Резюме: Растинните разсад са първата стъпка в производството на зеленчуци, а качеството на разсад е много важно за добива и качеството на зеленчуците след засаждането. С непрекъснатото усъвършенстване на разделението на труда в зеленчуковата индустрия, растителните разсад постепенно формират независима индустриална верига и сервират производство на зеленчуци. Засегнати от лошото време, традиционните методи за разсад неизбежно се сблъскват с много предизвикателства като бавен растеж на разсад, растеж на краката и вредители и болести. За да се справят с разсад на крака, много търговски култиватори използват регулатори на растежа. Съществуват обаче рискове от твърдост на разсад, безопасност на храните и замърсяване на околната среда с използването на регулатори на растежа. В допълнение към методите за химичен контрол, въпреки че механичната стимулация, температурата и контролът на водата могат също да играят роля за предотвратяване на крака на разсад, те са малко по -малко удобни и ефективни. Под въздействието на глобалната нова епидемия от Covid-19, проблемите на затрудненията в управлението на производството, причинени от недостига на работна ръка и нарастващите разходи за труд в индустрията за разсад, станаха по-известни.

С развитието на технологията за осветление използването на изкуствена светлина за отглеждането на зеленчуков разсад има предимствата на високата ефективност на разсад, по -малко вредители и болести и лесна стандартизация. В сравнение с традиционните източници на светлина, новото поколение източници на LED светлина има характеристиките на спестяването на енергия, високата ефективност, дългия живот, опазването на околната среда и издръжливостта, малкия размер, ниската топлинна радиация и амплитудата на малката дължина на вълната. Той може да формулира подходящ спектър според нуждите на растежа и развитието на разсад в околната среда на фабриките за растения и точно да контролира физиологичния и метаболитен процес на разсад, в същото време допринася за без замърсяване, стандартизирано и бързо производство на растителни разсадници , и съкращава цикъла на разсад. В Южен Китай са необходими около 60 дни, за да се култивират пипер и доматен разсад (3-4 истински листа) в пластмасови оранжерии и около 35 дни за разсад от краставици (3-5 истински листа). При растителни фабрични условия са необходими само 17 дни, за да се култивират домати разсад 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 отглеждане на разсад в оранжерията, използването на метода за отглеждане на разсад на LED растения значително съкрати цикъла на растеж на краставиците с 15-30 дни, а броят на женските цветя и плодове на растение се увеличава с 33,8% и 37,3% , съответно и най -високият добив е увеличен със 71.44%.

По отношение на ефективността на използването на енергията, ефективността на използване на енергията на фабриките за растения е по-висока от тази на оранжериите от тип Венло със същата ширина. Например, в шведска фабрика за растения 1411 MJ са длъжни да произвеждат 1 кг сухо вещество от маруля, докато в оранжерия са необходими 1699 MJ. Ако обаче се изчислява електричеството на килограм сухо вещество от маруля, фабриката за растения се нуждае от 247 kW · h, за да произведе 1 кг сухо тегло на маруля, а оранжериите в Швеция, Холандия и Обединените арабски емирства изискват 182 kW · H, 70 kW · H и 111 kW · h, съответно.

В същото време във фабриката за растения използването на компютри, автоматично оборудване, изкуствен интелект и други технологии може точно да контролира условията на околната среда, подходящи за отглеждането на разсад, да се отървете от ограниченията на условията на естествената среда и да осъзнаете интелигентния, Механизирано и годишно стабилно производство на производство на разсад. През последните години разсадът на фабриката за растения се използва 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 на фабрики за растения, високи експлоатационни разходи и огромно потребление на енергия на системата все още са затрудненията, които ограничават насърчаването на технологията за отглеждане на разсад в китайските фабрики за растения. Ето защо е необходимо да се вземат предвид изискванията за спестяване на висок добив и енергия по отношение на стратегиите за управление на светлината, създаването на модели за растеж на зеленчуци и оборудване за автоматизация за подобряване на икономическите ползи.

В тази статия се преглежда влиянието на LED леката среда върху растежа и развитието на растителни разсад във фабриките за растения през последните години, с перспективата на научноизследователската посока на светлината регулиране на растителните разсад в фабриките за растения.

1. Ефекти на леката среда върху растежа и развитието на растителни разсад

Като един от основните фактори на околната среда за растежа и развитието на растенията, светлината е не само енергиен източник на растенията да извършват фотосинтеза, но и ключов сигнал, засягащ фотоморфогенезата на растенията. Растенията усещат посоката, енергията и качеството на светлината на сигнала чрез системата на светлинния сигнал, регулират собствения си растеж и развитие и реагират на присъствието или отсъствието, дължината на вълната, интензивността и продължителността на светлината. Понастоящем известните растителни фоторецептори включват най-малко три класа: фитохроми (phya ~ phye), които усещат червена и далечно-червена светлина (fr), криптохроми (cry1 и cry2), които усещат синьо и ултравиолетово А и елементи (Phot1 и Phot2), The UV-B рецептор UVR8, който усеща UV-B. Тези фоторецептори участват и регулират експресията на свързани гени и след това регулират жизнените дейности като покълване на семена на растенията, фотоморфогенеза, време на цъфтеж, синтез и натрупване на вторични метаболити и толерантност към биотични и абиотични натоварвания.

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

2.1 Ефекти с различно качество на светлината върху фотоморфогенезата на растителните разсад

Червените и сините области на спектъра имат висока квантова ефективност за фотосинтезата на листата на растенията. Въпреки това, дългосрочното излагане на листа от краставици на чиста червена светлина ще повреди фотосистемата, което води до феномена на „синдрома на червената светлина“, като зашеметена стомашна реакция, намален фотосинтетичен капацитет и ефективност на употребата на азот и забавяне на растежа. При условие на ниска интензивност на светлината (100 ± 5 μmol/(m2 • s)), чистата червена светлина може да увреди хлоропластите както на млади, така и на зрели листа от краставица, но повредените хлоропласти се възстановяват след като се сменят от чиста червена светлина към червена и синя светлина (r: b = 7: 3). Напротив, когато растенията от краставици преминаха от червено-синята светлинна среда към чистата среда на червена светлина, фотосинтетичната ефективност не намалява значително, показвайки адаптивността към средата на червената светлина. Чрез анализ на електронния микроскоп на структурата на листата на разсад от краставици с „синдром на червената светлина“, експериментаторите установяват, че броят на хлоропластите, размерът на нишестените гранули и дебелината на грана в листата под чиста червена светлина е значително по -нисък от тези под Лечение с бяла светлина. Интервенцията на синята светлина подобрява ултраструктурата и фотосинтетичните характеристики на хлоропластите от краставици 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 котиледон на доматените разсад, значително повишава височината на растението и площта на листата, но значително намалява фотосинтетичния капацитет, намалява съдържанието на рубиско и фотохимичната ефективност и значително повишава разпускането на топлина. Вижда се, 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 средата на смесената светлина.

Изследователите са направили много изследвания за оптимизирането на комбинацията за качество на светлината на растителни разсад. При същата интензивност на светлината, с увеличаването на съотношението на червената светлина, височината на растението и прясното тегло на домат и разсад от краставици бяха значително подобрени, а лечението със съотношение червено и синьо от 3: 1 имаше най -добър ефект; Напротив, високо съотношение на синята светлина тя инхибира растежа на разсад от домат и краставици, които са къси и компактни, но увеличи съдържанието на сухото вещество и хлорофила в издънките на разсад. Подобни модели се наблюдават при други култури, като чушки и дини. В допълнение, в сравнение с бялата светлина, червената и синята светлина (R: B = 3: 1) не само значително подобриха дебелината на листата, съдържанието на хлорофил, фотосинтетичната ефективност и ефективността на пренос на електрон на доматените разсад, но и нивата на експресия на ензимите, свързани За цикъла на Калвин вегетарианското съдържание на растеж 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 беше по -благоприятно за предизвикване на образуването на женски цветя в разсад от краставици и ускори времето за цъфтеж на женските цветя . Въпреки че различните съотношения на червената и синята светлина нямат значителен ефект върху добива на прясно тегло на зеле, рукола и разсад от горчица, високо съотношение на синя светлина (30% синя светлина) значително намалява дължината на хипокотила и котиледоновата област на зелето и синапени разсад, докато цветът на котиледон се задълбочаваше. Следователно, при производството на разсад, подходящото увеличаване на дела на синята светлина може значително да съкрати разстоянието на възлите и площта на листата на растителните разсад, да насърчи страничното удължаване на разсад и да подобри индекса на силата на разсад, което е благоприятно за култивиране на здрави разсад. При условие, че интензивността на светлината остава непроменена, увеличаването на зелената светлина при червена и синя светлина значително подобри прясното тегло, площта на листата и височината на растението от разсад от сладък пипер. В сравнение с традиционната бяла флуоресцентна лампа, при червено-зелените сини (R3: G2: B5), светлинните условия, Y [II], QP и ETR на „Okagi No. Tomato“ са значително подобрени. Добавката 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 горчицата, докато добавянето на FR беше обратното. Това показва също, 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 ултравиолетова светлина, нито FR не са енергиен източник на фотосинтеза, и двамата участват във фотоморфогенезата на растенията. UV светлината с висока интензивност е вредна за растителна ДНК и протеини и др. Въпреки това, UV светлината активира реакциите на клетъчния стрес, което води до промени в растежа на растенията, морфологията и развитието, за да се адаптира към промените в околната среда. Проучванията показват, че по -ниският R/FR предизвиква реакции на 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. Стройното стъбло не е добра черта на растежа за отглеждане на силни разсад. За общи листни и плодови растителни разсад, твърдите, компактни и еластични разсад не са предразположени към проблеми по време на транспортиране и засаждане.

UV-A може да направи растенията за разсад на краставици по-къси и компактни, а добивът след трансплантация не се различава значително от този на контрола; Докато UV-B има по-значителен инхибиторен ефект и ефектът на намаляване на добива след трансплантация не е значителен. Предишни проучвания предполагат, че UV-A инхибира растежа на растенията и прави растенията джудже. Но има нарастващи доказателства, че наличието на UV-A, вместо да потиска биомасата на културите, всъщност го насърчава. В сравнение с основната червена и бяла светлина (R: W = 2: 3, PPFD е 250 μmol/(M2 · s)), допълнителната интензивност при червена и бяла светлина е 10 W/m2 (около 10 μmol/(m2 · s)) UV-A на зелето значително увеличи биомасата, дължината на интернат, диаметъра на стъблото и ширината на растителния балдахин на разсада на зелето, но ефектът на промоцията беше отслабен, когато The Интензитетът на UV надвишава 10 W/m2. Ежедневно 2 часа UV-A добавка (0,45 J/(M2 • S)) може значително да увеличи височината на растението, зоната на котиледон и прясното тегло на доматените разсад на „Oxheart“, като същевременно намалява съдържанието на H2O2 на доматените разсад. Вижда се, че различните култури реагират различно на UV светлина, което може да бъде свързано с чувствителността на културите към UV светлина.

За култивиране на присадени разсад дължината на стъблото трябва да се увеличи по подходящ начин, за да се улесни присаждането на корен. Различните интензивности на FR имат различни ефекти върху растежа на домат, черен пипер, краставици, кратуни и разсад на диня. Добавката на 18,9 μmol/(M2 • S) на FR при студена бяла светлина значително увеличава дължината на хипокотила и диаметъра на стъблото на разсад от домат и пипер; FR от 34,1 μmol/(M2 • S) има най -добър ефект върху насърчаването на дължината на хипокотил и диаметъра на стъблото на разсад от краставица, кратуна и диня; Високоинтензивността FR (53,4 μmol/(M2 • S)) имаше най-добър ефект върху тези пет зеленчука. Дължината на хипокотила и диаметърът на стъблото на разсада вече не се увеличават значително и започнаха да показват тенденция на намаляване. Прясното тегло на разсад от пипер намалява значително, което показва, че стойностите на насищане на FR на петте растителни 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 различни растителни разсад също са различни.

2.2 Ефекти от различна дневна светлина върху фотоморфогенезата на растителните разсад

Интегралът за дневна светлина (DLI) представлява общото количество фотосинтетични фотони, получени от повърхността на растението за един ден, което е свързано с интензивността на светлината и времето на светлината. Формулата за изчисление е DLI (mol/m2/ден) = интензивност на светлината [μmol/(m2 • s)] × дневно време на светлина (h) × 3600 × 10-6. В среда с ниска интензивност на светлината, растенията реагират на ниска светлинна среда чрез удължаване на дължината на стъблото и вътрешния интервал, увеличаване на височината на растението, дължината на дръжката и площта на листата и намаляването на дебелината на листата и нетната скорост на фотосинтетиката. С увеличаването на интензивността на светлината, с изключение на горчицата, дължината на хипокотила и удължаване на стъблото на разсад от рукола, зеле и зеле под същото качество на светлината намалява значително. Вижда се, че ефектът на светлината върху растежа на растенията и морфогенезата е свързан с интензивността на светлината и растителните видове. С увеличаването на DLI (8,64 ~ 28,8 mol/m2/ден), растителният тип разсад от краставици става кратък, силен и компактен, а специфичното тегло на листата и съдържанието на хлорофил постепенно намалява. 6 ~ 16 дни след сеитбата на разсад от краставица, листата и корените изсъхнаха. Теглото постепенно се увеличава и темпът на растеж постепенно се ускорява, но 16 до 21 дни след сеитбата, темпът на растеж на листата и корените на разсада от краставица намалява значително. Подобреният DLI насърчава нетната фотосинтетична скорост на разсад от краставици, но след определена стойност нетната скорост на фотосинтетика започва да намалява. Следователно, изборът на подходящ DLI и приемането на различни допълнителни светлинни стратегии на различни етапи на растеж на разсад може да намали консумацията на енергия. Съдържанието на разтворима захар и копка ензим в разсад от краставица и домати се увеличава с увеличаването на интензитета на DLI. Когато интензивността на DLI се увеличи от 7,47 mol/m2/ден до 11,26 mol/m2/ден, съдържанието на разтворима захар и SOD ензим при разсад от краставици се увеличава съответно с 81,03% и 55,5%. При същите условия на DLI, с увеличаването на интензивността на светлината и съкращаването на светлинното време, активността на PSII на домат и разсад на краставици се инхибира и избирането на допълнителна светлинна стратегия с ниска интензивност на светлината и продължителната продължителност е по -благоприятна за отглеждането на висок разсад Индекс и фотохимична ефективност на разсад от краставици и домати.

При производството на присадени разсад, ниската светлинна среда може да доведе до намаляване на качеството на присадените разсад и увеличаване на времето за изцеление. Подходящата интензивност на светлината може не само да повиши връзката на обвързващата способност на присаденото лечебно място и да подобри индекса на силни разсад, но и да намали позицията на възела на женските цветя и да увеличи броя на женските цветя. В фабриките за растения DLI от 2,5-7,5 mol/m2/ден беше достатъчен, за да отговори на лечебните нужди на разсад от домати. Компактността и дебелината на листата на присадените домати разсад се увеличават значително с увеличаване на интензивността на DLI. Това показва, че присадените разсад не изискват висока интензивност на светлината за изцеление. Следователно, като се вземе предвид потреблението на енергия и засаждането на средата, изборът на подходяща интензивност на светлината ще помогне за подобряване на икономическите ползи.

3. Ефекти на LED светлинната среда върху устойчивостта на стреса на растителните 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 промоционален ефект върху подобряването на толерантността към студа и толерантността на солта на разсад. Например, когато доматените разсад бяха допълнени със светлина в продължение на 4 часа през нощта, в сравнение с лечението без допълнителна светлина, бяла светлина, червена светлина, синя светлина и червена и синя светлина могат да намалят електролитната пропускливост и съдържанието на MDA в разсад от домати, и подобрете студената толерантност. Дейностите на SOD, POD и CAT в разсада на доматите при лечението на 8: 2 червено-сини съотношение бяха значително по-високи от тези на други лечения и те имат по-висок антиоксидантна способност и толерантност към студ.

Ефектът на UV-B върху растежа на корена на соята е главно за подобряване на устойчивостта на стрес на растенията чрез увеличаване на съдържанието на корен NO и ROS, включително хормонални сигнализиращи молекули като ABA, SA и JA и инхибира развитието на корените чрез намаляване на съдържанието на IAA , CTK и GA. Фоторецепторът на UV-B, UVR8, участва не само в регулирането на фотоморфогенезата, но и играе ключова роля в UV-B стрес. При домати разсад UVR8 медиира синтеза и натрупването на антоцианини, а UV-аклиматизираните диви домати разсад подобряват способността им да се справят с високоинтензивния UV-B стрес. Въпреки това, адаптирането на UV-B към стрес от суша, индуциран от Arabidopsis, не зависи от пътя на UVR8, което показва, че UV-B действа като сигнал-индуциран кръстосано-отговор на механизмите за защита на растенията, така че различни хормони са съвместно реагиране участва в устойчивост на стрес за суша, увеличаване на 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 растителните хормони. Следователно, „ефектът на избягване на сянка“, причинен от FR, е свързан със студената адаптация на растенията. Експериментаторите допълваха разсада на ечемик 18 дни след покълването при 15 ° С в продължение на 10 дни, охлаждайки се до 5 ° C +, допълвайки FR за 7 дни, и откриха, че в сравнение с обработката на бялата светлина, FR засили устойчивостта на замръзване на разсад от ечемик. Този процес е придружен от повишено съдържание на ABA и IAA в разсад на ечемик. Следващият трансфер на 15 ° C FR-предразположен ечемичен разсад до 5 ° C и продължаване на добавката на FR за 7 дни доведе до подобни резултати с горните две лечения, но с намален отговор на ABA. Растенията с различни стойности на R: FR контролират биосинтезата на фитохормоните (GA, IAA, CTK и ABA), които също участват в толерантността на растителната сол. При солен стрес, ниското съотношение R: FR светлинна среда може да подобри антиоксиданта и фотосинтетичния капацитет на доматите, да намали производството на ROS и MDA в разсада и да подобри толеранса на солта. Както стресът на солеността, така и ниската стойност на R: FR (R: FR = 0,8) инхибират биосинтезата на хлорофила, която може да бъде свързана с блокираната конверсия на PBG в UROIII в пътя на синтеза на хлорофил, докато ниската R: FR околната среда може ефективно да твърди Индуцираното от стрес на солеността увреждане на синтеза на хлорофил. Тези резултати показват значителна зависимост между фитохромите и толерантността към сол.

В допълнение към леката среда, други фактори на околната среда също влияят на растежа и качеството на растителните разсад. Например, увеличаването на концентрацията на CO2 ще увеличи максималната стойност на насищането на светлината PN (PNMAX), ще намали точката на компенсация на светлината и ще подобри ефективността на използване на светлината. Увеличаването на интензивността на светлината и концентрацията на CO2 спомага за подобряване на съдържанието на фотосинтетични пигменти, ефективността на използването на водата и активността на ензимите, свързани с цикъла на Калвин, и накрая се постига по -висока фотосинтетична ефективност и натрупване на биомаса на домати. Сухото тегло и компактността на разсад от домат и пипер бяха положително свързани с DLI и промяната на температурата също повлия на растежа при същата лечение с DLI. Околната среда от 23 ~ 25 ℃ беше по -подходяща за растежа на доматените разсад. Според температурата и светлинните условия, изследователите са разработили метод за прогнозиране на относителния темп на растеж на пипер въз основа на модела на разпределение на Бейт, който може да даде научни насоки за екологичното регулиране на производството на разсад, присаден от пипер.

Следователно, при проектирането на схема за регулиране на светлината в производството, трябва да се вземат предвид не само факторите на светлинната среда и растителните видове, но и факторите за отглеждане и управление като хранене на разсад и управление на водата, газова среда, температура и етап на растеж на разсад.

4. Проблеми и перспективи

Първо, регулирането на светлината на растителните разсад е сложен процес и ефектите на различните светлинни условия върху различни видове растителни разсад в фабричната среда на растенията трябва да бъдат анализирани подробно. Това означава, че за да се постигне целта за високоефективност и висококачествено производство на разсад, е необходимо непрекъснато проучване за създаване на зряла техническа система.

Второ, въпреки че скоростта на използване на мощността на източника на LED светлина е сравнително висока, консумацията на енергия за осветление на растенията е основната консумация на енергия за отглеждането на разсад, използвайки изкуствена светлина. Огромното потребление на енергия на фабриките за растения все още е тесникът, който ограничава развитието на фабриките за растения.

И накрая, с широкото прилагане на осветлението на растенията в селското стопанство се очаква цената на LED светлините на растенията да бъде значително намалена в бъдеще; Напротив, увеличаването на разходите за труд, особено в епохата след епидемията, липсата на труд е длъжна да насърчава процеса на механизация и автоматизация на производството. В бъдеще контролните модели, базирани на изкуствения интелект, и интелигентното производствено оборудване ще се превърнат в една от основните технологии за производството на зеленчуков разсад и ще продължат да насърчават развитието на технологията за разсад на растителни фабрики.

Автори: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Източник на статията: WECHAT акаунт на технологията за селскостопанска техника (градинарство в оранжерията)