Аутор: Иамин Ли и Хоуцхенг Лиу, итд, са Факултета за хортикултуру, Јужнокинески пољопривредни универзитет

Извор чланка: Хортикултура стакленика

Типови објеката за хортикултуру углавном укључују пластичне стакленике, соларне пластенике, стакленике са више распона и фабрике биљака.Пошто објекти блокирају природне изворе светлости у одређеној мери, нема довољно унутрашњег светла, што заузврат смањује приносе и квалитет усева.Дакле, допунско светло игра незаменљиву улогу у висококвалитетним и високоприносним усевама објекта, али је постало и главни фактор повећања потрошње енергије и трошкова рада у објекту.

Већ дуже време, вештачки извори светлости који се користе у области хортикултуре углавном укључују натријумове лампе високог притиска, флуоресцентне лампе, металне халогене лампе, сијалице са жарном нити, итд. Истакнути недостаци су висока производња топлоте, висока потрошња енергије и високи оперативни трошкови.Развој светлеће диоде (ЛЕД) нове генерације омогућава коришћење нискоенергетског вештачког извора светлости у области хортикултуре објеката.ЛЕД има предности високе ефикасности фотоелектричне конверзије, једносмерне струје, мале запремине, дугог века трајања, ниске потрошње енергије, фиксне таласне дужине, ниског топлотног зрачења и заштите животне средине.У поређењу са натријумском лампом високог притиска и флуоресцентном лампом која се тренутно користи, ЛЕД не само да може да подеси количину и квалитет светлости (удео различите светлосне траке) у складу са потребама раста биљака, већ може да зрачи биљке на блиској удаљености због на његову хладну светлост, Тако се може побољшати број слојева култивације и степен искоришћења простора, а могу се реализовати функције уштеде енергије, заштите животне средине и ефикасног коришћења простора које се не могу заменити традиционалним извором светлости.

На основу ових предности, ЛЕД се успешно користи у хортикултурном осветљењу објеката, основним истраживањима контролисаног окружења, култури биљног ткива, фабричким садницама и ваздухопловном екосистему.Последњих година се побољшавају перформансе ЛЕД расвете, цене се смањују, а постепено се развијају све врсте производа специфичних таласних дужина, па ће његова примена у области пољопривреде и биологије бити шира.

Овај чланак сумира истраживачки статус ЛЕД-а у области хортикултуре објеката, фокусира се на примену ЛЕД допунског светла у основи биологије светлости, ЛЕД светла за раст на формирање светлости биљака, квалитет исхране и ефекат одлагања старења, конструкцију и примену светлосне формуле, и анализе и перспективе актуелних проблема и перспектива ЛЕД технологије додатне светлости.

Утицај ЛЕД допунског светла на раст хортикултурних усева

Регулаторни ефекти светлости на раст и развој биљака укључују клијање семена, издуживање стабљике, развој листова и корена, фототропизам, синтезу и разградњу хлорофила и индукцију цветова.Елементи светлосног окружења у објекту укључују интензитет светлости, светлосни циклус и спектралну дистрибуцију.Елементи се могу подешавати додатком вештачког светла без ограничења временских услова.

Тренутно постоје најмање три типа фоторецептора у биљкама: фитохром (апсорбује црвену светлост и далеко црвену светлост), криптохром (апсорбује плаво светло и блиско ултраљубичасто светло) и УВ-А и УВ-Б.Употреба извора светлости специфичне таласне дужине за зрачење усева може побољшати фотосинтетичку ефикасност биљака, убрзати морфогенезу светлости и промовисати раст и развој биљака.Црвено наранџасто светло (610 ~ 720 нм) и плаво љубичасто светло (400 ~ 510 нм) коришћене су у фотосинтези биљака.Користећи ЛЕД технологију, монохроматско светло (као што је црвено светло са врхом од 660 нм, плаво светло са врхом од 450 нм, итд.) може се зрачити у складу са најјачом апсорпционом траком хлорофила, а ширина спектралног домена је само ± 20 нм.

Тренутно се верује да ће црвено-наранџаста светлост значајно убрзати развој биљака, подстаћи накупљање суве материје, формирање луковица, кртола, луковица листова и других биљних органа, довести до тога да биљке раније цветају и доносе плодове и да се играју водећу улогу у побољшању боје биљака;Плава и љубичаста светлост могу да контролишу фототропизам листова биљака, промовишу отварање стома и кретање хлоропласта, инхибирају издуживање стабљике, спречавају продужавање биљака, одлажу цветање биљака и промовишу раст вегетативних органа;комбинација црвене и плаве ЛЕД диоде може да надокнади недовољну светлост једне боје ове две и формира спектрални апсорпциони врх који је у основи у складу са фотосинтезом и морфологијом усева.Стопа искоришћења светлосне енергије може да достигне 80% до 90%, а ефекат уштеде енергије је значајан.

Опремљеном ЛЕД допунском расветом у објекту хортикултуре може се постићи веома значајно повећање производње.Истраживања су показала да су број плодова, укупна производња и тежина сваког чери парадајза под додатном светлошћу од 300 μмол/(м²·с) ЛЕД трака и ЛЕД цеви током 12х (8:00-20:00) значајно повећана.Додатно светло ЛЕД траке је повећано за 42,67%, 66,89% и 16,97% респективно, а додатно светло ЛЕД цеви је повећано за 48,91%, 94,86% и 30,86% респективно.ЛЕД допунско светло ЛЕД расветног тела током целог периода раста [однос црвене и плаве светлости је 3:2, а интензитет светлости је 300 μмол/(м²·с)] може значајно повећати квалитет и принос појединачног воћа по јединици површине чиехва и патлиџана.Чикућуан је порастао за 5,3% и 15,6%, а патлиџан за 7,6% и 7,8%.Кроз квалитет ЛЕД светла и његов интензитет и трајање целог периода раста може се скратити циклус раста биљака, побољшати комерцијални принос, нутритивни квалитет и морфолошка вредност пољопривредних производа, као и висока ефикасност, штедња енергије и може се реализовати интелигентна производња објектних хортикултурних култура.

Примена ЛЕД допунског светла у узгоју расада поврћа

Регулисање морфологије биљака и раста и развоја помоћу ЛЕД извора светлости је важна технологија у области гајења у стакленицима.Више биљке могу да осете и примају светлосне сигнале преко фоторецепторских система као што су фитохром, криптохром и фоторецептор, и да спроводе морфолошке промене преко интрацелуларних гласника да регулишу биљна ткива и органе.Фотоморфогенеза значи да се биљке ослањају на светлост да контролишу диференцијацију ћелија, структурне и функционалне промене, као и формирање ткива и органа, укључујући утицај на клијање неких семена, промоцију апикалне доминације, инхибицију раста бочних пупољака, издуживање стабљике. , и тропизам.

Узгајање расада поврћа је важан део пољопривреде.Непрекидно кишовито време условиће недовољно осветљење у објекту, а саднице су склоне продужењу, што ће утицати на раст поврћа, диференцијацију цветних пупољака и развој плодова, а у крајњој линији утицати на њихов принос и квалитет.У производњи се за регулисање раста расада користе неки регулатори раста биљака, као што су гиберелин, ауксин, паклобутразол и хлормекват.Међутим, неразумна употреба регулатора раста биљака може лако загадити животну средину поврћа и објеката, а здравље људи је неповољно.

ЛЕД додатно светло има многе јединствене предности допунског светла, и то је изводљив начин да се користи ЛЕД додатно светло за подизање садница.У експерименту са ЛЕД додатном светлошћу [25±5 μмол/(м²·с)] спроведеном у условима слабог осветљења [0~35 μмол/(м²·с)], откривено је да зелено светло подстиче издуживање и раст саднице краставца.Црвено и плаво светло спречавају раст садница.У поређењу са природним слабим светлом, индекс јаких садница допуњених црвеним и плавим светлом повећан је за 151,26% и 237,98%, респективно.У поређењу са квалитетом монохроматског светла, индекс јаких садница које садрже црвене и плаве компоненте под третманом сложеног светлосног додатка светлости повећан је за 304,46%.

Додавање црвене светлости садницама краставца може повећати број правих листова, површину листова, висину биљке, пречник стабљике, сув и свеж квалитет, јак индекс садница, виталност корена, активност СОД и садржај растворљивих протеина у садницама краставца.Додатак УВ-Б може повећати садржај хлорофила а, хлорофила б и каротеноида у листовима садница краставца.У поређењу са природним светлом, допуна црвеног и плавог ЛЕД светла може значајно повећати површину листова, квалитет суве материје и јак индекс садница расада парадајза.Допуна ЛЕД црвеног и зеленог светла значајно повећава висину и дебљину стабљике садница парадајза.Третман ЛЕД зеленим светлом допуном светлости може значајно повећати биомасу садница краставца и парадајза, а свежа и сува тежина садница се повећава са повећањем интензитета светлости допуњује зелено светло, док дебела стабљика и јак индекс садница парадајза све саднице прате допунско светло зеленог светла.Повећање снаге се повећава.Комбинација ЛЕД црвене и плаве светлости може повећати дебљину стабљике, површину листа, суву тежину целе биљке, однос корена и изданка и јак индекс садница патлиџана.У поређењу са белим светлом, ЛЕД црвено светло може повећати биомасу садница купуса и подстаћи раст издужења и ширење листова садница купуса.ЛЕД плаво светло подстиче густ раст, акумулацију суве материје и јак индекс садница садница купуса, и чини саднице купуса патуљастим.Наведени резултати показују да су предности расада поврћа које се гаје технологијом регулације светлости веома очигледне.

Утицај ЛЕД допунског светла на нутритивни квалитет воћа и поврћа

Протеини, шећер, органска киселина и витамини садржани у воћу и поврћу су хранљиви материјали који су корисни за људско здравље.Квалитет светлости може утицати на садржај ВЦ у биљкама регулацијом активности синтезе ВЦ и ензима разградње, а може регулисати метаболизам протеина и акумулацију угљених хидрата у хортикултурним биљкама.Црвено светло подстиче акумулацију угљених хидрата, третман плавим светлом је користан за формирање протеина, док комбинација црвене и плаве светлости може побољшати нутритивни квалитет биљака знатно већи од монохроматског светла.

Додавање црвеног или плавог ЛЕД светла може смањити садржај нитрата у зеленој салати, додавање плаве или зелене ЛЕД светла може подстаћи акумулацију растворљивог шећера у салати, а додавање инфрацрвеног ЛЕД светла погодује акумулацији ВЦ у зеленој салати.Резултати су показали да би додатак плаве светлости могао да побољша садржај ВЦ и садржај растворљивих протеина у парадајзу;црвено светло и црвено плаво комбиновано светло могло би да унапреди садржај шећера и киселине у воћу парадајза, а однос шећера и киселине био је највећи под црвено плавим комбинованим светлом;црвено плаво комбиновано светло може побољшати садржај ВЦ у плодовима краставца.

Феноли, флавоноиди, антоцијанини и друге супстанце у воћу и поврћу не само да имају значајан утицај на боју, укус и робну вредност воћа и поврћа, већ имају и природну антиоксидативну активност, и могу ефикасно да инхибирају или уклоне слободне радикале у људском телу.

Коришћење ЛЕД плаве светлости као допуна светлости може значајно повећати садржај антоцијанина у кожици патлиџана за 73,6%, док коришћење ЛЕД црвеног светла и комбинације црвене и плаве светлости може повећати садржај флавоноида и укупних фенола.Плаво светло може подстаћи акумулацију ликопена, флавоноида и антоцијана у плодовима парадајза.Комбинација црвене и плаве светлости у одређеној мери промовише производњу антоцијанина, али инхибира синтезу флавоноида.У поређењу са третманом беле светлости, третман црвеним светлом може значајно повећати садржај антоцијанина у изданци зелене салате, али третман плавим светлом има најмањи садржај антоцијанина.Укупан садржај фенола зеленог листа, љубичастог листа и црвеног листа зелене салате био је већи под белим светлом, црвено-плавим комбинованим светлом и плавим светлом, али је најмањи под третманом црвеним светлом.Додавање ЛЕД ултраљубичастог или наранџастог светла може повећати садржај фенолних једињења у листовима зелене салате, док допуна зеленог светла може повећати садржај антоцијана.Због тога је употреба ЛЕД светла за гајење ефикасан начин регулисања нутритивног квалитета воћа и поврћа у хортикултуралном узгоју објеката.

Утицај ЛЕД додатног светла на анти-старење биљака

Деградација хлорофила, брз губитак протеина и хидролиза РНК током старења биљака се углавном манифестују као старење листова.Хлоропласти су веома осетљиви на промене у спољашњој светлосној средини, посебно на коју утиче квалитет светлости.Црвено светло, плаво светло и црвено-плаво комбиновано светло погодују морфогенези хлоропласта, плаво светло погодује акумулацији зрна скроба у хлоропластима, а црвена светлост и далеко црвена светлост негативно утичу на развој хлоропласта.Комбинација плаве светлости и црвене и плаве светлости може подстаћи синтезу хлорофила у листовима садница краставца, а комбинација црвене и плаве светлости такође може одложити слабљење садржаја хлорофила у листовима у каснијој фази.Овај ефекат је очигледнији са смањењем односа црвене светлости и повећањем односа плаве светлости.Садржај хлорофила у листовима садница краставца под комбинованим третманом ЛЕД црвеним и плавим светлом био је значајно већи од оног под контролом флуоресцентног светла и монохроматским третманима црвеним и плавим светлом.ЛЕД плаво светло може значајно повећати вредност хлорофила а/б код садница Вутацаија и зеленог белог лука.

Током старења, постоје цитокинини (ЦТК), ауксин (ИАА), промене садржаја апсцизинске киселине (АБА) и разне промене у активности ензима.Светло окружење лако утиче на садржај биљних хормона.Различити квалитети светлости имају различите регулаторне ефекте на биљне хормоне, а почетни кораци пута трансдукције светлосног сигнала укључују цитокинине.

ЦТК промовише експанзију ћелија листа, појачава фотосинтезу листа, док инхибира активности рибонуклеазе, деоксирибонуклеазе и протеазе и одлаже разградњу нуклеинских киселина, протеина и хлорофила, тако да може значајно да одложи старење листа.Постоји интеракција између светлости и регулације развоја посредоване ЦТК, а светлост може стимулисати повећање нивоа ендогеног цитокинина.Када су биљна ткива у стању старења, њихов ендогени садржај цитокинина се смањује.

ИАА је углавном концентрисана у деловима снажног раста, а врло је мало садржаја у ткивима или органима који старе.Љубичаста светлост може повећати активност оксидазе индол сирћетне киселине, а низак ниво ИАА може инхибирати издуживање и раст биљака.

АБА се углавном формира у остарелим ткивима листова, зрелим плодовима, семенима, стабљикама, коренима и другим деловима.Садржај АБА у краставцу и купусу под комбинацијом црвене и плаве светлости је нижи од белог и плавог светла.

Пероксидаза (ПОД), супероксид дисмутаза (СОД), аскорбат пероксидаза (АПКС), каталаза (ЦАТ) су важнији заштитни ензими у биљкама везани за светлост.Ако биљке старе, активности ових ензима ће се брзо смањити.

Различити квалитети светлости имају значајан утицај на активности биљних антиоксидативних ензима.После 9 дана третмана црвеним светлом, АПКС активност садница репице се значајно повећала, а ПОД активност смањила.ПОД активност парадајза након 15 дана црвеног и плавог светла била је већа од оне беле светлости за 20,9%, односно 11,7%.После 20 дана третмана зеленим светлом, ПОД активност парадајза била је најнижа, само 55,4% белог светла.Додавање плаве светлости од 4 сата може значајно повећати садржај растворљивих протеина, активности ензима ПОД, СОД, АПКС и ЦАТ у листовима краставца у фази садње.Поред тога, активности СОД и АПКС постепено се смањују са продужењем светлости.Активност СОД и АПКС под плавим и црвеним светлом полако опада, али је увек већа од беле светлости.Зрачење црвеном светлошћу значајно је смањило активности пероксидазе и ИАА пероксидазе листова парадајза и ИАА пероксидазе листова патлиџана, али је изазвало значајно повећање активности пероксидазе листова патлиџана.Стога, усвајање разумне стратегије додатног ЛЕД осветљења може ефикасно да одложи старење хортикултурних усева у објекту и побољша принос и квалитет.

Конструкција и примена ЛЕД светлосне формуле

На раст и развој биљака значајно утиче квалитет светлости и њен различити односи састава.Светлосна формула углавном укључује неколико елемената као што су однос квалитета светлости, интензитет светлости и време светлости.Пошто различите биљке имају различите захтеве за светлошћу и различите фазе раста и развоја, за култивисане усеве је потребна најбоља комбинација квалитета светлости, интензитета светлости и времена допуне светлости.

 ◆Однос светлосног спектра

У поређењу са белим светлом и појединачним црвеним и плавим светлом, комбинација ЛЕД црвене и плаве светлости има свеобухватну предност у расту и развоју садница краставца и купуса.

Када је однос црвене и плаве светлости 8:2, значајно се повећава дебљина стабљике, висина биљке, сува тежина биљке, свежа тежина, индекс јаких садница итд., а такође је корисно за формирање хлоропластне матрице и базална ламела и излаз асимилације су важни.

Употреба комбинације црвеног, зеленог и плавог квалитета за клице црвеног пасуља је корисна за акумулацију суве материје, а зелено светло може подстаћи акумулацију суве материје клица црвеног пасуља.Раст је најочигледнији када је однос црвене, зелене и плаве светлости 6:2:1.Ефекат елонгације хипокотила поврћа клице црвеног пасуља био је најбољи под односом црвене и плаве светлости од 8:1, а продужење хипокотила клица црвеног пасуља је очигледно инхибирано под односом црвеног и плавог светла од 6:3, али растворљиви протеин садржај је био највиши.

Када је однос црвене и плаве светлости 8:1 за саднице луфе, индекс јаких садница и садржај растворљивог шећера у садницама луфе су највећи.Када се користи квалитет светлости са односом црвене и плаве светлости од 6:3, садржај хлорофила а, однос хлорофила а/б и садржај растворљивих протеина у садницама луфе су били највећи.

Када се користи однос црвене и плаве светлости према целеру 3:1, може ефикасно да подстакне повећање висине биљке целера, дужине петељки, броја листова, квалитета суве материје, садржаја ВЦ, садржаја растворљивих протеина и растворљивог шећера.У узгоју парадајза, повећање удела ЛЕД плаве светлости подстиче стварање ликопена, слободних аминокиселина и флавоноида, а повећање удела црвеног светла промовише стварање титрабилних киселина.Када је светлост са односом црвене и плаве светлости према листовима зелене салате 8:1, она је корисна за акумулацију каротеноида, ефикасно смањује садржај нитрата и повећава садржај ВЦ.

 ◆Интензитет светлости

Биљке које расту под слабом светлошћу су подложније фотоинхибицији него под јаким светлом.Нето стопа фотосинтезе садница парадајза расте са повећањем интензитета светлости [50, 150, 200, 300, 450, 550 μмол/(м²·с)], показујући тренд прво повећања, а затим опадања, и на 300 μмол/(м² ·с) да достигне максимум.Висина биљке, површина листа, садржај воде и садржај ВЦ у зеленој салати значајно су се повећали под третманом интензитета светлости од 150 μмол/(м²·с).Под третманом интензитета светлости од 200μмол/(м²·с), свежа тежина, укупна тежина и садржај слободне аминокиселине су значајно повећани, а при третману од 300μмол/(м²·с) интензитет светлости, површина листа, садржај воде , хлорофил а, хлорофил а+б и каротеноиди зелене салате су смањени.У поређењу са мраком, са повећањем интензитета светлости ЛЕД раста [3, 9, 15 μмол/(м²·с)], значајно се повећао садржај хлорофила а, хлорофила б и хлорофила а+б у клицама црног пасуља.Садржај ВЦ је највећи при 3 μмол/(м²·с), а садржај растворљивих протеина, растворљивог шећера и сахарозе је највећи при 9μмол/(м²·с).Под истим температурним условима, са повећањем интензитета светлости [(2~2,5)лк×103 лк, (4~4,5)лк×103 лк, (6~6,5)лк×103 лк], време садње расада паприке се скраћује, повећава се садржај растворљивог шећера, али се постепено смањује садржај хлорофила а и каротеноида.

 ◆Светло време

Правилним продужењем светлосног времена може се у одређеној мери ублажити слаб светлосни стрес изазван недовољним интензитетом светлости, помоћи акумулацији фотосинтетичких производа хортикултурних усева и постићи ефекат повећања приноса и побољшања квалитета.Садржај ВЦ у клицама показао је тренд постепеног повећања са продужењем светлосног времена (0, 4, 8, 12, 16, 20 х/дан), док су садржај слободних аминокиселина, СОД и ЦАТ активности показивале тренд смањења.Са продужењем светлосног времена (12, 15, 18х), свежа тежина биљака кинеског купуса значајно је порасла.Садржај ВЦ у листовима и стабљикама кинеског купуса био је највећи у 15, односно 12х.Садржај растворљивих протеина у листовима кинеског купуса се постепено смањивао, али су петељке биле највеће после 15х.Садржај растворљивог шећера у листовима кинеског купуса се постепено повећавао, док су петељке биле највеће у 12х.Када је однос црвене и плаве светлости 1:2, у поређењу са светлосним временом од 12 сати, третман светлом од 20 сати смањује релативни садржај укупних фенола и флавоноида у зеленој салати, али када је однос црвене и плаве светлости 2:1, 20х светлосни третман значајно је повећао релативни садржај укупних фенола и флавоноида у зеленој салати.

Из наведеног се може видети да различите светлосне формуле имају различите ефекте на фотосинтезу, фотоморфогенезу и метаболизам угљеника и азота различитих врста усева.Како да добијете најбољу формулу светлости, конфигурацију извора светлости и формулацију интелигентних стратегија контроле захтевају биљне врсте као полазну тачку, а потребно је извршити одговарајућа прилагођавања у складу са робним потребама хортикултурних усева, циљевима производње, факторима производње итд., остварити циљ интелигентне контроле светлосног окружења и висококвалитетних и високоприносних хортикултурних усева у условима штедње енергије.

Постојећи проблеми и изгледи

Значајна предност ЛЕД светла за узгој је у томе што може да направи интелигентна подешавања комбинације у складу са спектром потражње фотосинтетских карактеристика, морфологије, квалитета и приноса различитих биљака.Различите врсте усева и различити периоди раста истог усева имају различите захтеве за квалитет светлости, интензитет светлости и фотопериод.Ово захтева даљи развој и унапређење истраживања лаких формула да би се формирала огромна база података светлосних формула.У комбинацији са истраживањем и развојем професионалних лампи, може се остварити максимална вредност ЛЕД допунских светла у пољопривредним апликацијама, како би се боље уштедела енергија, побољшала ефикасност производње и економске користи.Примена ЛЕД светла за узгој у хортикултури објеката показала је снажну виталност, али цена опреме или уређаја за ЛЕД осветљење је релативно висока, а једнократна инвестиција је велика.Захтеви за додатном светлошћу различитих усева у различитим условима животне средине нису јасни, допунски светлосни спектар, Неразуман интензитет и време осветљења ће неизбежно изазвати различите проблеме у примени индустрије осветљења за узгој.

Међутим, са напретком и унапређењем технологије и смањењем трошкова производње ЛЕД светла за узгој, ЛЕД додатно осветљење ће се све више користити у хортикултури објеката.Истовремено, развој и напредак ЛЕД система додатне светлосне технологије и комбинација нове енергије омогућиће брз развој фацилити пољопривреде, породичне пољопривреде, урбане пољопривреде и свемирске пољопривреде како би се задовољила потражња људи за хортикултурним културама у посебним срединама.