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【揭秘LED光源】如何實現荷蘭園藝增量又增產
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  荷蘭是當前世界設施園藝產業最發達的國家,且由于受地理位置及氣候影響,光成為了限制這個產業發展的最主要環境因素,也因此非常重視人工補光。為了解荷蘭在人工補光,尤其是LED光源方面的應用研究成果,本刊特邀曾在荷蘭從事設施園藝相關研究多年的李濤博士分享目前的進展。希望此文能給國內研究和發展LED光源調控作物生長的人士帶來啟發。

  荷蘭是當前世界設施園藝產業最發達的國家,其擁有10500公頃的智能化玻璃溫室,年產值達到59億歐元。其中大約40%左右的溫室用于果蔬類作物生產,以番茄、甜椒和黃瓜為主;剩余60%左右的溫室主要用于鮮切花(以玫瑰和菊花為代表)和盆栽花卉生產。盡管荷蘭玻璃溫室總面積多年來趨于穩定,但溫室大型化發展速度很快,以便于智能化管理。目前,已有部分企業擁有溫室面積超過20公頃以上。

  此外,荷蘭設施園藝單位面積產量也遙遙領先于其他國家,例如,番茄可以達到每年70千克 m2(中國為30千克m2);黃瓜每年90千克m2;在人工補光條件下切花玫瑰可達到每年250株m2。盡管荷蘭設施園藝產業具有很高的生產效率,但高投入和高能耗一直是該產業面臨的問題。因此,進一步提高產量和改進生產是設施園藝產業發展的長久目標。

  增加1%的光=增加0.5-1%的產量

  荷蘭地處北緯52o,加之受大西洋的影響,陰雨天氣頗多,因此,光是限制荷蘭設施園藝產業發展的最主要環境因素。

  多年來,荷蘭園藝科學家進行了大量的研究總結出一條定律,即在溫室里每增加1%的光意味著增加0.5-1%的產量,基于此,人工補光被廣泛應用于園藝生產中。目前,已有超過3000公頃的溫室安裝有人工補光系統,對促進生產起到了舉足輕重的作用。起初,人工補光系統主要應用于鮮切花及盆栽花卉以及作物育苗生產中。近年來,在果蔬類作物生產中的應用也逐漸增加。人工補光除了能夠改進作物產量之外,還能保證周年生產,從而滿足市場需求與提高溫室應用效率。荷蘭冬季自然光太弱而不能滿足作物生長的需求,通常來說,荷蘭番茄在12月中旬定植,次年3月開始采收,生產持續至11月中旬。然而,由于冬季的低光強和短日照影響,12月份的累積自然光比6月份低10倍左右,因此人工補光主要應用于冬季作物生產,以保障園藝產品的周年供應。

  仍以高壓鈉燈光源為主

  荷蘭設施園藝人工補光以高壓鈉燈光源為主。高壓鈉燈具有適宜的光譜成分和較高的能量轉換效率。當前,高壓鈉燈可以實現的能量轉換效率為每瓦能量輸入產出1.9μmol m2S1光合有效光。高壓鈉燈已被廣泛應用于果蔬類及鮮切花生產中(圖1)。盡管如此,人工補光所面臨的最大挑戰仍舊是較低的能量利用效率和高成本問題。為解決這一問題,相關學者開展了一系列研究工作,如優化人工補光光周期和光強,針對不同作物及品種探索不同的補光方案,改進人工補光措施等。荷蘭學者也曾提出移動光源補光概念,盡管移動光源在很大程度上可節省投資成本,但其推廣應用仍存在很大爭議,因為尚無充分證據證實在移動光源補光條件下園藝作物產量可以達到固定光源條件下同等的產量。

  荷蘭園藝如何讓LED補光做到增量又增產?

  圖1. 高壓鈉燈應用于溫室番茄生產

  LED給人工光源發展提供諸多可能性

  近年來,隨著科學技術的快速發展,新型人工光源不斷涌現,其光譜成分也得以逐步優化。半導體LED光源的問世被認為是園藝生產中一場革命性進展。LED光源具有單色光、節能、可控性好、使用壽命長等特征,單色LED組合后可形成植物需要的光譜。因此,LED光源被認為是植物生產中最為理想的人工光源。

  近年來,荷蘭相關學者針對LED在設施園藝領域的應用開展了大量的研究工作,取得了一系列研究成果,如系統地探索了植物光合作用對光質的響應機理,以及光質對光形態建成的影響等,這些對推動LED在園藝生產中的應用具有重要意義。

  1、對生產高品質的花卉作物提供了可能。園藝作物的外觀和內在品質對決定其市場價值起著舉足輕重的作用,尤其對于高附加值的花卉作物來說,其市場價值完全由其外形決定,而光譜環境對植物的外在形態特征具有決定性作用,如為了培養高品質的盆栽花卉,可以通過提高紅光/遠紅光比例來減少植物徒長,從而獲得緊促型的株型以提高其市場價值。對于切花作物來說,通過光譜環境調控來控制花期(圖2)。因此,LED人工光源的問世為生產高品質的花卉作物提供了可能。

  2、對提升果蔬類作物內在品質提供了可能。荷蘭學者研究發現光譜環境也會影響果蔬類作物的內在品質,如番茄果實生長在紅藍光環境下可提高其維生素C的含量,但有關利用光譜變化調控果蔬內在品質尚處于初步研究階段。

  荷蘭園藝如何讓LED補光做到增量又增產?

  圖2. LED光源應用于非洲菊生產

  3、在作物冠層補光上能發揮最大潛能。光在作物冠層中分布很不均勻,冠層頂部接受的光強遠遠高于中下部。因此,占據作物冠層近80%左右的中下部葉片對整株植物的光合作用貢獻很小。另外,由于植物葉片光合作用隨光強升高呈飽和曲線趨勢,因此,頂部葉片接受的高光強光能利用較低。這些現象導致傳統的頂部補光措施光能利用率很低。LED光源的問世為解決這一問題提供了可能。由于LED是冷光源,可以近距離的接觸植物組織而不被灼傷。近年來,荷蘭園藝科研工作者利用LED光源開展了一系列的冠層補光研究(圖3),由此來解決光在冠層分布不均勻的問題,從而提高光能利用率。荷蘭學者初步證實利用LED 冠層補光可以提高番茄產量15%左右。盡管LED冠層補光效果顯著,但在其應用中也存在一些問題,如植物葉片容易扭曲褶皺等,從而影響冠層光合作用,這可能是由于光質配比未達到植物最佳的需求所導致,因此,進一步研究解決這些問題將會發揮LED冠層補光的最大潛能。

  荷蘭園藝如何讓LED補光做到增量又增產?

  圖3. LED光源冠層補光應用于番茄生產

  結語:人工補光已廣泛應用于荷蘭設施園藝生產中,為保證園藝作物周年生產,提高產量和改進品質起到了舉足輕重的作用。隨著人工光源在設施園藝產業中的普及應用,植物生長的光環境也發生了巨大的變化。這一變化對植物生長的影響是多方面的,如光合作用、光形態建成、干物質產量以及植物產品的外在和內在品質等。對于大部分園藝作物來說,傳統人工光源和當前新型LED光源 (以紅藍光源為主) 所提供的光譜環境遠未滿足植物生長最佳需求的光環境。然而,LED光源的出現為進一步優化設施條件下人工補光的光譜環境提供了可能。為了能夠開發和充分利用這一新型光源的潛能,有關LED光源調控作物生長還需深入研究。

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