Резюме: Разсадът от зеленчуци е първата стъпка в производството на зеленчуци, а качеството му е много важно за добива и качеството на зеленчуците след засаждане. С непрекъснатото усъвършенстване на разделението на труда в зеленчукова индустрия, разсадът от зеленчуци постепенно се е превърнал в независима индустриална верига и е обслужвал производството на зеленчуци. Засегнати от лошото време, традиционните методи за отглеждане на разсад неизбежно се сблъскват с много предизвикателства, като бавен растеж на разсада, растеж на крака, вредители и болести. За да се справят с растежа на крака, много търговски производители използват регулатори на растежа. Съществуват обаче рискове от втвърдяване на разсада, безопасност на храните и замърсяване на околната среда при използването на регулатори на растежа. В допълнение към методите за химичен контрол, въпреки че механичната стимулация, контролът на температурата и водата също могат да играят роля в предотвратяването на растежа на крака на разсада, те са малко по-малко удобни и ефективни. Под въздействието на глобалната епидемия от Covid-19, проблемите с трудностите в управлението на производството, причинени от недостига на работна ръка и нарастващите разходи за труд в разсадоводството, станаха по-очевидни.

С развитието на осветителните технологии, 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 се характеризира с енергоспестяване, висока ефективност, дълъг живот, опазване на околната среда и издръжливост, малък размер, ниско топлинно излъчване и малка амплитуда на дължината на вълната. Те могат да формулират подходящ спектър според нуждите на растежа и развитието на разсада в средата на заводите за производство на растения и точно да контролират физиологичните и метаболитни процеси на разсада, като същевременно допринасят за беззамърсено, стандартизирано и бързо производство на зеленчуков разсад и скъсяват цикъла на разсада. В Южен Китай отглеждането на разсад от чушки и домати (3-4 истински листа) в пластмасови оранжерии отнема около 60 дни, а за разсад от краставици - около 35 дни (3-5 истински листа). В условията на заводите за производство на разсад от домати отнема само 17 дни, а за разсад от чушки - 25 дни, 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 оранжерия, използването на метода за фабрично отглеждане на разсад с LED осветление значително съкрати цикъла на растеж на краставиците с 15-30 дни, а броят на женските цветове и плодове на растение се увеличи съответно с 33,8% и 37,3%, а най-високият добив се увеличи със 71,44%.

По отношение на ефективността на използване на енергията, ефективността на използване на енергията на заводите за растения е по-висока от тази на оранжериите тип Венло на същата географска ширина. Например, в шведска фабрика за растения са необходими 1411 MJ за производството на 1 кг сухо вещество маруля, докато в оранжерия са необходими 1699 MJ. Ако обаче се изчисли електроенергията, необходима за килограм сухо вещество маруля, заводът за растения се нуждае от 247 kW·h, за да произведе 1 кг сухо тегло маруля, а оранжериите в Швеция, Холандия и Обединените арабски емирства изискват съответно 182 kW·h, 70 kW·h и 111 kW·h.

В същото време, в завода за растения, използването на компютри, автоматично оборудване, изкуствен интелект и други технологии може точно да контролира условията на околната среда, подходящи за отглеждане на разсад, да премахне ограниченията на условията на естествената среда и да реализира интелигентно, механизирано и стабилно годишно производство на разсад. През последните години разсадът от заводите за растения се използва в търговското производство на листни зеленчуци, плодови зеленчуци и други икономически култури в Япония, Южна Корея, Европа, Съединените щати и други страни. Високите първоначални инвестиции в заводите за растения, високите оперативни разходи и огромната консумация на енергия на системата все още са пречките, които ограничават насърчаването на технологията за отглеждане на разсад в китайските заводи за растения. Следователно е необходимо да се вземат предвид изискванията за висок добив и енергоспестяване по отношение на стратегиите за управление на светлината, установяването на модели за растеж на зеленчуци и автоматизираното оборудване, за да се подобрят икономическите ползи.

В тази статия е разгледано влиянието на LED светлинната среда върху растежа и развитието на зеленчуковия разсад в заводите за растения през последните години, с перспектива за посоката на изследване на регулирането на светлината на зеленчуковия разсад в заводите за растения.

1. Влияние на светлинната среда върху растежа и развитието на зеленчуковите разсади

Като един от основните фактори на околната среда за растежа и развитието на растенията, светлината е не само източник на енергия за растенията да осъществяват фотосинтеза, но и ключов сигнал, влияещ върху 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 наличието или отсъствието, дължината на вълната, интензитета и продължителността на светлината. Понастоящем известните растителни фоторецептори включват поне три класа: фитохроми (PHYA~PHYE), които усещат червена и далечна червена светлина (FR), криптохроми (CRY1 и CRY2), които усещат синя и ултравиолетова А светлина, и елементи (Phot1 и Phot2), UV-B рецепторът 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 биотични и абиотични стресове.

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

2.1 Влияние на различното качество на светлината върху фотоморфогенезата на зеленчукови разсади

Червените и сините области на спектъра имат висока квантова ефективност за фотосинтеза на листата на растенията. Въпреки това, дългосрочното излагане на листата на краставицата на чиста червена светлина ще увреди фотосистемата, което ще доведе до феномена „синдром на червената светлина“, като например забавен устичен отговор, намален фотосинтетичен капацитет и ефективност на използване на азот, както 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 краставицата, но увредените хлоропласти се възстановяват след промяна от чиста червена светлина на червена и синя светлина (R:B= 7:3). Напротив, когато растенията краставици преминават от среда с червена и синя светлина към среда с чиста червена светлина, фотосинтетичната ефективност не намалява значително, което показва адаптивността им към средата с червена светлина. Чрез електронен микроскопски анализ на листната структура на разсад от краставици със „синдром на червената светлина“, експериментаторите установили, че броят на хлоропластите, размерът на нишестените гранули и дебелината на зърната в листата под чиста червена светлина са значително по-ниски, отколкото при третиране с бяла светлина. Интервенцията на синята светлина подобрява ултраструктурата и фотосинтетичните характеристики на хлоропластите на краставиците 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 котиледоните на разсада от домати, 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 със смесена светлина.

Изследователите са провели много изследвания върху оптимизирането на комбинацията от качество на светлината при разсада от зеленчуци. При еднакъв интензитет на светлината, с увеличаване на съотношението червена светлина, височината на растенията и свежото тегло на разсада от домати и краставици са се подобрили значително, а третирането със съотношение червена към синя светлина 3:1 е имало най-добър ефект; напротив, високото съотношение на синя светлина е инхибирало растежа на разсада от домати и краставици, който е бил къс и компактен, но е увеличило съдържанието на сухо вещество и хлорофил в издънките на разсада. 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 са подобрили дебелината на листата, съдържанието на хлорофил, фотосинтетичната ефективност и ефективността на електронен трансфер на разсада от домати, но също така са се подобрили значително нивата на експресия на ензими, свързани с цикъла на Калвин, растежа, съдържанието на вегетарианци и натрупването на въглехидрати. 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 цветове при разсад от краставици и ускорява времето на цъфтеж на женските цветове. Въпреки че различните съотношения на червена и синя светлина не са оказали значително влияние върху добива на прясно тегло от разсад от къдраво зеле, рукола и горчица, високото съотношение на синя светлина (30% синя светлина) значително е намалило дължината на хипокотила и площта на котиледоните на разсад от къдраво зеле и горчица, докато цветът на котиледоните се е задълбочил. Следователно, при производството на разсад, подходящото увеличаване на дела на синята светлина може значително да съкрати разстоянието между възлите и листната площ на зеленчуковите разсади, да насърчи страничното им разпростиране и да подобри индекса на здравина на разсада, което е благоприятно за отглеждане на здрави разсади. При условие че интензитетът на светлината остава непроменен, увеличаването на зелената светлина в червената и синята светлина значително е подобрило прясното тегло, листната площ и височината на растенията от разсад от сладки чушки. В сравнение с традиционната бяла флуоресцентна лампа, при условия на червено-зелено-синя (R3:G2:B5) светлина, Y[II], qP и ETR на разсад от домат „Okagi No. 1“ бяха значително подобрени. Добавянето на UV светлина (100 μmol/(m2•s) синя светлина + 7% UV-A) към чиста синя светлина значително намали скоростта на удължаване на стъблото на руколата и горчицата, докато добавянето на FR (фрикционна светлина) беше обратното. Това също показва, че освен червената и синята светлина, други качества на светлината също играят важна роля в процеса на растеж и развитие на растенията. Въпреки че нито ултравиолетовата светлина, нито FR са енергиен източник на фотосинтеза, и двете участват във фотоморфогенезата на растенията. Високоинтензивната UV светлина е вредна за растителната ДНК и протеини и др. UV светлината обаче активира клетъчните стрес реакции, причинявайки промени в растежа, морфологията и развитието на растенията, за да се адаптират към промените в околната среда. Проучванията показват, че по-ниското R/FR предизвиква реакции на избягване на сянка при 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 характеристика за растеж на силен разсад. При разсада от листни и плодови зеленчуци, твърдите, компактни и еластични разсади не са склонни към проблеми по време на транспортиране и засаждане.

UV-A лъчите могат да направят разсада от краставици по-къси и по-компактни, а добивът след разсаждане не се различава съществено от този на контролната група; докато UV-B лъчите имат по-значителен инхибиращ ефект и ефектът на намаляване на добива след разсаждане не е значителен. Предишни проучвания показват, че UV-A лъчите инхибират растежа на растенията и ги правят малки. Но има все повече доказателства, че наличието на UV-A лъчи, 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)), допълнителната интензивност в червената и бялата светлина е 10 W/m2 (около 10 μmol/(m2·s)). UV-A лъчите на разсада от къдраво зеле значително увеличават биомасата, дължината на междувъзлията, диаметъра на стъблото и ширината на растителния корон на разсада от къдраво зеле, но стимулиращият ефект отслабва, когато UV интензитетът надвишава 10 W/m2. Дневната 2-часова добавка на UV-A лъчи (0,45 J/(m2•s)) може значително да увеличи височината на растенията, площта на котиледоните и свежото тегло на разсада от домати „Oxheart“, като същевременно намали съдържанието на H2O2 в разсада от домати. Може да се види, че различните култури реагират различно на UV светлина, което може да е свързано с чувствителността на културите към UV светлина.

За култивиране на присадени разсади, дължината на стъблото трябва да се увеличи подходящо, за да се улесни присаждането на подложките. Различните интензитети на FR имат различен ефект върху растежа на разсади от домати, чушки, краставици, тиквички и дини. Добавянето на 18,9 μmol/(m2•s) FR на студена бяла светлина значително увеличава дължината на хипокотила и диаметъра на стъблото на разсади от домати и чушки; FR от 34,1 μmol/(m2•s) има най-добър ефект върху насърчаването на дължината на хипокотила и диаметъра на стъблото на разсади от краставици, тиквички и дини; FR с висок интензитет (53,4 μmol/(m2•s)) има най-добър ефект върху тези пет зеленчукови растения. Дължината на хипокотила и диаметърът на стъблото на разсадите вече не се увеличават значително и започват да показват низходяща тенденция. Свежо тегло на разсадите от чушки 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 Влияние на различните интеграли на дневната светлина върху фотоморфогенезата на зеленчукови разсади

Интегралът на дневната светлина (DLI) представлява общото количество фотосинтетични фотони, получени от повърхността на растението за един ден, което е свързано с интензитета на светлината и времето на осветяване. Формулата за изчисление е DLI (mol/m2/ден) = интензитет на светлината [μmol/(m2•s)] × Дневно време на осветяване (h) × 3600 × 10-6. В среда с нисък интензитет на светлината, растенията реагират на слаба светлина чрез удължаване на дължината на стъблото и междувъзлията, увеличаване на височината на растението, дължината на дръжките и площта на листата, както и намаляване на дебелината на листата и нетната скорост на фотосинтеза. С увеличаването на интензитета на светлината, с изключение на горчицата, дължината на хипокотила и удължаването на стъблото на разсада от рукола, зеле и къдраво зеле при едно и също качество на светлината намаляват значително. Вижда се, че ефектът на светлината върху растежа на растенията и морфогенезата е свързан с интензитета на светлината и вида растение. 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 разсада от краставици, листата и корените изсъхват. Теглото постепенно се увеличава и темпът на растеж се ускорява, но 16 до 21 дни след засяването, темпът на растеж на листата и корените на разсада от краставици намалява значително. Засиленото DLI повишава нетната фотосинтеза на разсада от краставици, но след определена стойност нетната фотосинтеза започва да намалява. Следователно, изборът на подходящ DLI и прилагането на различни допълнителни светлинни стратегии в различните етапи на растеж на разсада може да намали консумацията на енергия. Съдържанието на разтворима захар и SOD ензим в разсада от краставици и домати се увеличава с увеличаване на интензитета на DLI. Когато интензитетът на DLI се увеличава от 7,47 mol/m2/ден на 11,26 mol/m2/ден, съдържанието на разтворима захар и SOD ензим в разсада от краставици се увеличава съответно с 81,03% и 55,5%. При същите условия на DLI, с увеличаване на интензитета на светлината и скъсяване на времето на осветяване, PSII активността на разсадите от домати и краставици е била инхибирана, а изборът на допълнителна светлинна стратегия с нисък интензитет на светлината и дълга продължителност е бил по-благоприятен за култивиране на висок индекс на разсад и фотохимична ефективност на разсадите от краставици и домати.

При производството на присадени разсади, слабата 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 свързващата способност на присадените места за заздравяване и да подобри индекса на силни разсади, но също така да намали позицията на възлите на женските цветове и да увеличи броя им. В заводите за растения, интензитет на светлината от 2,5-7,5 mol/m2/ден е достатъчен, за да отговори на нуждите от заздравяване на присадените разсади от домати. Компактността и дебелината на листата на присадените разсади от домати се увеличават значително с увеличаване на интензитета на интензитета на светлината. Това показва, че присадените разсади не се нуждаят от висок интензитет на светлината за заздравяване. Следователно, като се вземат предвид консумацията на енергия и средата на засаждане, изборът на подходящ интензитет на светлината ще помогне за подобряване на икономическите ползи.

3. Влияние на LED светлинната среда върху устойчивостта на разсад от зеленчуци на стрес

Растенията получават външни светлинни сигнали чрез фоторецептори, което води до синтез и натрупване на сигнални молекули в растението, като по този начин променят растежа и функцията на растителните органи и в крайна сметка подобряват устойчивостта на растението на стрес. Различното качество на светлината има известен стимулиращ ефект върху подобряването на студоустойчивостта и солеустойчивостта на разсада. Например, когато разсадът от домати е бил допълнен със светлина в продължение на 4 часа през нощта, в сравнение с третирането без допълнителна светлина, бяла светлина, червена светлина, синя светлина и червена и синя светлина могат да намалят пропускливостта на електролитите и съдържанието на MDA в разсада от домати и да подобрят студоустойчивостта. Активността на SOD, POD и CAT в разсада от домати при третиране със съотношение червено-синьо 8:2 е значително по-висока от тази при други третирания и те имат по-висок антиоксидантен капацитет и студоустойчивост.

Ефектът на UV-B лъчите върху растежа на корените на соята се състои главно в подобряване на устойчивостта на растенията на стрес чрез увеличаване на съдържанието на NO и ROS в корените, включително хормонални сигнални молекули като ABA, SA и JA, и инхибиране на развитието на корените чрез намаляване на съдържанието на IAA, CTK и GA. Фоторецепторът на UV-B лъчите, UVR8, не само участва в регулирането на фотоморфогенезата, но и играе ключова роля в UV-B стреса. При разсада от домати, UVR8 медиира синтеза и натрупването на антоцианини, а UV-аклиматизираните разсади от диви домати подобряват способността си да се справят с високоинтензивен UV-B стрес. Адаптацията на UV-B лъчите към стрес от суша, предизвикан от Arabidopsis, обаче не зависи от UVR8 пътя, което показва, че UV-B лъчите действат като сигнално-индуциран кръстосан отговор на защитните механизми на растенията, така че различни хормони участват съвместно в съпротивлението на стреса от суша, увеличавайки способността за улавяне на ROS.

Както удължаването на растителния хипокотил или стъбло, причинено от FR, така и адаптацията на растенията към студен стрес се регулират от растителни хормони. Следователно, „ефектът на избягване на сянка“, причинен от FR, е свързан с адаптацията на растенията към студ. Експериментаторите добавили тор към ечемичените разсади 18 дни след покълването им при 15°C в продължение на 10 дни, охлаждане до 5°C + добавяне на FR в продължение на 7 дни и установили, че в сравнение с третирането с бяла светлина, FR повишава устойчивостта на замръзване на ечемичените разсади. Този процес е съпроводен с повишено съдържание на ABA и IAA в ечемичените разсади. Последващото прехвърляне на ечемичени разсади, предварително третирани с 15°C FR, на 5°C и продължено добавяне на FR в продължение на 7 дни доведе до подобни резултати на горните две третирания, но с намален ABA отговор. Растенията с различни стойности на R:FR контролират биосинтеза на фитохормони (GA, IAA, CTK и ABA), които също участват в толерантността на растенията към сол. При стрес от сол, светлинната среда с ниско съотношение R:FR може да подобри антиоксидантния и фотосинтетичния капацитет на доматените разсади, да намали производството на ROS и MDA в разсада и да подобри солеустойчивостта. Както солеустойчивият стрес, така и ниската стойност на R:FR (R:FR=0.8) инхибират биосинтеза на хлорофил, което може да е свързано с блокираното превръщане на PBG в UroIII в пътя на синтеза на хлорофил, докато средата с ниско съотношение R:FR може ефективно да облекчи индуцираното от стреса от солеността нарушение на синтеза на хлорофил. Тези резултати показват значителна корелация между фитохромите и солеустойчивостта.

В допълнение към светлинната среда, други фактори на околната среда също влияят върху растежа и качеството на зеленчуковите разсади. Например, увеличаването на концентрацията на CO2 ще увеличи максималната стойност на насищане със светлина 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 вода и активността на ензимите, свързани с цикъла на Калвин, и в крайна сметка ще постигне по-висока фотосинтетична ефективност и натрупване на биомаса на доматените разсади. Сухото тегло и компактността на доматените и чушките разсади са положително корелирани с DLI, а промяната на температурата също влияе върху растежа при същото DLI третиране. Средата от 23~25℃ е по-подходяща за растежа на доматените разсади. В зависимост от температурата и светлинните условия, изследователите разработиха метод за прогнозиране на относителната скорост на растеж на чушките, базиран на модела на разпределение на натрупването на натрупване, който може да предостави научни насоки за регулиране на околната среда при производството на присадени разсади от чушки.

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 фактори на отглеждане и управление, като хранене на разсада 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 влиянието на различните светлинни условия върху различните видове зеленчукови разсади в средата на завода за отглеждане на растения трябва да бъде анализирано подробно. Това означава, че за да се постигне целта за високоефективно и висококачествено производство на разсад, е необходимо непрекъснато проучване за установяване на зряла техническа система.

Второ, въпреки че коефициентът на използване на мощността на LED светлинния източник е сравнително висок, консумацията на енергия за осветление на растенията е основният разход на енергия за отглеждане на разсад с помощта на изкуствена светлина. Огромната консумация на енергия на заводите за производство на растения все още е пречка, която ограничава развитието на заводите за производство на растения.

И накрая, с широкото приложение на осветлението за растения в селското стопанство, се очаква цената на LED осветлението за растения да бъде значително намалена в бъдеще; напротив, увеличението на разходите за труд, особено в пост-епидемичната ера, и липсата на работна ръка със сигурност ще насърчат 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 зеленчуков разсад и ще продължат да насърчават развитието на технологиите за фабрично отглеждане на разсад.

Автори: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Източник на статията: WeChat акаунт на Agricultural Engineering Technology (оранжерийно градинарство)