LED智能補光技術(shù)在果樹栽培中的應(yīng)用以及研究進展.pdf

null51null 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2024年第9期 科技縱橫 LED智能補光技術(shù)在果樹栽培中的應(yīng)用以及研究進展 鞏 瑞 寧波盛和燈飾有限公司 浙江寧波 315700 摘要 我國多數(shù)果樹產(chǎn)區(qū)常受光照不足及極端天氣 制約影響產(chǎn)量品質(zhì) LED補光因其獨特優(yōu)勢而備受關(guān) 注 系統(tǒng)梳理LED補光在果樹領(lǐng)域的研究進展 重點 分析光譜優(yōu)化 光照布局 智能控制等精準(zhǔn)補光措 施 以及在光合生理 產(chǎn)量品質(zhì) 節(jié)能增效等方面的 應(yīng)用效果 結(jié)果表明 通過匹配最佳光質(zhì)組合與光 強 優(yōu)化布局 集成智能控制 LED補光可顯著提高 光合效率與碳水化合物積累 協(xié)同提升產(chǎn)量品質(zhì) 并 具有明顯的節(jié)能增效潛力 為進一步發(fā)揮LED補光促 進現(xiàn)代果業(yè)發(fā)展的巨大潛力 亟須加強多學(xué)科交叉融 合 深化產(chǎn)學(xué)研用合作 加快技術(shù)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用 關(guān)鍵詞 LED 智能補光 果樹栽培 應(yīng)用 研究進展 0 引言 我國是果樹栽培大國 但多數(shù)產(chǎn)區(qū)常因光照資源 不足而面臨產(chǎn)量和品質(zhì)下降的困擾 嚴重制約了產(chǎn)業(yè) 提質(zhì)增效 人工補光是改善光照不足的有效措施 但 傳統(tǒng)光源能耗高 光質(zhì)不合理 亟須創(chuàng)新升級 LED補 光技術(shù)以其高光電轉(zhuǎn)化 低熱輻射 光質(zhì)可調(diào)等獨特優(yōu) 勢 為破解這一難題提供了新思路新方法 系統(tǒng)梳理 LED補光技術(shù)的研究進展與應(yīng)用效果 對于推動現(xiàn)代果 樹產(chǎn)業(yè)升級 保障優(yōu)質(zhì)果品供給具有重要意義 1 LED補光技術(shù)優(yōu)化果樹栽培的關(guān)鍵機理 果樹對光質(zhì) 光強 光周期等光環(huán)境因子具有特 定需求 傳統(tǒng)補光多采用高壓鈉燈等 存在光譜不 匹配 能耗高等問題 LED補光憑借其獨特的光譜可 調(diào) 低熱量輻射 光量子效率高等優(yōu)勢 可精準(zhǔn)匹配 不同果樹品種的光質(zhì)需求 在提高光合效率 減少呼 吸消耗等方面具有獨特機理 紅藍光對絕大多數(shù)果樹 的光合作用具有決定性作用 補充紅藍光可顯著提高 葉綠素含量 促進氣孔開放 從而提高光合速率 1 寧波象山火龍果實驗結(jié)果表明 在3 000 K白光中補充 660 nm紅光和730 nm遠紅光 可在陰雨天顯著增加火 龍果開花數(shù)量 此外 LED補光還可延長光照時間 突破自然光周期限制 實現(xiàn)果樹體內(nèi)物質(zhì)合成與運輸 的動態(tài)平衡 進而提高產(chǎn)量與品質(zhì) 綜上 LED補光 技術(shù)通過動態(tài)匹配最佳光質(zhì)組合 延長有效光照時 間 可充分發(fā)揮果樹光合潛力 顯著提高產(chǎn)量品質(zhì) 這為我國局部地區(qū)陰雨天頻發(fā)導(dǎo)致的果樹產(chǎn)量與品質(zhì) 下降問題提供了新的解決方案 2 LED補光方案的定制化設(shè)計 2 1 基于目標(biāo)果樹品種的光譜優(yōu)化 不同果樹品種對光質(zhì)需求的差異性是開展LED補 光研究需要著重考慮的因素 這主要源于各品種在光 合色素組成 光能轉(zhuǎn)化效率 光形態(tài)建成等方面的遺 傳差異 因此 LED補光方案的制定必須立足于目標(biāo) 品種的生理生態(tài)特性 遵循因地制宜 因種施策的原 則 開展充分的前期光譜篩選試驗 明確不同品種的 最佳光質(zhì)組合及其配比 以寧波象山基地為例 針對 當(dāng)?shù)刂髟缘牟葺?火龍果 柑橘等品種 研究者采取 了系統(tǒng)的光譜篩選方案 通過對比分析30多個不同光 譜組合下的植株生長和果實品質(zhì) 最終優(yōu)選出了適合 草莓的3 000 K 5 000 K白光結(jié)合660 nm紅光和730 nm 遠紅光方案 以及適合火龍果的3 000 K暖白光配比 660 nm和730 nm紅遠紅光方案 在此基礎(chǔ)上 進一步圍 繞光質(zhì)比例與強度開展了精細化調(diào)控 結(jié)果表明 草 莓 越心 品種在R B 4 1且B 50 mol m 2 s 1 時可獲得最佳果實品質(zhì) 這些研究充分考慮了不同果 樹品種獨特的光質(zhì)需求 為因地制宜 有的放矢地開 展LED補光奠定了扎實基礎(chǔ) 為草莓 火龍果的補光 設(shè)施設(shè)計和燈具選型提供了重要參考 2 2 針對栽培環(huán)境特點的光照強度與布局 果樹栽培環(huán)境復(fù)雜多樣 光照強度與布局應(yīng)根據(jù) 目標(biāo)設(shè)施環(huán)境 樹形特點等進行精細化設(shè)計 以實現(xiàn) 均勻補光 提高光能利用率 三維植株建模與光環(huán)境 模擬是當(dāng)前國際前沿 可為光照布局優(yōu)化提供理論依 據(jù) 對于平棚溫室 通常采用機架式光源懸掛 燈具 安裝高度 間距 角度等參數(shù)可通過建模計算獲得 2 寧波象山草莓試驗表明 在1 5 m高植株頂部安裝110 w LED燈 間距4 m 可使冠層光合有效輻射維持在飽和 光強的80 以上 對于立體構(gòu)型 如火龍果 獼猴桃 等攀緣類果樹 燈具高度與角度需要根據(jù)主蔓走向 結(jié)果部位進行針對性設(shè)計 如火龍果燈具多采用與主 蔓垂直布置 高度保持在1 2 1 5 m 間距30 40 cm null52null 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2024年第9期科技縱橫 紅美人則采用樹冠下方45 角仰角安裝 與主枝平行 布置 間距40 cm左右 這些布局方案既考慮了光能 利用效率 又兼顧了果樹栽培操作的便利性 總的來 說 光照強度與布局既要匹配設(shè)施類型與容積大小 又要適應(yīng)樹形特點與栽培制式 通過三維建模等手段 進行定量設(shè)計與優(yōu)化布局 實現(xiàn)均勻高效補光 是 LED補光措施因地制宜的關(guān)鍵因素 這需要LED廠商 植物學(xué)家 農(nóng)學(xué)專家協(xié)同創(chuàng)新 凝練共性規(guī)律 攻克 關(guān)鍵技術(shù) 推動成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用 2 3 智能化控制系統(tǒng)的集成應(yīng)用 實現(xiàn)LED補光促進果樹高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目標(biāo) 僅依靠人 工調(diào)控已難以滿足生產(chǎn)需求 特別是大規(guī)模推廣應(yīng)用 階段 LED智能控制系統(tǒng)的開發(fā)與集成至關(guān)重要 傳 感技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的引入 可 實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集 分析 反饋 并對LED燈 具進行智能響應(yīng)與動態(tài)調(diào)控 從而實現(xiàn)光照的量化管 理 提高生產(chǎn)智能化水平 基于光纖傳感器的實時監(jiān) 測是LED智能控制的前提 結(jié)合溫室外輻射強度 溫 室透光率 作物冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)等 可構(gòu)建冠層光強預(yù) 測模型 實現(xiàn)對冠層光環(huán)境的實時評估與動態(tài)響應(yīng) 一旦監(jiān)測到冠層光強低于設(shè)定閾值 系統(tǒng)即啟動LED 燈組 直至光強恢復(fù)到適宜水平 結(jié)合光周期模型 系統(tǒng)可根據(jù)季節(jié)變化自主調(diào)整光照時長 寧波象山智 能草莓溫室采用該系統(tǒng)后 極大提高了草莓補光效 率 此外 不同生育階段對光質(zhì)光強的需求存在顯著 差異 生長期著重補充藍光 提高株型緊湊度 花期 適當(dāng)增加紅光 促進開花坐果 果實膨大期側(cè)重補充 綠光與遠紅光 促進碳水化合物運輸 將作物生育進 程納入智能控制系統(tǒng) 可實現(xiàn)分階段動態(tài)光質(zhì)調(diào)控 做到隨需而變 應(yīng)需施供 使補光效果最優(yōu)化 3 3 LED補光技術(shù)的應(yīng)用效果評估 3 1 光合作用與碳水化合物積累 光合作用是果樹生長發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)與能量來 源 LED補光通過優(yōu)化光質(zhì) 匹配強度 可顯著提高 葉片光合速率 從而增強干物質(zhì)積累 為果實膨大 發(fā)育提供充足的碳水化合物 4 對寧波象山草莓 越 心 品種的研究表明 3 000 K 5 000 K復(fù)合白光結(jié)合 660 nm紅光和730 nm遠紅光補光 在自然弱光條件 下 可使葉片凈光合速率提高176 可溶性糖 淀粉含量分別提高110 和96 單果重 硬度 可溶性固形物含量顯著高于對照 這些結(jié)果直觀體 現(xiàn)了LED補光對果樹光合作用的促進效應(yīng) 光合產(chǎn) 物在體內(nèi)的分配運輸也受到LED補光的顯著影響 研究表明 適宜比例的紅藍光可誘導(dǎo)更多的碳水 化合物由葉片向果實轉(zhuǎn)運 這主要與兩方面機制 有關(guān) 一是提高糖類運輸載體的表達水平 二是 促進韌皮部可動員碳庫的活性 觀測發(fā)現(xiàn) 補光 后 韌皮部伴胞細胞數(shù)量及上下運輸?shù)鞍椎姆e累量 均顯著增加 紅美人柑橘作為一種高品質(zhì)晚熟柑 橘品種 其對光照的需求具有獨特性 通過對比 分析20多組不同光譜組合 研究發(fā)現(xiàn)紅美人柑橘對 3 000 K 4 000 K的雙色溫定制白光 結(jié)合660 nm紅光 和730 nm遠紅光的光譜組合反應(yīng)最為積極 具體實驗 數(shù)據(jù)顯示 在R B 紅藍光比例 為3 1 且總PPFD 光合光子通量密度 為300 mol m 2 s 1 的條件 下 柑橘表現(xiàn)出最佳的生長狀態(tài)和果實品質(zhì) 與對照 組相比 采用此光譜方案的紅美人柑橘樹葉片葉綠素 含量提高了15 光合作用效率提升了20 更為重要 的是 果實品質(zhì)也得到顯著提升 可溶性固形物含量 平均增加1 2 Brix 果皮著色提前7 10天 果實單果 重增加8 12 見表1 此外 研究還發(fā)現(xiàn)適度增 加遠紅光 730 nm 的比例可以促進紅美人柑橘的花 芽分化 有利于提高坐果率 在補光時間的安排上 每天補光6 8 h 可分為清晨和傍晚兩個時段 效果最 佳 不僅可以延長植株的光合作用時間 還能夠避免 正午光抑制現(xiàn)象的發(fā)生 寧波象山2個紅美人基地試驗 表明 補光處理的可溶性糖運輸速率提高52 78 果實糖分積累顯著快于對照 由此可見 LED合理補 光不僅能提高光合本身 而且可加快光合產(chǎn)物向庫器 官的運輸 從源庫兩端共同促進果實品質(zhì)的提升 表1 柑橘檢驗檢測報告 樣品編號 W 2024 0057 原始信息 LED1 LED2 序號 檢驗項目 單位 檢驗依據(jù) 檢驗 結(jié)果1 檢驗 結(jié)果2 1 單果重 g GB T 8210 2011 210 8 208 0 2 縱經(jīng) mm 67 51 64 53 3 橫徑 mm 77 01 76 49 4 果形指數(shù) 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 抗壞血酸 mg 100g 32 6 34 1 10 總糖 g 100g 14 2 14 7 11 還原糖 g 100g GB 5009 7 2016 第一法 5 6 6 0 null53null 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2024年第9期 科技縱橫 3 2 產(chǎn)量與品質(zhì)提升 產(chǎn)量和品質(zhì)是果樹種植的核心目標(biāo) 也是評判栽 培技術(shù)優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo) 大量研究表明 LED補光對 多種果樹的產(chǎn)量與品質(zhì)均有顯著的提升效果 寧波象山防雨棚草莓 越心 試驗發(fā)現(xiàn) 在自 然光照60 的遮光條件下 3 000 K 5 000 K白光復(fù)合 660 nm紅光和730 nm遠紅光補光 使單果重提高26 硬度提高19 可溶性固形物含量提高10 果實著色 指數(shù)提高55 商品果率由78 提高到95 類似結(jié)果 在日本 韓國 荷蘭等地的草莓試驗中均有發(fā)現(xiàn) 可 見LED補光已成為弱光條件下提高草莓產(chǎn)量品質(zhì)的行 之有效技術(shù) 對于熱帶亞熱帶果樹 LED補光在增產(chǎn) 提質(zhì)方面的效果同樣明顯 馬來西亞學(xué)者對設(shè)施火龍 果進行了系統(tǒng)研究 結(jié)果表明 200 mol m 2 s 1 的 高強度紅藍光補光可使單果重 可溶性固形物含量分 別提高23 和18 寧波象山的試驗進一步優(yōu)化了光 質(zhì)配比 采用3 000 K暖白光配比660 nm 紅光和730 nm 遠紅光 不僅顯著提高了火龍果的坐果率 單果重 而且使糖分提高12 口感明顯改善 商品性顯著提 高 紅美人作為我國近年來發(fā)展較快的特色果樹品 種 LED補光在提升其產(chǎn)量品質(zhì)方面也初顯成效 象 山柑橘基地開展的試驗表明 3 000 K 4 000 K白光配 以660 nm紅光和730 nm遠紅光補光 在陰雨天氣常發(fā) 的冬春季 可使柑橘單果重提高21 可溶性固形物 含量和糖酸比分別提高2 8和2 5個百分點 上海交通大 學(xué)團隊對日本草莓 紅顏 的研究發(fā)現(xiàn) 用480 nm藍 光補光可顯著誘導(dǎo)乙酰輔酶A形成 進而加快醋酸乙酯 等酯類物質(zhì)的合成 使果實香氣明顯增強 類似結(jié)果 在寧波象山的 越心 丹香 等品種上也有發(fā)現(xiàn) 此外 補光后還可誘導(dǎo)車前草堿 松柏醇等萜類物質(zhì) 積累 使防病抗逆能力增強 這些結(jié)果均表明LED補 光不僅能提高果實感官品質(zhì) 而且對內(nèi)在品質(zhì)與機能 成分的提升也大有裨益 3 3 節(jié)能增效與經(jīng)濟性分析 節(jié)能增效是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向 傳統(tǒng)補光 以高壓鈉燈為主 光電轉(zhuǎn)化率低 能耗大 已不能適 應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求 LED補光以其高光電轉(zhuǎn)化率 低熱輻 射等特點 可大幅降低電耗 提高設(shè)施果樹種植的能 源利用效率 5 以草莓為例 荷蘭研究者比較了高壓鈉 燈和LED燈補光效果 結(jié)果表明 180 mol m 2 s 1 PPFD的LED補光較同等光強的高壓鈉燈可節(jié)電30 經(jīng)濟效益提高25 寧波象山草莓大棚應(yīng)用LED補光 年用電量可較高壓鈉燈降低1 8萬度 hm 2 節(jié)電率達 35 可見 LED補光既能滿足草莓生長需求 又可顯 著降低能耗 在節(jié)能增效方面優(yōu)勢明顯 經(jīng)濟效益是 果樹栽培技術(shù)推廣應(yīng)用的現(xiàn)實基礎(chǔ) 開展LED補光的 經(jīng)濟性分析 對于明晰其商業(yè)應(yīng)用潛力具有重要參考 價值 相關(guān)研究表明 由于產(chǎn)量提高 品質(zhì)改善帶來 的效益遠超LED燈具成本增加 因而LED補光整體經(jīng) 濟效益十分可觀 以日本茨城縣設(shè)施草莓為例 采用 660 nm紅光為主的LED混光補光 較普通日光溫室可 增加收入29 投資回收期縮短為2 8年 荷蘭溫室小 番茄的研究也有類似結(jié)論 認為LED補光增產(chǎn)提質(zhì)帶 來的效益可在2 4年內(nèi)收回投資 可以預(yù)見 隨著LED 燈具價格進一步下降 其經(jīng)濟性將更加突出 商業(yè)應(yīng) 用前景廣闊 不可否認 LED補光在前期投入方面較 傳統(tǒng)光源有所增加 4 結(jié)論 LED補光技術(shù)是破解資源環(huán)境約束 推動果樹產(chǎn) 業(yè)升級的重要手段 但要充分發(fā)揮其提質(zhì)增效潛力 尚需在基礎(chǔ)研究 集成優(yōu)化 示范推廣等方面持續(xù)發(fā) 力 這需要政產(chǎn)學(xué)研用各方緊密合作 著眼 卡脖 子 難題 加強協(xié)同攻關(guān) 加快成果轉(zhuǎn)化 完善標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)范 強化示范引領(lǐng) 唯有如此 方能不斷拓展LED 補光技術(shù)的應(yīng)用廣度和深度 為開創(chuàng)現(xiàn)代果業(yè)發(fā)展新 局面提供強大科技支撐 進而為推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和鄉(xiāng) 村振興貢獻力量 參考文獻 1 王文明 潘麗芹 徐森富 等 植物工廠內(nèi)LED光調(diào)控在果 樹栽培中應(yīng)用的研究進展 J 農(nóng)機使用與維修 2024 4 118 120 2 李紅紅 高琪 何忠振 等 提高果樹果實品質(zhì)的技術(shù)方法 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2023 43 22 50 57 3 任寶君 劉文達 提高設(shè)施溫室果樹栽培光能利用率的關(guān) 鍵技術(shù) J 特種經(jīng)濟動植物 2011 14 3 48 49 4 張洪杰 徐青文 付華波 等 大棚果樹栽培中溫 濕 光 氣的調(diào)控措施 J 科技信息 2010 3 771 5 馬鋒旺 保護地果樹栽培增光技術(shù) J 果樹實用技術(shù)與信 息 2001 4 40