表明 光質對果樹生長發(fā)育的調節(jié)具有復雜性 并且每個 果樹品種對光的需求不同 因此會呈現(xiàn)出不同光生 物學效應 紅光可以促進植物形態(tài)變化和碳水化 合物的合成 同時增加酶活性 而藍光則可以促進 植物營養(yǎng)成分的累積 因此 采用合理的紅藍復合 光可以促進植物形態(tài)建成 實現(xiàn)更好的生長效果 1 2 光照度對果樹生長和品質的調控 植物的生長發(fā)育和營養(yǎng)物質含量受光照度影 響 過弱或過強的光照都會產生不利影響 適宜的 光照度能穩(wěn)定增加植物的光合速率和蒸騰速率 提 高物質生產能力和生長發(fā)育速度 尹魁林等 10 研 究表明 對移栽前的冬棗試管苗進行渡光處理 可 有效提高其栽植成活率 對于云南藍果樹幼苗來 說 適度遮陰能促進幼苗個體發(fā)育 在光照度為 60 時最為適宜 過低或過高的光照度均不利于其 生長發(fā)育和光合作用 11 馬宗桓 12 指出遮光處理 也對果實的品質有一定影響 不同遮光處理下果實 中單寧及花青素含量降低 酒石酸 蘋果酸和乳酸 含量增加 果袋透光率小于50 時單寧和類黃酮 物質的合成明顯受到抑制 且果實的轉色時間會 延遲 綜合來看 合理的光照度可以促進果樹生長并 增加干物質量積累 在相同光照度下 使用紅藍光 混合可以促進果實和植株初級代謝產物的積累和 生理變化 并通過光量調節(jié)營養(yǎng)品質指標 不同光 照度下果樹活性成分存在明顯變化 特別是在高光 照度下 應適當遮擋植株關鍵部位 以防止高光照 度對葉片器官的損傷和光合作用的破壞 1 3 光周期對果樹生長和品質的調控 光周期是光環(huán)境調控中的重要屬性 通過匹配 果樹育苗體內時鐘周期 可獲得更多光合作用優(yōu) 勢 通過對幼苗光周期的調控 可調節(jié)其營養(yǎng)物質 的積累 有助于生物量積累和品質改善 光周期調 控可解決果樹栽培中因地理位置 季節(jié)變化 光照 不足等問題 可縮短果樹培養(yǎng)周期 根據(jù)需光量的 不同對光周期進行分段管理 通常延長果樹苗的光 周期可促進其生理代謝與生長過程 朱開元等 13 研究結果表明 延長光周期培育羅漢松和雞爪槭 苗高增幅分別達到17 和20 但新根數(shù)分別下降 了31 和21 光周期延長也使雞爪槭苗木的生物 量和氮 N 磷 P 鉀 K 含量顯著增加 延長光周 期會同時提高苗木對N的吸收和利用效率 但是不 會影響?zhàn)B分淋溶 吳鵬飛等 14 指出 冬季霧霾天對 溫室設施草莓進行LED補光處理 可以顯著提高草 莓植株生長量 凈光合速率 由此看來 果樹植株能通過光受體感知光周期 變化 并調節(jié)其生理生化特性以適應當?shù)丨h(huán)境 在 自然條件下 短日照往往限制了果樹植株的生長和 發(fā)育 從而減少產量和品質 因此 在人工條件下 可以通過補光來延長每天的光周期 提高果樹植株 的生長發(fā)育水平 促進干物質的積累 加快花芽分 化并調節(jié)其生理特性和開花反應 2 存在的問題 果樹栽培的光調控是一個復雜的問題 尤其是 植物工廠內不同光照條件對不同果樹品種的栽培 效果需要具體分析 利用LED光源的電能消耗是 整個植物工廠的主要能源消耗 需要從裝備設計開 發(fā) 精準調控等多方面實現(xiàn)資源高效利用 目前果 樹工廠化栽培光調控技術主要存在以下問題 1 現(xiàn)有的光源設備成本較高 增加了植物工廠 120 農機使用與維修2024年第4期 的建設和維護成本 當前使用的LED光源容易出現(xiàn) 光衰減 影響植物的生長效果和經濟效益 2 光質是影響果樹葉片細胞內活性物質生物 合成的主要因素 其對果樹次生代謝產物的影響機 理尚未清晰 今后應加大相關方面的研究 同時 現(xiàn)有關于光調控的研究大多集中在紅 藍或紅藍組 合光 對某一光質波段內不同波長光的研究較少 此外 還應拓展如紫外光 遠紅光 綠光等其他不同 光質組合對果樹代謝和生長發(fā)育影響差異的相關 研究 3 目前 現(xiàn)有果樹品種對于植物工廠環(huán)境的適 應性相對較差 缺乏專門針對工廠化栽培而培育 出來的果樹品種 這一點也成為制約果樹規(guī)?；?產的重要因素 同時 光調控技術基礎研究薄弱 對不同果樹品種所需的光量和在不同時期對于光 照度的需求了解不夠充分 由此導致在實際操作過 程中難以制定最佳的光照方案以及科學合理的光 周期 但實際上每一種果樹品種都有其獨特的生長 規(guī)律和光合作用機制 4 植物工廠環(huán)境自動化控制技術落后 植物 工廠形成了一套特殊的小區(qū)氣候環(huán)境 其中光照調 控對果樹的生長發(fā)育和生理生化產生較大影響 光 照的精確控制是果樹工廠化生產的關鍵 與歐美 等發(fā)達國家相比 我國的植物工廠自動化控制技術 還存在一定差距 許多工藝仍需要人為監(jiān)測和調 節(jié) 缺乏智能化決策系統(tǒng)并且缺乏作物表型方面的 傳感器 這使得難以精準感知作物的生長需求 也 就無法按需提供最佳光配方 5 光源強度和波長的調節(jié)要結合植物生理特 征和光照周期等因素 在實際操作中需要有一定的 專業(yè)知識和技能 這些問題需要技術研究和改進 并與相關領域的專業(yè)人士 政府機構和公眾共同努 力 從而使植物工廠光調控技術更加完善和成熟 3 植物工廠光調控技術未來的發(fā)展趨勢 首先 互聯(lián)網(wǎng)技術將有望實現(xiàn)專家遠程對植物 工廠進行精準決策 這將實現(xiàn)植物工廠各子系統(tǒng) 的智能化集成 并提高作物生長狀態(tài) 環(huán)境等信息 的實時監(jiān)測 同時 通過專家決策可以保障多系統(tǒng) 協(xié)同作業(yè)和自動化操作 并為無人值守植物工廠的 實現(xiàn)奠定堅實基礎 其次 應加強研發(fā)高精度 低 成本的傳感器設備 使之與多傳感器融合技術結合 起來為自主決策提供原始數(shù)據(jù) 最后 人工智能技 術的快速發(fā)展和廣泛應用將幫助植物工廠實現(xiàn)更 加精確 便捷和高效的光配方優(yōu)化 從而最大限度 地提高作物生長發(fā)育的質量和數(shù)量 這些發(fā)展趨 勢將繼續(xù)推動植物工廠光調控技術的創(chuàng)新和升級 為實現(xiàn)大規(guī)模農業(yè)生產 促進可持續(xù)發(fā)展作出積極 的貢獻 參考文獻 1 陳永快 王濤 蘭婕 等 植物工廠內LED光調控在 作物栽培中的研究進展 J 江蘇農業(yè)科學 2020 48 23 40 46 2 劉盛雨 光質對血橙果實多甲氧基黃酮及花青素積累 的調控作用 D 重慶 西南大學 2021 3 李勝 李唯 楊德龍 等 不同光質對葡萄試管苗根 系生長的影響 J 園藝學報 2005 32 5 872 874 4 張立偉 劉世琦 張自坤 等 不同光質下香椿苗的 生長動態(tài) J 西北農業(yè)學報 2010 19 6 115 119 5 張斌斌 蔡志翔 沈志軍 等 光質對紅葉桃葉片呈 色的影響 J 果樹學報 2013 30 4 602 607 6 陳光彩 潘彤彤 毛琪 等 LED紅 藍光源對香蕉組 培苗生長的影響 J 中國南方果樹 2019 48 2 59 66 7 黃文靜 楊光柱 鄭麗萍 等 不同光質對火龍果胚培 養(yǎng)苗生長發(fā)育的影響 J 中國果樹 2014 4 46 49 86 8 馬紹英 李勝 張真 等 LED光源不同光質下葡萄 試管苗增殖和葉綠素熒光動力學特征 J 甘肅農業(yè) 大學學報 2013 48 1 56 62 9 余陽 劉帥 李春霞 等 LED光質對 夏黑 葡萄光 合特性和生理指標的影響 J 果樹學報 2015 32 5 879 884 10 尹魁林 張瓊 不同因素對冬棗試管苗過渡移栽成活 率的影響 J 落葉果樹 2014 46 2 8 10 11 張珊珊 楊文忠 康洪梅 等 光強和土壤含水量對 云南藍果樹幼苗生長及光合特征的影響 J 東北林 業(yè)大學學報 2018 3 16 23 12 馬宗桓 光照強度對葡萄果實品質及花青苷合成的調 控機理研究 D 蘭州 甘肅農業(yè)大學 2019 13 朱開元 劉慧春 周江華 等 延長光周期對羅漢松 和雞爪槭苗期生長及養(yǎng)分吸收利用的影響 J 浙江 大學學報 農業(yè)與生命科學版 2016 42 2 190 198 14 吳鵬飛 王麗娟 劉昭 等 LED補光對設施草莓生 長及果實品質的影響 J 北方園藝 2016 21 48 50 01