LED智能补光技术在果树栽培中的应用以及研究进展.pdf

null51null 农业开发与装备 2024年第9期 科技纵横 LED智能补光技术在果树栽培中的应用以及研究进展 巩 瑞 宁波盛和灯饰有限公司 浙江宁波 315700 摘要 我国多数果树产区常受光照不足及极端天气 制约影响产量品质 LED补光因其独特优势而备受关 注 系统梳理LED补光在果树领域的研究进展 重点 分析光谱优化 光照布局 智能控制等精准补光措 施 以及在光合生理 产量品质 节能增效等方面的 应用效果 结果表明 通过匹配最佳光质组合与光 强 优化布局 集成智能控制 LED补光可显著提高 光合效率与碳水化合物积累 协同提升产量品质 并 具有明显的节能增效潜力 为进一步发挥LED补光促 进现代果业发展的巨大潜力 亟须加强多学科交叉融 合 深化产学研用合作 加快技术成果转化应用 关键词 LED 智能补光 果树栽培 应用 研究进展 0 引言 我国是果树栽培大国 但多数产区常因光照资源 不足而面临产量和品质下降的困扰 严重制约了产业 提质增效 人工补光是改善光照不足的有效措施 但 传统光源能耗高 光质不合理 亟须创新升级 LED补 光技术以其高光电转化 低热辐射 光质可调等独特优 势 为破解这一难题提供了新思路新方法 系统梳理 LED补光技术的研究进展与应用效果 对于推动现代果 树产业升级 保障优质果品供给具有重要意义 1 LED补光技术优化果树栽培的关键机理 果树对光质 光强 光周期等光环境因子具有特 定需求 传统补光多采用高压钠灯等 存在光谱不 匹配 能耗高等问题 LED补光凭借其独特的光谱可 调 低热量辐射 光量子效率高等优势 可精准匹配 不同果树品种的光质需求 在提高光合效率 减少呼 吸消耗等方面具有独特机理 红蓝光对绝大多数果树 的光合作用具有决定性作用 补充红蓝光可显著提高 叶绿素含量 促进气孔开放 从而提高光合速率 1 宁波象山火龙果实验结果表明 在3 000 K白光中补充 660 nm红光和730 nm远红光 可在阴雨天显著增加火 龙果开花数量 此外 LED补光还可延长光照时间 突破自然光周期限制 实现果树体内物质合成与运输 的动态平衡 进而提高产量与品质 综上 LED补光 技术通过动态匹配最佳光质组合 延长有效光照时 间 可充分发挥果树光合潜力 显著提高产量品质 这为我国局部地区阴雨天频发导致的果树产量与品质 下降问题提供了新的解决方案 2 LED补光方案的定制化设计 2 1 基于目标果树品种的光谱优化 不同果树品种对光质需求的差异性是开展LED补 光研究需要着重考虑的因素 这主要源于各品种在光 合色素组成 光能转化效率 光形态建成等方面的遗 传差异 因此 LED补光方案的制定必须立足于目标 品种的生理生态特性 遵循因地制宜 因种施策的原 则 开展充分的前期光谱筛选试验 明确不同品种的 最佳光质组合及其配比 以宁波象山基地为例 针对 当地主栽的草莓 火龙果 柑橘等品种 研究者采取 了系统的光谱筛选方案 通过对比分析30多个不同光 谱组合下的植株生长和果实品质 最终优选出了适合 草莓的3 000 K 5 000 K白光结合660 nm红光和730 nm 远红光方案 以及适合火龙果的3 000 K暖白光配比 660 nm和730 nm红远红光方案 在此基础上 进一步围 绕光质比例与强度开展了精细化调控 结果表明 草 莓 越心 品种在R B 4 1且B 50 mol m 2 s 1 时可获得最佳果实品质 这些研究充分考虑了不同果 树品种独特的光质需求 为因地制宜 有的放矢地开 展LED补光奠定了扎实基础 为草莓 火龙果的补光 设施设计和灯具选型提供了重要参考 2 2 针对栽培环境特点的光照强度与布局 果树栽培环境复杂多样 光照强度与布局应根据 目标设施环境 树形特点等进行精细化设计 以实现 均匀补光 提高光能利用率 三维植株建模与光环境 模拟是当前国际前沿 可为光照布局优化提供理论依 据 对于平棚温室 通常采用机架式光源悬挂 灯具 安装高度 间距 角度等参数可通过建模计算获得 2 宁波象山草莓试验表明 在1 5 m高植株顶部安装110 w LED灯 间距4 m 可使冠层光合有效辐射维持在饱和 光强的80 以上 对于立体构型 如火龙果 猕猴桃 等攀缘类果树 灯具高度与角度需要根据主蔓走向 结果部位进行针对性设计 如火龙果灯具多采用与主 蔓垂直布置 高度保持在1 2 1 5 m 间距30 40 cm null52null 农业开发与装备 2024年第9期科技纵横 红美人则采用树冠下方45 角仰角安装 与主枝平行 布置 间距40 cm左右 这些布局方案既考虑了光能 利用效率 又兼顾了果树栽培操作的便利性 总的来 说 光照强度与布局既要匹配设施类型与容积大小 又要适应树形特点与栽培制式 通过三维建模等手段 进行定量设计与优化布局 实现均匀高效补光 是 LED补光措施因地制宜的关键因素 这需要LED厂商 植物学家 农学专家协同创新 凝练共性规律 攻克 关键技术 推动成果转化应用 2 3 智能化控制系统的集成应用 实现LED补光促进果树高产优质的目标 仅依靠人 工调控已难以满足生产需求 特别是大规模推广应用 阶段 LED智能控制系统的开发与集成至关重要 传 感技术 物联网 大数据等现代信息技术的引入 可 实现环境数据的实时采集 分析 反馈 并对LED灯 具进行智能响应与动态调控 从而实现光照的量化管 理 提高生产智能化水平 基于光纤传感器的实时监 测是LED智能控制的前提 结合温室外辐射强度 温 室透光率 作物冠层结构参数等 可构建冠层光强预 测模型 实现对冠层光环境的实时评估与动态响应 一旦监测到冠层光强低于设定阈值 系统即启动LED 灯组 直至光强恢复到适宜水平 结合光周期模型 系统可根据季节变化自主调整光照时长 宁波象山智 能草莓温室采用该系统后 极大提高了草莓补光效 率 此外 不同生育阶段对光质光强的需求存在显著 差异 生长期着重补充蓝光 提高株型紧凑度 花期 适当增加红光 促进开花坐果 果实膨大期侧重补充 绿光与远红光 促进碳水化合物运输 将作物生育进 程纳入智能控制系统 可实现分阶段动态光质调控 做到随需而变 应需施供 使补光效果最优化 3 3 LED补光技术的应用效果评估 3 1 光合作用与碳水化合物积累 光合作用是果树生长发育的物质基础与能量来 源 LED补光通过优化光质 匹配强度 可显著提高 叶片光合速率 从而增强干物质积累 为果实膨大 发育提供充足的碳水化合物 4 对宁波象山草莓 越 心 品种的研究表明 3 000 K 5 000 K复合白光结合 660 nm红光和730 nm远红光补光 在自然弱光条件 下 可使叶片净光合速率提高176 可溶性糖 淀粉含量分别提高110 和96 单果重 硬度 可溶性固形物含量显著高于对照 这些结果直观体 现了LED补光对果树光合作用的促进效应 光合产 物在体内的分配运输也受到LED补光的显著影响 研究表明 适宜比例的红蓝光可诱导更多的碳水 化合物由叶片向果实转运 这主要与两方面机制 有关 一是提高糖类运输载体的表达水平 二是 促进韧皮部可动员碳库的活性 观测发现 补光 后 韧皮部伴胞细胞数量及上下运输蛋白的积累量 均显著增加 红美人柑橘作为一种高品质晚熟柑 橘品种 其对光照的需求具有独特性 通过对比 分析20多组不同光谱组合 研究发现红美人柑橘对 3 000 K 4 000 K的双色温定制白光 结合660 nm红光 和730 nm远红光的光谱组合反应最为积极 具体实验 数据显示 在R B 红蓝光比例 为3 1 且总PPFD 光合光子通量密度 为300 mol m 2 s 1 的条件 下 柑橘表现出最佳的生长状态和果实品质 与对照 组相比 采用此光谱方案的红美人柑橘树叶片叶绿素 含量提高了15 光合作用效率提升了20 更为重要 的是 果实品质也得到显著提升 可溶性固形物含量 平均增加1 2 Brix 果皮着色提前7 10天 果实单果 重增加8 12 见表1 此外 研究还发现适度增 加远红光 730 nm 的比例可以促进红美人柑橘的花 芽分化 有利于提高坐果率 在补光时间的安排上 每天补光6 8 h 可分为清晨和傍晚两个时段 效果最 佳 不仅可以延长植株的光合作用时间 还能够避免 正午光抑制现象的发生 宁波象山2个红美人基地试验 表明 补光处理的可溶性糖运输速率提高52 78 果实糖分积累显著快于对照 由此可见 LED合理补 光不仅能提高光合本身 而且可加快光合产物向库器 官的运输 从源库两端共同促进果实品质的提升 表1 柑橘检验检测报告 样品编号 W 2024 0057 原始信息 LED1 LED2 序号 检验项目 单位 检验依据 检验 结果1 检验 结果2 1 单果重 g GB T 8210 2011 210 8 208 0 2 纵经 mm 67 51 64 53 3 横径 mm 77 01 76 49 4 果形指数 0 88 0 84 5 可食率 80 0 81 0 6 果汁率 60 9 61 8 7 可溶性固形物 14 9 15 3 8 可滴定酸 g 100mL 0 69 0 70 9 抗坏血酸 mg 100g 32 6 34 1 10 总糖 g 100g 14 2 14 7 11 还原糖 g 100g GB 5009 7 2016 第一法 5 6 6 0 null53null 农业开发与装备 2024年第9期 科技纵横 3 2 产量与品质提升 产量和品质是果树种植的核心目标 也是评判栽 培技术优劣的关键指标 大量研究表明 LED补光对 多种果树的产量与品质均有显著的提升效果 宁波象山防雨棚草莓 越心 试验发现 在自 然光照60 的遮光条件下 3 000 K 5 000 K白光复合 660 nm红光和730 nm远红光补光 使单果重提高26 硬度提高19 可溶性固形物含量提高10 果实着色 指数提高55 商品果率由78 提高到95 类似结果 在日本 韩国 荷兰等地的草莓试验中均有发现 可 见LED补光已成为弱光条件下提高草莓产量品质的行 之有效技术 对于热带亚热带果树 LED补光在增产 提质方面的效果同样明显 马来西亚学者对设施火龙 果进行了系统研究 结果表明 200 mol m 2 s 1 的 高强度红蓝光补光可使单果重 可溶性固形物含量分 别提高23 和18 宁波象山的试验进一步优化了光 质配比 采用3 000 K暖白光配比660 nm 红光和730 nm 远红光 不仅显著提高了火龙果的坐果率 单果重 而且使糖分提高12 口感明显改善 商品性显著提 高 红美人作为我国近年来发展较快的特色果树品 种 LED补光在提升其产量品质方面也初显成效 象 山柑橘基地开展的试验表明 3 000 K 4 000 K白光配 以660 nm红光和730 nm远红光补光 在阴雨天气常发 的冬春季 可使柑橘单果重提高21 可溶性固形物 含量和糖酸比分别提高2 8和2 5个百分点 上海交通大 学团队对日本草莓 红颜 的研究发现 用480 nm蓝 光补光可显著诱导乙酰辅酶A形成 进而加快醋酸乙酯 等酯类物质的合成 使果实香气明显增强 类似结果 在宁波象山的 越心 丹香 等品种上也有发现 此外 补光后还可诱导车前草碱 松柏醇等萜类物质 积累 使防病抗逆能力增强 这些结果均表明LED补 光不仅能提高果实感官品质 而且对内在品质与机能 成分的提升也大有裨益 3 3 节能增效与经济性分析 节能增效是现代农业的重要发展方向 传统补光 以高压钠灯为主 光电转化率低 能耗大 已不能适 应产业发展需求 LED补光以其高光电转化率 低热辐 射等特点 可大幅降低电耗 提高设施果树种植的能 源利用效率 5 以草莓为例 荷兰研究者比较了高压钠 灯和LED灯补光效果 结果表明 180 mol m 2 s 1 PPFD的LED补光较同等光强的高压钠灯可节电30 经济效益提高25 宁波象山草莓大棚应用LED补光 年用电量可较高压钠灯降低1 8万度 hm 2 节电率达 35 可见 LED补光既能满足草莓生长需求 又可显 著降低能耗 在节能增效方面优势明显 经济效益是 果树栽培技术推广应用的现实基础 开展LED补光的 经济性分析 对于明晰其商业应用潜力具有重要参考 价值 相关研究表明 由于产量提高 品质改善带来 的效益远超LED灯具成本增加 因而LED补光整体经 济效益十分可观 以日本茨城县设施草莓为例 采用 660 nm红光为主的LED混光补光 较普通日光温室可 增加收入29 投资回收期缩短为2 8年 荷兰温室小 番茄的研究也有类似结论 认为LED补光增产提质带 来的效益可在2 4年内收回投资 可以预见 随着LED 灯具价格进一步下降 其经济性将更加突出 商业应 用前景广阔 不可否认 LED补光在前期投入方面较 传统光源有所增加 4 结论 LED补光技术是破解资源环境约束 推动果树产 业升级的重要手段 但要充分发挥其提质增效潜力 尚需在基础研究 集成优化 示范推广等方面持续发 力 这需要政产学研用各方紧密合作 着眼 卡脖 子 难题 加强协同攻关 加快成果转化 完善标准 规范 强化示范引领 唯有如此 方能不断拓展LED 补光技术的应用广度和深度 为开创现代果业发展新 局面提供强大科技支撑 进而为推进农业现代化和乡 村振兴贡献力量 参考文献 1 王文明 潘丽芹 徐森富 等 植物工厂内LED光调控在果 树栽培中应用的研究进展 J 农机使用与维修 2024 4 118 120 2 李红红 高琪 何忠振 等 提高果树果实品质的技术方法 J 农业工程技术 2023 43 22 50 57 3 任宝君 刘文达 提高设施温室果树栽培光能利用率的关 键技术 J 特种经济动植物 2011 14 3 48 49 4 张洪杰 徐青文 付华波 等 大棚果树栽培中温 湿 光 气的调控措施 J 科技信息 2010 3 771 5 马锋旺 保护地果树栽培增光技术 J 果树实用技术与信 息 2001 4 40