Аутор: Јамин Ли и Хоученг Лиу, итд., са Колеџа за хортикултуру, Јужнокинеског пољопривредног универзитета

Извор чланка: Пластенско хортикултура

Врсте објеката за хортикултуру углавном укључују пластичне пластенике, соларне пластенике, пластенике са више распона и фабрике биљака. Пошто зграде објеката до одређене мере блокирају природне изворе светлости, нема довољно унутрашњег светла, што заузврат смањује приносе и квалитет усева. Стога, додатно светло игра неопходну улогу у висококвалитетним и високоприносним усевима објекта, али је такође постало главни фактор у повећању потрошње енергије и оперативних трошкова у објекту.

Дуго времена, вештачки извори светлости који се користе у области хортикултуре углавном укључују натријумове лампе високог притиска, флуоресцентне лампе, метал-халогенне лампе, инкандесцентне лампе итд. Истакнути недостаци су велика производња топлоте, висока потрошња енергије и високи трошкови рада. Развој нове генерације светлосних диода (ЛЕД) омогућава употребу вештачких извора светлости са ниском потрошњом енергије у области хортикултуре. ЛЕД има предности високе ефикасности фотоелектричне конверзије, једносмерне снаге, мале запремине, дугог века трајања, мале потрошње енергије, фиксне таласне дужине, ниског топлотног зрачења и заштите животне средине. У поређењу са натријумовим лампама високог притиска и флуоресцентним лампама које се тренутно обично користе, ЛЕД не само да може да прилагоди количину и квалитет светлости (пропорцију различитих светлосних трака) према потребама раста биљака, већ може и да озрачи биљке на малој удаљености захваљујући својој хладној светлости. На тај начин се може побољшати број слојева за узгој и стопа искоришћења простора, а могу се реализовати функције уштеде енергије, заштите животне средине и ефикасног коришћења простора које се не могу заменити традиционалним изворима светлости.

На основу ових предности, ЛЕД диоде се успешно користе у хортикултурном осветљењу објеката, основним истраживањима контролисаног окружења, култури биљног ткива, садницама биљака у фабрикама и ваздухопловним екосистемима. Последњих година, перформансе ЛЕД осветљења за узгој се побољшавају, цена опада, а све врсте производа са специфичним таласним дужинама се постепено развијају, тако да ће њихова примена у области пољопривреде и биологије бити шира.

Овај чланак сумира статус истраживања ЛЕД диода у области хортикултуре објеката, фокусира се на примену ЛЕД додатног светла у основи светлосне биологије, ЛЕД светла за узгој на формирање светлости биљака, нутритивни квалитет и ефекат одлагања старења, конструкцију и примену светлосне формуле, као и анализе и перспективе тренутних проблема и перспектива ЛЕД технологије додатног светла.

Утицај додатног ЛЕД светла на раст хортикултурних усева

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

Тренутно, у биљкама постоје најмање три врсте фоторецептора: фитохром (апсорбује црвену светлост и далеку црвену светлост), криптохром (апсорбује плаву светлост и блиску ултраљубичасту светлост) и УВ-А и УВ-Б. Употреба специфичног извора светлости таласне дужине за зрачење усева може побољшати фотосинтетску ефикасност биљака, убрзати светлосну морфогенезу и подстаћи раст и развој биљака. Црвено-наранџаста светлост (610 ~ 720 nm) и плаво-љубичаста светлост (400 ~ 510 nm) коришћене су у фотосинтези биљака. Коришћењем ЛЕД технологије, монохроматска светлост (као што је црвена светлост са врхом од 660 nm, плава светлост са врхом од 450 nm, итд.) може се зрачити у линији са најјачом апсорпционом траком хлорофила, а ширина спектралног домена је само ± 20 nm.

Тренутно се верује да ће црвено-наранџаста светлост значајно убрзати развој биљака, подстаћи акумулацију суве материје, формирање луковица, гомоља, лисних луковица и других биљних органа, узроковати да биљке раније цветају и рађају плодове и играти водећу улогу у побољшању боје биљака; Плава и љубичаста светлост могу контролисати фототропизам биљних листова, подстаћи отварање стома и кретање хлоропласта, инхибирати издуживање стабљике, спречити издуживање биљке, одложити цветање биљке и подстаћи раст вегетативних органа; комбинација црвених и плавих ЛЕД диода може надокнадити недовољно светло једне од две боје и формирати спектрални апсорпциони врх који је у основи у складу са фотосинтезом и морфологијом усева. Стопа искоришћења светлосне енергије може достићи 80% до 90%, а ефекат уштеде енергије је значајан.

Опремљеност додатним ЛЕД светлима у хортикултурним објектима може постићи веома значајно повећање производње. Студије су показале да су број плодова, укупан принос и тежина сваког чери парадајза под додатним светлом од 300 μmol/(m²·s) ЛЕД трака и ЛЕД цеви током 12 сати (8:00-20:00) значајно повећани. Додатно светло ЛЕД траке повећало се за 42,67%, 66,89% и 16,97% респективно, а додатно светло ЛЕД цеви повећало се за 48,91%, 94,86% и 30,86% респективно. Додатно ЛЕД светло ЛЕД расвете за узгој током целог периода раста [однос црвене и плаве светлости је 3:2, а интензитет светлости је 300 μmol/(m²·s)] може значајно повећати квалитет појединачног плода и принос по јединици површине чиева и патлиџана. Чикукуан 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, циклус раста биљке може се скратити, комерцијални принос, нутритивни квалитет и морфолошка вредност пољопривредних производа могу се побољшати, а може се остварити високоефикасна, енергетски штедљива и интелигентна производња баштенских усева.

Примена ЛЕД додатног светла у узгоју садница поврћа

Регулација морфологије биљака, раста и развоја помоћу ЛЕД извора светлости је важна технологија у области узгоја у пластеницима. Више биљке могу да осете и примају светлосне сигнале путем фоторецепторских система као што су фитохром, криптохром и фоторецептор, и да спроводе морфолошке промене путем интрацелуларних гласника како би регулисале биљна ткива и органе. Фотоморфогенеза значи да се биљке ослањају на светлост да би контролисале ћелијску диференцијацију, 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.

Гајење расада поврћа је важан део пољопривреде у објектима. Континуирано кишно време узроковаће недовољно светлости у објекту, а саднице су склоне издуживању, што ће утицати на раст поврћа, диференцијацију цветних пупољака и развој плодова, и на крају утицати на њихов принос и квалитет. У производњи се користе неки регулатори раста биљака, као што су гиберелин, ауксин, паклобутразол и хлормекват, за регулисање раста садница. Међутим, неразумна употреба регулатора раста биљака може лако загадити животну средину поврћа и објеката, што може бити неповољно по људско здравље.

Додатно ЛЕД светло има многе јединствене предности и представља изводљив начин коришћења ЛЕД додатног светла за узгој садница. У експерименту са ЛЕД додатним светлом [25±5 μmol/(m²·s)] спроведеном под условима слабог осветљења [0~35 μmol/(m²·s)], утврђено је да зелено светло подстиче издуживање и раст садница краставца. Црвено и плаво светло инхибирају раст садница. У поређењу са природним слабим светлом, индекс јаких садница садница допуњених црвеном и плавом светлошћу повећао се за 151,26% и 237,98%, респективно. У поређењу са квалитетом монохроматског светла, индекс јаких садница које садрже црвене и плаве компоненте под третманом додатног светла са сложеним светлом повећао се за 304,46%.

Додавање црвене светлости садницама краставца може повећати број правих листова, површину листа, висину биљке, пречник стабљике, квалитет суве и свеже материје, снажан индекс садница, виталност корена, активност SOD-а и садржај растворљивих протеина садница краставца. Додавање UV-B зрачења може повећати садржај хлорофила а, хлорофила б и каротеноида у листовима садница краставца. У поређењу са природним светлом, допуњавање црвеном и плавом LED светлошћу може значајно повећати површину листа, квалитет суве материје и снажан индекс садница парадајза. Допуњавање LED црвеном и зеленом светлошћу значајно повећава висину и дебљину стабљике садница парадајза. Додавање LED зелене светлости може значајно повећати биомасу садница краставца и парадајза, а свежа и сува тежина садница се повећавају са повећањем интензитета зелене светлости, док дебела стабљика и снажан индекс садница парадајза прате зелену светлост. Повећање јачине се повећава. Комбинација LED црвене и плаве светлости може повећати дебљину стабљике, површину листа, суву тежину целе биљке, однос корена и изданка и снажан индекс садница патлиџана. У поређењу са белим светлом, црвено ЛЕД светло може повећати биомасу садница купуса и подстаћи раст у облику издужења и ширење листова садница купуса. Плаво ЛЕД светло подстиче густ раст, акумулацију суве материје и јак индекс садница купуса, и чини да саднице купуса буду патуљасте. Горе наведени резултати показују да су предности садница поврћа узгајаних технологијом регулације светлости веома очигледне.

Утицај додатног ЛЕД светла на нутритивни квалитет воћа и поврћа

Протеини, шећери, органске киселине и витамини садржани у воћу и поврћу су хранљиве материје које су корисне за људско здравље. Квалитет светлости може утицати на садржај вискија у биљкама регулишући активност ензима за синтезу и разградњу вискија, и може регулисати метаболизам протеина и акумулацију угљених хидрата у хортикултурним биљкама. Црвена светлост подстиче акумулацију угљених хидрата, третман плавом светлошћу је користан за формирање протеина, док комбинација црвене и плаве светлости може значајно побољшати нутритивни квалитет биљака у односу на монохроматску светлост.

Додавање црвеног или плавог ЛЕД светла може смањити садржај нитрата у зеленој салати, додавање плавог или зеленог ЛЕД светла може подстаћи акумулацију растворљивог шећера у зеленој салати, а додавање инфрацрвеног ЛЕД светла погодује акумулацији вискина у зеленој салати. Резултати су показали да додатак плавог светла може побољшати садржај вискина и садржај растворљивих протеина у парадајзу; комбиновано црвено светло и црвено-плаво светло могу повећати садржај шећера и киселина у плодовима парадајза, а однос шећера и киселине је био највећи под комбинованим црвено-плавим светлом; комбиновано црвено-плаво светло може побољшати садржај вискина у плодовима краставца.

Феноли, флавоноиди, антоцијанини и друге супстанце у воћу и поврћу не само да имају важан утицај на боју, укус и вредност воћа и поврћа, већ имају и природно антиоксидативно дејство и могу ефикасно инхибирати или уклањати слободне радикале у људском телу.

Коришћење ЛЕД плавог светла као допунске светлости може значајно повећати садржај антоцијанина у кожи патлиџана за 73,6%, док коришћење ЛЕД црвеног светла и комбинације црвеног и плавог светла може повећати садржај флавоноида и укупних фенола. Плаво светло може подстаћи акумулацију ликопена, флавоноида и антоцијанина у плодовима парадајза. Комбинација црвеног и плавог светла донекле подстиче производњу антоцијанина, али инхибира синтезу флавоноида. У поређењу са третманом белим светлом, третман црвеним светлом може значајно повећати садржај антоцијанина у изданцима салате, али третман плавим светлом има најнижи садржај антоцијанина. Укупан садржај фенола у зеленој, љубичастој и црвеној салати био је већи под третманом белим светлом, комбинованим црвено-плавим светлом и плавим светлом, али је био најнижи под третманом црвеним светлом. Додавање ЛЕД ултраљубичастог светла или наранџастог светла може повећати садржај фенолних једињења у листовима салате, док допуна зеленог светла може повећати садржај антоцијанина. Стога је употреба ЛЕД светла за узгој ефикасан начин за регулисање нутритивног квалитета воћа и поврћа у баштенским објектима.

Утицај додатног ЛЕД светла на борбу против старења биљака

Деградација хлорофила, брзи губитак протеина и хидролиза РНК током старења биљке углавном се манифестују као старење листа. Хлоропласти су веома осетљиви на промене у спољашњем светлосном окружењу, посебно на оне на које утиче квалитет светлости. Црвена светлост, плава светлост и комбинована црвено-плава светлост погодују морфогенези хлоропласта, плава светлост погодује акумулацији зрна скроба у хлоропластима, а црвена светлост и далека 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 третманом комбинованом ЛЕД црвеном и плавом светлошћу био је значајно већи него под контролом флуоресцентне светлости и монохроматским третманима црвеном и плавом светлошћу. ЛЕД плава светлост може значајно повећати вредност хлорофила a/b код садница вутакаи и зеленог белог лука.

Током старења, долази до промена садржаја цитокинина (CTK), ауксина (IAA), апсцисинске киселине (ABA) и разних промена у активности ензима. Садржај биљних хормона лако је под утицајем светлосног окружења. Различити квалитети светлости имају различите регулаторне ефекте на биљне хормоне, а почетни кораци пута преноса светлосног сигнала укључују цитокинине.

ЦТК подстиче ширење ћелија листа, побољшава фотосинтезу листа, истовремено инхибирајући активности рибонуклеазе, дезоксирибонуклеазе и протеазе, и одлаже разградњу нуклеинских киселина, протеина и хлорофила, тако да може значајно одложити старење листа. Постоји интеракција између светлости и ЦТК-посредоване развојне регулације, а светлост може стимулисати повећање нивоа ендогених цитокинина. Када су биљна ткива у стању старења, њихов садржај ендогених цитокинина се смањује.

ИАА је углавном концентрисана у деловима снажног раста, а веома је мало присутна у старећим ткивима или органима. Љубичаста светлост може повећати активност индол сирћетне киселине оксидазе, а ниски нивои ИАА могу инхибирати издуживање и раст биљака.

АБА се углавном формира у старијим ткивима листа, зрелим плодовима, семенкама, стабљикама, корену и другим деловима. Садржај АБА у краставцу и купусу под комбинацијом црвене и плаве светлости је нижи него код беле и плаве светлости.

Пероксидаза (POD), супероксид дисмутаза (SOD), аскорбат пероксидаза (APX) и каталаза (CAT) су важнији и заштитни ензими повезани са светлошћу у биљкама. Ако биљке старе, активности ових ензима ће се брзо смањивати.

Различити квалитети светлости имају значајан утицај на активност биљних антиоксидативних ензима. Након 9 дана третмана црвеном светлошћу, APX активност садница уљане репице значајно се повећала, а POD активност смањила се. POD активност парадајза након 15 дана црвене и плаве светлости била је већа од беле светлости за 20,9% и 11,7%, респективно. Након 20 дана третмана зеленом светлошћу, POD активност парадајза била је најнижа, само 55,4% беле светлости. Додавање 4 сата плаве светлости може значајно повећати садржај растворљивих протеина, POD, SOD, APX и CAT ензимске активности у листовима краставца у фази саднице. Поред тога, активности SOD и APX постепено се смањују са продужењем светлости. Активност SOD и APX под плавом и црвеном светлошћу споро се смањује, али је увек већа него код беле светлости. Зрачење црвеном светлошћу значајно је смањило пероксидазну и IAA пероксидазну активност листова парадајза и IAA пероксидазну активност листова патлиџана, али је изазвало значајно повећање пероксидазне активности листова патлиџана. Стога, усвајање разумне стратегије додатног ЛЕД осветљења може ефикасно одложити старење баштенских усева и побољшати принос и квалитет.

Конструкција и примена ЛЕД светла

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

 ◆Однос светлосног спектра

У поређењу са белим светлом и једним црвеним и плавим светлом, комбинација ЛЕД црвеног и плавог светла има свеобухватну предност у расту и развоју садница краставца и купуса.

Када је однос црвене и плаве светлости 8:2, дебљина стабљике биљке, висина биљке, сува тежина биљке, свежа тежина, индекс јаке саднице итд., значајно се повећавају, а то је такође корисно за формирање хлоропластне матрице и базалних ламела и излаз асимилационих материја.

Употреба комбинације црвене, зелене и плаве боје за клице црвеног пасуља је корисна за акумулацију суве материје, а зелено светло може подстаћи акумулацију суве материје у клицама црвеног пасуља. Раст је најочигледнији када је однос црвене, зелене и плаве светлости 6:2:1. Ефекат издуживања хипокотила садница поврћа клица црвеног пасуља био је најбољи под односом црвене и плаве светлости од 8:1, а издуживање хипокотила клица црвеног пасуља је очигледно инхибирано под односом црвене и плаве светлости од 6:3, али је садржај растворљивих протеина био највећи.

Када је однос црвене и плаве светлости 8:1 за саднице луфе, индекс јаких садница и садржај растворљивих шећера у садницама луфе су највиши. 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 били су највиши.

Када се користи однос црвене и плаве светлости према целеру у односу 3:1, може се ефикасно повећати висина биљке целера, дужина петељки, број листова, квалитет суве материје, садржај виолинске киселине, садржај растворљивих протеина и садржај растворљивог шећера. У узгоју парадајза, повећање удела плаве ЛЕД светлости подстиче стварање ликопена, слободних аминокиселина и флавоноида, а повећање удела црвене светлости подстиче стварање титрабилних киселина. Када је однос црвене и плаве светлости према листовима салате 8:1, то је корисно за акумулацију каротеноида и ефикасно смањује садржај нитрата и повећава садржај виолинске киселине.

 ◆Интензитет светлости

Биљке које расту под слабом светлошћу су подложније фотоинхибицији него под јаком светлошћу. Нето брзина фотосинтезе садница парадајза расте са повећањем интензитета светлости [50, 150, 200, 300, 450, 550μmol/(m²·s)], показујући тренд првог повећања, а затим смањења, да би при 300μmol/(m²·s) достигла максимум. Висина биљке, површина листа, садржај воде и садржај ОВЦ салате значајно су се повећали при третману интензитетом светлости од 150μmol/(m²·s). При третману интензитетом светлости од 200μmol/(m²·s), свежа тежина, укупна тежина и садржај слободних аминокиселина су значајно повећани, а при третману интензитетом светлости од 300μmol/(m²·s), површина листа, садржај воде, хлорофил а, хлорофил а+б и каротеноиди салате су смањени. У поређењу са тамом, са повећањем интензитета ЛЕД светлости [3, 9, 15 μmol/(m²·s)], садржај хлорофила а, хлорофила б и хлорофила а+б у клицама црног пасуља се значајно повећао. Садржај вироидних киселина (VC) је највиши на 3 μmol/(m²·s), а садржај растворљивих протеина, растворљивог шећера и сахарозе је највиши на 9 μmol/(m²·s). Под истим температурним условима, са повећањем интензитета светлости [(2~2,5)lx×10³ lx, (4~4,5)lx×10³ lx, (6~6,5)lx×10³ lx], време ницања садница паприке се скраћује, садржај растворљивог шећера се повећава, али се садржај хлорофила а и каротеноида постепено смањује.

 ◆Светло време

Правилно продужавање времена светлости може до одређене мере ублажити стрес изазван слабим светлом изазван недовољним интензитетом светлости, помоћи акумулацији фотосинтетских производа хортикултурних усева и постићи ефекат повећања приноса и побољшања квалитета. Садржај VC у клицама показао је постепено растући тренд са продужењем времена светлости (0, 4, 8, 12, 16, 20 сати/дан), док су садржај слободних аминокиселина, SOD и CAT активности показали опадајући тренд. Са продужењем времена светлости (12, 15, 18 сати), свежа тежина биљака кинеског купуса значајно се повећала. Садржај VC у листовима и стабљикама кинеског купуса био је највиши на 15 и 12 сати, респективно. Садржај растворљивих протеина у листовима кинеског купуса постепено се смањивао, али је у стабљикама био највиши након 15 сати. Садржај растворљивог шећера у листовима кинеског купуса постепено се повећавао, док је у стабљикама био највиши на 12 сати. Када је однос црвене и плаве светлости 1:2, у поређењу са 12 сати осветљења, третман светлошћу од 20 сати смањује релативни садржај укупних фенола и флавоноида у зеленој салати, али када је однос црвене и плаве светлости 2:1, третман светлошћу од 20 сати значајно повећава релативни садржај укупних фенола и флавоноида у зеленој салати.

Из наведеног се може видети да различите формуле светлости имају различите ефекте на фотосинтезу, фотоморфогенезу и метаболизам угљеника и азота код различитих врста усева. Да би се добила најбоља формула светлости, конфигурација извора светлости и формулисале интелигентне стратегије контроле, потребно је да се полазе од биљних врста, а одговарајућа прилагођавања треба извршити у складу са потребама хортикултурних усева, циљевима производње, факторима производње итд., како би се постигао циљ интелигентне контроле светлосног окружења и висококвалитетних и високоприносних хортикултурних усева у условима уштеде енергије.

Постојећи проблеми и перспективе

Значајна предност ЛЕД светла за узгој је у томе што може да направи интелигентна комбинована подешавања у складу са спектром захтева фотосинтетских карактеристика, морфологијом, квалитетом и приносом различитих биљака. Различите врсте усева и различити периоди раста исте културе имају различите захтеве за квалитет светлости, интензитет светлости и фотопериод. То захтева даљи развој и унапређење истраживања формула светлости како би се формирала огромна база података о формулама светлости. У комбинацији са истраживањем и развојем професионалних лампи, може се остварити максимална вредност ЛЕД додатних светала у пољопривредним применама, 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 је цена ЛЕД опреме или уређаја за осветљење релативно висока, а једнократна инвестиција је велика. Потребе за додатним светлом различитих усева у различитим условима околине нису јасне, спектар додатног светла, неразумни интензитет и време трајања светла за узгој неизбежно ће изазвати разне проблеме у примени индустрије расвете за узгој.

Међутим, са напретком и усавршавањем технологије и смањењем трошкова производње ЛЕД светла за узгој, ЛЕД додатно осветљење ће се шире користити у хортикултури објеката. Истовремено, развој и напредак ЛЕД система додатног осветљења и комбинација нове енергије омогућиће брз развој пољопривреде објеката, породичне пољопривреде, урбане пољопривреде и свемирске пољопривреде како би се задовољила потражња људи за хортикултурним усевима у посебним окружењима.