植物工廠內(nèi)LED光調(diào)控在果樹栽培中應(yīng)用的研究進(jìn)展.pdf

118 農(nóng)機(jī)使用與維修2024年第4期 植物工廠內(nèi)LED光調(diào)控在果樹栽培中 應(yīng)用的研究進(jìn)展 王文明1 2 潘麗芹1 2 徐森富1 2 1 臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院 浙江臺(tái)州318020 2 臺(tái)州市園藝生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江臺(tái)州 318020 摘 要 相比露天栽培和大田生產(chǎn) 植物工廠具有不受氣候條件影響 自動(dòng)化程度高 空間單位面積利用率高 可 周年不間斷連續(xù)生產(chǎn)等突出優(yōu)點(diǎn) 該文重點(diǎn)闡述和分析了植物工廠內(nèi)發(fā)光二級(jí)管 LED 光調(diào)控在果樹栽培中 的應(yīng)用 從光質(zhì) 光周期 光照度三個(gè)角度出發(fā) 總結(jié)LED光調(diào)控對(duì)果樹生長(zhǎng)發(fā)育與生理生化的影響 并提出存 在的問題 展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 關(guān)鍵詞 植物工廠 LED光調(diào)控 光照 環(huán)境控制 果樹栽培 中圖分類號(hào) S233 4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 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 基金項(xiàng)目 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開 放課題 NYZS2023006 臺(tái)州市科技局農(nóng)業(yè)科技 計(jì)劃項(xiàng)目 23nya20 作者簡(jiǎn)介 王文明 1991 男 哈爾濱人 博士 講師 研究 方向?yàn)橹悄苻r(nóng)機(jī)機(jī)械裝備 通訊作者 徐森富 1969 男 浙江仙居人 碩士 教授 研 究方向?yàn)楝F(xiàn)代園藝技術(shù)與裝備 0 引言 植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn) 農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 可實(shí)現(xiàn)對(duì)植 物生長(zhǎng)的溫度 濕度 光照 二氧化碳濃度以及營(yíng)養(yǎng) 液等環(huán)境因子進(jìn)行高精度自動(dòng)化控制 使設(shè)施內(nèi)植 物的生長(zhǎng)發(fā)育不受或很少受自然條件制約 從而實(shí) 現(xiàn)周年不間斷生產(chǎn) 近年來(lái) 隨著信息技術(shù)的不斷 發(fā)展 植物工廠技術(shù)已廣泛應(yīng)用于種苗 蔬菜 水 果 花卉 中藥材等作物的規(guī)模化生產(chǎn)中 在果樹栽 培領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛 已成為我國(guó)果業(yè)發(fā)展的新業(yè) 態(tài) 可擴(kuò)大優(yōu)良果品栽培區(qū)域 延長(zhǎng)鮮果供應(yīng)期 對(duì) 我國(guó)果業(yè)發(fā)展具有重要意義 本文從光質(zhì) 光周期 和光照度三個(gè)角度綜述了植物工廠中LED光控制 在果樹栽培中的應(yīng)用 旨在為果樹設(shè)施栽培的研究 提供參考 1 LED光調(diào)控技術(shù) 植物工廠使用的光照條件包括光質(zhì) 光照度和 光周期等參數(shù) 這些參數(shù)對(duì)果樹生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重 要 是設(shè)施果樹栽培運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一 光調(diào)控 技術(shù)利用LED光源進(jìn)行綜合調(diào)控 滿足果樹在生長(zhǎng) 發(fā)育不同時(shí)期對(duì)光量的需求 突破自然環(huán)境限制 實(shí)現(xiàn)精確供光 與傳統(tǒng)照明條件不同 LED作為冷 光源具有體積更小 發(fā)熱少 效率更高 波長(zhǎng)可調(diào)性 更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 廣泛應(yīng)用于近年來(lái)的設(shè)施栽培中 1 1 光質(zhì)對(duì)果樹生長(zhǎng)和品質(zhì)的調(diào)控 作物光合作用以紅橙光和藍(lán)紫光為吸收峰值 區(qū)域 光譜能量分布是影響植物生理過程的重要屬 性 不同波段范圍內(nèi)的光具有不同的生物學(xué)效應(yīng) 不同光質(zhì)對(duì)作物細(xì)胞分裂和器官分化的作用也不 同 研究發(fā)現(xiàn) 即使在同一作物的不同器官培養(yǎng) 中 光質(zhì)也會(huì)表現(xiàn)出明顯差異 1 2 短波光不利于 葡萄試管苗的生長(zhǎng)和生根 而長(zhǎng)波光則有利于難生 2024年第4期農(nóng)機(jī)使用與維修119 根的試管苗 3 對(duì)于香椿苗來(lái)說 紅光處理可以促 進(jìn)其株高 鮮質(zhì)量 干質(zhì)量和可溶性糖含量的增加 藍(lán)光處理則可以提高葉綠素含量和可溶性蛋白質(zhì) 含量 4 另外 張斌斌等 5 研究表明 通過調(diào)節(jié)光 的顏色可對(duì)紅葉桃產(chǎn)生不同影響 紅 黃色可以改 善葉片的紅色色澤 而藍(lán) 綠色會(huì)使葉片偏向綠色 白色過濾膜則效果較差 陳光彩等 6 研究表明 單 色紅光處理可增加香蕉組培苗的根數(shù)和根長(zhǎng) 低藍(lán) 光處理有助于根的伸長(zhǎng) 而紅藍(lán)光混合 80 R 20 B 處理則能有效促進(jìn)香蕉組培苗的溶糖和光 合色素的積累 黃文靜等 7 研究顯示 LED紅光和 藍(lán)光分別能促進(jìn)火龍果幼苗植株的增高和莖圍增 大 當(dāng)采用復(fù)合紅藍(lán)光 6 4 時(shí) 火龍果出苗時(shí)間 最短 增殖系數(shù)高 生根率達(dá)到100 馬紹英等 8 指出 在LED紅 藍(lán)光下 葡萄試管苗的增殖倍數(shù) 冠鮮質(zhì)量 根鮮質(zhì)量 葉面積 葉綠素含量 凈光合 速率和葉綠熒光參數(shù)均最高 胡蘿卜素含量則最 低 余陽(yáng)等 9 通過對(duì)嫁接的 夏黑 葡萄進(jìn)行不同 光質(zhì)處理發(fā)現(xiàn) 紅光處理有利于提高葉綠素含量和 過氧化物酶 POD 1 活性 而藍(lán)光處理則有助于提 升超氧化物歧化酶 SOD 活性和降低丙二醛 MDA 含量 光質(zhì)還可以明顯促進(jìn) 夏黑 葡萄的 生長(zhǎng) 通過以上研究可知 不同的LED光譜對(duì)果樹體 內(nèi)功能性化學(xué)物質(zhì)的影響也會(huì)各不相同 這表明 光質(zhì)對(duì)果樹生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)節(jié)具有復(fù)雜性 并且每個(gè) 果樹品種對(duì)光的需求不同 因此會(huì)呈現(xiàn)出不同光生 物學(xué)效應(yīng) 紅光可以促進(jìn)植物形態(tài)變化和碳水化 合物的合成 同時(shí)增加酶活性 而藍(lán)光則可以促進(jìn) 植物營(yíng)養(yǎng)成分的累積 因此 采用合理的紅藍(lán)復(fù)合 光可以促進(jìn)植物形態(tài)建成 實(shí)現(xiàn)更好的生長(zhǎng)效果 1 2 光照度對(duì)果樹生長(zhǎng)和品質(zhì)的調(diào)控 植物的生長(zhǎng)發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量受光照度影 響 過弱或過強(qiáng)的光照都會(huì)產(chǎn)生不利影響 適宜的 光照度能穩(wěn)定增加植物的光合速率和蒸騰速率 提 高物質(zhì)生產(chǎn)能力和生長(zhǎng)發(fā)育速度 尹魁林等 10 研 究表明 對(duì)移栽前的冬棗試管苗進(jìn)行渡光處理 可 有效提高其栽植成活率 對(duì)于云南藍(lán)果樹幼苗來(lái) 說 適度遮陰能促進(jìn)幼苗個(gè)體發(fā)育 在光照度為 60 時(shí)最為適宜 過低或過高的光照度均不利于其 生長(zhǎng)發(fā)育和光合作用 11 馬宗桓 12 指出遮光處理 也對(duì)果實(shí)的品質(zhì)有一定影響 不同遮光處理下果實(shí) 中單寧及花青素含量降低 酒石酸 蘋果酸和乳酸 含量增加 果袋透光率小于50 時(shí)單寧和類黃酮 物質(zhì)的合成明顯受到抑制 且果實(shí)的轉(zhuǎn)色時(shí)間會(huì) 延遲 綜合來(lái)看 合理的光照度可以促進(jìn)果樹生長(zhǎng)并 增加干物質(zhì)量積累 在相同光照度下 使用紅藍(lán)光 混合可以促進(jìn)果實(shí)和植株初級(jí)代謝產(chǎn)物的積累和 生理變化 并通過光量調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo) 不同光 照度下果樹活性成分存在明顯變化 特別是在高光 照度下 應(yīng)適當(dāng)遮擋植株關(guān)鍵部位 以防止高光照 度對(duì)葉片器官的損傷和光合作用的破壞 1 3 光周期對(duì)果樹生長(zhǎng)和品質(zhì)的調(diào)控 光周期是光環(huán)境調(diào)控中的重要屬性 通過匹配 果樹育苗體內(nèi)時(shí)鐘周期 可獲得更多光合作用優(yōu) 勢(shì) 通過對(duì)幼苗光周期的調(diào)控 可調(diào)節(jié)其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 的積累 有助于生物量積累和品質(zhì)改善 光周期調(diào) 控可解決果樹栽培中因地理位置 季節(jié)變化 光照 不足等問題 可縮短果樹培養(yǎng)周期 根據(jù)需光量的 不同對(duì)光周期進(jìn)行分段管理 通常延長(zhǎng)果樹苗的光 周期可促進(jìn)其生理代謝與生長(zhǎng)過程 朱開元等 13 研究結(jié)果表明 延長(zhǎng)光周期培育羅漢松和雞爪槭 苗高增幅分別達(dá)到17 和20 但新根數(shù)分別下降 了31 和21 光周期延長(zhǎng)也使雞爪槭苗木的生物 量和氮 N 磷 P 鉀 K 含量顯著增加 延長(zhǎng)光周 期會(huì)同時(shí)提高苗木對(duì)N的吸收和利用效率 但是不 會(huì)影響?zhàn)B分淋溶 吳鵬飛等 14 指出 冬季霧霾天對(duì) 溫室設(shè)施草莓進(jìn)行LED補(bǔ)光處理 可以顯著提高草 莓植株生長(zhǎng)量 凈光合速率 由此看來(lái) 果樹植株能通過光受體感知光周期 變化 并調(diào)節(jié)其生理生化特性以適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境 在 自然條件下 短日照往往限制了果樹植株的生長(zhǎng)和 發(fā)育 從而減少產(chǎn)量和品質(zhì) 因此 在人工條件下 可以通過補(bǔ)光來(lái)延長(zhǎng)每天的光周期 提高果樹植株 的生長(zhǎng)發(fā)育水平 促進(jìn)干物質(zhì)的積累 加快花芽分 化并調(diào)節(jié)其生理特性和開花反應(yīng) 2 存在的問題 果樹栽培的光調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的問題 尤其是 植物工廠內(nèi)不同光照條件對(duì)不同果樹品種的栽培 效果需要具體分析 利用LED光源的電能消耗是 整個(gè)植物工廠的主要能源消耗 需要從裝備設(shè)計(jì)開 發(fā) 精準(zhǔn)調(diào)控等多方面實(shí)現(xiàn)資源高效利用 目前果 樹工廠化栽培光調(diào)控技術(shù)主要存在以下問題 1 現(xiàn)有的光源設(shè)備成本較高 增加了植物工廠 120 農(nóng)機(jī)使用與維修2024年第4期 的建設(shè)和維護(hù)成本 當(dāng)前使用的LED光源容易出現(xiàn) 光衰減 影響植物的生長(zhǎng)效果和經(jīng)濟(jì)效益 2 光質(zhì)是影響果樹葉片細(xì)胞內(nèi)活性物質(zhì)生物 合成的主要因素 其對(duì)果樹次生代謝產(chǎn)物的影響機(jī) 理尚未清晰 今后應(yīng)加大相關(guān)方面的研究 同時(shí) 現(xiàn)有關(guān)于光調(diào)控的研究大多集中在紅 藍(lán)或紅藍(lán)組 合光 對(duì)某一光質(zhì)波段內(nèi)不同波長(zhǎng)光的研究較少 此外 還應(yīng)拓展如紫外光 遠(yuǎn)紅光 綠光等其他不同 光質(zhì)組合對(duì)果樹代謝和生長(zhǎng)發(fā)育影響差異的相關(guān) 研究 3 目前 現(xiàn)有果樹品種對(duì)于植物工廠環(huán)境的適 應(yīng)性相對(duì)較差 缺乏專門針對(duì)工廠化栽培而培育 出來(lái)的果樹品種 這一點(diǎn)也成為制約果樹規(guī)?；?產(chǎn)的重要因素 同時(shí) 光調(diào)控技術(shù)基礎(chǔ)研究薄弱 對(duì)不同果樹品種所需的光量和在不同時(shí)期對(duì)于光 照度的需求了解不夠充分 由此導(dǎo)致在實(shí)際操作過 程中難以制定最佳的光照方案以及科學(xué)合理的光 周期 但實(shí)際上每一種果樹品種都有其獨(dú)特的生長(zhǎng) 規(guī)律和光合作用機(jī)制 4 植物工廠環(huán)境自動(dòng)化控制技術(shù)落后 植物 工廠形成了一套特殊的小區(qū)氣候環(huán)境 其中光照調(diào) 控對(duì)果樹的生長(zhǎng)發(fā)育和生理生化產(chǎn)生較大影響 光 照的精確控制是果樹工廠化生產(chǎn)的關(guān)鍵 與歐美 等發(fā)達(dá)國(guó)家相比 我國(guó)的植物工廠自動(dòng)化控制技術(shù) 還存在一定差距 許多工藝仍需要人為監(jiān)測(cè)和調(diào) 節(jié) 缺乏智能化決策系統(tǒng)并且缺乏作物表型方面的 傳感器 這使得難以精準(zhǔn)感知作物的生長(zhǎng)需求 也 就無(wú)法按需提供最佳光配方 5 光源強(qiáng)度和波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)要結(jié)合植物生理特 征和光照周期等因素 在實(shí)際操作中需要有一定的 專業(yè)知識(shí)和技能 這些問題需要技術(shù)研究和改進(jìn) 并與相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人士 政府機(jī)構(gòu)和公眾共同努 力 從而使植物工廠光調(diào)控技術(shù)更加完善和成熟 3 植物工廠光調(diào)控技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 首先 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將有望實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程對(duì)植物 工廠進(jìn)行精準(zhǔn)決策 這將實(shí)現(xiàn)植物工廠各子系統(tǒng) 的智能化集成 并提高作物生長(zhǎng)狀態(tài) 環(huán)境等信息 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 同時(shí) 通過專家決策可以保障多系統(tǒng) 協(xié)同作業(yè)和自動(dòng)化操作 并為無(wú)人值守植物工廠的 實(shí)現(xiàn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ) 其次 應(yīng)加強(qiáng)研發(fā)高精度 低 成本的傳感器設(shè)備 使之與多傳感器融合技術(shù)結(jié)合 起來(lái)為自主決策提供原始數(shù)據(jù) 最后 人工智能技 術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用將幫助植物工廠實(shí)現(xiàn)更 加精確 便捷和高效的光配方優(yōu)化 從而最大限度 地提高作物生長(zhǎng)發(fā)育的質(zhì)量和數(shù)量 這些發(fā)展趨 勢(shì)將繼續(xù)推動(dòng)植物工廠光調(diào)控技術(shù)的創(chuàng)新和升級(jí) 為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展作出積極 的貢獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) 1 陳永快 王濤 蘭婕 等 植物工廠內(nèi)LED光調(diào)控在 作物栽培中的研究進(jìn)展 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 48 23 40 46 2 劉盛雨 光質(zhì)對(duì)血橙果實(shí)多甲氧基黃酮及花青素積累 的調(diào)控作用 D 重慶 西南大學(xué) 2021 3 李勝 李唯 楊德龍 等 不同光質(zhì)對(duì)葡萄試管苗根 系生長(zhǎng)的影響 J 園藝學(xué)報(bào) 2005 32 5 872 874 4 張立偉 劉世琦 張自坤 等 不同光質(zhì)下香椿苗的 生長(zhǎng)動(dòng)態(tài) J 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2010 19 6 115 119 5 張斌斌 蔡志翔 沈志軍 等 光質(zhì)對(duì)紅葉桃葉片呈 色的影響 J 果樹學(xué)報(bào) 2013 30 4 602 607 6 陳光彩 潘彤彤 毛琪 等 LED紅 藍(lán)光源對(duì)香蕉組 培苗生長(zhǎng)的影響 J 中國(guó)南方果樹 2019 48 2 59 66 7 黃文靜 楊光柱 鄭麗萍 等 不同光質(zhì)對(duì)火龍果胚培 養(yǎng)苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響 J 中國(guó)果樹 2014 4 46 49 86 8 馬紹英 李勝 張真 等 LED光源不同光質(zhì)下葡萄 試管苗增殖和葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)特征 J 甘肅農(nóng)業(yè) 大學(xué)學(xué)報(bào) 2013 48 1 56 62 9 余陽(yáng) 劉帥 李春霞 等 LED光質(zhì)對(duì) 夏黑 葡萄光 合特性和生理指標(biāo)的影響 J 果樹學(xué)報(bào) 2015 32 5 879 884 10 尹魁林 張瓊 不同因素對(duì)冬棗試管苗過渡移栽成活 率的影響 J 落葉果樹 2014 46 2 8 10 11 張珊珊 楊文忠 康洪梅 等 光強(qiáng)和土壤含水量對(duì) 云南藍(lán)果樹幼苗生長(zhǎng)及光合特征的影響 J 東北林 業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2018 3 16 23 12 馬宗桓 光照強(qiáng)度對(duì)葡萄果實(shí)品質(zhì)及花青苷合成的調(diào) 控機(jī)理研究 D 蘭州 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 2019 13 朱開元 劉慧春 周江華 等 延長(zhǎng)光周期對(duì)羅漢松 和雞爪槭苗期生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收利用的影響 J 浙江 大學(xué)學(xué)報(bào) 農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版 2016 42 2 190 198 14 吳鵬飛 王麗娟 劉昭 等 LED補(bǔ)光對(duì)設(shè)施草莓生 長(zhǎng)及果實(shí)品質(zhì)的影響 J 北方園藝 2016 21 48 50 01