Συγγραφέας: Yamin Li και Houcheng Liu, κ.λπ., από το Κολλέγιο Κηπευτικής, Πανεπιστήμιο Γεωργίας Νότιας Κίνας

Πηγή άρθρου: Κηπουρική θερμοκηπίου

Οι τύποι εγκαταστάσεων κηπευτικής στις εγκαταστάσεις περιλαμβάνουν κυρίως πλαστικά θερμοκήπια, ηλιακά θερμοκήπια, θερμοκήπια πολλαπλών ανοιγμάτων και εργοστάσια φυτών. Επειδή τα κτίρια των εγκαταστάσεων εμποδίζουν σε κάποιο βαθμό τις φυσικές πηγές φωτός, δεν υπάρχει επαρκής εσωτερικός φωτισμός, γεγονός που με τη σειρά του μειώνει τις αποδόσεις και την ποιότητα των καλλιεργειών. Επομένως, το συμπληρωματικό φως παίζει απαραίτητο ρόλο στις υψηλής ποιότητας και απόδοσης καλλιέργειες της εγκατάστασης, αλλά έχει επίσης γίνει ένας σημαντικός παράγοντας στην αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας και του λειτουργικού κόστους στην εγκατάσταση.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι τεχνητές πηγές φωτός που χρησιμοποιούνται στον τομέα της κηπουρικής σε εγκαταστάσεις περιλαμβάνουν κυρίως λαμπτήρες νατρίου υψηλής πίεσης, λαμπτήρες φθορισμού, μεταλλικούς λαμπτήρες αλογόνου, λαμπτήρες πυρακτώσεως κ.λπ. Τα κύρια μειονεκτήματα είναι η υψηλή παραγωγή θερμότητας, η υψηλή κατανάλωση ενέργειας και το υψηλό λειτουργικό κόστος. Η ανάπτυξη της νέας γενιάς διόδων εκπομπής φωτός (LED) καθιστά δυνατή τη χρήση τεχνητών πηγών φωτός χαμηλής ενέργειας στον τομέα της κηπουρικής σε εγκαταστάσεις. Τα LED έχουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής απόδοσης φωτοηλεκτρικής μετατροπής, της ισχύος DC, του μικρού όγκου, της μεγάλης διάρκειας ζωής, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, του σταθερού μήκους κύματος, της χαμηλής θερμικής ακτινοβολίας και της προστασίας του περιβάλλοντος. Σε σύγκριση με τους λαμπτήρες νατρίου υψηλής πίεσης και τους λαμπτήρες φθορισμού που χρησιμοποιούνται συνήθως σήμερα, τα LED όχι μόνο μπορούν να ρυθμίσουν την ποσότητα και την ποιότητα του φωτός (την αναλογία διαφόρων ζωνών φωτός) ανάλογα με τις ανάγκες της ανάπτυξης των φυτών, αλλά μπορούν επίσης να ακτινοβολήσουν τα φυτά σε κοντινή απόσταση λόγω του ψυχρού φωτός τους. Έτσι, ο αριθμός των στρωμάτων καλλιέργειας και ο ρυθμός αξιοποίησης του χώρου μπορούν να βελτιωθούν, και μπορούν να υλοποιηθούν οι λειτουργίες εξοικονόμησης ενέργειας, προστασίας του περιβάλλοντος και αποτελεσματικής αξιοποίησης του χώρου, οι οποίες δεν μπορούν να αντικατασταθούν από την παραδοσιακή πηγή φωτός.

Με βάση αυτά τα πλεονεκτήματα, το LED έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στον φωτισμό κηπευτικών εγκαταστάσεων, στη βασική έρευνα ελεγχόμενου περιβάλλοντος, στην καλλιέργεια φυτικών ιστών, στα σπορόφυτα εργοστασίων φυτών και στο αεροδιαστημικό οικοσύστημα. Τα τελευταία χρόνια, η απόδοση του φωτισμού ανάπτυξης LED βελτιώνεται, η τιμή μειώνεται και όλα τα είδη προϊόντων με συγκεκριμένα μήκη κύματος αναπτύσσονται σταδιακά, επομένως η εφαρμογή του στον τομέα της γεωργίας και της βιολογίας θα είναι ευρύτερη.

Αυτό το άρθρο συνοψίζει την ερευνητική κατάσταση των LED στον τομέα της κηπουρικής σε εγκαταστάσεις, εστιάζει στην εφαρμογή συμπληρωματικού φωτός LED στη βάση της βιολογίας του φωτός, στα φώτα ανάπτυξης LED στον σχηματισμό φωτός των φυτών, στη θρεπτική ποιότητα και στην επίδραση της καθυστέρησης της γήρανσης, στην κατασκευή και εφαρμογή του φωτιστικού τύπου, και αναλύει και προοπτικές των τρεχόντων προβλημάτων και προοπτικών της τεχνολογίας συμπληρωματικού φωτός LED.

Επίδραση του συμπληρωματικού φωτός LED στην ανάπτυξη των κηπευτικών καλλιεργειών

Οι ρυθμιστικές επιδράσεις του φωτός στην ανάπτυξη και την ανάπτυξη των φυτών περιλαμβάνουν τη βλάστηση των σπόρων, την επιμήκυνση του στελέχους, την ανάπτυξη φύλλων και ριζών, τον φωτοτροπισμό, τη σύνθεση και αποσύνθεση χλωροφύλλης και την επαγωγή άνθισης. Τα στοιχεία φωτισμού στην εγκατάσταση περιλαμβάνουν την ένταση του φωτός, τον κύκλο φωτός και τη φασματική κατανομή. Τα στοιχεία μπορούν να ρυθμιστούν με τεχνητό συμπλήρωμα φωτός χωρίς τον περιορισμό των καιρικών συνθηκών.

Προς το παρόν, υπάρχουν τουλάχιστον τρεις τύποι φωτοϋποδοχέων στα φυτά: το φυτόχρωμα (που απορροφά το κόκκινο φως και το μακρινό κόκκινο φως), το κρυπτόχρωμα (που απορροφά το μπλε φως και το εγγύς υπεριώδες φως) και οι UV-A και UV-B. Η χρήση πηγής φωτός συγκεκριμένου μήκους κύματος για την ακτινοβόληση των καλλιεργειών μπορεί να βελτιώσει την φωτοσυνθετική απόδοση των φυτών, να επιταχύνει τη μορφογένεση του φωτός και να προωθήσει την ανάπτυξη και την ανάπτυξη των φυτών. Κόκκινο πορτοκαλί φως (610 ~ 720 nm) και μπλε ιώδες φως (400 ~ 510 nm) χρησιμοποιήθηκαν στη φωτοσύνθεση των φυτών. Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία LED, το μονοχρωματικό φως (όπως το κόκκινο φως με κορυφή 660nm, το μπλε φως με κορυφή 450nm, κ.λπ.) μπορεί να ακτινοβοληθεί σύμφωνα με την ισχυρότερη ζώνη απορρόφησης της χλωροφύλλης και το πλάτος του φασματικού τομέα είναι μόνο ± 20 nm.

Πιστεύεται επί του παρόντος ότι το κόκκινο-πορτοκαλί φως θα επιταχύνει σημαντικά την ανάπτυξη των φυτών, θα προωθήσει τη συσσώρευση ξηράς ουσίας, το σχηματισμό βολβών, κονδύλων, βολβών φύλλων και άλλων φυτικών οργάνων, θα προκαλέσει την άνθιση και την πρόωρη καρποφορία των φυτών και θα παίξει πρωταγωνιστικό ρόλο στην ενίσχυση του χρώματος των φυτών. Το μπλε και το ιώδες φως μπορούν να ελέγξουν τον φωτοτροπισμό των φύλλων των φυτών, να προωθήσουν το άνοιγμα των στομάτων και την κίνηση των χλωροπλαστών, να αναστείλουν την επιμήκυνση του στελέχους, να αποτρέψουν την επιμήκυνση των φυτών, να καθυστερήσουν την ανθοφορία των φυτών και να προωθήσουν την ανάπτυξη των βλαστικών οργάνων. Ο συνδυασμός κόκκινων και μπλε LED μπορεί να αντισταθμίσει την ανεπαρκή φωτεινότητα ενός μόνο χρώματος και των δύο και να σχηματίσει μια κορυφή φασματικής απορρόφησης που είναι ουσιαστικά συμβατή με τη φωτοσύνθεση και τη μορφολογία των καλλιεργειών. Το ποσοστό αξιοποίησης της φωτεινής ενέργειας μπορεί να φτάσει το 80% έως 90% και το αποτέλεσμα εξοικονόμησης ενέργειας είναι σημαντικό.

Η χρήση συμπληρωματικών φωτιστικών LED στις εγκαταστάσεις κηπουρικής μπορεί να επιτύχει μια πολύ σημαντική αύξηση στην παραγωγή. Μελέτες έχουν δείξει ότι ο αριθμός των καρπών, η συνολική παραγωγή και το βάρος κάθε ντοματίνιου υπό το συμπληρωματικό φως ταινιών LED και σωλήνων LED 300 μmol/(m²·s) για 12 ώρες (8:00-20:00) αυξάνονται σημαντικά. Το συμπληρωματικό φως της ταινίας LED έχει αυξηθεί κατά 42,67%, 66,89% και 16,97% αντίστοιχα, και το συμπληρωματικό φως του σωλήνα LED έχει αυξηθεί κατά 48,91%, 94,86% και 30,86% αντίστοιχα. Το συμπληρωματικό φως LED του φωτιστικού LED για ανάπτυξη κατά τη διάρκεια ολόκληρης της περιόδου ανάπτυξης [η αναλογία κόκκινου και μπλε φωτός είναι 3:2 και η ένταση φωτός είναι 300 μmol/(m²·s)] μπορεί να αυξήσει σημαντικά την ποιότητα του κάθε καρπού και την απόδοση ανά μονάδα επιφάνειας του chiehwa και της μελιτζάνας. Το Chikuquan αυξήθηκε κατά 5,3% και 15,6%, και η μελιτζάνα αυξήθηκε κατά 7,6% και 7,8%. Μέσω της ποιότητας του φωτός LED και της έντασης και της διάρκειας ολόκληρης της περιόδου ανάπτυξης, ο κύκλος ανάπτυξης των φυτών μπορεί να μειωθεί, η εμπορική απόδοση, η θρεπτική ποιότητα και η μορφολογική αξία των γεωργικών προϊόντων μπορούν να βελτιωθούν, και μπορεί να επιτευχθεί η υψηλής απόδοσης, εξοικονόμησης ενέργειας και έξυπνη παραγωγή κηπευτικών καλλιεργειών εγκαταστάσεων.

Εφαρμογή συμπληρωματικού φωτισμού LED στην καλλιέργεια σπορόφυτων λαχανικών

Η ρύθμιση της μορφολογίας και της ανάπτυξης των φυτών μέσω πηγής φωτός LED είναι μια σημαντική τεχνολογία στον τομέα της καλλιέργειας σε θερμοκήπια. Τα ανώτερα φυτά μπορούν να ανιχνεύσουν και να λάβουν φωτεινά σήματα μέσω συστημάτων φωτοϋποδοχέων όπως το φυτόχρωμα, το κρυπτόχρωμα και ο φωτοϋποδοχέας, και να πραγματοποιήσουν μορφολογικές αλλαγές μέσω ενδοκυτταρικών αγγελιοφόρων για τη ρύθμιση των φυτικών ιστών και οργάνων. Η φωτομορφογένεση σημαίνει ότι τα φυτά βασίζονται στο φως για τον έλεγχο της κυτταρικής διαφοροποίησης, των δομικών και λειτουργικών αλλαγών, καθώς και του σχηματισμού ιστών και οργάνων, συμπεριλαμβανομένης της επίδρασης στη βλάστηση ορισμένων σπόρων, στην προώθηση της κορυφαίας κυριαρχίας, στην αναστολή της πλευρικής ανάπτυξης των οφθαλμών, στην επιμήκυνση του στελέχους και στον τροπισμό.

Η καλλιέργεια σπορόφυτων λαχανικών αποτελεί σημαντικό μέρος της γεωργίας των εγκαταστάσεων. Ο συνεχής βροχερός καιρός θα προκαλέσει ανεπαρκές φως στην εγκατάσταση και τα σπορόφυτα είναι επιρρεπή στο μάκρος, γεγονός που θα επηρεάσει την ανάπτυξη των λαχανικών, τη διαφοροποίηση των ανθοφόρων οφθαλμών και την ανάπτυξη των καρπών, και τελικά θα επηρεάσει την απόδοση και την ποιότητά τους. Στην παραγωγή, ορισμένοι ρυθμιστές ανάπτυξης φυτών, όπως η γιβερελίνη, η αυξίνη, η πακλοβουτραζόλη και το χλωρμεκουάτ, χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση της ανάπτυξης των σπορόφυτων. Ωστόσο, η αδικαιολόγητη χρήση ρυθμιστών ανάπτυξης φυτών μπορεί εύκολα να μολύνει το περιβάλλον των λαχανικών και των εγκαταστάσεων, με αποτέλεσμα την ανθρώπινη υγεία να είναι δυσμενής.

Το συμπληρωματικό φως LED έχει πολλά μοναδικά πλεονεκτήματα και αποτελεί έναν εφικτό τρόπο χρήσης του συμπληρωματικού φωτός LED για την ανάπτυξη σπορόφυτων. Στο πείραμα συμπληρωματικού φωτός LED [25±5 μmol/(m²·s)] που διεξήχθη υπό συνθήκες χαμηλού φωτισμού [0~35 μmol/(m²·s)], διαπιστώθηκε ότι το πράσινο φως προάγει την επιμήκυνση και την ανάπτυξη των σπορόφυτων αγγουριού. Το κόκκινο φως και το μπλε φως αναστέλλουν την ανάπτυξη των σπορόφυτων. Σε σύγκριση με το φυσικό ασθενές φως, ο δείκτης ισχυρών σπορόφυτων των σπορόφυτων που συμπληρώθηκαν με κόκκινο και μπλε φως αυξήθηκε κατά 151,26% και 237,98% αντίστοιχα. Σε σύγκριση με την ποιότητα του μονοχρωματικού φωτός, ο δείκτης ισχυρών σπορόφυτων που περιέχουν κόκκινα και μπλε συστατικά υπό την επεξεργασία σύνθετου συμπληρωματικού φωτός αυξήθηκε κατά 304,46%.

Η προσθήκη κόκκινου φωτός στα σπορόφυτα αγγουριού μπορεί να αυξήσει τον αριθμό των πραγματικών φύλλων, την επιφάνεια των φύλλων, το ύψος του φυτού, τη διάμετρο του στελέχους, την ποιότητα ξηρού και φρέσκου, τον ισχυρό δείκτη σπορόφυτου, τη ζωτικότητα της ρίζας, τη δραστηριότητα SOD και την περιεκτικότητα σε διαλυτή πρωτεΐνη των σπορόφυτων αγγουριού. Η συμπλήρωση με UV-B μπορεί να αυξήσει την περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη α, χλωροφύλλη β και καροτενοειδή στα φύλλα σπορόφυτου αγγουριού. Σε σύγκριση με το φυσικό φως, η συμπλήρωση με κόκκινο και μπλε φως LED μπορεί να αυξήσει σημαντικά την επιφάνεια των φύλλων, την ποιότητα της ξηρής ουσίας και τον ισχυρό δείκτη σπορόφυτου των σπορόφυτων τομάτας. Η συμπλήρωση με κόκκινο και πράσινο φως LED αυξάνει σημαντικά το ύψος και το πάχος του στελέχους των σπορόφυτων τομάτας. Η επεξεργασία με πράσινο φως LED μπορεί να αυξήσει σημαντικά τη βιομάζα των σπορόφυτων αγγουριού και τομάτας, και το φρέσκο ​​και ξηρό βάρος των σπορόφυτων αυξάνεται με την αύξηση της έντασης του πράσινου φωτός, ενώ ο δείκτης παχιού στελέχους και ισχυρού σπορόφυτου των σπορόφυτων τομάτας ακολουθεί το πράσινο φως. Η αύξηση της αντοχής αυξάνεται. Ο συνδυασμός κόκκινου και μπλε φωτός LED μπορεί να αυξήσει το πάχος του στελέχους, την επιφάνεια των φύλλων, το ξηρό βάρος ολόκληρου του φυτού, την αναλογία ρίζας προς βλαστό και τον ισχυρό δείκτη σπορόφυτου της μελιτζάνας. Σε σύγκριση με το λευκό φως, το κόκκινο φως LED μπορεί να αυξήσει τη βιομάζα των σπορόφυτων λάχανου και να προωθήσει την επιμήκυνση και την επέκταση των φύλλων των σπορόφυτων λάχανου. Το μπλε φως LED προάγει την πυκνή ανάπτυξη, τη συσσώρευση ξηράς ουσίας και τον ισχυρό δείκτη σπορόφυτων των σπορόφυτων λάχανου, και κάνει τα σπορόφυτα λάχανου νανώδη. Τα παραπάνω αποτελέσματα δείχνουν ότι τα πλεονεκτήματα των σπορόφυτων λαχανικών που καλλιεργούνται με τεχνολογία ρύθμισης φωτός είναι πολύ προφανή.

Επίδραση του συμπληρωματικού φωτός LED στην θρεπτική ποιότητα των φρούτων και των λαχανικών

Η πρωτεΐνη, η ζάχαρη, το οργανικό οξύ και οι βιταμίνες που περιέχονται στα φρούτα και τα λαχανικά αποτελούν θρεπτικά συστατικά που είναι ευεργετικά για την ανθρώπινη υγεία. Η ποιότητα του φωτός μπορεί να επηρεάσει την περιεκτικότητα σε VC στα φυτά ρυθμίζοντας τη δραστηριότητα της σύνθεσης VC και των ενζύμων αποσύνθεσης, και μπορεί να ρυθμίσει τον μεταβολισμό των πρωτεϊνών και τη συσσώρευση υδατανθράκων στα κηπευτικά φυτά. Το κόκκινο φως προάγει τη συσσώρευση υδατανθράκων, η επεξεργασία με μπλε φως είναι ευεργετική για τον σχηματισμό πρωτεϊνών, ενώ ο συνδυασμός κόκκινου και μπλε φωτός μπορεί να βελτιώσει τη θρεπτική ποιότητα των φυτών σημαντικά υψηλότερα από ό,τι το μονοχρωματικό φως.

Η προσθήκη κόκκινου ή μπλε φωτός LED μπορεί να μειώσει την περιεκτικότητα σε νιτρικά άλατα στο μαρούλι, η προσθήκη μπλε ή πράσινου φωτός LED μπορεί να προωθήσει τη συσσώρευση διαλυτών σακχάρων στο μαρούλι και η προσθήκη υπέρυθρου φωτός LED ευνοεί τη συσσώρευση VC στο μαρούλι. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το συμπλήρωμα μπλε φωτός θα μπορούσε να βελτιώσει την περιεκτικότητα σε VC και την περιεκτικότητα σε διαλυτές πρωτεΐνες της ντομάτας. Ο συνδυασμός κόκκινου και κόκκινου μπλε φωτός θα μπορούσε να αυξήσει την περιεκτικότητα σε σάκχαρα και οξέα των καρπών της ντομάτας, και η αναλογία σακχάρων προς οξύ ήταν η υψηλότερη υπό συνδυασμό κόκκινου μπλε φωτός. Ο συνδυασμός κόκκινου μπλε φωτός θα μπορούσε να βελτιώσει την περιεκτικότητα σε VC των καρπών αγγουριού.

Οι φαινόλες, τα φλαβονοειδή, οι ανθοκυανίνες και άλλες ουσίες στα φρούτα και τα λαχανικά όχι μόνο έχουν σημαντική επίδραση στο χρώμα, τη γεύση και την εμπορεύσιμη αξία των φρούτων και των λαχανικών, αλλά έχουν επίσης φυσική αντιοξειδωτική δράση και μπορούν να αναστείλουν ή να απομακρύνουν αποτελεσματικά τις ελεύθερες ρίζες από το ανθρώπινο σώμα.

Η χρήση μπλε φωτός LED ως συμπλήρωμα φωτός μπορεί να αυξήσει σημαντικά την περιεκτικότητα σε ανθοκυανίνες στη φλούδα της μελιτζάνας κατά 73,6%, ενώ η χρήση κόκκινου φωτός LED και συνδυασμού κόκκινου και μπλε φωτός μπορεί να αυξήσει την περιεκτικότητα σε φλαβονοειδή και συνολικές φαινόλες. Το μπλε φως μπορεί να προωθήσει τη συσσώρευση λυκοπενίου, φλαβονοειδών και ανθοκυανινών στους καρπούς της ντομάτας. Ο συνδυασμός κόκκινου και μπλε φωτός προάγει την παραγωγή ανθοκυανινών σε κάποιο βαθμό, αλλά αναστέλλει τη σύνθεση φλαβονοειδών. Σε σύγκριση με την επεξεργασία με λευκό φως, η επεξεργασία με κόκκινο φως μπορεί να αυξήσει σημαντικά την περιεκτικότητα σε ανθοκυανίνες των βλαστών μαρουλιού, αλλά η επεξεργασία με μπλε φως έχει τη χαμηλότερη περιεκτικότητα σε ανθοκυανίνες. Η συνολική περιεκτικότητα σε φαινόλες του πράσινου φύλλου, του μοβ φύλλου και του κόκκινου φύλλου μαρουλιού ήταν υψηλότερη υπό λευκό φως, κόκκινο-μπλε συνδυασμένο φως και μπλε φως, αλλά ήταν η χαμηλότερη υπό επεξεργασία με κόκκινο φως. Η συμπλήρωση υπεριώδους φωτός LED ή πορτοκαλί φωτός μπορεί να αυξήσει την περιεκτικότητα σε φαινολικές ενώσεις στα φύλλα μαρουλιού, ενώ η συμπλήρωση πράσινου φωτός μπορεί να αυξήσει την περιεκτικότητα σε ανθοκυανίνες. Επομένως, η χρήση φωτισμού ανάπτυξης LED είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για τη ρύθμιση της θρεπτικής ποιότητας των φρούτων και των λαχανικών στην καλλιέργεια κηπευτικών εγκαταστάσεων.

Η επίδραση του συμπληρωματικού φωτός LED στην αντιγήρανση των φυτών

Η αποικοδόμηση της χλωροφύλλης, η ταχεία απώλεια πρωτεϊνών και η υδρόλυση του RNA κατά τη γήρανση των φυτών εκδηλώνονται κυρίως ως γήρανση των φύλλων. Οι χλωροπλάστες είναι πολύ ευαίσθητοι στις αλλαγές στο εξωτερικό περιβάλλον φωτισμού, οι οποίες επηρεάζονται ιδιαίτερα από την ποιότητα του φωτός. Το κόκκινο φως, το μπλε φως και το συνδυασμένο κόκκινο-μπλε φως ευνοούν τη μορφογένεση των χλωροπλαστών, το μπλε φως ευνοεί τη συσσώρευση κόκκων αμύλου στους χλωροπλάστες και το κόκκινο φως και το πολύ κόκκινο φως έχουν αρνητική επίδραση στην ανάπτυξη των χλωροπλαστών. Ο συνδυασμός μπλε φωτός και κόκκινου και μπλε φωτός μπορεί να προωθήσει τη σύνθεση χλωροφύλλης στα φύλλα των σπορόφυτων αγγουριού και ο συνδυασμός κόκκινου και μπλε φωτός μπορεί επίσης να καθυστερήσει την εξασθένηση της περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη των φύλλων στο μεταγενέστερο στάδιο. Αυτό το φαινόμενο είναι πιο εμφανές με τη μείωση της αναλογίας κόκκινου φωτός και την αύξηση της αναλογίας μπλε φωτός. Η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη των φύλλων των σπορόφυτων αγγουριού υπό την επίδραση συνδυασμένου φωτός LED κόκκινου και μπλε ήταν σημαντικά υψηλότερη από ό,τι υπό τον έλεγχο φθορίζοντος φωτός και τις μονοχρωματικές επεξεργασίες κόκκινου και μπλε φωτός. Το μπλε φως LED μπορεί να αυξήσει σημαντικά την τιμή χλωροφύλλης a/b των σπορόφυτων Wutacai και πράσινων σκόρδων.

Κατά τη γήρανση, υπάρχουν κυτοκινίνες (CTK), αυξίνη (IAA), αλλαγές στην περιεκτικότητα σε αμπσισικό οξύ (ABA) και μια ποικιλία αλλαγών στην ενζυμική δραστηριότητα. Η περιεκτικότητα σε φυτικές ορμόνες επηρεάζεται εύκολα από το φωτεινό περιβάλλον. Διαφορετικές ποιότητες φωτός έχουν διαφορετικές ρυθμιστικές επιδράσεις στις φυτικές ορμόνες και τα αρχικά βήματα της οδού μεταγωγής φωτεινού σήματος περιλαμβάνουν κυτοκινίνες.

Η CTK προάγει την επέκταση των φυλλικών κυττάρων, ενισχύει τη φωτοσύνθεση των φύλλων, ενώ αναστέλλει τις δραστηριότητες της ριβονουκλεάσης, της δεοξυριβονουκλεάσης και της πρωτεάσης, και καθυστερεί την αποικοδόμηση των νουκλεϊκών οξέων, των πρωτεϊνών και της χλωροφύλλης, επομένως μπορεί να καθυστερήσει σημαντικά τη γήρανση των φύλλων. Υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ του φωτός και της αναπτυξιακής ρύθμισης που προκαλείται από την CTK, και το φως μπορεί να διεγείρει την αύξηση των ενδογενών επιπέδων κυτοκινίνης. Όταν οι φυτικοί ιστοί βρίσκονται σε κατάσταση γήρανσης, η ενδογενής περιεκτικότητά τους σε κυτοκινίνη μειώνεται.

Το IAA συγκεντρώνεται κυρίως σε μέρη έντονης ανάπτυξης και υπάρχει πολύ μικρή περιεκτικότητα σε γηράσκοντες ιστούς ή όργανα. Το ιώδες φως μπορεί να αυξήσει τη δραστηριότητα της οξειδάσης του ινδολοοξικού οξέος και τα χαμηλά επίπεδα IAA μπορούν να αναστείλουν την επιμήκυνση και την ανάπτυξη των φυτών.

Το ABA σχηματίζεται κυρίως σε ιστούς γηρασμένων φύλλων, ώριμους καρπούς, σπόρους, μίσχους, ρίζες και άλλα μέρη. Η περιεκτικότητα σε ABA του αγγουριού και του λάχανου υπό τον συνδυασμό κόκκινου και μπλε φωτός είναι χαμηλότερη από αυτή του λευκού και μπλε φωτός.

Η υπεροξειδάση (POD), η υπεροξειδική δισμουτάση (SOD), η ασκορβική υπεροξειδάση (APX) και η καταλάση (CAT) είναι πιο σημαντικά ένζυμα προστασίας που σχετίζονται με το φως στα φυτά. Εάν τα φυτά γεράσουν, η δράση αυτών των ενζύμων θα μειωθεί ραγδαία.

Διαφορετικές ιδιότητες φωτός έχουν σημαντικές επιπτώσεις στις δραστηριότητες των αντιοξειδωτικών ενζύμων των φυτών. Μετά από 9 ημέρες επεξεργασίας με κόκκινο φως, η δραστηριότητα APX των σπορόφυτων ελαιοκράμβης αυξήθηκε σημαντικά και η δραστηριότητα POD μειώθηκε. Η δραστηριότητα POD της ντομάτας μετά από 15 ημέρες επεξεργασίας με κόκκινο και μπλε φως ήταν υψηλότερη από αυτή του λευκού φωτός κατά 20,9% και 11,7% αντίστοιχα. Μετά από 20 ημέρες επεξεργασίας με πράσινο φως, η δραστηριότητα POD της ντομάτας ήταν η χαμηλότερη, μόνο 55,4% του λευκού φωτός. Η συμπλήρωση με μπλε φως 4 ωρών μπορεί να αυξήσει σημαντικά την περιεκτικότητα σε διαλυτή πρωτεΐνη, τις δραστηριότητες των ενζύμων POD, SOD, APX και CAT στα φύλλα του αγγουριού στο στάδιο του σπορόφυτου. Επιπλέον, οι δραστηριότητες του SOD και του APX μειώνονται σταδιακά με την παράταση του φωτός. Η δραστηριότητα του SOD και του APX υπό μπλε και κόκκινο φως μειώνεται αργά, αλλά είναι πάντα υψηλότερη από αυτή του λευκού φωτός. Η ακτινοβολία με κόκκινο φως μείωσε σημαντικά τις δραστηριότητες της υπεροξειδάσης και της υπεροξειδάσης IAA των φύλλων ντομάτας και της υπεροξειδάσης IAA των φύλλων μελιτζάνας, αλλά προκάλεσε σημαντική αύξηση της δραστηριότητας της υπεροξειδάσης των φύλλων μελιτζάνας. Επομένως, η υιοθέτηση μιας λογικής στρατηγικής συμπληρωματικού φωτισμού LED μπορεί να καθυστερήσει αποτελεσματικά τη γήρανση των κηπευτικών καλλιεργειών των εγκαταστάσεων και να βελτιώσει την απόδοση και την ποιότητα.

Κατασκευή και εφαρμογή της φόρμουλας φωτισμού LED

Η ανάπτυξη και η ανάπτυξη των φυτών επηρεάζονται σημαντικά από την ποιότητα του φωτός και τις διαφορετικές αναλογίες σύνθεσής του. Ο τύπος φωτός περιλαμβάνει κυρίως διάφορα στοιχεία όπως η αναλογία ποιότητας φωτός, η ένταση του φωτός και ο χρόνος φωτισμού. Δεδομένου ότι τα διαφορετικά φυτά έχουν διαφορετικές απαιτήσεις για φως και διαφορετικά στάδια ανάπτυξης, απαιτείται ο καλύτερος συνδυασμός ποιότητας φωτός, έντασης φωτός και χρόνου συμπληρώματος φωτός για τις καλλιεργούμενες καλλιέργειες.

 ◆Λόγος φάσματος φωτός

Σε σύγκριση με το λευκό φως και το μοναδικό κόκκινο και μπλε φως, ο συνδυασμός κόκκινου και μπλε φωτός LED έχει ένα ολοκληρωμένο πλεονέκτημα στην ανάπτυξη και ανάπτυξη σπορόφυτων αγγουριού και λάχανου.

Όταν η αναλογία κόκκινου και μπλε φωτός είναι 8:2, το πάχος του στελέχους του φυτού, το ύψος του φυτού, το ξηρό βάρος του φυτού, το φρέσκο ​​βάρος, ο δείκτης ισχυρών σπορόφυτων κ.λπ. αυξάνονται σημαντικά και είναι επίσης ευεργετικό για τον σχηματισμό της χλωροπλαστικής μήτρας και των βασικών ελασμάτων και την παραγωγή ουσιών αφομοίωσης.

Η χρήση συνδυασμού κόκκινου, πράσινου και μπλε χρώματος για τα βλαστάρια κόκκινων φασολιών είναι ευεργετική για τη συσσώρευση ξηράς ουσίας, και το πράσινο φως μπορεί να προωθήσει τη συσσώρευση ξηράς ουσίας στα βλαστάρια κόκκινων φασολιών. Η ανάπτυξη είναι πιο εμφανής όταν η αναλογία κόκκινου, πράσινου και μπλε φωτός είναι 6:2:1. Η επίδραση επιμήκυνσης του υποκοτυλίου λαχανικών στα σπορόφυτα των βλασταριών κόκκινων φασολιών ήταν η καλύτερη υπό αναλογία κόκκινου και μπλε φωτός 8:1, και η επιμήκυνση του υποκοτυλίου των βλασταριών κόκκινων φασολιών αναστέλλεται προφανώς υπό αναλογία κόκκινου και μπλε φωτός 6:3, αλλά η περιεκτικότητα σε διαλυτή πρωτεΐνη ήταν η υψηλότερη.

Όταν η αναλογία κόκκινου και μπλε φωτός είναι 8:1 για τα σπορόφυτα λούφα, ο δείκτης ισχυρού σπορόφυτου και η περιεκτικότητα σε διαλυτά σάκχαρα των σπορόφυτων λούφα είναι οι υψηλότερες. Όταν χρησιμοποιήθηκε ποιότητα φωτός με αναλογία κόκκινου και μπλε φωτός 6:3, η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη α, η αναλογία χλωροφύλλης α/β και η περιεκτικότητα σε διαλυτές πρωτεΐνες των σπορόφυτων λούφα ήταν οι υψηλότερες.

Όταν χρησιμοποιείται αναλογία 3:1 κόκκινου και μπλε φωτός προς σέλινο, μπορεί να προωθήσει αποτελεσματικά την αύξηση του ύψους του φυτού σέλινου, του μήκους του μίσχου, του αριθμού των φύλλων, της ποιότητας της ξηράς ουσίας, της περιεκτικότητας σε VC, της περιεκτικότητας σε διαλυτές πρωτεΐνες και της περιεκτικότητας σε διαλυτά σάκχαρα. Στην καλλιέργεια ντομάτας, η αύξηση της αναλογίας του μπλε φωτός LED προάγει τον σχηματισμό λυκοπενίου, ελεύθερων αμινοξέων και φλαβονοειδών, και η αύξηση της αναλογίας του κόκκινου φωτός προάγει τον σχηματισμό τιτλοδοτήσιμων οξέων. Όταν το φως με την αναλογία κόκκινου και μπλε φωτός προς φύλλα μαρουλιού είναι 8:1, είναι ευεργετικό για τη συσσώρευση καροτενοειδών και μειώνει αποτελεσματικά την περιεκτικότητα σε νιτρικά άλατα και αυξάνει την περιεκτικότητα σε VC.

 ◆Ένταση φωτός

Τα φυτά που αναπτύσσονται υπό ασθενές φως είναι πιο ευάλωτα στην φωτοαναστολή παρά υπό έντονο φως. Ο καθαρός ρυθμός φωτοσύνθεσης των σπορόφυτων τομάτας αυξάνεται με την αύξηση της έντασης του φωτός [50, 150, 200, 300, 450, 550μmol/(m²·s)], παρουσιάζοντας μια τάση αρχικά αύξησης και στη συνέχεια μείωσης, και στα 300μmol/(m²·s) για να φτάσει στο μέγιστο. Το ύψος του φυτού, η φυλλική επιφάνεια, η περιεκτικότητα σε νερό και η περιεκτικότητα σε VC του μαρουλιού αυξήθηκαν σημαντικά υπό επεξεργασία έντασης φωτός 150μmol/(m²·s). Υπό επεξεργασία έντασης φωτός 200μmol/(m²·s), το νωπό βάρος, το συνολικό βάρος και η περιεκτικότητα σε ελεύθερα αμινοξέα αυξήθηκαν σημαντικά, και υπό επεξεργασία έντασης φωτός 300μmol/(m²·s), η φυλλική επιφάνεια, η περιεκτικότητα σε νερό, η χλωροφύλλη a, η χλωροφύλλη a+b και τα καροτενοειδή του μαρουλιού μειώθηκαν. Σε σύγκριση με το σκοτάδι, με την αύξηση της έντασης φωτός ανάπτυξης των LED [3, 9, 15 μmol/(m²·s)], η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη a, χλωροφύλλη b και χλωροφύλλη a+b των βλαστών μαύρων φασολιών αυξήθηκε σημαντικά. Η περιεκτικότητα σε VC είναι η υψηλότερη στα 3μmol/(m²·s), και η περιεκτικότητα σε διαλυτή πρωτεΐνη, διαλυτό σάκχαρο και σακχαρόζη είναι η υψηλότερη στα 9μmol/(m²·s). Υπό τις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας, με την αύξηση της έντασης του φωτός [(2~2,5)lx×103 lx, (4~4,5)lx×103 lx, (6~6,5)lx×103 lx], ο χρόνος σποράς των σπορόφυτων πιπεριάς μειώνεται, η περιεκτικότητα σε διαλυτό σάκχαρο αυξάνεται, αλλά η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη a και καροτενοειδή μειώνεται σταδιακά.

 ◆Χρόνος φωτός

Η σωστή παράταση του χρόνου φωτισμού μπορεί να μετριάσει σε κάποιο βαθμό το χαμηλό στρες φωτισμού που προκαλείται από την ανεπαρκή ένταση φωτός, να βοηθήσει στη συσσώρευση φωτοσυνθετικών προϊόντων των κηπευτικών καλλιεργειών και να επιτύχει το αποτέλεσμα της αύξησης της απόδοσης και της βελτίωσης της ποιότητας. Η περιεκτικότητα σε VC των βλαστών έδειξε μια σταδιακά αυξανόμενη τάση με την παράταση του χρόνου φωτισμού (0, 4, 8, 12, 16, 20 ώρες/ημέρα), ενώ η περιεκτικότητα σε ελεύθερα αμινοξέα, οι δραστηριότητες SOD και CAT έδειξαν μια φθίνουσα τάση. Με την παράταση του χρόνου φωτισμού (12, 15, 18 ώρες), το νωπό βάρος των φυτών κινέζικου λάχανου αυξήθηκε σημαντικά. Η περιεκτικότητα σε VC στα φύλλα και τους μίσχους του κινέζικου λάχανου ήταν η υψηλότερη στις 15 και 12 ώρες, αντίστοιχα. Η περιεκτικότητα σε διαλυτή πρωτεΐνη των φύλλων του κινέζικου λάχανου μειώθηκε σταδιακά, αλλά οι μίσχοι ήταν η υψηλότερη μετά από 15 ώρες. Η περιεκτικότητα σε διαλυτά σάκχαρα των φύλλων κινέζικου λάχανου αυξήθηκε σταδιακά, ενώ οι μίσχοι ήταν η υψηλότερη στις 12 ώρες. Όταν η αναλογία κόκκινου και μπλε φωτός είναι 1:2, σε σύγκριση με 12 ώρες φωτισμού, η επεξεργασία με φως 20 ωρών μειώνει τη σχετική περιεκτικότητα σε συνολικές φαινόλες και φλαβονοειδή στο πράσινο μαρούλι, αλλά όταν η αναλογία κόκκινου και μπλε φωτός είναι 2:1, η επεξεργασία με φως 20 ωρών αύξησε σημαντικά τη σχετική περιεκτικότητα σε συνολικές φαινόλες και φλαβονοειδή στο πράσινο μαρούλι.

Από τα παραπάνω, μπορεί να φανεί ότι διαφορετικοί τύποι φωτός έχουν διαφορετικές επιδράσεις στη φωτοσύνθεση, τη φωτομορφογένεση και τον μεταβολισμό του άνθρακα και του αζώτου διαφορετικών τύπων καλλιεργειών. Ο τρόπος επίτευξης του καλύτερου τύπου φωτός, η διαμόρφωση της πηγής φωτός και η διαμόρφωση έξυπνων στρατηγικών ελέγχου απαιτούν ως σημείο εκκίνησης τα είδη των φυτών και, θα πρέπει να γίνονται οι κατάλληλες προσαρμογές ανάλογα με τις ανάγκες των κηπευτικών καλλιεργειών, τους στόχους παραγωγής, τους συντελεστές παραγωγής κ.λπ., για την επίτευξη του στόχου του έξυπνου ελέγχου του περιβάλλοντος φωτισμού και των κηπευτικών καλλιεργειών υψηλής ποιότητας και υψηλής απόδοσης υπό συνθήκες εξοικονόμησης ενέργειας.

Υφιστάμενα προβλήματα και προοπτικές

Το σημαντικό πλεονέκτημα του φωτισμού ανάπτυξης LED είναι ότι μπορεί να κάνει έξυπνες συνδυαστικές προσαρμογές σύμφωνα με το φάσμα ζήτησης των φωτοσυνθετικών χαρακτηριστικών, της μορφολογίας, της ποιότητας και της απόδοσης διαφορετικών φυτών. Διαφορετικοί τύποι καλλιεργειών και διαφορετικές περίοδοι ανάπτυξης της ίδιας καλλιέργειας έχουν διαφορετικές απαιτήσεις για την ποιότητα του φωτός, την ένταση του φωτός και τη φωτοπερίοδο. Αυτό απαιτεί περαιτέρω ανάπτυξη και βελτίωση της έρευνας για τους τύπους φωτός για να δημιουργηθεί μια τεράστια βάση δεδομένων με τύπους φωτός. Σε συνδυασμό με την έρευνα και την ανάπτυξη επαγγελματικών λαμπτήρων, μπορεί να επιτευχθεί η μέγιστη αξία των συμπληρωματικών φώτων LED σε γεωργικές εφαρμογές, ώστε να εξοικονομηθεί καλύτερη ενέργεια, να βελτιωθεί η αποδοτικότητα της παραγωγής και να προκύψουν οικονομικά οφέλη. Η εφαρμογή του φωτισμού ανάπτυξης LED στην κηπουρική των εγκαταστάσεων έχει δείξει έντονη ζωτικότητα, αλλά η τιμή του εξοπλισμού ή των συσκευών φωτισμού LED είναι σχετικά υψηλή και η εφάπαξ επένδυση είναι μεγάλη. Οι απαιτήσεις συμπληρωματικού φωτισμού διαφόρων καλλιεργειών υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες δεν είναι σαφείς, το φάσμα συμπληρωματικού φωτός. Η παράλογη ένταση και ο χρόνος του φωτισμού ανάπτυξης θα προκαλέσουν αναπόφευκτα διάφορα προβλήματα στην εφαρμογή του φωτισμού ανάπτυξης στη βιομηχανία.

Ωστόσο, με την πρόοδο και τη βελτίωση της τεχνολογίας και τη μείωση του κόστους παραγωγής των φωτιστικών LED, ο συμπληρωματικός φωτισμός LED θα χρησιμοποιηθεί ευρύτερα στην κηπουρική εγκαταστάσεων. Ταυτόχρονα, η ανάπτυξη και η πρόοδος του συστήματος συμπληρωματικού φωτισμού LED και ο συνδυασμός νέας ενέργειας θα επιτρέψουν την ταχεία ανάπτυξη της γεωργίας εγκαταστάσεων, της οικογενειακής γεωργίας, της αστικής γεωργίας και της διαστημικής γεωργίας, ώστε να καλυφθεί η ζήτηση των ανθρώπων για κηπευτικές καλλιέργειες σε ειδικά περιβάλλοντα.