Резюме: Зеленчуковите разсади са първата стъпка в производството на зеленчуци, а качеството на разсадите е много важно за добива и качеството на зеленчуците след засаждане.С непрекъснатото усъвършенстване на разделението на труда в зеленчуковата промишленост зеленчуковите разсади постепенно се оформиха в независима индустриална верига и обслужваха зеленчукопроизводството.Засегнати от лошото време, традиционните методи за разсад неизбежно се сблъскват с много предизвикателства като бавен растеж на разсад, крак растеж и вредители и болести.За да се справят с дългокраките разсад, много търговски култиватори използват регулатори на растежа.Съществуват обаче рискове от твърдост на разсада, безопасност на храните и замърсяване на околната среда при използването на регулатори на растежа.В допълнение към химическите методи за контрол, въпреки че механичната стимулация, контролът на температурата и водата също могат да играят роля за предотвратяване на растежа на разсада, те са малко по-малко удобни и ефективни.Под въздействието на новата глобална епидемия от Covid-19, проблемите с трудностите в управлението на производството, причинени от недостига на работна ръка и нарастващите разходи за труд в индустрията за разсад, станаха по-важни.

С развитието на осветителната технология, използването на изкуствена светлина за отглеждане на зеленчуков разсад има предимствата на висока ефективност на разсада, по-малко вредители и болести и лесна стандартизация.В сравнение с традиционните източници на светлина, новото поколение LED източници на светлина има характеристиките на енергоспестяване, висока ефективност, дълъг живот, защита на околната среда и издръжливост, малък размер, ниско топлинно излъчване и малка амплитуда на дължината на вълната.Той може да формулира подходящ спектър според нуждите от растеж и развитие на разсад в околната среда на растителни фабрики и точно да контролира физиологичния и метаболитен процес на разсада, като в същото време допринася за незамърсено, стандартизирано и бързо производство на зеленчукови разсад , и съкращава цикъла на разсад.В Южен Китай са необходими около 60 дни за отглеждане на разсад от пипер и домати (3-4 истински листа) в пластмасови оранжерии и около 35 дни за разсад от краставици (3-5 истински листа).При фабрични условия са необходими само 17 дни за култивиране на разсад от домати и 25 дни за разсад от пипер при условия на фотопериод от 20 часа и PPF от 200-300 μmol/(m2•s).В сравнение с конвенционалния метод за култивиране на разсад в оранжерията, използването на метода за култивиране на фабричен разсад LED значително съкрати цикъла на растеж на краставицата с 15-30 дни, а броят на женските цветя и плодове на растение се увеличи с 33,8% и 37,3% , съответно, а най-високата доходност е увеличена със 71,44%.

По отношение на ефективността на използване на енергия, ефективността на използване на енергията на фабриките за растения е по-висока от тази на оранжериите тип Venlo на същата географска ширина.Например, в шведска растителна фабрика са необходими 1411 MJ за производството на 1 kg сухо вещество от маруля, докато 1699 MJ са необходими в оранжерия.Въпреки това, ако се изчисли необходимата електроенергия за килограм сухо вещество от маруля, заводът се нуждае от 247 kW·h, за да произведе 1 kg сухо тегло от маруля, а оранжериите в Швеция, Холандия и Обединените арабски емирства изискват 182 kW· h, съответно 70 kW·h и 111 kW·h.

В същото време във фабриката за растенията използването на компютри, автоматично оборудване, изкуствен интелект и други технологии може точно да контролира условията на околната среда, подходящи за отглеждане на разсад, да се отърве от ограниченията на условията на естествената среда и да реализира интелигентното, механизирано и годишно стабилно производство на разсадна продукция.През последните години фабричните разсади се използват в търговското производство на листни зеленчуци, плодови зеленчуци и други икономически култури в Япония, Южна Корея, Европа и Съединените щати и други страни.Високата първоначална инвестиция във фабриките за растения, високите оперативни разходи и огромната консумация на енергия в системата все още са тесните места, които ограничават популяризирането на технологията за отглеждане на разсад в китайските фабрики за растения.Следователно е необходимо да се вземат предвид изискванията за висок добив и спестяване на енергия по отношение на стратегии за управление на светлината, установяване на модели за растеж на зеленчуци и оборудване за автоматизация за подобряване на икономическите ползи.

В тази статия се разглежда влиянието на LED светлинната среда върху растежа и развитието на зеленчукови разсади в растителни фабрики през последните години, с перспективата на изследователската посока на регулиране на светлината на зеленчукови разсад в растителни фабрики.

1. Ефекти от светлинната среда върху растежа и развитието на зеленчукови разсади

Като един от съществените фактори на околната среда за растежа и развитието на растенията, светлината е не само източник на енергия за растенията за извършване на фотосинтеза, но и ключов сигнал, засягащ фотоморфогенезата на растенията.Растенията усещат посоката, енергията и качеството на светлината на сигнала чрез светлинната сигнална система, регулират собствения си растеж и развитие и реагират на присъствието или отсъствието, дължината на вълната, интензитета и продължителността на светлината.Понастоящем известните растителни фоторецептори включват най-малко три класа: фитохроми (PHYA~PHYE), които усещат червена и далечна червена светлина (FR), криптохроми (CRY1 и CRY2), които усещат синьо и ултравиолетово А, и елементи (Phot1 и Phot2), UV-B рецептор UVR8, който усеща UV-B.Тези фоторецептори участват и регулират експресията на свързани гени и след това регулират жизнени дейности като покълване на семената на растенията, фотоморфогенеза, време на цъфтеж, синтез и натрупване на вторични метаболити и толерантност към биотичен и абиотичен стрес.

2. Влияние на LED светлинната среда върху фотоморфологичното установяване на зеленчуковия разсад

2.1 Ефекти от различно качество на светлината върху фотоморфогенезата на зеленчукови разсад

Червените и сините области на спектъра имат висока квантова ефективност за фотосинтезата на листата на растенията.Въпреки това, дълготрайното излагане на листата на краставицата на чиста червена светлина ще увреди фотосистемата, което ще доведе до феномена на „синдрома на червена светлина“, като забавен отговор на устицата, намален фотосинтетичен капацитет и ефективност на използване на азот и забавяне на растежа.При условия на нисък интензитет на светлината (100±5 μmol/(m2•s)), чистата червена светлина може да увреди хлоропластите както на младите, така и на зрелите листа на краставица, но увредените хлоропласти са възстановени след промяна на чистата червена светлина към червена и синя светлина (R:B= 7:3).Напротив, когато краставичните растения преминаха от среда на червено-синя светлина към среда с чиста червена светлина, ефективността на фотосинтезата не намаля значително, което показва адаптивността към средата на червена светлина.Чрез електронен микроскопски анализ на структурата на листата на разсад от краставици със „синдром на червена светлина“ експериментаторите установиха, че броят на хлоропластите, размерът на нишестените гранули и дебелината на зърната в листата при чиста червена светлина са значително по-ниски от тези под лечение с бяла светлина.Интервенцията на синята светлина подобрява ултраструктурата и фотосинтетичните характеристики на хлоропластите на краставицата и елиминира прекомерното натрупване на хранителни вещества.В сравнение с бялата светлина и червената и синята светлина, чистата червена светлина насърчава удължаването на хипокотила и разширяването на котиледона на доматените разсад, значително увеличава височината на растенията и листната площ, но значително намалява фотосинтетичния капацитет, намалява съдържанието на Rubisco и фотохимичната ефективност и значително увеличава разсейването на топлината.Може да се види, че различните видове растения реагират различно на едно и също качество на светлината, но в сравнение с монохроматичната светлина, растенията имат по-висока ефективност на фотосинтезата и по-енергичен растеж в среда на смесена светлина.

Изследователите са направили много изследвания за оптимизиране на комбинацията от качество на светлината на зеленчукови разсади.При същия интензитет на светлината, с увеличаване на съотношението на червената светлина, височината на растението и прясното тегло на разсад от домати и краставици бяха значително подобрени, а третирането със съотношение червено към синьо от 3: 1 имаше най-добър ефект;напротив, високо съотношение на синя светлина Той инхибира растежа на разсад от домати и краставици, които са ниски и компактни, но повишава съдържанието на сухо вещество и хлорофил в издънките на разсад.Подобни модели се наблюдават и при други култури, като чушки и дини.Освен това, в сравнение с бялата светлина, червената и синята светлина (R:B=3:1) не само значително подобряват дебелината на листата, съдържанието на хлорофил, ефективността на фотосинтезата и ефективността на трансфера на електрони на доматените разсад, но също така и нивата на експресия на ензимите, свързани към цикъла на Калвин, вегетарианското съдържание на растежа и натрупването на въглехидрати също бяха значително подобрени.Сравнявайки двете съотношения на червена и синя светлина (R:B=2:1, 4:1), по-високото съотношение на синята светлина е по-благоприятно за предизвикване на образуването на женски цветя в разсад краставици и ускорява времето за цъфтеж на женските цветя .Въпреки че различните съотношения на червена и синя светлина нямат значителен ефект върху добива на прясно тегло на разсад от зеле, рукола и горчица, високото съотношение на синя светлина (30% синя светлина) значително намалява дължината на хипокотила и площта на котиледона на зеле и разсад от горчица, докато цветът на котиледоните се задълбочи.Следователно, при производството на разсад, подходящо увеличаване на дела на синята светлина може значително да съкрати разстоянието между възлите и площта на листата на зеленчуковия разсад, да насърчи страничното удължаване на разсада и да подобри индекса на сила на разсада, което е благоприятно за отглеждане на здрави разсад.При условие, че интензитетът на светлината остава непроменен, увеличаването на зелената светлина в червената и синята светлина значително подобрява прясното тегло, площта на листата и височината на растенията на разсад от сладък пипер.В сравнение с традиционната бяла флуоресцентна лампа, при червено-зелено-сини (R3:G2:B5) светлинни условия, Y[II], qP и ETR на разсада на домати Okagi No. 1 бяха значително подобрени.Добавянето на UV светлина (100 μmol/(m2•s) синя светлина + 7% UV-A) към чиста синя светлина значително намалява скоростта на удължаване на стъблото на рукола и горчица, докато добавянето на FR е обратното.Това също показва, че в допълнение към червената и синята светлина, други светлинни качества също играят важна роля в процеса на растеж и развитие на растенията.Въпреки че нито ултравиолетовата светлина, нито FR са енергийният източник на фотосинтезата, и двете участват във фотоморфогенезата на растенията.UV светлината с висок интензитет е вредна за растителната ДНК и протеини и т.н. Въпреки това, UV светлината активира клетъчните реакции на стрес, причинявайки промени в растежа, морфологията и развитието на растенията, за да се адаптират към промените в околната среда.Проучванията показват, че по-ниските R/FR предизвикват реакции за избягване на сянка в растенията, което води до морфологични промени в растенията, като удължаване на стъблото, изтъняване на листата и намален добив на сухо вещество.Тънкото стъбло не е добра черта за растеж за отглеждане на силен разсад.За разсад от обикновени листни и плодови зеленчуци твърдите, компактни и еластични разсади не са склонни към проблеми по време на транспортиране и засаждане.

UV-A може да направи растенията за разсад от краставици по-ниски и по-компактни, а добивът след разсаждането не се различава значително от този на контролата;докато UV-B има по-значим инхибиторен ефект и ефектът на намаляване на добива след разсаждането не е значителен.Предишни проучвания показват, че UV-A инхибира растежа на растенията и прави растенията джуджета.Но има все повече доказателства, че присъствието на UV-A, вместо да потиска биомасата на културите, всъщност я насърчава.В сравнение с основната червена и бяла светлина (R:W=2:3, PPFD е 250 μmol/(m2·s)), допълнителният интензитет на червена и бяла светлина е 10 W/m2 (около 10 μmol/(m2·s) s)) UV-A на къдраво зеле значително увеличава биомасата, дължината на междувъзлията, диаметъра на стъблото и ширината на короната на растенията на разсад от къдраво зеле, но стимулиращият ефект е отслабен, когато UV интензитетът надвишава 10 W/m2.Ежедневно 2-часово добавяне на UV-A (0,45 J/(m2•s)) може значително да увеличи височината на растението, площта на котиледоните и свежото тегло на разсада от домати „Волско сърце“, като същевременно намали съдържанието на H2O2 в разсада от домати.Може да се види, че различните култури реагират по различен начин на UV светлина, което може да е свързано с чувствителността на културите към UV светлина.

За култивиране на присадени фиданки дължината на стъблото трябва да бъде подходящо увеличена, за да се улесни присаждането на подложка.Различните интензитети на FR имат различен ефект върху растежа на разсад от домати, пипер, краставици, кратуни и дини.Добавянето на 18,9 μmol/(m2•s) FR в студена бяла светлина значително увеличава дължината на хипокотила и диаметъра на стъблото на разсад от домати и пипер;FR от 34,1 μmol/(m2•s) има най-добър ефект върху насърчаването на дължината на хипокотила и диаметъра на стъблото на разсад от краставица, кратуна и диня;FR с висока интензивност (53,4 μmol/(m2•s)) има най-добър ефект върху тези пет зеленчука.Дължината на хипокотила и диаметърът на стъблото на разсадите вече не се увеличават значително и започват да показват низходяща тенденция.Свежото тегло на разсад от пипер намалява значително, което показва, че стойностите на насищане с FR на петте зеленчукови разсада са по-ниски от 53,4 μmol/(m2•s), а стойността на FR е значително по-ниска от тази на FR.Ефектите върху растежа на различните зеленчукови разсади също са различни.

2.2 Ефекти на различен интеграл на дневната светлина върху фотоморфогенезата на зеленчукови разсад

Интегралът на дневната светлина (DLI) представлява общото количество фотосинтетични фотони, получени от растителната повърхност за един ден, което е свързано с интензитета на светлината и светлинното време.Формулата за изчисление е DLI (mol/m2/ден) = интензитет на светлината [μmol/(m2•s)] × Дневно светлинно време (h) × 3600 × 10-6.В среда с нисък интензитет на светлина растенията реагират на среда с ниска осветеност чрез удължаване на стъблото и дължината на междувъзлията, увеличаване на височината на растението, дължината на дръжката и площта на листата и намаляване на дебелината на листата и нетната скорост на фотосинтеза.С увеличаване на интензитета на светлината, с изключение на горчицата, дължината на хипокотила и удължението на стъблото на разсад от рукола, зеле и къдраво зеле при същото качество на светлината намаляват значително.Може да се види, че ефектът на светлината върху растежа и морфогенезата на растенията е свързан с интензитета на светлината и видовете растения.С увеличаването на DLI (8,64~28,8 mol/m2/ден), растителният тип разсад от краставици става къс, силен и компактен, а специфичното тегло на листата и съдържанието на хлорофил постепенно намаляват.6~16 дни след засяването на разсад от краставици, листата и корените изсъхват.Теглото постепенно се увеличава и скоростта на растеж постепенно се ускорява, но 16 до 21 дни след сеитбата скоростта на растеж на листата и корените на разсад от краставици намалява значително.Подобреният DLI повиши нетната фотосинтетична скорост на разсад от краставици, но след определена стойност нетната фотосинтетична скорост започна да намалява.Следователно изборът на подходящия DLI и приемането на различни стратегии за допълнителна светлина на различни етапи на растеж на разсад може да намали консумацията на енергия.Съдържанието на разтворима захар и ензима SOD в разсад от краставици и домати се увеличава с увеличаване на интензивността на DLI.Когато интензитетът на DLI се увеличи от 7,47 mol/m2/ден до 11,26 mol/m2/ден, съдържанието на разтворима захар и SOD ензим в разсад краставици се увеличи съответно с 81,03% и 55,5%.При същите условия на DLI, с увеличаването на интензитета на светлината и скъсяването на времето на светлината, активността на PSII на разсад от домати и краставици беше инхибирана и изборът на допълнителна светлинна стратегия с нисък интензитет на светлина и дълга продължителност беше по-благоприятен за култивиране на висок разсад индекс и фотохимична ефективност на разсад от краставици и домати.

При производството на присадени разсад средата със слаба светлина може да доведе до намаляване на качеството на присадените разсади и увеличаване на времето за заздравяване.Подходящият интензитет на светлината може не само да подобри способността за свързване на присаденото лечебно място и да подобри индекса на силни разсад, но също така да намали позицията на възела на женските цветя и да увеличи броя на женските цветя.Във фабриките за растения DLI от 2,5-7,5 mol/m2/ден беше достатъчен, за да отговори на лечебните нужди на присадени разсад от домати.Компактността и дебелината на листата на разсадите от присадени домати се увеличават значително с увеличаване на интензитета на DLI.Това показва, че присадените разсади не изискват висока интензивност на светлината за заздравяване.Следователно, като се вземе предвид консумацията на енергия и средата на засаждане, изборът на подходящ интензитет на светлината ще помогне за подобряване на икономическите ползи.

3. Ефекти на LED светлинната среда върху устойчивостта на стрес на зеленчуковия разсад

Растенията получават външни светлинни сигнали чрез фоторецептори, причинявайки синтеза и натрупването на сигнални молекули в растението, като по този начин променят растежа и функцията на растителните органи и в крайна сметка подобряват устойчивостта на растението към стрес.Различното качество на светлината има известен стимулиращ ефект върху подобряването на устойчивостта на студ и сол на разсада.Например, когато доматените разсади бяха допълнени със светлина за 4 часа през нощта, в сравнение с третирането без допълнителна светлина, бяла светлина, червена светлина, синя светлина и червена и синя светлина можеха да намалят електролитната пропускливост и съдържанието на MDA в доматените разсади, и подобряване на студоустойчивостта.Активностите на SOD, POD и CAT в доматените разсад при третиране на съотношение червено-синьо 8:2 бяха значително по-високи от тези на други третирания и те имаха по-висок антиоксидантен капацитет и устойчивост на студ.

Ефектът на UV-B върху растежа на корените на соята е главно да подобри устойчивостта на растенията към стрес чрез увеличаване на съдържанието на NO и ROS в корените, включително хормонални сигнални молекули като ABA, SA и JA, и да инхибира развитието на корените чрез намаляване на съдържанието на IAA , CTK и GA.Фоторецепторът на UV-B, UVR8, не само участва в регулирането на фотоморфогенезата, но също така играе ключова роля в UV-B стреса.В доматените разсад UVR8 медиира синтеза и натрупването на антоцианини, а UV-аклиматизираните диви доматени разсади подобряват способността си да се справят с UV-B стрес с висока интензивност.Въпреки това, адаптирането на UV-B към стреса от суша, предизвикан от Arabidopsis, не зависи от пътя на UVR8, което показва, че UV-B действа като сигнално-индуциран кръстосан отговор на защитните механизми на растенията, така че различни хормони са съвместно участва в устойчивостта на стреса от суша, повишавайки способността за почистване на ROS.

Както удължаването на растителния хипокотил или стъблото, причинено от FR, така и адаптирането на растенията към студен стрес се регулират от растителни хормони.Следователно „ефектът на избягване на сянка“, причинен от FR, е свързан със студената адаптация на растенията.Експериментаторите са допълнили разсада на ечемика 18 дни след покълването при 15°C за 10 дни, охлаждайки до 5°C + добавяйки FR за 7 дни, и са установили, че в сравнение с третирането с бяла светлина, FR повишава устойчивостта на замръзване на разсада на ечемика.Този процес е придружен от повишено съдържание на ABA и IAA в разсада на ечемика.Последващото прехвърляне на 15°C FR-предварително третирани ечемични разсади до 5°C и продължаване на FR добавяне в продължение на 7 дни доведе до резултати, подобни на горните две третирания, но с намален ABA отговор.Растенията с различни стойности на R:FR контролират биосинтезата на фитохормоните (GA, IAA, CTK и ABA), които също участват в толерантността на растенията към сол.При солен стрес, светлинната среда с ниско съотношение R:FR може да подобри антиоксидантния и фотосинтетичен капацитет на разсада от домати, да намали производството на ROS и MDA в разсада и да подобри устойчивостта на сол.Както соленият стрес, така и ниската стойност на R:FR (R:FR=0,8) инхибират биосинтезата на хлорофил, което може да е свързано с блокираното превръщане на PBG в UroIII в пътя на синтеза на хлорофил, докато средата с ниска R:FR може ефективно да облекчи солеността Индуцирано от стрес увреждане на синтеза на хлорофил.Тези резултати показват значителна корелация между фитохромите и толерантността към сол.

В допълнение към светлата среда, други фактори на околната среда също влияят върху растежа и качеството на зеленчуковия разсад.Например, увеличаването на концентрацията на CO2 ще увеличи максималната стойност на светлинното насищане Pn (Pnmax), ще намали точката на компенсация на светлината и ще подобри ефективността на използване на светлината.Увеличаването на интензитета на светлината и концентрацията на CO2 спомага за подобряване на съдържанието на фотосинтетични пигменти, ефективността на използване на водата и активността на ензимите, свързани с цикъла на Калвин, и накрая постига по-висока фотосинтетична ефективност и натрупване на биомаса от разсад от домати.Сухото тегло и компактността на разсада от домати и пипер корелираха положително с DLI, а промяната на температурата също повлия на растежа при същото третиране с DLI.Средата от 23 ~ 25 ℃ е по-подходяща за растежа на разсад от домати.Според температурните и светлинните условия изследователите разработиха метод за прогнозиране на относителния темп на растеж на пипера въз основа на модела на разпределение на пипера, който може да предостави научни насоки за екологичното регулиране на производството на разсад с присаден пипер.

Следователно, когато се проектира схема за регулиране на светлината в производството, трябва да се вземат предвид не само факторите на светлинната среда и видовете растения, но също така и фактори на култивиране и управление, като хранене на разсад и управление на водата, газова среда, температура и етап на растеж на разсада.

4. Проблеми и перспективи

Първо, регулирането на светлината на зеленчуковите разсади е сложен процес и ефектите от различните светлинни условия върху различните видове зеленчукови разсади в околната среда на растителната фабрика трябва да бъдат анализирани подробно.Това означава, че за постигане на целта за високоефективно и висококачествено производство на разсад е необходимо непрекъснато проучване за установяване на зряла техническа система.

Второ, въпреки че степента на използване на мощността на светодиодния източник на светлина е относително висока, консумацията на енергия за осветление на растенията е основната консумация на енергия за отглеждане на разсад с помощта на изкуствена светлина.Огромното потребление на енергия от заводите все още е тясното място, което ограничава развитието на заводите.

И накрая, с широкото приложение на осветлението на растенията в селското стопанство, цената на LED осветлението за растения се очаква да бъде значително намалена в бъдеще;напротив, увеличаването на разходите за труд, особено в епохата след епидемията, липсата на работна ръка е длъжна да насърчи процеса на механизация и автоматизация на производството.В бъдеще моделите за управление, базирани на изкуствен интелект, и интелигентното производствено оборудване ще се превърнат в една от основните технологии за производство на зеленчукови разсади и ще продължат да насърчават развитието на технологията за фабрично производство на разсад.

Автори: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Източник на статията: Акаунт в Wechat за технологии за селскостопанско инженерство (оранжерийно градинарство)