LED补光灯珠在设施园艺中的应用及对作物生长的影响

：2021-10-17 05:58:40　：

新一代照明光源发光二极管（LED灯珠）的发展，使低能耗人工光源在设施园艺领域的应用成为可能。LED灯珠具有光电转换效率高、使用直流电、体积小、寿命长、耗能低、波长固定、热辐射低、环保等优点，与目前普遍使用的高压钠灯和荧光灯相比，LED灯珠不仅光量、光质（各种波段光的比例等）可以根据植物生长的需要精确调整，并因其冷光性可近距离照射植物，从而使栽培层数和空间利用率提高，实现传统光源无法替代的节能、环保和空间高效利用等功能。基于这些优点，LED灯珠被成功应用于设施园艺照明、可控环境基础研究、植物组织培养、植物工厂化育苗及航天生态系统等。近年来，LED补光灯珠的性能不断提高、价格逐渐下降以及各类特定波长的产品逐渐被开发，其在农业与生物领域的应用范围将会更加广阔。该文综述了LED灯珠在设施园艺领域的研究现状，重点介绍了LED补光灯珠应用的光生物学基础、LED补光灯珠对植物光形态建成、营养品质与延缓衰老的影响、光配方的构建与应用等方面的应用，并对LED补光灯技术目前存在的问题与前景进行了分析和展望。 LED补光灯珠对园艺作物生长的影响光对植物生长发育的调节作用包括种子萌发、茎的伸长、叶和根的发育、向光性、叶绿素的合成与分解及花的诱导等。设施内的光照环境要素包括光照强度、光照周期和光谱分布，采用人工补光的方式，可以对其要素进行调节而不受天气条件的限制。植物对光具有选择性吸收的特性，由不同的光受体感知光信号，目前发现植物体内至少有三类光受体，光敏素（吸收红光和远红光）、隐花色素（吸收蓝光和近紫外光）和紫外光受体（UV-A和UV-B）。采用特定波长光源来照射作物，可提高植物的光合作用效率，使其光形态建成加快，从而促进植物的生长发育。植物光合作用主要是利用红橙光（610~720 nm）和蓝紫光（400~510nm）。利用LED灯珠技术，能够辐射出符合叶绿素最强吸收区波段的单色光（如波峰为660nm的红光、波峰为450nm的蓝光等），光谱域宽仅为±20 nm。目前认为，红橙光会使植物的发育显著加速，促进干物质的积累，鳞茎、块根、叶球以及其他植物器官的形成，引起植物较早开花、结实，在植物增色中起着主导作用；蓝、紫光能够控制植物叶片向光性，促进气孔开放及叶绿体运动，抑制茎伸长，防止植物徒长，还可延迟植物开花，促进营养器官的生长；红蓝光LED灯珠组合后可弥补两者单色光的不足，形成与作物光合作用和形态建成基本吻合的光谱吸收峰值，光能利用率可达80%~90%，节能效果显著。设施园艺中配备LED补光灯珠可达到非常显著的增产效果。通过全生育期LED灯珠光质及其强度、时长的时空调配，能够缩短植物生长周期，提高农产品商品性产量、营养品质及形态价值，实现设施园艺作物高效、节能和智能化生产。 LED补光灯珠在蔬菜育苗上的应用 LED灯珠调控植株形态建成和生长发育是温室栽培领域的一项重要技术。高等植物能通过光敏色素、隐花色素、向光素等光受体系统感应并接受光信号，经胞内信使传导，调控植物组织和器官建成等形态变化。光形态建成是植物依赖光来控制细胞的分化、结构和功能的改变，以及组织和器官的建成，包括对部分种子萌发的影响、促进顶端优势抑制侧芽生长、茎伸长、引起向性运动等。蔬菜育苗是设施农业的重要环节。连续的阴雨天气会使设施内的光照不足，幼苗极易发生徒长，进而影响蔬菜的生长、花芽分化及果实发育，最终影响其产量和品质。生产中，为调控幼苗的生长会使用一些植物生长调节剂，如赤霉素、生长素、多效唑和矮壮素等，但是植物生长调节剂的不合理使用易使蔬菜及设施环境受到污染，对人类健康不利。LED补光灯珠独有诸多补光优势，应用LED 补光灯珠育苗是一个可行的途径。在弱光[0~35 μmol/(m2·s)] 条件下进行的LED补光[25±5 μmol/(m2·s)] 试验中发现，绿光灯珠促进黄瓜幼苗的伸长生长，红光与蓝光抑制幼苗徒长，与自然弱光下幼苗壮苗指数相比，补充红、蓝光的壮苗指数分别提高了151.26%、237.98%，且与单色光质相比，含红蓝成分的复合光质补光处理下壮苗指数提高304.46%。对黄瓜幼苗补红光能提高黄瓜幼苗的真叶数、叶面积、株高、茎粗、干鲜质量、壮苗指数、根系活力、SOD活性和可溶性蛋白含量，补UV-B则能提高黄瓜幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量；与自然光相比，补充LED红光、蓝光灯珠使番茄幼苗叶面积、干物质量、壮苗指数显著提高，LED红蓝组合光能增加茄子的茎粗、叶面积、全株干重、根冠比、壮苗指数；与白光相比，LED红光灯珠能提高结球甘蓝幼苗的生物量，促进结球甘蓝幼苗的伸长生长和叶片扩展；LED蓝光灯珠促进结球甘蓝幼苗的加粗生长、干物质积累和壮苗指数，使结球甘蓝幼苗矮化。以上结果表明，结合光调控技术培育出的蔬菜幼苗优势十分明显。 LED补光灯对果蔬营养品质的影响果蔬含有的蛋白质、糖类、有机酸、维生素是对人体健康有益的营养物质。光质可通过调控VC合成与分解酶的活性影响植物中VC的含量，且对园艺植物体内蛋白质代谢和碳水化合物的积累有调控作用，红光促进碳水化合物的积累，蓝光处理有利于蛋白质形成，而红蓝光组合对植物营养品质的提高效果显著高于单色光。补充LED红光或蓝光能降低生菜体内的硝酸盐含量，补充蓝光或绿光能促进生菜可溶性糖的积累，补充红外光则有利于生菜体内VC的积累。补充蓝光能够促进番茄VC含量、可溶性蛋白含量的提高；红光和红蓝组合光处理对番茄果实中的糖、酸含量起到促进作用，并在红蓝组合光处理下其糖酸比最高；红蓝组合光则能促进黄瓜果实VC含量的提高。果蔬所含的酚类物质、类黄酮类、花色苷等物质，不仅对果蔬的色泽、风味、商品价值有重要影响，同时具有天然的抗氧化活性，能够有效抑制或清除人体自由基。使用LED蓝光灯珠补光能使茄皮花青素含量显著提高73.6%，而使用LED红光、红蓝组合光则能提高类黄酮和总酚含量；蓝光则能促进番茄果实中的番茄红素、类黄酮和花青素的积累，红蓝组合光在一定程度上促进花青素的生成，但抑制类黄酮的合成；与白光处理相比，红光处理能够显著提高生菜地上部的花青素含量，但蓝光处理的生菜地上部花青素含量最低；绿叶、紫叶和红叶生菜的总酚含量在白光、红蓝组合光及蓝光处理下均有较大值，但在红光处理下均为最低值；补充LED紫外光灯珠或橙色光灯珠能够增加生菜叶片中酚类化合物的含量，而补充绿光可以提高花青素的含量。因此采用LED补光灯珠是调控设施果蔬营养品质的有效途径。