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LED光调控技术在生菜设施化生产中的应用

时间:2017-12-07 23:52来源:未知 作者:林魁,徐永 点击:
LED光调控技术在生菜设施化生产中的应用
林 魁1,徐 永2(1.福建农林大学园艺学院,福建福州350002;2.福建农林大学光电子农业工程与技术研究中心,福建福州350002)

光是植物生长发育最重要的环境因素之一。植物在它的整个生长发育周期中始终处于一个不断变化的光环境中。在长期的进化过程中,植物不仅能感知外界光环境的变化,而且还能调节自身去适应周围的光环境。植物的生长发育和形态建成都会受到光的强烈影响,例如,蓝光能够调节植物气孔开放、展叶、可溶性蛋白质的积累、向光性、光形态和光合作用过程;绿光能够诱导叶片生长,减少生物量;红光能够诱导拟南芥幼苗的下胚轴伸长及其子叶的扩张。特定的光强、光质和光周期对于调节花期、株高、叶面积、茎的伸长和营养品质的积累具有重要作用。
随着科学技术的快速发展,植物对光的有效利用已经突破单纯依靠太阳光的限制,如今用人工光源代替补充自然光源的不足,已逐渐成为对植物生长发育进行控制的有效手段。传统的人工光源主要包括白炽灯、荧光灯、钠灯等,但这些光源都存在着发光效率低、能耗大、光谱不匹配等弊端。1990年,发光二极管(lightemitting diode,LED)第一次被用于植物的生长试验研究中,并取得了很好的效果。随后的20多年,有关新型节能的LED在设施农业生产中的运用越来越多,并取得了许多可喜的成果。
生菜(Lactvca sativa L.)属菊科莴苣属,又名叶用莴苣,是世界公认的有机绿叶蔬菜。生菜不仅富含人体所需的维生素、矿物质、蛋白质等营养成分,而且具有预防心脏疾病、抗衰老、防癌等保健功能,近年来逐渐成为设施无土栽培中的主要蔬菜种类。在传统生菜的生产实践中,一些厂商为追求短期内的经济效益,滥用农药、化肥、激素等化学药品,不仅造成土地的破坏和环境的污染,农产品的安全性也受到挑战。此外,种植人员经常忽视生菜生长环境的卫生规范等问题,甚至有可能危及人类的健康。研究表明,对植物生长的光环境进行适当的调控对于作物生长发育是十分重要的。现对国内外在该方面的研究进行阐述,重点论述我国生菜研究的现状,并提出将LED应用于生菜生长过程中可能出现的问题及今后的研究思路和研究方向。

1 设施农业及LED在植物照明中的应用
设施农业,又称为可控农业(controlled agriculturelighting)、城市农业(如垂直农业,vertical farming)等,是一个高投入、高产出以及高能耗的行业。以设施蔬菜为主体的中国设施农业在扭转蔬菜长期供应不足,实现自给自足,并在世界蔬菜第一出口大国中发挥了关键作用。 
光源是照明设备中重要的发光部分。发光二极管(light-emitting diode,LED)是一种能够直接将电能转化为光能直接使用的新型照明光源。由于兼具光、电、热等多种特性(如结构简单、质量轻、安全性高)及光电优势(低功耗、高光效、低发热等),使之逐步取代传统光源的地位,具有广泛的应用前景。近年来,随着LED技术的不断成熟及制造成本的日益降低,LED逐渐被广泛应用于各领域,如背光、通信、装饰、城市夜景布控等。更为重要的是,在非视觉照明的领域(如医疗、植物照明等)LED的运用范围也不断扩大,其优越性也得到更为充分的体现。
目前,LED在设施农业领域的应用研究已经引起全世界的广泛关注,具有广阔的应用前景。在蔬菜设施育苗方面,LED研发为人工光型植物工厂的发展提供了契机。国内外有关单一或组合的LED光质对不同蔬菜品种进行调控主要作物包括菠菜、甜菜、紫苏等,并取得了喜人的成就。在植物组织培养领域,采用LED提供照明,调控组培植物生长的光环境,不仅有利于植物的生长发育和形态建成,同时能够大大降低耗损,节约成本。由此可以看出,利用LED并将其推广于蔬菜栽培的潜力巨大。然而光环境对生菜生长发育及品
质产量的影响并未得到重视。
 
2 我国生菜设施栽培研究现状
目前,我国在生菜生产方面虽然逐渐形成一套相对完善的管理模式,如采用多层立体栽培方式替代平面苗床技术,运用管道化喷雾栽培理念对传统喷雾器的手工作业进行创新设计等,并取得了喜人的成果。然而也发现,实际生产中,在对生菜进行有效管理体系方面还值得进一步深入探讨和创新,尤其在影响生菜生长的5个主要因子,即光、温、水、气、肥方面应该做到更为标准化和规范化的管理。以光因子为例,目前,已有一定数量有关光质对生菜生长和品质方面的研究,但发表的研究成果数量不多,质量也不高,是一个亟待加强研究的领域。同时,课题组发现纵然有相关文献提及光对生菜生长发育及品质影响的研究,然而不同学者的研究结论有所不同。如SOWBIYA等研究了绿光、红光和蓝光LED对生菜多蛋白复合物和特性的影响,结果表明生菜的生物量和光合参数随3种LED色光强度的增加而增加。因此,在设施园艺作物生长发育中光质调控的作用具有一定的复杂性,生物效应庞大,需要进行系统研究和逐一解析,仔细区分有益作用和负效应,提高栽培技术。 
 
3 生菜生长过程中存在的问题
从世界范围来看,早在20世纪20年代,发达国家就开始发展绿色蔬菜。随后近100年的发展过程中,现代农业获得了突破性的进展。随着石油农业时代的到来,化肥、农药的大量施用,导致西方国家出现了农产品过剩。与此同时,农业生态环境也遭到了严重的破坏,农产品污染问题日渐突出。在长期的消费过程中,随着人们对生菜品质和口味等要求的提高,希望下胚轴能够更为甜脆、粗壮。但由于传统生菜的栽培与生产方式很难满足广大消费市场的需求,生产商们转而使用如植物生长调节剂和微量元素等化学方式,以求能够在短期内促进生菜的生长发育及体内功能性化学物质的快速积累。然而大量施用化肥和农药的结果,虽然在短期内可以使生菜的产量有所增加,但从长远来看,在连续栽培条件下,土壤中原本的营养素浓度及营养元素的比例因化肥的施用和生菜的选择性吸收而逐渐偏离正常值,并随着栽培时间的增加而进一步加剧,导致土壤肥力严重下降,生菜栽培效益逐年递减。更为严重的是,在多茬种植后土壤中积累了大量的生菜根系分泌物,这些分泌物经过一系列化学反应转化成对土壤和生菜有害的自毒物质,从而造成了生菜的连作障碍。此外,生菜属喜阴作物,种子发芽的最低温度约为4~8℃,发芽的最适温度为15~20℃。高纬度地区以及其他大多数地区(如我国南方地区)冬春季节多雨雪、阴天气候,且空气污染指数近几年由于大规模引入化工及其它重污染型企业而连续攀升,使得太阳的光照条件(光照强度、光质、光照时间)欠缺现象严重,制约着生菜的生长发育及其品质的提高和优质高效的生产。因此,研究和开发安全环保、经济有效的生产技术将成为当今生菜生产的一个重要课题。植物的光环境调控技术是对植物的生长和发育过程进行相应光环境调控的一种物理手段,符合绿色农业的要求,在蔬菜生产中具有广阔的应用前景。
 
4 LED及其在生菜生产中的应用
光不仅能够调节植物的生长发育,而且还能影响其内部的各种次生代谢物的积累。已有研究表明,光质能够影响生菜的生长及其体内功能性化学物质的积累。如JOHKAN等运用蓝光、红光、蓝光和红光的混合光质的LED灯来照射红叶生菜植株。经过不同光质与光强的配比处理17d后发现,荧光灯培养下的生菜体内的多酚含量和总抗氧化能力显著低于在蓝色LED光照处理下的植株。该试验表明在蓝光下培育幼苗对于促进种植后的生菜植株多酚含量的积累是有效的。LI等用紫外线A、蓝光、绿光、红光和远红光LED照明灯管来培育幼叶生菜,试验结果表明,与那些在白色光控制下的植物相比,经补充的蓝光处理后,类胡萝卜素增加了12%,经补充的红光作用后,酚类浓度增加了6%。同时,补充蓝光能增加类胡萝卜素的浓度,补充红光能够增加酚类物质浓度。受控光质在使用合适的蓝光或红光作为白光的补充光源后,可能会提高植物功能性化学物质的浓度并增加植物的干质量。由此可见,利用LED光调控技术控制生菜生长及其营养品质的方法是可行的,且具有极大的市场潜力。
与金属卤化物光源、荧光灯或高压钠灯不同,LED所用的固态照明系统具有一些非常独特的优势。它们不仅质量轻、体积小、使用寿命长,而且具有波长和光谱组成可控、带宽窄、发光面的温度低、发热小、亮度高、辐射低、效率高等优点。LED的这些优势,尤其是其光谱的可调控性、技术的不断创新和成熟以及使用量的日益增加(因而价格的日益降低),使得它越来越成为植物照明光源的首选。先前的学者们大多将焦点集中于LED照明对植物形态学方面影响的研究,并取得了很好的成果。
近几年,有关LED对于植物体内功能性化学物质积累影响的研究也呈现上升的趋势。有关将LED运用于生菜生产过程中的应用也取得了很大的进展。
KOBAYASHI等研究了不同光源对水培生菜中叶绿素合成的影响,将这些生菜放在3种不同的光质(蓝光LED、红光LED和荧光灯)中培养,结果发现生菜叶中叶绿素的含量在蓝光和荧光灯照射下高于红光照射时的含量。GOTO等研究了红叶生菜在相同光合有效量子辐射下,通过使用红色LED光和蓝色LED光来研究二者对红叶生菜花青素积累的作用,试验结果表明,花青素的浓度随着蓝光比重的增加而增加,说明蓝光照射能够有效促进红叶生菜功能性化学物质的合成。SHOJI等研究了红光和蓝光对红叶生菜花青素的积累及花色素苷的合成基因表达的影响,结果表明混合的蓝光和紫外线B的照射都可以促进花色素苷的合成。当蓝色光的光强增加后,花色素苷的积累也会有所提高。

5 LED光调控技术在生菜生产中应用展望
植物对环境的适应,包括对光环境的适应,是在长期演化过程中获得的,对植物在不同环境条件下的生长发育乃至生存具有重要意义。光是影响植物生长发育的重要因子之一,对植物的生长、形态建成乃至植物体内的基因表达均具有重要的调控作用。通过对植物生长的光环境进行适当的调节,已经逐渐成为取代传统农业种植的一种新型智能农业趋势。生菜作为研究光对蔬菜类生长发育和营养品质指标的影响的重要对象之一,不仅生长周期短,而且经济实惠,营养价值高。
由于上述提到的LED的诸多优点,再加上其发光效率高,响应快,且在实际生产中,LED光源的光密度和光质配比组合还可以根据作物生长的需求进行更为精确的调节和配置,有利于生产出更为高产、高效的绿色环保的农作物。随着近几年科技的不断发展,其制造和使用成本越来越低,优越性也得到更为充分的体现。因此在植物组织培养、植物工厂化育苗、设施园艺栽培等领域得到了广泛的应用。但目前有关LED光调控技术在生菜生产中的应用尚缺乏更为全面和深入的理论基础研究和成熟的技术,国内有关LED对生菜生长发育和营养品质影响的报道也较为少见,是亟待加大研究力度的领域。
运用人工光进行栽培的技术是通过类似光催化反应进行的,是通过对外部条件的控制,同时利用不同光质组合和光照模式来促进植物的光合作用、生长发育和有效物质的合成,最终达到增产增质的目的。相比传统仅通过化肥或激素等方法来增加植物内部营养结构的方式而言,光照方式不仅环保、副作用小,而且不必过多顾虑有关食品安全和生态环境方面的问题。纵然如此,在实现LED光环境调控在诸如生菜等作物的生产运用过程中,仍然存在不少值得进一步解决的问题,这些问题的研究和解决将有助于在今后的研究中能够给出更有说服力和可重复性的结果。
首先,对光源描述的准确性还有待于提高。以光质为例,光质与光谱的能量分布或光谱的组成有关,它是指光环境中影响植物光合与形态建成的波长成分的组成状况。早期许多学者在进行有关光质对植物生长及形态建成的影响方面的研究中,大多采用彩色荧光灯、彩色玻璃纸、滤光片等来获得光质,不仅无法精确和定量地对光谱能量分布进行调制,由此得到的各种光照
的光质纯度的效果也并不相同,纵使研究对象是在完全相同环境下生长的同种植物的同一个时期,不同的光质纯度所产生的效果仍然不一样。对于光质不纯的现象,通常不能用肉眼进行判断,这就给相同光质研究结果的互相比较带来了一定的困难。更为重要的是,在设施园艺的各个领域中,不同种类植物、植物的不同生长发育的年龄和状态阶段,以及不同组织或者器官对同一光质的反应也不相同,表现出光生物学的复杂性。而且,植物光环境调控的组成因子除了光质外,还有光照模式、光强等因素,继而增加了光质调控的复杂性。在应用研究的领域,虽然以经济效益为目标而不必对光质进行非常严格的控制和界定,但至少应该说明光质的组成或是如何得到对应的光质,否则后人就很难重复他们的试验。
其次,许多有关光源在生菜生产中应用的研究只是单纯地通过控制其它变量来进行研究单一变量对植物生长发育的影响。且不考虑所控制变量方法的可靠性,单从现有的文献和数据来看,有关光环境参数的生物学响应机制尚处于模糊的层面,更加缺乏针对某个具体园艺作物之特定生物学指标的光环境参数体系,因此建立更为完善的光环境管控策略迫在眉睫。迄今为止,我国有关植物光调控技术的机理研究和推广运用还处于基础阶段,需要进一步加强与国际有关方面的优势国家进行合作,通过深入探索和挖掘相关的基础理论来更好地将其运用于适合我国实际国情的光配方和光环境管理策略。再者,有关植物光调控技术及其配套的调控系统设施仍有待进一步完善。比如,现有的许多有关植物生长发育的植物培养箱基本上都存在光照不均匀的现象,在实际的基础研究中便无法用来做更为精确和定量的研究。福建农林大学光电子农业工程与技术研究中心通过自主研发的基于植物生长特性的均光植物培养架用来对多种植物进行生长和营养品质方面的研究,取得了
很好的效果。同时,所设计的有色薄膜自适应跟踪与更换系统和彩色漫射玻璃温室在很大程度上解决了当前温室系统中只能调控光强不能调控光质的现状,而基于植物生长特性和规律的流水线式植物工厂的实现方法则有效地解决了植物生产过程中的指导跟踪和光利用率优化等问题。可以看出,经过国内学者的不懈努力,在这方面的研发过程中取得了一些突破性成效。
总之,迄今为止学者们虽然在植物光调控技术方面的研究取得了很好的结果,但在研究过程中还有一些问题需要进一步的精确化和精细化。现设想对每一种植物的生长过程,能通过试验较为精确地确定在各个生长时期的最佳光照条件,并对结果给出适当的理论解释,从而在生产上可以实现类似流水线的跟踪生长方式,以便实现对整个生产过程的优化管理。一旦找到这种最优化的生产条件,就可以将这些结果进行的推广,实现大面积的种植,从而产生更大的社会和经济效益。
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