Abstract: Dārzeņu stādi ir pirmais solis dārzeņu ražošanā, un stādu kvalitāte ir ļoti svarīga dārzeņu ražībai un kvalitātei pēc stādīšanas.Nepārtraukti pilnveidojot darba sadali dārzeņu nozarē, dārzeņu stādi pakāpeniski ir izveidojuši neatkarīgu rūpniecisko ķēdi un apkalpojuši dārzeņu ražošanu.Slikto laikapstākļu ietekmē tradicionālās stādīšanas metodes neizbēgami saskaras ar daudzām problēmām, piemēram, lēnu stādu augšanu, kāju augšanu, kā arī kaitēkļiem un slimībām.Lai apstrādātu garkājainus stādus, daudzi komerciālie kultivatori izmanto augšanas regulatorus.Tomēr, izmantojot augšanas regulatorus, pastāv sējeņu stingrības, pārtikas nekaitīguma un vides piesārņojuma risks.Lai gan ne tikai ķīmiskās kontroles metodes, bet arī mehāniskā stimulācija, temperatūras un ūdens kontrole var palīdzēt novērst sējeņu augšanu, tās ir nedaudz mazāk ērtas un efektīvas.

Attīstoties apgaismojuma tehnoloģijai, mākslīgā apgaismojuma izmantošanai dārzeņu stādu audzēšanā ir priekšrocības: augsta stādu efektivitāte, mazāk kaitēkļu un slimību, kā arī vienkārša standartizācija.Salīdzinot ar tradicionālajiem gaismas avotiem, jaunās paaudzes LED gaismas avotiem ir enerģijas taupīšanas, augstas efektivitātes, ilga mūža, vides aizsardzības un izturības, maza izmēra, zema termiskā starojuma un maza viļņa garuma amplitūdas īpašības.Tas var formulēt atbilstošu spektru atbilstoši stādu augšanas un attīstības vajadzībām augu rūpnīcu vidē un precīzi kontrolēt stādu fizioloģisko un vielmaiņas procesu, vienlaikus veicinot piesārņojuma brīvu, standartizētu un ātru dārzeņu stādu ražošanu. , un saīsina stādu ciklu.Dienvidķīnijā paprikas un tomātu stādu (3-4 īstās lapas) kultivēšana plastmasas siltumnīcās aizņem apmēram 60 dienas, bet gurķu stādus (3-5 īstās lapas) - apmēram 35 dienas.Augu rūpnīcas apstākļos tomātu stādu kultivēšana prasa tikai 17 dienas un piparu stādus 25 dienas, ja fotoperiods ir 20 h un PPF ir 200-300 μmol/(m2•s).Compared with the conventional seedling cultivation method in the greenhouse, the use of the LED plant factory seedling cultivation method significantly shortened the cucumber growth cycle by 15-30 days, and the number of female flowers and fruit per plant increased by 33.8% and 37.3% , attiecīgi, un augstākā raža tika palielināta par 71,44%.

Enerģijas izmantošanas efektivitātes ziņā augu rūpnīcu energoefektivitāte ir augstāka nekā tajā pašā platuma grādos esošajām Venlo tipa siltumnīcām.Piemēram, Zviedrijas rūpnīcā, lai saražotu 1 kg salātu sausnas, nepieciešami 1411 MJ, savukārt siltumnīcā – 1699 MJ.Taču, ja aprēķina nepieciešamo elektroenerģiju uz kilogramu salātu sausnas, rūpnīcai nepieciešami 247 kW·h, lai saražotu 1 kg sausnas salātu, bet siltumnīcām Zviedrijā, Nīderlandē un Apvienotajos Arābu Emirātos nepieciešami 182 kW·. H, attiecīgi 70 kW · H un 111 kW · h.

Tajā pašā laikā rūpnīcas rūpnīcā datoru, automātisko iekārtu, mākslīgā intelekta un citu tehnoloģiju izmantošana var precīzi kontrolēt stādu audzēšanai piemērotos vides apstākļus, atbrīvoties no dabiskās vides apstākļu ierobežojumiem un realizēt viedo, mehanizēta un ikgadēja stabila stādu produkcijas ražošana.Pēdējos gados Japānā, Dienvidkorejā, Eiropā un ASV un citās valstīs augu rūpnīcu stādi ir izmantoti lapu dārzeņu, augļu dārzeņu un citu ekonomisku kultūru komerciālai ražošanai.Augu rūpnīcu augstie sākotnējie ieguldījumi, augstās ekspluatācijas izmaksas un milzīgais sistēmas enerģijas patēriņš joprojām ir vājās vietas, kas ierobežo stādu audzēšanas tehnoloģiju veicināšanu Ķīnas augu rūpnīcās.

1. Gaismas vides ietekme uz dārzeņu stādu augšanu un attīstību

Kā viens no būtiskākajiem vides faktoriem augu augšanai un attīstībai gaisma ir ne tikai enerģijas avots augiem fotosintēzes veikšanai, bet arī galvenais signāls, kas ietekmē augu fotomorfoģenēzi.Augi uztver signāla virzienu, enerģiju un gaismas kvalitāti caur gaismas signālu sistēmu, regulē savu augšanu un attīstību un reaģē uz gaismas klātbūtni vai neesamību, viļņa garumu, intensitāti un ilgumu.Pašlaik zināmie augu fotoreceptori ietver vismaz trīs klases: fitohromus (PHYA ~ PHYE), kas uztver sarkano un tālu sarkano gaismu (FR), kriptohromus (CRY1 un CRY2), kas uztver zilo un ultravioleto A, un elementi (Phot1 un Photo2), UV-B receptors UVR8, kas jūt UV-B.Šie fotoreceptori piedalās saistīto gēnu ekspresijā un regulē to, un pēc tam regulē tādas dzīvības aktivitātes kā augu sēklu dīgtspēja, fotomorfoģenēze, ziedēšanas laiks, sekundāro metabolītu sintēze un uzkrāšanās, kā arī tolerance pret biotisko un abiotisko stresu.

2. LED gaismas vides ietekme uz dārzeņu stādu fotomorfoloģisko ierīkošanu

2.1. Dažādas gaismas kvalitātes ietekme uz dārzeņu stādu fotomorfoģenēzi

Spektra sarkanajiem un zilajiem reģioniem ir augsta kvantu efektivitāte augu lapu fotosintēzei.Tomēr gurķu lapu ilgstoša iedarbība uz tīru sarkanu gaismu sabojā fotosistēmu, kā rezultātā rodas “sarkanās gaismas sindroma” parādība, piemēram, apdullināta stomatālā reakcija, samazināta fotosintēzes spēja un slāpekļa lietošanas efektivitāte un augšanas kavēšanās.Under the condition of low light intensity (100±5 μmol/(m2•s)), pure red light can damage the chloroplasts of both young and mature leaves of cucumber, but the damaged chloroplasts were recovered after it is changed from pure red light uz sarkanu un zilu gaismu (R: B = 7: 3).Gluži pretēji, kad gurķu augi pārslēdzās no sarkanās zilās gaismas vides uz tīro sarkano gaismas vidi, fotosintētiskā efektivitāte būtiski nesamazinājās, parādot pielāgošanās spēju sarkanās gaismas videi.Through electron microscope analysis of the leaf structure of cucumber seedlings with “red light syndrome”, the experimenters found that the number of chloroplasts, the size of starch granules, and the thickness of grana in leaves under pure red light were significantly lower than those under baltas gaismas apstrāde.Zilās gaismas iejaukšanās uzlabo gurķu hloroplastu ultrastruktūru un fotosintēzes īpašības un novērš pārmērīgu barības vielu uzkrāšanos.Salīdzinot ar balto gaismu un sarkano un zilo gaismu, tīra sarkanā gaisma veicināja hipokotila pagarinājumu un tomātu stādu dīgļlapu izplešanos, ievērojami palielināja augu augstumu un lapu laukumu, bet ievērojami samazināja fotosintēzes spēju, samazināja rubisco saturu un fotoķīmisko efektivitāti un ievērojami palielināja siltuma izkliedes.Var redzēt, ka dažādi augu veidi atšķirīgi reaģē uz tādu pašu gaismas kvalitāti, bet, salīdzinot ar monohromatisko gaismu, augiem ir augstāka fotosintēzes efektivitāte un enerģiskāka augšana jauktas gaismas vidē.

Pētnieki ir veikuši daudz pētījumu par dārzeņu stādu gaismas kvalitātes kombinācijas optimizāciju.Pie tādas pašas gaismas intensitātes, palielinoties sarkanās gaismas attiecībai, ievērojami uzlabojās tomātu un gurķu stādu augu augstums un svaigsvars, un vislabākais efekts bija apstrādei ar sarkanās un zilās krāsas attiecību 3:1;gluži pretēji, augsta zilās gaismas attiecība Tas kavēja tomātu un gurķu stādu augšanu, kas bija īsi un kompakti, bet palielināja sausnas un hlorofila saturu stādu dzinumos.Līdzīgi modeļi ir novērojami arī citās kultūrās, piemēram, paprikā un arbūzos.Turklāt, salīdzinot ar balto gaismu, sarkanā un zilā gaisma (R:B=3:1) ne tikai būtiski uzlaboja tomātu stādu lapu biezumu, hlorofila saturu, fotosintēzes efektivitāti un elektronu pārneses efektivitāti, bet arī ar to saistīto enzīmu ekspresijas līmeni. līdz Kalvina ciklam ievērojami uzlabojās arī augšanas veģetāriešu saturs un ogļhidrātu uzkrāšanās.Salīdzinot abas sarkanās un zilās gaismas attiecības (R:B=2:1, 4:1), lielāka zilās gaismas attiecība bija labvēlīgāka, lai gurķu stādos veicinātu sievišķo ziedu veidošanos un paātrinātu sievišķo ziedu ziedēšanas laiku. .Lai gan dažādām sarkanās un zilās gaismas attiecībām nebija būtiskas ietekmes uz kāpostu, rukolas un sinepju stādu svaigsvara ražu, augsta zilās gaismas attiecība (30% zilās gaismas) būtiski samazināja kāpostu hipodīgļlapu garumu un dīgļlapu laukumu. un sinepju stādus, savukārt dīgļlapu krāsa padziļinājusies.Tāpēc stādu ražošanā atbilstošs zilās gaismas proporcijas pieaugums var ievērojami saīsināt mezgla atstarpes un lapu laukumu dārzeņu stādos, veicināt stādu sānu pagarinājumu un uzlabot stādu stiprības indeksu, kas veicina Robustu stādu kultivēšana.Nosacījumā, ka gaismas intensitāte palika nemainīga, zaļās gaismas palielināšanās sarkanā un zilā gaismā ievērojami uzlaboja saldo piparu stādu svaigo svaru, lapu laukumu un augu augstumu.Salīdzinot ar tradicionālo balto dienasgaismas spuldzi, zem sarkana zaļā zilā (R3: G2: B5) gaismas apstākļiem Y [II], QP un ETR no “Okagi Nr. 1” tomātu stādiem tika ievērojami uzlaboti.UV gaismas (100 μmol/(M2 • s) zilās gaismas + 7% UV-A) papildināšana tīrā zilā gaismā ievērojami samazināja arugulas un sinepju cilmes pagarinājuma ātrumu, savukārt FR papildināšana bija pretēja.Tas arī parāda, ka papildus sarkanajai un zilajai gaismai arī citām gaismas īpašībām ir liela nozīme augu augšanas un attīstības procesā.Lai gan ne ultravioletā gaisma, ne FR nav fotosintēzes enerģijas avots, tie abi ir iesaistīti augu fotomorfoģenēzē.Augstas intensitātes UV gaisma ir kaitīga augu DNS un olbaltumvielām utt. Tomēr UV gaisma aktivizē šūnu stresa reakcijas, izraisot izmaiņas augu augšanā, morfoloģijā un attīstībā, lai pielāgotos vides izmaiņām.Pētījumi liecina, ka zemāks R/FR izraisa nokrāsas izvairīšanās no reakcijām augos, kā rezultātā augos rodas morfoloģiskas izmaiņas, piemēram, stumbra pagarinājums, lapu retināšana un samazināta sausnas raža.Tievs kātiņš nav laba augšanas iezīme spēcīgu stādu audzēšanai.Vispārējiem lapu un augļu augu stādiem stingriem, kompaktiem un elastīgiem stādiem nav pakļautas problēmām pārvadāšanas un stādīšanas laikā.

UV-A var padarīt gurķu stādu augus īsākus un kompaktus, un raža pēc transplantācijas būtiski neatšķiras no kontroles;savukārt UV-B ir nozīmīgāka inhibējošā iedarbība, un ražas samazināšanas efekts pēc pārstādīšanas nav būtisks.Iepriekšējie pētījumi liecina, ka UV-A kavē augu augšanu un padara augus pundurus.Taču arvien vairāk pierādījumu liecina, ka UV-A klātbūtne tā vietā, lai nomāc kultūraugu biomasu, faktiski to veicina.Salīdzinot ar sarkano un balto pamata gaismu (R: W = 2: 3, PPFD ir 250 μmol/(m2 · s)), papildu intensitāte sarkanā un baltā gaismā ir 10 w/m2 (apmēram 10 μmol/(M2 · · s)) Kale UV-A ievērojami palielināja kale stādus, starpdes garumu, stumbra diametru un augu nojumes platumu, bet veicināšanas efekts tika vājināts, kad UV intensitāte pārsniedza 10 w/m2.Katru dienu 2 H UV-A papildināšana (0,45 J/(M2 • S)) varētu ievērojami palielināt augu augstumu, dīgļlapu laukumu un svaigu tomātu stādus, vienlaikus samazinot tomātu stādu H2O2 saturu.Var redzēt, ka dažādas kultūras atšķirīgi reaģē uz UV gaismu, kas var būt saistīts ar kultūraugu jutīgumu pret UV gaismu.

Lai kultivētu potētus stādus, stublāja garums ir pienācīgi jāpalielina, lai atvieglotu potcelmu potēšanu.Dažādai FR intensitātei bija atšķirīga ietekme uz tomātu, piparu, gurķu, ķirbja un arbūzu stādu augšanu.FR no 34,1 μmol/(M2 • S) vislabāk ietekmēja gurķu, ķirbja un arbūzu stādus hipokotila garuma un stumbra diametra veicināšanu;Augstas intensitātes FR (53,4 μmol/(m2 • s)) vislabāk ietekmēja šos piecus dārzeņus.Stādu hipokotila garuma un stumbra diametrs vairs ievērojami nepalielinājās un sāka parādīt lejupejošu tendenci.Arī ietekme uz dažādu dārzeņu stādu augšanu ir atšķirīga.

2.2. Dažādu dienasgaismas integrāļu ietekme uz dārzeņu stādu fotomorfoģenēzi

Aprēķina formula ir DLI (mol/m2/dienā) = gaismas intensitāte [μmol/(m2 • s)] × Dienas gaismas laiks (H) × 3600 × 10-6.Var redzēt, ka gaismas ietekme uz augu augšanu un morfoģenēzi ir saistīta ar gaismas intensitāti un augu sugām.6 ~ 16 dienas pēc gurķu stādu sēšanas lapas un saknes izžuva.Svars pakāpeniski pieauga, un augšanas ātrums pamazām paātrinājās, bet 16 līdz 21 dienu pēc sēšanas būtiski samazinājās gurķu stādu lapu un sakņu augšanas ātrums.Uzlabotā DLI veicināja gurķu stādu neto fotosintēzes ātrumu, bet pēc noteiktas vērtības neto fotosintēzes ātrums sāka samazināties.Tāpēc, izvēloties piemērotu DLI un izmantojot dažādas papildu gaismas stratēģijas dažādos stādu augšanas posmos, var samazināt enerģijas patēriņu.Šķīstošā cukura un SOD enzīma saturs gurķu un tomātu stādos palielinājās, palielinoties DLI intensitātei.Palielinoties DLI intensitātei no 7,47 mol/m2/dienā līdz 11,26 mol/m2/dienā, šķīstošā cukura un SOD enzīma saturs gurķu stādos palielinājās attiecīgi par 81,03% un 55,5%.Tādos pašos DLI apstākļos, palielinoties gaismas intensitātei un saīsinot gaismas laiku, tomātu un gurķu stādu PSII aktivitāte tika kavēta, un zemas gaismas intensitātes un ilga ilguma papildu gaismas stratēģijas izvēle bija labvēlīgāka augsta stādu audzēšanai. Gurķu un tomātu stādu indekss un fotoķīmiskā efektivitāte.

Veicot potētu stādus, zema apgaismojuma vide var izraisīt potēto stādu kvalitātes pazemināšanos un dziedināšanas laika palielināšanos.Atbilstoša gaismas intensitāte var ne tikai uzlabot potētās dziedināšanas vietas saistīšanas spēju un uzlabot spēcīgu stādu indeksu, bet arī samazināt sieviešu ziedu mezgla stāvokli un palielināt sieviešu ziedu skaitu.Augu rūpnīcās DLI 2,5-7,5 mol/m2/dienā bija pietiekams, lai apmierinātu tomātu potētu stādu dziedināšanas vajadzības.Potētu tomātu stādu kompaktums un lapu biezums ievērojami palielinājās, palielinoties DLI intensitātei.Tas liecina, ka potētiem stādiem dzīšanai nav nepieciešama liela gaismas intensitāte.Tāpēc, ņemot vērā enerģijas patēriņu un stādīšanas vidi, atbilstošas ​​gaismas intensitātes izvēle palīdzēs uzlabot ekonomiskos ieguvumus.

3. LED gaismas vides ietekme uz dārzeņu stādu stresa noturību

Augi saņem ārējus gaismas signālus, izmantojot fotoreceptorus, izraisot signāla molekulu sintēzi un uzkrāšanos augā, tādējādi mainot augu orgānu augšanu un darbību un galu galā uzlabojot auga izturību pret stresu.Atšķirīgai gaismas kvalitātei ir zināma veicinoša ietekme uz stādu aukstuma un sāls panesības uzlabošanos.Piemēram, ja tomātu stādi tika papildināti ar gaismu 4 stundas naktī, salīdzinot ar apstrādi bez papildu gaismas, baltā gaisma, sarkanā gaisma, zilā gaisma un sarkanā un zilā gaisma varētu samazināt tomātu stādu elektrolītu caurlaidību un MDA saturu, un uzlabot auksto toleranci.SOD, POD un CAT aktivitātes tomātu stādos, apstrādājot sarkano-zilo attiecību 8:2, bija ievērojami augstākas nekā citos apstrādes veidos, un tiem bija lielāka antioksidanta spēja un aukstuma tolerance.

UV-B ietekme uz sojas pupu sakņu augšanu galvenokārt ir, lai uzlabotu augu stresa izturību, palielinot sakņu NO un ROS saturu, ieskaitot hormonu signalizācijas molekulas, piemēram, ABA, SA un JA, un kavē sakņu attīstību, samazinot IAA saturu , CTK un GA.UV-B, UVR8 fotoreceptors ir saistīts ne tikai ar fotomorfoģenēzes regulēšanu, bet arī galveno lomu UV-B stresā.Tomātu stādos UVR8 mediē antocianīnu sintēzi un uzkrāšanos, un UV aklimētie savvaļas tomātu stādi uzlabo to spēju tikt galā ar augstas intensitātes UV-B stresu.Tomēr UV-B pielāgošana sausuma stresam, ko izraisa Arabidopsis, nav atkarīga no UVR8 ceļa, kas norāda, ka UV-B darbojas kā signāla izraisīts augu aizsardzības mehānismu savstarpēja reakcija, lai dažādi hormoni kopīgi būtu kopīgi iesaistīts pretoties sausuma stresam, palielinot ROS attīrīšanas spēju.

Gan FR izraisīto augu hipokotila jeb stumbra pagarināšanos, gan augu pielāgošanos aukstuma stresam regulē augu hormoni.Tāpēc FR izraisītais “ēnas izvairīšanās efekts” ir saistīts ar augu adaptāciju aukstumam.Eksperimenta veicēji papildināja miežu stādus 18 dienas pēc dīgšanas 15 ° C temperatūrā 10 dienas, atdzesējot līdz 5 ° C + papildinot FR 7 dienas, un konstatēja, ka, salīdzinot ar apstrādi ar balto gaismu, FR uzlaboja miežu stādu salizturību.Šo procesu pavada paaugstināts ABA un IAA saturs miežu stādos.Sekojoša 15°C FR iepriekš apstrādātu miežu stādu pārvietošana uz 5°C un FR papildināšana 7 dienas radīja līdzīgus rezultātus kā iepriekš minētajām divām procedūrām, bet ar samazinātu ABA reakciju.Augi ar dažādām R:FR vērtībām kontrolē fitohormonu (GA, IAA, CTK un ABA) biosintēzi, kas arī ir iesaistīti augu sāls tolerancē.Sāls stresa apstākļos zemā attiecība R:FR gaismas vide var uzlabot tomātu stādu antioksidantu un fotosintēzes spēju, samazināt ROS un MDA veidošanos stādos un uzlabot sāls toleranci.Gan sāļuma stress, gan zemā R:FR vērtība (R:FR=0,8) kavēja hlorofila biosintēzi, kas var būt saistīta ar bloķētu PBG pārvēršanos par UroIII hlorofila sintēzes ceļā, savukārt zemā R:FR vide var efektīvi atvieglot. sāļums Stresa izraisīti hlorofila sintēzes traucējumi.Šie rezultāti liecina par būtisku korelāciju starp fitohromiem un sāls toleranci.

Dārzeņu stādu augšanu un kvalitāti ietekmē ne tikai gaismas vide, bet arī citi vides faktori.Piemēram, CO2 koncentrācijas palielināšanās palielinās gaismas piesātinājuma maksimālo vērtību PN (PNMAX), samazinās gaismas kompensācijas punktu un uzlabo gaismas izmantošanas efektivitāti.Gaismas intensitātes un CO2 koncentrācijas palielināšanās palīdz uzlabot fotosintētisko pigmentu saturu, ūdens izmantošanas efektivitāti un fermentu aktivitātes, kas saistītas ar Kalvina ciklu, un visbeidzot sasniedz augstāku fotosintētisko efektivitāti un tomātu stādu uzkrāšanos biomasā.Tomātu un piparu stādu sausais svars un kompaktums bija pozitīvi korelēts ar DLI, un temperatūras izmaiņas ietekmēja arī augšanu tajā pašā DLI apstrādē.Tomātu stādu audzēšanai piemērotāka bija vide 23–25 ℃.Saskaņā ar temperatūras un gaismas apstākļiem pētnieki izstrādāja metodi, lai prognozētu piparu relatīvo augšanas ātrumu, pamatojoties uz BATE sadalījuma modeli, kas var sniegt zinātniskus norādījumus piparu, kas potenciāli ražotu piparu ražošanu, vides regulēšanu.

Tāpēc, izstrādājot vieglu regulēšanas shēmu ražošanā, jāapsver ne tikai vieglas vides faktori un augu sugas, bet arī kultivēšanas un pārvaldības faktori, piemēram, stādu uzturs un ūdens pārvaldība, gāzes vide, temperatūra un stādu augšanas stadija.

4. Problēmas un perspektīvas

Pirmkārt, dārzeņu stādu vieglais regulējums ir sarežģīts process, un dažādu gaismas apstākļu ietekme uz dažāda veida dārzeņu stādiem augu rūpnīcas vidē ir jāanalizē detalizēti.Tas nozīmē, ka, lai sasniegtu augstas efektivitātes un augstas kvalitātes stādu veidošanos mērķi, ir nepieciešama nepārtraukta izpēte, lai izveidotu nobriedušu tehnisko sistēmu.

Otrkārt, kaut arī LED gaismas avota enerģijas izmantošanas ātrums ir salīdzinoši augsts, augu apgaismojuma enerģijas patēriņš ir galvenais enerģijas patēriņš stādiem, izmantojot mākslīgo gaismu.Augu rūpnīcu milzīgais enerģijas patēriņš joprojām ir sašaurinājums, kas ierobežo augu rūpnīcu attīstību.

Autori: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Raksta avots: Lauksaimniecības inženierzinātņu tehnoloģijas WeChat konts (siltumnīcas dārzkopība)