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前瞻LED紫外光在植物工厂平散布特征及运用

信息来源:LED透明屏厂家赫尔诺    编辑:LED显示屏厂家-赫尔诺

  紫外(UV)光在植物光形状建成、次生代谢和叶色构成方面具有首要光生物学和光化学效果,在调控设备园艺优异高产方面具有潜在运用价值。总述了人工光植物工厂和太阳光植物工厂中UV光的散布规则,特征波长UV光的植物效应及其人工调控的必要性和调控战略。提出了植物工厂中UV-LED运用的远景、方针和方法。为进一步鼓舞和开展LED植物照明,本网联系了中国农业科学院农业环境与可持续开展研讨所刘文科教授特共享了一些论文,期望对投身LED植物照明范畴的人士有所协助。

  在农业出产中,光照条件的好坏直接关系着露地农业出产的功率和效益。因而,知道、运用和调控太阳光谱成分一直是农业研讨的首要内容。尤其在现代农业出产中,设备农业开展变成支柱产业,人工光环境调控的技能客观需要变得实际且火急,调控方针得到了拓展,以人工照明为手法的光环境调控已经变成设备农业开展的必然挑选。

  太阳光是连续光谱,其波长规模从100nm的X射线到100m的无线电波。太阳辐射中99%的能量会集在280~500nm波段规模内。太阳光中不一样光谱对植物光合效果奉献大小不一,仅400~700nm规模的光为植物光合有用辐射,参加了植物的碳水化合物构成的光反应进程。而依据人眼的感知才能,一般把太阳光谱分为可见光和不可见光,不可见光包含红外光和紫外光,其中波长小于380nm的波段称为紫外光。依据紫外线的物理和生物学特性,将其分为3个波段:即波长为320~380nm长波紫外线(UV-A),波长280~320nm的中波紫外线(UV-B)和波长100~280nm的短波紫外线(UV-C)。在悉数太阳辐射中可见光约占50%,红外线约占48%~49%,别的紫外光约占1%~2%。研讨标明,在太阳光光谱中光合有用辐射、UV和远红光对植物成长发育具有调控功用,对农业出产具有运用价值。

  露地农业体系中UV辐射特征

  太阳辐射经过大气层后,光强和光谱均发生了改变。表现为X射线和一些超短波辐射削减,首要是被电离层氧、氮及别的大气成分激烈吸收过滤了。对紫外线而言,大气平流层中的臭氧简直能吸收悉数UV-C,而UV-A和UV-B可以达到地上,抵达地上的UV中95%为UV-A,5%为UV-B。波长大于2500nm的射线因为大气层CO2和水蒸气的激烈吸收,抵达地上的能量微乎其微。太阳辐射中只要可见光部分较为完整地抵达地上,在大气层中丢失较小。因而,在抵达地上的太阳光谱中,UV-A和可见光丰厚,UV-B及别的波长的光质较少,这决议了露地植物所能接收到的太阳能量及光信号的品种。就辐射能量而言,太阳光经过大气层抵达海平面处或地球外表,再到植物叶片外表辐射能量逐步下降,终究植物光合效果固定的太阳能仅占照到植物叶片外表太阳辐射的5%。

  这些年,因为氯氟烷烃(CFCs)和氮氧化合物等化学物质很多开释,致使大气平流层臭氧含量下降。大气臭氧层遭到损坏削弱了其对太阳UV-B辐射的吸收效果,致使抵达植物叶片外表的UV-B辐射强度有添加趋势。臭氧层损坏对UV-A和UV-C辐射的空间改变无影响,研讨标明即便臭氧层削减90%也不会有UV-C抵达地上。抵达地上的UV-B辐射增强,对露出的地球植物而发生严峻的生物学效应。据估计,大气臭氧每削减1%,抵达地表的辐射强度将添加2%~3%,粮食将减产2%。1978—1991年大气层臭氧下降了1%~5%,到2060年将削减16%。UV-B辐射增强、温室效应、酸雨并称为全球3大环境疑问。

植物工厂中紫外光的散布特征

  植物工厂作为设备园艺的一种出产方式,是经过设备内高精度环境操控,完成作物周年连续出产的高效设备农业体系,不受或很少受天然条件制约的全新出产方式。植物工厂被世界上公认为设备农业的第一流开展阶段,是衡量一个国家农业高技能水平的首要象征之一。较传统设备园艺,植物工厂具有众多出产优势,出产功率高,可控性好,运用远景宽广。因而,植物工厂是设备园艺开展的必然趋势,对处理21世纪人员、资本、环境疑问的具有首要意义,也是将来航天工程、月球和别的星球探究进程中完成食物自给的首要手法。

  一般,植物工厂可分为太阳光植物工厂和人工光植物工厂两类,两类植物工厂UV辐射布景值、UV光环境调控方面存在区别。人工光植物工厂需要人为运用电光源为植物供给光照,而太阳光植物工厂的光能首要来自太阳光,人工补光仅起辅助效果。

  太阳光植物工厂一般是以半密闭式玻璃温室或日光温室为维护构造,以太阳光为光源,故此其内的UV辐射散布特征与玻璃、遮阳网和棚膜原料密切相关。温室和大棚因为掩盖资料(玻璃、塑膜和高质量防老化膜等)而对天然光有吸收、遮挡和过滤效果。一般,掩盖资料对可见光的透过率在88%摆布,紫外线透过率仅在15.9%~21.1%。与露地比较,网膜和玻璃能滤掉大多数UV-A和UV-B,太阳光植物工厂中UV-A和UV-B明显下降,紫外辐射明显削减。露地晴天正午UV-B辐照度约为0.5W·m-2,而玻璃温室内仅约0.075W·m-2。此外,太阳光植物工厂中UV辐射还受补光灯具的影响,因为高压钠灯(HPS)或紫外灯具含有UV辐射成分。人工光植物工厂一般以密闭式避光建筑作为维护构造,以人工光源为植物光照来历(如荧光灯和发光二级管(LED)灯),紫外辐射强度彻底取决于人工光源光谱中紫外光成分的多寡。

  人工光植物工厂取决于灯具的UV辐射量,荧光灯中含UV辐射成分非常少,非UV-LED灯具中的UV辐射成分简直为零。所以,人工光植物工厂中光照中UV-A和UV-B辐射非常缺少,甚至彻底缺失。

  UV对设备植物成长与质量的调控效果

  植物工厂的一个首要特征是缺少太阳光中的UV-A和UV-B辐射,UV缺少状况下设备园艺作物的生物效应尚不明白;但随同臭氧层损坏太阳辐射中的UV-B强度进步,设备内UV的改变及其生物效应现在更不明白。一方面,植物工厂掩盖资料维护了设备植物免受UV辐射的损害,但是彻底缺失UV辐射也带来了出产负效应。所以,调控植物工厂内UV的辐射水平是非常必要的,但这种调控必需以出产需要和植物耐受呼应规则为依据。现在,设备蔬菜露出在不一样或剂量改变的紫外线辐射下的生物学效应已变成新的生态学和生物学疑问,变成世界研讨热点。

  UV辐射的生物效应

  适合的UV辐射对设备蔬菜的优异高效出产非常首要。UV辐射缺少会对设备蔬菜成长发育形成负效应。例如,低UV-B辐射一般形成设备蔬菜的植株徒长,养分质量低、色泽晦暗,滋味不鲜等疑问,还会阻止植物色素的构成,不利于茄果类蔬菜出产。合理的UV-B辐射剂量能矮化植株,推进次生代谢产品如类胡萝卜素的堆集等效果,改进西红柿果实质量。但是,UV-B高剂量露出也会引发植物光合效果的一些呼应,如CO2吸收、光合电子传递链、暗呼吸、气孔做法、色素含量和植物内源激素含量,按捺植物的成长发育。UV-A也影响植物的成长和发育,但生物学效应较小。

  为了处理蔬菜设备培养中存在的这些疑问,运用人工操控UV-B光源在设备内弥补UV-B辐射关于改进这些蔬菜的质量,能获得杰出的效果。别的,人工光培养蔬菜以荧光灯和LED为首要光源,质量调控疑问有必要依赖于弥补UV-A和V-B。现在,设备人工光培养以荧光灯和LED红蓝光组合光源为首要光源,很明显缺少紫外光谱构成。设备内紫外光的缺失致使严峻的成长和质量疑问,补光优化光谱构成非常火急。LED已作为节能光源运用于人工光设备蔬菜培养。

  LED具有别的电光源无法比拟的优势:节能环保、冷光源、运用寿命长、体积小、光质纯、光效高、波长类型丰厚、光谱能量易复合、调制快捷等杰出优势,可近距离照耀植物,可选用多层立体培养体系,进步空间运用率。因而,UV-LED将在植物工厂中具有运用优势,在进步植物工厂出产效能,添加出产进程可控性方面发挥效果。

UV辐射在植物工厂中的运用

  设备园艺作物质量是衡量其产品产品价值的首要指标,世界上关于园艺产品养分学研讨方兴未已。植物工厂中紫外光的运用与调理对保障优异高产非常首要。运用人工操控UV光源在设备内弥补UV辐射技能,能削减化学方法致使的蔬菜徒长和改进蔬菜质量,是出产绿色有机食物的首要确保。但是,迄今关于中长波紫外光补光对设备蔬菜养分质量,尤其是抗氧化物质的调控机制研讨的报道较少,缺少紫外光有用的管理调控技能与配备。

  Li等发现,荧光灯下不一样LED光质明期补光对生菜养分质量有影响,添加UV-A可以进步花青素含量11%。Caldwell等研讨了弥补UV-A和UV-A+UV-B处理对8种绿叶和红叶生菜品品种胡萝卜素和叶绿素影响,证实弥补UV-B添加了绿叶生菜类胡萝卜素和叶绿素的含量,但下降了红叶生菜中类胡萝卜素和叶绿素含量。不一样叶色生菜呼应UV-A和UV-B辐射的区别也许是因为植物酚醛水平的光依赖性改变形成的。红叶生菜中UV诱导出相关于绿叶生菜明显高的酚醛物质,也许下降了叶绿体中类胡萝卜素的光维护需要。大棚西红柿弥补照耀UV-B的结果标明,高剂量UV-B可下降西红柿红素和维生素C的含量,低剂量UV-B可进步西红柿红素和维生素C(Vc)含量。Tsormpatsidis等研讨了不一样UV辐射透过膜下生菜成长和花青素、类黄酮和酚类物质的发生状况,包含UV彻底透过膜,可以透过320、350、370、380nm的膜,以及彻底不透过UV辐射的膜。发现运用彻底不透UV的膜,生菜生物量干重为UV彻底透过膜生菜的2.2倍;相反,彻底透UV膜下生菜的花青素含量大约是UV彻底不透膜下的8倍。

  植物工厂UV人工光调控运用及战略

  植物工厂中UV人工光调控在完成设备园艺优异高产方面具有极好的运用价值,但运用时应对于作物品种、运用方针来挑选运用剂量、照耀时机以确保运用安全。在作物品种挑选上,设备蔬菜、药用植物、花卉和果树都可运用;运用方针上首要操控植物的徒长和进步农产质量量,比方进步蔬菜中抗氧化物质的含量,添加药用植物中次生代谢物质的累积等,加速花卉叶片和花瓣中显色物质的构成与累积等。为了操控好紫外光调控效果,UV辐射的剂量有必要操控好。可选用短期小剂量运用,间歇式重复照耀、采前短期照耀等方法削减运用剂量。灯具方面,现在市场出售的首要是UV灯管,但UV-LED光源也许是将来UV光调控的优选电光源,可精准定位照耀。从安全视点而言,应根据设备园艺作物生理需要和质量调控方针,拟定合理的智能化光环境管理措施,躲避UV对人体的露出,如选用夜晚补照白日中止的方法,使UV可以发挥其质量调控效果,进步设备园艺作物的产品价值和养分保健功用。

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