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我的目标是植物工厂,本周只谈LED植物照明(二)

北京大学高安研究院 2019-01-15 17:40:55


意义

无论塑料大棚、日光温室、植物工厂、垂直农场等,各种设施的密闭性、复杂性和各生产要素精准程度要求虽有不同,但是从本质上讲,所使用的不同类型的照明及智能化管控技术装备的研发基础都是农业生物生长发育和产量品质形成过程中光环境条件对其影响与调控的分子、器官、细胞、系统、个体、群体响应。只有在充分了解,把握这些规律,才能从技术装备和控制侧罗裳按照农业生物的需求在时空分布上耦合优化光环境子要素,实现优质高产稳产。本篇重点介绍植物照明中光质对光合作用及光形态建成的影响。


光对于植物的意义


       光是植物生长发育最重要的环境因子之一。太阳光到达地面的43%~52.5%波长为400~700nm,是人眼可以看到的可见光,这正是光合作用能量和环境信号,通过光合作用光形态建成途径影响植物的生长发育和产量品质。

       第一、光合作用是植物生物量与产量形成的基础,植物95%的干物质源于光合作用产生的碳水化合物。植物对光照条件存在复杂的反应,包括光响应、光抑制、光适应、避阴反应等。太阳的全色光谱中只有部分波段的光被植物吸收产生光合作用,植物的叶片形态、植物的生理反应、等都会影响光合作用。

        第二、光形态建成是指光作为环境信号作用于植物,调节植物生长、分化和发育的过程。感受光的受体在植物细胞中含量微少,但对外界光环境的额变化很敏感。例如600~700nm的红光领域促进莴苣种子萌发,而720~740nm远红光领域抑制莴苣种子萌发。


“光肥”是指什么?


      植物利用各种不同波长进行光合作用,也就是说植物对光谱具有选择性,植物的光合作用在可见光光谱(380`760nm)范围内所吸收的光能约在6成,其中以波长610~720nm(波峰为660nm)的红橙光以及400~510nm(波峰为450nm)的蓝紫光为吸收峰值区域,这两个波段倍成为植物的“光肥”。LED能够发出植物生长所需要的单色光,单色光组合后能形成植物光合作用与形态建成所需要的光谱。LED植物生长光源能提高植物的光能利用率。


光合机构是啥?受什么影响?


        光和机构广义说就是能够进行光合作用部分反应或全部反应的机构,小到叶绿体、类囊体,大到叶肉细胞、叶片器官,以致整个植物体。狭义就是叶绿体。

        第一、光合机构受光逆境影响。过强过弱的光将导致植物光逆境发生,抑制光合作用,降低光合效率。弱光导致黄化现象发生,强光下植物产生活性氧自由基,产生光抑制。

        第二、光合机构受温度影响。温度的周期性变化影响的是植物光合碳固定、还原、蔗糖合成,光合产物的运输与分配和电子传递。

        第三、光合机构受养分供应影响氮素营养是植物的生命基础。叶片光合能力与含氮量之间的相关系数平均为0.9.光饱和的光合速率随着叶片含氮量增加而直线提高。因此保持氮营养及其他与叶绿素合成代谢相关元素供应对保障光合机构活性很重要。

        第四、光合机构受二氧化碳的影响。二氧化碳是光合作用的主要原料,空气中二氧化碳浓度在饱和点下的升高能提高植物光合速率,减少蒸腾作用,抑制植物呼吸,显著提高植物水分利用效率。保持适宜二氧化碳浓度对促进二氧化碳至关重要。

        第五、光合机构受湿度风速等的影响。过配的气孔导度低或过高空气相对湿度都会降低植物叶片的气孔导度,增加二氧化碳进入叶片阻力,降低蒸腾速率,尤其在低水肥供应条件下,容易导致植物水分营养不足,降低增施二氧化碳的效果。风速大小会影响植物冠层与群落内部二氧化碳的均匀分布,影响增施二氧化碳的效果。水供给充足情况下,高浓度二氧化碳增大了大豆叶片的气孔导度,减少水分蒸发量。


LED发出主要光对植物的影响?


1

红光

     

      在可见光中,被绿色植物吸收最多的是红橙光(波长600~700nm)和蓝紫光(波长400~500nm),对绿色光(500~600nm)只有微量吸收。红光是最早被用于作物栽培试验的光质,是作物正常生长的必须光质,生物需求数量居于各种单色光质之首,人工光源中最重要的光质红光下所生成的物质使植物长高,而蓝光下所生成的物质促进蛋白质与非碳水化合物的积累,给植物增重。补远红外使花色速苷、类胡萝卜素和叶绿素浓度分别降低40%、11%和14%、而使得植株鲜重、干重、茎长、叶长和叶宽分别增加28%、15%、14%、44%和15%。红光通过光敏色素调控光形态建成;红光通过光合色素吸收驱动光合作用;红光促进茎伸长,促进碳水化合物合成,有利于果蔬VC和糖的合成;但抑制氮同化作用。但是单独红光想很好地栽培植物还是有点难度。


2

蓝光


       蓝光是红光用于作物栽培必要的补充光质,是作物正常生长的必需光质,光强生物用量仅次于红光。蓝光抑制茎伸长,促进叶绿素合成,有利于氮同化和蛋白质合成,有利于抗氧化物质合成。蓝光影响植物的向光性、光形态发生、气孔开放以及叶片的光合作用。LED红光补充LED蓝光可提高小麦的干物质量、分薛数和种子产量,增加生菜的干物质量。蓝光显著抑制散叶莴苣茎的生长。白光中增加蓝光可缩短节间、缩小叶面积、降低相对生长速率和提高N/C效率。高等植物叶绿素合成和叶绿体形成以及具有高叶绿素a/b比与低叶绿体都需要蓝光。过量蓝光不利于植物生长发育红蓝光组合光谱比红光或蓝光单色光更能促进蔬菜幼苗的生长发育,不同植物所需要的红蓝光组合比例不一样。


3

绿光

      

       绿光与红蓝光可以和谐调节适应植物的生长发育。一般在红蓝LED复合光下,植物略带紫灰色,使得病害和失调症状不易诊断,可以通过补充少量绿光来解决。绿光效应通常与红蓝光效应相对立,例如绿光可以逆转蓝光促进的气孔开放等。在强白光下上部位于近光照表面的叶绿体的光合作用量子产额比下部的叶绿体低。因为强白光下绿光比红光、蓝光更能穿透叶片,下部叶绿体吸收额外的绿光比额外吸收红光和蓝光能更大程度增加叶片光合作用。低光强栽培植物可不考虑绿光,低密度低冠层厚度设施植物不考虑绿光,高光强高密度高冠层厚度时绿光必须考虑。


4

黄光和橙光


        黄光、橙光、绿光、紫光都是重要的光合有效辐射,但植物需求量较小。在红蓝光基础上添加黄光可显著提高菠菜苗的生长黄光对提高叶用莴苣的营养品质效果最好,但蓝光更有利于显著提高莴苣矿质元素的含量。添加黄光和紫光能够提高樱桃番茄幼苗的光合能力,缓解红蓝弱光胁迫。与白光相比,紫光和蓝光提高了抗氧化酶的活性,延缓了植株的衰老,而红光、绿光和黄光抑制了抗氧化酶的活性,加速了植株的衰老进程


5

远红光

       

       730nm的远红光虽然对光合作用意义不大,但其强弱及其与660nm红光间的比例对作物株高、节间长等形态建成,具有重要作用。通过光质调节,R/FR比值来控制植株形态和植株高度。比值变大时植物茎节间距变小,植株矮化,繁殖植物有伸长的倾向,比值的变化还对腋芽分化、叶绿素含量、气孔指数及叶面积等产生不同程度的影响。植物对红光的选择性吸收和对远红光的选择性透过使得位于遮阴下的植物处于一个远红外富集的光环境中。


6

紫外光(UV)


       波长小于380nm的波段称为紫外光。根据紫外线的物理和生物学特性,波长320~380nm为长波紫外线(UV-A)、波长280~320nm的中波紫外线(UV-B)和波长100~280nm的短波紫外线(UV-C)。到达地面上的UV种95%为UV-A。在太阳光光谱中光合有效辐射、UV和远红光对植物生长发育具有调控功能。紫外辐射减少植物叶面积、抑制下胚轴伸长、降低光合作用和生产力,使植物易受病原体攻击,但是可以诱导类黄酮合成及防御机制。低UV-B辐射的环境下造成植株徒长,还会阻碍植物色素的合成,不易用于覆盖茄果类蔬菜。植物工厂的一个重要特征是缺乏太阳光中的UV-A和UV-B辐射,完全缺失UV辐射会带来生产负效应和影响植物生长发育,因此调控植物工厂内UV的辐射水平是十分必要的,需要注意以生产需求和植物耐受响应规律为依据。


这段时间小编拜访了不少生产植物灯的厂家,看见的常常是红蓝光,比较刺眼,少数几家看起来是白光,比较温和。植物生长灯是比较复杂的系统。市场上提到的全光谱植物生长灯是怎样的?

 如果能模仿太阳光,为植物工厂的植物提供所需要的光谱那是梦寐以求的。但是目前市场上销售和很多厂家研发的植物灯,尽管说是全光谱植物灯,那是相对而言,只能说越来越接近植物生长需要,更接近太阳光了,但目前还不可能做到和太阳光一样。尤其当前国内农业专用芯片的研发生产主要由国外公司控制,例如660nm和730nm波长的LED芯片,中国目前还没有公司在研发和生产这两个波段。随着国内LED芯片企业的研究力度的加大,国内做全光谱的植物生长灯有望突破。另外,有专家提出,植物灯的光谱未必要完全按照太阳光来配,也不是每种植物都需要全光谱。创新性利用光谱的互作用来改变原本植物的生长或积累是研发植物生长灯的可选路之一。例如根据医疗细分市场的需求来匹配合适的光谱,生长培养出病人所需要的果蔬或药材。这样的植物灯需求市场也会很有前景。



下面介绍一些小编所在单位,以期望对植物工厂事业感兴趣的朋友们一起交流碰撞。


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