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Product 新聞資訊

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LED光照燈對草莓的影響

一、LED植物生長燈的補光原理

1LED植物生長燈代替太陽光給植物生長發育提供必須需要的光源。

“光是植物生長發育不可缺少的重要物理環境因素之一,通過光質調節,控制植株形態建成是設施栽培領域的一項重要技術。現代科學可以讓植物在沒有太陽的地方更好地生長,人們掌握了植物對太陽需要的內在原理,人為的創造光源也同樣可以讓植物完成光合過程,現代園藝或者植物工廠內都結合了補光技術或者完全的人工光技術。研究發現藍光區和紅光區十分接近植物光合作用的效率曲線,是植物生長的最佳光源。植物對不同光譜的吸收程度不同。無論是對植物的光合作用速度或者光周期效應影響顯著的光譜集中在紅光與藍光區附近,植物生長燈應以紅色光源為主,藍色光源為輔的設計為最好,一定的比例搭配紅藍光是作為植物生長取得更好效果的關鍵,因此光配方很重要LED植物生長燈針對每種植物設計獨一無二的光配方,給植物量身定做的LED燈。

2)植物生長燈的燈具的結構設計非常重要,考慮的因素也較多:散熱、光衰、防水、光芯的光射角度與燈具設計等一些問題,因此燈具的結構也是保障植物生長的一個重要前提。LED植物生長燈結構設計合理,光衰少,防護等級IP65以上,120的全范圍發光角度,補光更均勻。

3)根據植物的生長特性確定所需的光強。植物的光飽合點和光補償點在一定的溫度和二氧化碳濃度下,在一定的輻射度范圍內,光合強度隨輻射度的增加而增加,達到飽合點時,光合作用趨于穩定,但光強度趨于飽合點時,光強度再增加,光合作用強度不增加,光照強度過強時,會破壞原生質,引起葉綠素分解,或使細胞失水過多而使氣孔關閉,造成光合作用減弱,甚至停止。根據這一需求,我們有多種方案應對,比如通過具有調光功能的燈具來解決或者選用多種功率的燈珠來調配等。


二、光譜對植物生長的影響

1)、不同波長的光線對于植物光合作用的影響是不同的,光合作用需要的波長范圍在400-700nm左右。藍色(470nm)和紅色(630nm)LED植物生長燈,剛好提供植物所需的光線,在視覺效果上,紅藍組合的植物燈呈現粉紅色。

280-- 315nm: 對形態與生理過程的影響極小

315-- 400nm: 葉綠素吸收少,影響光周期效應,阻止莖伸長

300-- 440nm:(紫色光)促進植物形成色素和對磷和鋁元素的吸收,直接影響植物及果實的維生素D、角質層的形成和干物質的積累。

430---440nm:(藍紫光)藍紫光則加速短日植物發育,并促進蛋白質和有機酸的合成;而短波的藍紫光和紫外線能抑制莖節間伸長,促進多發側枝和芽的分化,且有助于花色素和維生素的合成。

400 --520nm:(藍色光):葉綠素與類胡蘿卜素吸收比例最大,對光合作用影響最大,有助于植物光合作用能促進綠葉生長,蛋白質合成,果實形成。增加產量以及縮短培育期。通過光譜搭配可以實現對植物生長的人工調控;

520--610nm:(綠色光):色素的吸收率不高

610 --720nm:(紅色光):紅光照射激發作物生長,促進葉綠素A和葉綠素B進行光合作用,促成植物莖、莖根、葉球以及其它器官形成,有助于開花結果和延長花期,起到增加產量作用。葉綠素吸收率低,對光合作用與光周期效應有顯著影響。

 720 -1000nm : 吸收率低,刺激細胞延長,影響開花與種子發芽

1000nm : 轉換成為熱量

2)、從上面的數據來看,不同波長的光線對于植物光合作用的影響是不同的,植物光合作用需要的光線,波長在400 nm--720nm左右。400nm-- 520nm(藍色)的光線以及610nm--720nm(紅色)對于光合作用貢獻最大。520nm--610nm(綠色)的光線,被植物色素吸收的比率很低。按照以上原理,LED植物燈基本都是做成紅藍組合、全藍、全紅三種形式,以提供紅藍兩種波長的光線,覆蓋光合作用所需的波長范圍。在視覺效果上,紅藍組合的植物燈呈現粉紅色。白光LED燈,最普遍的是使用藍色核心,激發黃色熒光粉,由此復合產生視覺上的白光效果。能量分布上,在445nm的藍色區和550nm的黃綠色區存在兩個峰值。而植物所需的610nm-- 720nm紅光,則非常缺乏。這就解釋了為什么在白光LED照射下,植物生長不利。

 

三、光在傳統農業的應用

1)、在傳統農業生產中,一般使用普通電光源補充光照和應用不同覆蓋材料等農業技術措施,如采用單色熒光燈或彩色塑料薄膜,改變光環境以調控設施栽培環境中植物的生長發育。但這些措施存在著不同程度的問題,如缺乏對具體光譜成分的分析而導致光質處理不純,光強不一致、接近甚至低于植物的光補償點、照射光源能效低等。LED人工光源在植物設施栽培環境中大量應用的研究結果表明,LED能夠解決這些難題,特別適合應用于人工光控制型植物設施栽培環境。

2)、改善光合性能是提高作物產量和品質的根本途徑,基于植物生長發育合理需求的電光源產品及其智能光控技術的研發和應用,是今后革新的核心內容。因此,低功耗、高效率、光質好的人工光源成為新型農業發展的重要方向,LED人工光源為解決這一問題提供了新思路。

3LED光輸出半寬窄,接近單色光,單獨使用或組合使用均可,生物能效高,使用LED可以集中特定波長的光均衡地照射植物,不僅可以調節作物開花與結實,而且還能控制株高和植物的營養成分;采用LED照明,植物的生長速率、光合速率都提高20%以上,將LED用于植物工廠是可行的。

4LED照明系統能提供光譜能量分布均勻的照明,其電能轉換為植物所需光的效率高,超過金鹵燈的520倍。傳統光源1 平方米需要配備0.5 kW的光源,而LED只需要0.27 kW,這樣就可以使耗電量下降約50%

5LED屬于冷光源,熱負荷低,可以置于離植物很近的地方而不會把作物烤傷,光的利用率很高,可用于多層栽培立體組合系統。組合光源是利用不同峰值波長的LED的不同組合去接近照射到地球表面的光譜分布情況。根據不同波長的光在不同植物的各個生長時期有不同的促進作用,在利用LED模擬光源的基礎上,通過調節某一特定波長的LED的光照強度,能調節任意波長范圍的照射光強度的光源。

 

三、草莓用LE D組合光源研究

草毒用LED光源是針對植物的光合作用、光形態建成反應、光周期調節及光強對光譜的選擇性,確定設施農業專用LED組合光源的主光譜輻射區,使其發射光譜與植物的選擇性吸收光譜相匹配;根據LED的光色電性能指標,選取高亮度、不同功率的紅、藍、白色和遠紅光單色LED光源;通過對光色、光質、數量、排列進行優化組合來研制系列LED組件模塊。草莓是喜光植物,但又較耐陰。光是草莓生存的重要因子,只有在光照充足的條件下草莓植株才能生長健壯,花芽分化好,漿果才能高產優質。如果光照不足,植株生長弱,葉柄和花序梗細弱,花芽分化不良,漿果小而味淡。因此,草莓種植不宜過密,一定要合理密植。促成栽培時,草莓在冬季開花就很容易出現光照不足,必要時在大棚內鋪反光膜或補充光照,以促進開花結果。

 

四、我們以西安地區自然光環境為例

1)日照時間短、西安氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。四季分明,夏季炎熱多雨,西安的春季比較短,雨水少,氣候比較干燥,有時會有沙塵。冬季寒冷少雨雪,冬季不是特別冷,最冷的一月份結冰。冬天受西北低壓槽的影響,天氣總是陰沉沉的,空氣不太好,刮風時會有浮沉,春秋時有連陰雨天氣出現。西安市及各郊縣年平均氣溫13.113.4℃。年極端最高氣溫3541.8℃;極端最低-16-20℃。全年以7月最熱,月平均氣溫26.126.3℃,月平均最高氣溫32℃左右;1月最冷,月平均氣溫-0.3-1.3℃,月平均最低氣溫-4℃左右,年較差達2627℃。降水年際變化很大,多雨年和少雨年雨量差別很大,兩者最大差值可達590 mm。降水的季節分配也極不均勻,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%,且時有暴雨出現。年平均相對濕度70%左右。年平均風速1.8 m/s,全年盛行風向為東北風。

2)霧霾增多、 西安地區大氣污染日益加劇,霧霾呈增長趨勢。霧霾定義為日均能見度小于10 km,并排除降水、降雪、雪暴、揚沙、沙塵暴、浮塵和煙幕等其他能導致低能見度事件的情況為一個霆口。霧霾出現與陰雨、大霧出現時間基本一致,使日照時間更短。植物能夠接收利用到的太陽光能越來越少,難以滿足正常生長發育的需求。

3)大氣透明系數低、工業發展使得PM2.5在空氣中的含量越來越大,大氣透明系數不斷下降,致使到達地表的太陽輻射口趨減少。

4)棚膜使光強和光質發生變化、溫室栽培中,光通過玻璃和塑料棚膜后,因覆蓋材料遮光因素,設施內的光強和光質均發生變化,造成植物光能利用率低,以致作物的產量和品質與預期相差甚遠。

5)能耗大、近兒年,為增加大棚的光照,普遍采用白熾燈、日光燈、鈉燈、高壓汞燈等,能耗較大。據統計,全世界每年農業生產能耗有35%用于設施園藝產業,能耗費用占溫室作物總費用的15%-40%,能耗大,且不環保。

6)西安地區大棚草毒10月下旬為現蕾期,11月初為始花期,12月中旬為長果期,第21月初進入采收期, 4月為采收結期。西安地區11月至次年2月日照時間較短,霧霾高發時間也在11月至次年2月,再加上空氣污染、大棚遮光等因素,植物對光能量的吸收很少,降低了草莓的品質和產量。

 

五、草莓的光照值

草莓的光補償點為94. 3188. 7μmol / ( m2·s)

光飽和點為377. 4566. 0 μmol / (m2· s )

 

六、實驗方案:

1)設定光照譜

試驗以566. 0μmol / ( m2·s)為草莓光飽和點基數,設置5個處理區,分別是光飽和點的100 % ,80 % ,60 % ,40%20 %

即處理1566. 0μmol / ( m2·s)

處理2452. 8μmol / ( m2·s)

處理3339. 6μmol / ( m2·s)

處理4226. 4μmol / ( m2·s)

處理5113.2μmol / ( m2·s)

每處理10株,草莓植株在特定的光強度下生長,溫度控制在25℃左右,濕度保持在50%60%,待草莓果實成熟后進行品質分析。

紅藍光比例定在 紅色6:藍光4

 

2)測定內容及方法

單果重:取采收果實的重量平均;果實硬度:用水果硬度測量儀測定;可溶性固形物含量:用數碼測糖儀測定;總酸:用酸堿滴定法測定;總糖含量:用鐵氰化鉀滴定法測定;Vc含量:2,6—二氯酚靛酚滴定法測定;果膠:用咔哩比色法測定。試驗所得數據均采用DPS統計分析。

 

3)、不同光強處理草荀主要品質的變化趨勢

從表1中可以看出,在草莓單果重、硬度、可溶性固形物、總糖、總酸、Vc及果膠7項品質指標中,不同光照強度處理條件下,紅頰的處理間Vc、果膠含量差異水平達極顯著,章姬的處理間總糖,Vc、果膠含量差異水平也達到了極顯著。說明,光照強度極顯著影響草茍的Vc、果膠含量,對Vc的影響因品種不同而存差異。

4)不同光強處理對草莓品質的影響

4. 1)單果重紅頰、章姬的單果重在各處理間差異雖然未達到顯著水平,但不同光強度對果實重量仍略有影響,不同品種表現不同。紅頰的最大值在處理3(光強339.6μmol / ( m2·s),章姬的最大值在處理4(光強226. 4μmol / ( m2·s),當光強小于226. 4μmol / ( m2·s)時,2個品種的果重下降迅速,

紅頰比章姬下降更快。當光強較大時果重也會減小,說明,在光飽和點和補償點之間,草茍果重增加有一個適宜的光強區間,在本試驗中,  適宜光強區間為226. 4 -339. 6μmol / ( m2·s),不同品種稍有差異。

4 2)果實硬度紅頰、章姬的果實硬度在各處理間變化差異不顯著,但仍有一個變化趨勢。當光強為452. 8μmol / ( m2·s)時,2品種的果實硬度都最大,然后隨著光強的減弱而變軟,章姬非常明顯。這與實際生產上夏季覆蓋遮陰網的草茍果實比不蓋遮陰網的果實較軟的觀察是一致的,說明,草莓較高果實硬度需要較強的光照,不同品種間表現一致。至于紅頰光照最弱時為什么硬度反而增加,還有待進一步試驗研究。

4. 3)果實總糖紅頰果實總糖含量隨光照強度增加而略有增加,除566. 0μmol / ( m2·s)光飽和點時最大,其余數值變化不大,處理間差異未達到顯著水平。章姬果實總糖受光強的影響較大,光照強度在339. 6566. 0μmol / ( m2·s)果實總糖含量較高,當光強小于339. 6μmol / ( m2·s)后,總糖含量下降較快。處理1和處理3總糖極顯著高于處理4和處理5,處理2總糖極顯著高于處理5。說明,強光有效地促進了章姬果實糖分積累。章姬果實糖含

量數值明顯高于紅頰,與品種自身特性相一致。

4.4)果實總酸光照強度對章姬果實酸含量影響不大,這可能與品種本身含酸量較低有關;而光強對紅頰果實含酸量的影響較大,呈雙峰形,分別在452.8226. 4μmol / ( m2·s)時最大。說明,較強光和較弱光都有利紅頰酸的積累。(4.5)果實可溶性固形物雖然光照強度改變未能使可溶性固形物含量變化達到顯著差異水平,但在光強為226. 4μmol / ( m2·s)時兩品種都出現了峰值,其他的光照處理變化不明顯。可見,較弱光更利于可溶性固形物的積累。章姬可溶性固形物含量每個處理都比紅頰相應的處理高2 %,與章姬風味較紅頰甜的實際是一致的。

4.6)果實與維生素C兩品種Vc含量最高時光照強度都為452. 8μmol / ( m2·s),隨后下降,紅頰下降迅速,幅度大,章姬下降稍平緩。紅頰處理1和處理2及章姬處理1、處理2和處理3Vc含量顯著高于其他處理,說明,強光有效促進了草茍果實Vc的合成,與張秀剛等的研究一致。但兩品種在處理2(光飽和點的80 %)Vc含量最高,并不是光照強度處于飽和點時最高,是否與光抑制有關,還有待深化研究。

4.7)果實果膠果實果膠也是衡量果實口感的重要指標。光照強度發生變化時,章姬果實中全果膠含量變化不大,而紅頰在處理4(光強226. 4μmol / ( m2·s)最高,比最低時高0. 24%,達極顯著水平。說明,光強對紅頰果實果膠存在顯著影響,較弱光有效提高果實果膠含量。

七、小結與討論

1)光照強度的改變對草莓品質有一定的影響。光強顯著影響總糖,Vc、果膠含量,對單果重、硬度、可溶性固形物、總酸沒有顯著影響,但在光補償點和飽和點之間,也有一個優化的適宜區間。Vc合成適宜強光照區(452. 8566. 0μmol / ( m2·s),提高果膠含量適宜稍弱的光強區(226.4μmol / ( m2·s)左右),促進糖分積累適宜中強光強區(339.6  566.0μmol / ( m2·s)。結合其他品質因素的變化情況,提高草茍果實綜合品質的適宜光強

339.6452.8μmol / ( m2·s)

 (2)草莓不同品種的品質表現對光照強度要求不同。試驗結果表明,章姬糖份積累受光強的影響大于紅頰,而紅頰果實中果膠含量隨光強度增減的變化較章姬大;光強度改變時,兩品種的Vc含量變化趨勢雖然一致,但弱光時紅頰下降速度明顯較章姬快,表明,紅頰Vc合成受光強影響更大。由此可知,當光強度變化后,紅頰品質波動較章姬大,受光照強度影響也較大。

 (3)草莓品質在光強改變時會發生一定的變化,不同品種變化略有不同。根據此種影響,西安冬季低溫寡日照,可在大棚中補光,增加光照強度,提高光和有效輻射,對西安草莓冬季生長、優化品質、增產增收都有較好的促進作用。光照的影響是很復雜的,除了光照強度外,光照時間的長短、光質等對草莓品質也有一定的影響。

4)草莓生育的各個不同階段對光照條件的要求是不一樣的,例如在花芽形成期,要求10-12個小時的短日照和較低溫度;在開花結果期和旺盛生長期卻需要12-15個小時的較長日照時間。

5)南方北方氣溫的差異,日照時間的差異等對草莓的生長補光也帶來了嚴峻的考驗,這方面還有待進一步商討。

(6)通過進一步研究LED發光頻率、光周期、各種光譜成分對草毒的影響,以確定各頻譜比值,提高各產量的同時,保證植株的健壯和草毒的品質。新型的光照燈在光照培養箱、組培育苗、溫室種植及植物工廠等方面進行科學研究和推廣應用,必將帶來重大的社會效益和經濟效益。

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