LED補光燈在設施園藝中的應用與對作物生長的影響
LED補光燈在設施園藝中的應用與對作物生長的影響,設施園藝的設施類型主要包括塑料大棚、日光溫室、連棟溫室和植物工廠等,由于設施建筑在一定程度上遮擋了自然光源,導致室內光線不足,進而造成作物減產和品質降低。因此,補光燈在設施作物的優質高產上起到了不可或缺的作用,但也成為設施內能耗和運行成本增加的主要因素。
長期以來,在設施園藝領域使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素燈、白熾燈等,突出缺點是產熱高、能耗大、運行費用高。新一代照明光源發光二極管(Light-Emitting Diode,LED)的發展,使低能耗人工光源在設施園藝領域的應用成為可能。LED具有光電轉換效率高、使用直流電、體積小、壽命長、耗能低、波長固定、熱輻射低、環保等優點,與目前普遍使用的高壓鈉燈和熒光燈相比,LED不僅光量、光質( 各種波段光的比例等) 可以根據植物生長的需要精確調整,并因其冷光性可近距離照射植物, 從而使栽培層數和空間利用率提高,實現傳統光源無法替代的節能、環保和空間高效利用等功能。基于這些優點,LED被成功應用于設施園藝照明、可控環境基礎研究、植物組織培養、植物工廠化育苗及航天生態系統等。近年來,LED補光燈的性能不斷提高、價格逐漸下降以及各類特定波長的產品逐漸被開發,其在農業與生物領域的應用范圍將會更加廣闊。
該文綜述了LED在設施園藝領域的研究現狀,重點介紹了LED補光燈應用的光生物學基礎、LED補光燈對植物光形態建成、營養品質與延緩衰老的影響、光配方的構建與應用等方面的應用,并對LED補光燈技術目前存在的問題與前景進行了分析和展望。
LED補光燈對園藝作物生長的影響
光對植物生長發育的調節作用包括種子萌發、莖的伸長、葉和根的發育、向光性、葉綠素的合成與分解及花的誘導等。設施內的光照環境要素包括光照強度、光照周期和光譜分布,采用人工補光的方式,可以對其要素進行調節而不受天氣條件的限制。
植物對光具有選擇性吸收的特性,由不同的光受體感知光信號,目前發現植物體內至少有三類光受體,光敏素(吸收紅光和遠紅光)、隱花色素(吸收藍光和近紫外光)和紫外光受體(UV-A和UV-B)。采用特定波長光源來照射作物,可提高植物的光合作用效率,使其光形態建成加快,從而促進植物的生長發育。植物光合作用主要是利用紅橙光(610~720 nm)和藍紫光(400~510nm)。利用LED技術,能夠輻射出符合葉綠素最強吸收區波段的單色光(如波峰為660nm的紅光、波峰為450nm的藍光等),光譜域寬僅為±20 nm。目前認為,紅橙光會使植物的發育顯著加速,促進干物質的積累,鱗莖、塊根、葉球以及其他植物器官的形成,引起植物較早開花、結實,在植物增色中起著主導作用;藍、紫光能夠控制植物葉片向光性,促進氣孔開放及葉綠體運動,抑制莖伸長,防止植物徒長,還可延遲植物開花,促進營養器官的生長;紅藍光LED 組合后可彌補兩者單色光的不足,形成與作物光合作用和形態建成基本吻合的光譜吸收峰值,光能利用率可達80%~90%,節能效果顯著。
設施園藝中配備LED補光燈可達到非常顯著的增產效果。有研究表明,300 μmol/(m2·s)LED燈帶和LED燈管12h(8:00~20:00)補光下的櫻桃番茄的掛果數、總產量和單果重都顯著提高, 其中LED燈帶補光分別提高了42.67%、66.89%和16.97%,LED燈管補光分別提高了48.91%、94.86%和30.86%。全生育期LED燈補光[紅藍光質比為3:2,光強為300 μmol/(m2·s)] 處理可顯著增加節瓜和茄子的單果質量和單位面積產量,節瓜提高了5.3%、15.6%,茄子提高了7.6%、7.8%。通過全生育期LED光質及其強度、時長的時空調配,能夠縮短植物生長周期,提高農產品商品性產量、營養品質及形態價值,實現設施園藝作物高效、節能和智能化生產。
LED補光燈在蔬菜育苗上的應用
LED補光燈光源調控植株形態建成和生長發育是溫室栽培領域的一項重要技術。高等植物能通過光敏色素、隱花色素、向光素等光受體系統感應并接受光信號,經胞內信使傳導,調控植物組織和器官建成等形態變化。光形態建成是植物依賴光來控制細胞的分化、結構和功能的改變,以及組織和器官的建成,包括對部分種子萌發的影響、促進頂端優勢抑制側芽生長、莖伸長、引起向性運動等。?
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