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LED光照灯对草莓的影响

一、LED植物生长灯的补光原理

1LED植物生长灯代替太阳光给植物生长发育提供必须需要的光源。

“光是植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一,通过光质调节,控制植株形态建成是设施栽培领域的一项重要技术。现代科学可以让植物在没有太阳的地方更好地生长,人们掌握了植物对太阳需要的内在原理,人为的创造光源也同样可以让植物完成光合过程,现代园艺或者植物工厂内都结合了补光技术或者完全的人工光技术。研究发现蓝光区和红光区十分接近植物光合作用的效率曲线,是植物生长的最佳光源。植物对不同光谱的吸收程度不同。无论是对植物的光合作用速度或者光周期效应影响显著的光谱集中在红光与蓝光区附近,植物生长灯应以红色光源为主,蓝色光源为辅的设计为最好,一定的比例搭配红蓝光是作为植物生长取得更好效果的关键,因此光配方很重要LED植物生长灯针对每种植物设计独一无二的光配方,给植物量身定做的LED灯。

2)植物生长灯的灯具的结构设计非常重要,考虑的因素也较多:散热、光衰、防水、光芯的光射角度与灯具设计等一些问题,因此灯具的结构也是保障植物生长的一个重要前提。LED植物生长灯结构设计合理,光衰少,防护等级IP65以上,120的全范围发光角度,补光更均匀。

3)根据植物的生长特性确定所需的光强。植物的光饱合点和光补偿点在一定的温度和二氧化碳浓度下,在一定的辐射度范围内,光合强度随辐射度的增加而增加,达到饱合点时,光合作用趋于稳定,但光强度趋于饱合点时,光强度再增加,光合作用强度不增加,光照强度过强时,会破坏原生质,引起叶绿素分解,或使细胞失水过多而使气孔关闭,造成光合作用减弱,甚至停止。根据这一需求,我们有多种方案应对,比如通过具有调光功能的灯具来解决或者选用多种功率的灯珠来调配等。


二、光谱对植物生长的影响

1)、不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的,光合作用需要的波长范围在400-700nm左右。蓝色(470nm)和红色(630nm)LED植物生长灯,刚好提供植物所需的光线,在视觉效果上,红蓝组合的植物灯呈现粉红色。

280-- 315nm: 对形态与生理过程的影响极小

315-- 400nm: 叶绿素吸收少,影响光周期效应,阻止茎伸长

300-- 440nm:(紫色光)促进植物形成色素和对磷和铝元素的吸收,直接影响植物及果实的维生素D、角质层的形成和干物质的积累。

430---440nm:(蓝紫光)蓝紫光则加速短日植物发育,并促进蛋白质和有机酸的合成;而短波的蓝紫光和紫外线能抑制茎节间伸长,促进多发侧枝和芽的分化,且有助于花色素和维生素的合成。

400 --520nm:(蓝色光):叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大,对光合作用影响最大,有助于植物光合作用能促进绿叶生长,蛋白质合成,果实形成。增加产量以及缩短培育期。通过光谱搭配可以实现对植物生长的人工调控;

520--610nm:(绿色光):色素的吸收率不高

610 --720nm:(红色光):红光照射激发作物生长,促进叶绿素A和叶绿素B进行光合作用,促成植物茎、茎根、叶球以及其它器官形成,有助于开花结果和延长花期,起到增加产量作用。叶绿素吸收率低,对光合作用与光周期效应有显著影响。

 720 -1000nm : 吸收率低,刺激细胞延长,影响开花与种子发芽

1000nm : 转换成为热量

2)、从上面的数据来看,不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的,植物光合作用需要的光线,波长在400 nm--720nm左右。400nm-- 520nm(蓝色)的光线以及610nm--720nm(红色)对于光合作用贡献最大。520nm--610nm(绿色)的光线,被植物色素吸收的比率很低。按照以上原理,LED植物灯基本都是做成红蓝组合、全蓝、全红三种形式,以提供红蓝两种波长的光线,覆盖光合作用所需的波长范围。在视觉效果上,红蓝组合的植物灯呈现粉红色。白光LED灯,最普遍的是使用蓝色核心,激发黄色荧光粉,由此复合产生视觉上的白光效果。能量分布上,在445nm的蓝色区和550nm的黄绿色区存在两个峰值。而植物所需的610nm-- 720nm红光,则非常缺乏。这就解释了为什么在白光LED照射下,植物生长不利。

 

三、光在传统农业的应用

1)、在传统农业生产中,一般使用普通电光源补充光照和应用不同覆盖材料等农业技术措施,如采用单色荧光灯或彩色塑料薄膜,改变光环境以调控设施栽培环境中植物的生长发育。但这些措施存在着不同程度的问题,如缺乏对具体光谱成分的分析而导致光质处理不纯,光强不一致、接近甚至低于植物的光补偿点、照射光源能效低等。LED人工光源在植物设施栽培环境中大量应用的研究结果表明,LED能够解决这些难题,特别适合应用于人工光控制型植物设施栽培环境。

2)、改善光合性能是提高作物产量和品质的根本途径,基于植物生长发育合理需求的电光源产品及其智能光控技术的研发和应用,是今后革新的核心内容。因此,低功耗、高效率、光质好的人工光源成为新型农业发展的重要方向,LED人工光源为解决这一问题提供了新思路。

3LED光输出半宽窄,接近单色光,单独使用或组合使用均可,生物能效高,使用LED可以集中特定波长的光均衡地照射植物,不仅可以调节作物开花与结实,而且还能控制株高和植物的营养成分;采用LED照明,植物的生长速率、光合速率都提高20%以上,将LED用于植物工厂是可行的。

4LED照明系统能提供光谱能量分布均匀的照明,其电能转换为植物所需光的效率高,超过金卤灯的520倍。传统光源1 平方米需要配备0.5 kW的光源,而LED只需要0.27 kW,这样就可以使耗电量下降约50%

5LED属于冷光源,热负荷低,可以置于离植物很近的地方而不会把作物烤伤,光的利用率很高,可用于多层栽培立体组合系统。组合光源是利用不同峰值波长的LED的不同组合去接近照射到地球表面的光谱分布情况。根据不同波长的光在不同植物的各个生长时期有不同的促进作用,在利用LED模拟光源的基础上,通过调节某一特定波长的LED的光照强度,能调节任意波长范围的照射光强度的光源。

 

三、草莓用LE D组合光源研究

草毒用LED光源是针对植物的光合作用、光形态建成反应、光周期调节及光强对光谱的选择性,确定设施农业专用LED组合光源的主光谱辐射区,使其发射光谱与植物的选择性吸收光谱相匹配;根据LED的光色电性能指标,选取高亮度、不同功率的红、蓝、白色和远红光单色LED光源;通过对光色、光质、数量、排列进行优化组合来研制系列LED组件模块。草莓是喜光植物,但又较耐阴。光是草莓生存的重要因子,只有在光照充足的条件下草莓植株才能生长健壮,花芽分化好,浆果才能高产优质。如果光照不足,植株生长弱,叶柄和花序梗细弱,花芽分化不良,浆果小而味淡。因此,草莓种植不宜过密,一定要合理密植。促成栽培时,草莓在冬季开花就很容易出现光照不足,必要时在大棚内铺反光膜或补充光照,以促进开花结果。

 

四、我们以西安地区自然光环境为例

1)日照时间短、西安气候属暖温带半湿润大陆性季风气候。四季分明,夏季炎热多雨,西安的春季比较短,雨水少,气候比较干燥,有时会有沙尘。冬季寒冷少雨雪,冬季不是特别冷,最冷的一月份结冰。冬天受西北低压槽的影响,天气总是阴沉沉的,空气不太好,刮风时会有浮沉,春秋时有连阴雨天气出现。西安市及各郊县年平均气温13.113.4℃。年极端最高气温3541.8℃;极端最低-16-20℃。全年以7月最热,月平均气温26.126.3℃,月平均最高气温32℃左右;1月最冷,月平均气温-0.3-1.3℃,月平均最低气温-4℃左右,年较差达2627℃。降水年际变化很大,多雨年和少雨年雨量差别很大,两者最大差值可达590 mm。降水的季节分配也极不均匀,有78%的雨量集中在5-10月,其中7-9月的雨量即占全年雨量的47%,且时有暴雨出现。年平均相对湿度70%左右。年平均风速1.8 m/s,全年盛行风向为东北风。

2)雾霾增多、 西安地区大气污染日益加剧,雾霾呈增长趋势。雾霾定义为日均能见度小于10 km,并排除降水、降雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘和烟幕等其他能导致低能见度事件的情况为一个霆口。雾霾出现与阴雨、大雾出现时间基本一致,使日照时间更短。植物能够接收利用到的太阳光能越来越少,难以满足正常生长发育的需求。

3)大气透明系数低、工业发展使得PM2.5在空气中的含量越来越大,大气透明系数不断下降,致使到达地表的太阳辐射口趋减少。

4)棚膜使光强和光质发生变化、温室栽培中,光通过玻璃和塑料棚膜后,因覆盖材料遮光因素,设施内的光强和光质均发生变化,造成植物光能利用率低,以致作物的产量和品质与预期相差甚远。

5)能耗大、近儿年,为增加大棚的光照,普遍采用白炽灯、日光灯、钠灯、高压汞灯等,能耗较大。据统计,全世界每年农业生产能耗有35%用于设施园艺产业,能耗费用占温室作物总费用的15%-40%,能耗大,且不环保。

6)西安地区大棚草毒10月下旬为现蕾期,11月初为始花期,12月中旬为长果期,第21月初进入采收期, 4月为采收结期。西安地区11月至次年2月日照时间较短,雾霾高发时间也在11月至次年2月,再加上空气污染、大棚遮光等因素,植物对光能量的吸收很少,降低了草莓的品质和产量。

 

五、草莓的光照值

草莓的光补偿点为94. 3188. 7μmol / ( m2·s)

光饱和点为377. 4566. 0 μmol / (m2· s )

 

六、实验方案:

1)设定光照谱

试验以566. 0μmol / ( m2·s)为草莓光饱和点基数,设置5个处理区,分别是光饱和点的100 % ,80 % ,60 % ,40%20 %

即处理1566. 0μmol / ( m2·s)

处理2452. 8μmol / ( m2·s)

处理3339. 6μmol / ( m2·s)

处理4226. 4μmol / ( m2·s)

处理5113.2μmol / ( m2·s)

每处理10株,草莓植株在特定的光强度下生长,温度控制在25℃左右,湿度保持在50%60%,待草莓果实成熟后进行品质分析。

红蓝光比例定在 红色6:蓝光4

 

2)测定内容及方法

单果重:取采收果实的重量平均;果实硬度:用水果硬度测量仪测定;可溶性固形物含量:用数码测糖仪测定;总酸:用酸碱滴定法测定;总糖含量:用铁氰化钾滴定法测定;Vc含量:2,6—二氯酚靛酚滴定法测定;果胶:用咔哩比色法测定。试验所得数据均采用DPS统计分析。

 

3)、不同光强处理草荀主要品质的变化趋势

从表1中可以看出,在草莓单果重、硬度、可溶性固形物、总糖、总酸、Vc及果胶7项品质指标中,不同光照强度处理条件下,红颊的处理间Vc、果胶含量差异水平达极显著,章姬的处理间总糖,Vc、果胶含量差异水平也达到了极显著。说明,光照强度极显著影响草苟的Vc、果胶含量,对Vc的影响因品种不同而存差异。

4)不同光强处理对草莓品质的影响

4. 1)单果重红颊、章姬的单果重在各处理间差异虽然未达到显著水平,但不同光强度对果实重量仍略有影响,不同品种表现不同。红颊的最大值在处理3(光强339.6μmol / ( m2·s),章姬的最大值在处理4(光强226. 4μmol / ( m2·s),当光强小于226. 4μmol / ( m2·s)时,2个品种的果重下降迅速,

红颊比章姬下降更快。当光强较大时果重也会减小,说明,在光饱和点和补偿点之间,草苟果重增加有一个适宜的光强区间,在本试验中,  适宜光强区间为226. 4 -339. 6μmol / ( m2·s),不同品种稍有差异。

4 2)果实硬度红颊、章姬的果实硬度在各处理间变化差异不显著,但仍有一个变化趋势。当光强为452. 8μmol / ( m2·s)时,2品种的果实硬度都最大,然后随着光强的减弱而变软,章姬非常明显。这与实际生产上夏季覆盖遮阴网的草苟果实比不盖遮阴网的果实较软的观察是一致的,说明,草莓较高果实硬度需要较强的光照,不同品种间表现一致。至于红颊光照最弱时为什么硬度反而增加,还有待进一步试验研究。

4. 3)果实总糖红颊果实总糖含量随光照强度增加而略有增加,除566. 0μmol / ( m2·s)光饱和点时最大,其余数值变化不大,处理间差异未达到显著水平。章姬果实总糖受光强的影响较大,光照强度在339. 6566. 0μmol / ( m2·s)果实总糖含量较高,当光强小于339. 6μmol / ( m2·s)后,总糖含量下降较快。处理1和处理3总糖极显著高于处理4和处理5,处理2总糖极显著高于处理5。说明,强光有效地促进了章姬果实糖分积累。章姬果实糖含

量数值明显高于红颊,与品种自身特性相一致。

4.4)果实总酸光照强度对章姬果实酸含量影响不大,这可能与品种本身含酸量较低有关;而光强对红颊果实含酸量的影响较大,呈双峰形,分别在452.8226. 4μmol / ( m2·s)时最大。说明,较强光和较弱光都有利红颊酸的积累。(4.5)果实可溶性固形物虽然光照强度改变未能使可溶性固形物含量变化达到显著差异水平,但在光强为226. 4μmol / ( m2·s)时两品种都出现了峰值,其他的光照处理变化不明显。可见,较弱光更利于可溶性固形物的积累。章姬可溶性固形物含量每个处理都比红颊相应的处理高2 %,与章姬风味较红颊甜的实际是一致的。

4.6)果实与维生素C两品种Vc含量最高时光照强度都为452. 8μmol / ( m2·s),随后下降,红颊下降迅速,幅度大,章姬下降稍平缓。红颊处理1和处理2及章姬处理1、处理2和处理3Vc含量显著高于其他处理,说明,强光有效促进了草苟果实Vc的合成,与张秀刚等的研究一致。但两品种在处理2(光饱和点的80 %)Vc含量最高,并不是光照强度处于饱和点时最高,是否与光抑制有关,还有待深化研究。

4.7)果实果胶果实果胶也是衡量果实口感的重要指标。光照强度发生变化时,章姬果实中全果胶含量变化不大,而红颊在处理4(光强226. 4μmol / ( m2·s)最高,比最低时高0. 24%,达极显著水平。说明,光强对红颊果实果胶存在显著影响,较弱光有效提高果实果胶含量。

七、小结与讨论

1)光照强度的改变对草莓品质有一定的影响。光强显著影响总糖,Vc、果胶含量,对单果重、硬度、可溶性固形物、总酸没有显著影响,但在光补偿点和饱和点之间,也有一个优化的适宜区间。Vc合成适宜强光照区(452. 8566. 0μmol / ( m2·s),提高果胶含量适宜稍弱的光强区(226.4μmol / ( m2·s)左右),促进糖分积累适宜中强光强区(339.6  566.0μmol / ( m2·s)。结合其他品质因素的变化情况,提高草苟果实综合品质的适宜光强

339.6452.8μmol / ( m2·s)

 (2)草莓不同品种的品质表现对光照强度要求不同。试验结果表明,章姬糖份积累受光强的影响大于红颊,而红颊果实中果胶含量随光强度增减的变化较章姬大;光强度改变时,两品种的Vc含量变化趋势虽然一致,但弱光时红颊下降速度明显较章姬快,表明,红颊Vc合成受光强影响更大。由此可知,当光强度变化后,红颊品质波动较章姬大,受光照强度影响也较大。

 (3)草莓品质在光强改变时会发生一定的变化,不同品种变化略有不同。根据此种影响,西安冬季低温寡日照,可在大棚中补光,增加光照强度,提高光和有效辐射,对西安草莓冬季生长、优化品质、增产增收都有较好的促进作用。光照的影响是很复杂的,除了光照强度外,光照时间的长短、光质等对草莓品质也有一定的影响。

4)草莓生育的各个不同阶段对光照条件的要求是不一样的,例如在花芽形成期,要求10-12个小时的短日照和较低温度;在开花结果期和旺盛生长期却需要12-15个小时的较长日照时间。

5)南方北方气温的差异,日照时间的差异等对草莓的生长补光也带来了严峻的考验,这方面还有待进一步商讨。

(6)通过进一步研究LED发光频率、光周期、各种光谱成分对草毒的影响,以确定各频谱比值,提高各产量的同时,保证植株的健壮和草毒的品质。新型的光照灯在光照培养箱、组培育苗、温室种植及植物工厂等方面进行科学研究和推广应用,必将带来重大的社会效益和经济效益。

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