植物工厂内LED光调控在果树栽培中应用的研究进展.pdf

118 农机使用与维修2024年第4期 植物工厂内LED光调控在果树栽培中 应用的研究进展 王文明1 2 潘丽芹1 2 徐森富1 2 1 台州科技职业学院 浙江台州318020 2 台州市园艺生物技术重点实验室 浙江台州 318020 摘 要 相比露天栽培和大田生产 植物工厂具有不受气候条件影响 自动化程度高 空间单位面积利用率高 可 周年不间断连续生产等突出优点 该文重点阐述和分析了植物工厂内发光二级管 LED 光调控在果树栽培中 的应用 从光质 光周期 光照度三个角度出发 总结LED光调控对果树生长发育与生理生化的影响 并提出存 在的问题 展望了未来的发展趋势 关键词 植物工厂 LED光调控 光照 环境控制 果树栽培 中图分类号 S233 4 文献标识码 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 基金项目 农业农村部园艺作物种质资源利用重点实验室开 放课题 NYZS2023006 台州市科技局农业科技 计划项目 23nya20 作者简介 王文明 1991 男 哈尔滨人 博士 讲师 研究 方向为智能农机机械装备 通讯作者 徐森富 1969 男 浙江仙居人 硕士 教授 研 究方向为现代园艺技术与装备 0 引言 植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现 农作物周年连续生产的高效农业系统 可实现对植 物生长的温度 湿度 光照 二氧化碳浓度以及营养 液等环境因子进行高精度自动化控制 使设施内植 物的生长发育不受或很少受自然条件制约 从而实 现周年不间断生产 近年来 随着信息技术的不断 发展 植物工厂技术已广泛应用于种苗 蔬菜 水 果 花卉 中药材等作物的规模化生产中 在果树栽 培领域也应用广泛 已成为我国果业发展的新业 态 可扩大优良果品栽培区域 延长鲜果供应期 对 我国果业发展具有重要意义 本文从光质 光周期 和光照度三个角度综述了植物工厂中LED光控制 在果树栽培中的应用 旨在为果树设施栽培的研究 提供参考 1 LED光调控技术 植物工厂使用的光照条件包括光质 光照度和 光周期等参数 这些参数对果树生长发育至关重 要 是设施果树栽培运行的关键因素之一 光调控 技术利用LED光源进行综合调控 满足果树在生长 发育不同时期对光量的需求 突破自然环境限制 实现精确供光 与传统照明条件不同 LED作为冷 光源具有体积更小 发热少 效率更高 波长可调性 更强等优点 广泛应用于近年来的设施栽培中 1 1 光质对果树生长和品质的调控 作物光合作用以红橙光和蓝紫光为吸收峰值 区域 光谱能量分布是影响植物生理过程的重要属 性 不同波段范围内的光具有不同的生物学效应 不同光质对作物细胞分裂和器官分化的作用也不 同 研究发现 即使在同一作物的不同器官培养 中 光质也会表现出明显差异 1 2 短波光不利于 葡萄试管苗的生长和生根 而长波光则有利于难生 2024年第4期农机使用与维修119 根的试管苗 3 对于香椿苗来说 红光处理可以促 进其株高 鲜质量 干质量和可溶性糖含量的增加 蓝光处理则可以提高叶绿素含量和可溶性蛋白质 含量 4 另外 张斌斌等 5 研究表明 通过调节光 的颜色可对红叶桃产生不同影响 红 黄色可以改 善叶片的红色色泽 而蓝 绿色会使叶片偏向绿色 白色过滤膜则效果较差 陈光彩等 6 研究表明 单 色红光处理可增加香蕉组培苗的根数和根长 低蓝 光处理有助于根的伸长 而红蓝光混合 80 R 20 B 处理则能有效促进香蕉组培苗的溶糖和光 合色素的积累 黄文静等 7 研究显示 LED红光和 蓝光分别能促进火龙果幼苗植株的增高和茎围增 大 当采用复合红蓝光 6 4 时 火龙果出苗时间 最短 增殖系数高 生根率达到100 马绍英等 8 指出 在LED红 蓝光下 葡萄试管苗的增殖倍数 冠鲜质量 根鲜质量 叶面积 叶绿素含量 净光合 速率和叶绿荧光参数均最高 胡萝卜素含量则最 低 余阳等 9 通过对嫁接的 夏黑 葡萄进行不同 光质处理发现 红光处理有利于提高叶绿素含量和 过氧化物酶 POD 1 活性 而蓝光处理则有助于提 升超氧化物歧化酶 SOD 活性和降低丙二醛 MDA 含量 光质还可以明显促进 夏黑 葡萄的 生长 通过以上研究可知 不同的LED光谱对果树体 内功能性化学物质的影响也会各不相同 这表明 光质对果树生长发育的调节具有复杂性 并且每个 果树品种对光的需求不同 因此会呈现出不同光生 物学效应 红光可以促进植物形态变化和碳水化 合物的合成 同时增加酶活性 而蓝光则可以促进 植物营养成分的累积 因此 采用合理的红蓝复合 光可以促进植物形态建成 实现更好的生长效果 1 2 光照度对果树生长和品质的调控 植物的生长发育和营养物质含量受光照度影 响 过弱或过强的光照都会产生不利影响 适宜的 光照度能稳定增加植物的光合速率和蒸腾速率 提 高物质生产能力和生长发育速度 尹魁林等 10 研 究表明 对移栽前的冬枣试管苗进行渡光处理 可 有效提高其栽植成活率 对于云南蓝果树幼苗来 说 适度遮阴能促进幼苗个体发育 在光照度为 60 时最为适宜 过低或过高的光照度均不利于其 生长发育和光合作用 11 马宗桓 12 指出遮光处理 也对果实的品质有一定影响 不同遮光处理下果实 中单宁及花青素含量降低 酒石酸 苹果酸和乳酸 含量增加 果袋透光率小于50 时单宁和类黄酮 物质的合成明显受到抑制 且果实的转色时间会 延迟 综合来看 合理的光照度可以促进果树生长并 增加干物质量积累 在相同光照度下 使用红蓝光 混合可以促进果实和植株初级代谢产物的积累和 生理变化 并通过光量调节营养品质指标 不同光 照度下果树活性成分存在明显变化 特别是在高光 照度下 应适当遮挡植株关键部位 以防止高光照 度对叶片器官的损伤和光合作用的破坏 1 3 光周期对果树生长和品质的调控 光周期是光环境调控中的重要属性 通过匹配 果树育苗体内时钟周期 可获得更多光合作用优 势 通过对幼苗光周期的调控 可调节其营养物质 的积累 有助于生物量积累和品质改善 光周期调 控可解决果树栽培中因地理位置 季节变化 光照 不足等问题 可缩短果树培养周期 根据需光量的 不同对光周期进行分段管理 通常延长果树苗的光 周期可促进其生理代谢与生长过程 朱开元等 13 研究结果表明 延长光周期培育罗汉松和鸡爪槭 苗高增幅分别达到17 和20 但新根数分别下降 了31 和21 光周期延长也使鸡爪槭苗木的生物 量和氮 N 磷 P 钾 K 含量显著增加 延长光周 期会同时提高苗木对N的吸收和利用效率 但是不 会影响养分淋溶 吴鹏飞等 14 指出 冬季雾霾天对 温室设施草莓进行LED补光处理 可以显著提高草 莓植株生长量 净光合速率 由此看来 果树植株能通过光受体感知光周期 变化 并调节其生理生化特性以适应当地环境 在 自然条件下 短日照往往限制了果树植株的生长和 发育 从而减少产量和品质 因此 在人工条件下 可以通过补光来延长每天的光周期 提高果树植株 的生长发育水平 促进干物质的积累 加快花芽分 化并调节其生理特性和开花反应 2 存在的问题 果树栽培的光调控是一个复杂的问题 尤其是 植物工厂内不同光照条件对不同果树品种的栽培 效果需要具体分析 利用LED光源的电能消耗是 整个植物工厂的主要能源消耗 需要从装备设计开 发 精准调控等多方面实现资源高效利用 目前果 树工厂化栽培光调控技术主要存在以下问题 1 现有的光源设备成本较高 增加了植物工厂 120 农机使用与维修2024年第4期 的建设和维护成本 当前使用的LED光源容易出现 光衰减 影响植物的生长效果和经济效益 2 光质是影响果树叶片细胞内活性物质生物 合成的主要因素 其对果树次生代谢产物的影响机 理尚未清晰 今后应加大相关方面的研究 同时 现有关于光调控的研究大多集中在红 蓝或红蓝组 合光 对某一光质波段内不同波长光的研究较少 此外 还应拓展如紫外光 远红光 绿光等其他不同 光质组合对果树代谢和生长发育影响差异的相关 研究 3 目前 现有果树品种对于植物工厂环境的适 应性相对较差 缺乏专门针对工厂化栽培而培育 出来的果树品种 这一点也成为制约果树规模化生 产的重要因素 同时 光调控技术基础研究薄弱 对不同果树品种所需的光量和在不同时期对于光 照度的需求了解不够充分 由此导致在实际操作过 程中难以制定最佳的光照方案以及科学合理的光 周期 但实际上每一种果树品种都有其独特的生长 规律和光合作用机制 4 植物工厂环境自动化控制技术落后 植物 工厂形成了一套特殊的小区气候环境 其中光照调 控对果树的生长发育和生理生化产生较大影响 光 照的精确控制是果树工厂化生产的关键 与欧美 等发达国家相比 我国的植物工厂自动化控制技术 还存在一定差距 许多工艺仍需要人为监测和调 节 缺乏智能化决策系统并且缺乏作物表型方面的 传感器 这使得难以精准感知作物的生长需求 也 就无法按需提供最佳光配方 5 光源强度和波长的调节要结合植物生理特 征和光照周期等因素 在实际操作中需要有一定的 专业知识和技能 这些问题需要技术研究和改进 并与相关领域的专业人士 政府机构和公众共同努 力 从而使植物工厂光调控技术更加完善和成熟 3 植物工厂光调控技术未来的发展趋势 首先 互联网技术将有望实现专家远程对植物 工厂进行精准决策 这将实现植物工厂各子系统 的智能化集成 并提高作物生长状态 环境等信息 的实时监测 同时 通过专家决策可以保障多系统 协同作业和自动化操作 并为无人值守植物工厂的 实现奠定坚实基础 其次 应加强研发高精度 低 成本的传感器设备 使之与多传感器融合技术结合 起来为自主决策提供原始数据 最后 人工智能技 术的快速发展和广泛应用将帮助植物工厂实现更 加精确 便捷和高效的光配方优化 从而最大限度 地提高作物生长发育的质量和数量 这些发展趋 势将继续推动植物工厂光调控技术的创新和升级 为实现大规模农业生产 促进可持续发展作出积极 的贡献 参考文献 1 陈永快 王涛 兰婕 等 植物工厂内LED光调控在 作物栽培中的研究进展 J 江苏农业科学 2020 48 23 40 46 2 刘盛雨 光质对血橙果实多甲氧基黄酮及花青素积累 的调控作用 D 重庆 西南大学 2021 3 李胜 李唯 杨德龙 等 不同光质对葡萄试管苗根 系生长的影响 J 园艺学报 2005 32 5 872 874 4 张立伟 刘世琦 张自坤 等 不同光质下香椿苗的 生长动态 J 西北农业学报 2010 19 6 115 119 5 张斌斌 蔡志翔 沈志军 等 光质对红叶桃叶片呈 色的影响 J 果树学报 2013 30 4 602 607 6 陈光彩 潘彤彤 毛琪 等 LED红 蓝光源对香蕉组 培苗生长的影响 J 中国南方果树 2019 48 2 59 66 7 黄文静 杨光柱 郑丽萍 等 不同光质对火龙果胚培 养苗生长发育的影响 J 中国果树 2014 4 46 49 86 8 马绍英 李胜 张真 等 LED光源不同光质下葡萄 试管苗增殖和叶绿素荧光动力学特征 J 甘肃农业 大学学报 2013 48 1 56 62 9 余阳 刘帅 李春霞 等 LED光质对 夏黑 葡萄光 合特性和生理指标的影响 J 果树学报 2015 32 5 879 884 10 尹魁林 张琼 不同因素对冬枣试管苗过渡移栽成活 率的影响 J 落叶果树 2014 46 2 8 10 11 张珊珊 杨文忠 康洪梅 等 光强和土壤含水量对 云南蓝果树幼苗生长及光合特征的影响 J 东北林 业大学学报 2018 3 16 23 12 马宗桓 光照强度对葡萄果实品质及花青苷合成的调 控机理研究 D 兰州 甘肃农业大学 2019 13 朱开元 刘慧春 周江华 等 延长光周期对罗汉松 和鸡爪槭苗期生长及养分吸收利用的影响 J 浙江 大学学报 农业与生命科学版 2016 42 2 190 198 14 吴鹏飞 王丽娟 刘昭 等 LED补光对设施草莓生 长及果实品质的影响 J 北方园艺 2016 21 48 50 01