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光环境调控在设施园艺生产中的必要性

发布日期:2016-03-09 13:49

    万物生长靠太阳,光照是地球上生物赖以生存与繁衍的基础.动植物的生长发育与生理代谢过程都与光照有着密切的关系,光照条件的好坏直接影响农业生物的产量和品质。光是植物生长重要的环境信号和光合作用的唯一能量来源,光环境管控水平高低决定设施园艺植物的生长发育和产量品质。因此,适宜的光环境对设施园艺优质高产的实现及可持续发展至关重要。
     太阳辐射是设施园艺光照条件的主要来源。地球上太阳辐射的变化源于地球与太阳之间的相对运动.太阳辐射以电磁波的形式发送,地球表面的太阳辐射强度、日照时间长短及光谱成分均具有随时间和空间变化的特点。地表光照条件包括光照强度、日照长度、光质光谱分布。光照强度随地理位置、海拔高度不同而变化。光照强度随纬度的增加而减少,纬度越低,太阳高度角越大,光照强度越强。日照长度在不同季节和纬度地区的变化具有规律性。在高纬度地区,随纬度增加昼夜长短差值增大,纬度越高,冬春季节日照长度越短。地表的太阳辐射光谱成分与太阳高度角、地理纬度及季节有直接关系。太阳高度角增加,紫外线和可见光所占比例增加,红外线所占比例相应减少。高纬度地区,光谱中长波光谱的比例较高,而低纬度地区,光谱中短波光谱的比例较高。一年四季中,夏季短波长增多,而冬季短波长增多。
与露地农业生产相比,设施农业尤其是设施园艺生产中光环境的调控与保障应用更加具有必要性。温室内光照条件明显区别于室外光照,首先,温室的方位及屋面采光角影响阳光人射量;其次,温室外覆盖材料的种类及其表面清洁程度会影响阳光投射量,甚至会改变室内太阳辐射的光谱分布;再次,因受温室结构或设备遮挡的影响,温室内的光照分布不均匀。一般而言,温室内光环境包括光强、光照周期、光谱能量分布因素。然而,设施内光环境常常不能满足植物的光合作用需求,弱光寡照及危害时有发生制约了设施园艺产业的可持续发展。设施内光照LED植物灯对植物生长的影响主要与光照的数量(累积光照或光照总量,光强x光照时间)和质量(光谱分布)有关。植物生长发育受光强、光质、持续时间、光周期的影响(Taiz和Zeiger, 1991 )。光质是指光谱成分,与植物体内的光受体作用,调节植物生长发育,并影响叶片PS H活性、电子传递速率及光合速率。
    设施弱光条件下,红光、紫外光合蓝光比例降低,远红光比例升高。同样,在育苗和运输过程中,植物苗密集生长在穴盘内,由红光和远红光比例较低导致的避荫反应增加了茎的延伸。弱光寡照是温室大棚经常遇到的逆境,需要人工光源调控补充。造成若光寡照的主要原因如下:①高纬度地区冬春季节光照周期不足,需要通过人工光源调控增加植物的受光时间;②南方阴雨天气造成的弱光胁迫,需要人工光源调控增加光照强度;③北方冬春季节因设施骨架及覆盖材料遮蔽作用,加之雨雪等恶劣天气的影响,造成弱光寡照时有发生。设施(温室和大棚等)内由于覆盖材料(玻璃、塑膜和高质量防老化膜等)对自然光的吸收、遮挡和过滤作用(一般覆盖材料对可见光的透过率在88%左右,紫外线透过率仅在15.9%-21.1%),致使设施内的光照强度大幅降低,中长波紫外线和有效光合辐射处于较低水平(Nitz et al.,2004;陈岚和吴震,2008;彭燕和艾辛,2010)。据报道,露地晴天中午UV-B辐照度为0. 5W/m2,而玻璃温室内仅为0. 075W/m2(陈岚和吴震,2008)。
在设施弱光胁迫频发和高氮肥投人的栽培条件下,设施蔬菜(特别是叶菜)普遍存在营养品质差的问题,如硝酸盐高水平累积、维生素C (AsA)含量偏低、抗氧化物质合成缺乏等问题,迫切需要安全、高效、环境友好和适用性强的调控方法来提高设施蔬菜的营养品质。同样,对高纬度地区,冬春季节补光对移栽苗(如嫁接苗砧木)的生产是非常必要的(Lopez和Runkle,2008; Oh等,2010; Torres和Lopez, 2011; Currey等,2012)。通过补光增加光合日积分(Photosynthetic daily light integral, DLI),缩短培养时I'7,节省空间和能量。
    设施蔬菜的营养物质含量与光照条件和氮肥用量密切相关。以AsA为例,①光强影响蔬菜AsA累积的机理为光强增加可诱导提高AsA合成关键酶的活性(Smirnoff, , 2000; Tamaoki等,2003);②高光强可促进蔬菜光合作用,增加AsA合成前体和能量的供给。作为唯一光源,人工光在密闭式人工光生产系统,如植物工厂、组培快繁、规模化畜禽养殖、微藻繁育、食用菌工厂等中的应用更是不可或缺。但是,在人工光设施栽培中(如植物工厂等),光环境完全由人工光照系统提供,植物所受光照条件取决于光源特性及管控水平。当前,人工光的光源多采用荧光灯和LED灯,UV-A和UV-B非常缺乏,甚至完全缺失。LED光源UV-B补光可增加生菜酚类化合物的含量(Britz等,2009),叶片色泽发生变化。补充UV-A能促进植物生长,提高叶绿素、类胡萝卜素和吸收UV的化合物的含量(Lingakumar等,1999; Shiozaki等,1999)。刘文科等(2012)研究表明,UV-A (365nm)对豌豆苗生长、光合色素和抗氧化物质含量有影响。因此,在现代农业生产中人工光源正发挥着越来越重要的作用。因此,开发出高光效、低能耗的LED节能光源一直是农业领域人工光研发与应用的重要课题。总之,为了应对设施园艺生产中弱光寡照的逆境,十分有必要采用人工光进行干预,创造设施植物生长适宜的光环境。因此,人工补光调控已经成为现代农业高效生产的重要手段,高效、绿色、环保。
    长期以来,在农业照明领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等,这些光源的突出缺点是光效低、能耗大、运行成本高,能耗费用约占系统运行成本的20%-40%。然而,传统光源在光环境调控应用上存在一些不足,主要表现:①光谱分布固定,只能控制光强,无法调控光质;②发热光谱成分较多,能耗高。目前,作为设施园艺主要的光源有白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯、低压钠灯及金属卤化物灯。白炽灯属于热辐射光源,其光谱范围主要是红外线,红外辐射能量可达总能量的80%一90%,而红、橙光部分占总辐射的10% -20%,蓝紫光部分所占比例较小,几乎不含紫外线。因此白炽灯的植物生理辐射量较少,能被植物光合吸收的光能则更少。
    荧光灯即日光灯;为低压水银荧光灯,它是典型的热阴极弧光放电型低压灯,该光源是根据人眼而设计的,所发射光谱在蓝紫波段相对强些,而红光相对较少。高压汞灯在紫外、可见光合红外区都有辐射,可见光中黄绿成分占相当大的比例。金属卤化物灯发光效率为高压水银灯的1.5一2倍,在蓝紫区域发出光较多。高压钠灯是最常见的人工补光光源,产生其发射光谱为589nm的黄光光质。

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