Важность светодиодов в садоводстве
Уже более десяти лет в садоводстве используется дополнительное освещение для ускорения роста и развития растений. Светодиоды используются для роста растений и получения высокой урожайности, а также легко контролируются спектральным выходным сигналом, поскольку он соответствует фоторецептору растения.
Светодиоды обладают огромным потенциалом в качестве дополнительных или основных источников освещения в области садоводства. По сравнению с более типичным освещением для садоводства светодиоды имеют ряд преимуществ. Светодиоды более идеальны для растений из-за их длительного срока службы, низкой температуры излучения, небольшого размера и способности выбирать различные длины волн.
Возможность изменять качество спектра освещения растений очень важна для роста растений. Спектр светодиодной системы освещения можно согласовать и настроить в соответствии с фоторецепторами растений, чтобы максимизировать производительность и минимизировать потери энергии.
Предполагается, что между 400 и 700 нм находится область фотосинтетически активной радиации (ФАР), благоприятная для растений. Для производства энергии хлоропласты растений могут поглощать и использовать электромагнитный свет в диапазоне ФАР, который необходим для фотосинтеза.
Повышение эффективности фотосинтеза и урожайности с помощью светодиодного освещения
Эффективность фотосинтеза — это мера способности растений преобразовывать световую энергию в химическую энергию посредством процесса фотосинтеза. Процент может варьироваться от 3 до 5 % в зависимости от типа растения. Некоторые основные культуры обладают фотосинтетической эффективностью выше средней , что позволяет им давать хороший урожай.
Фотосинтезирующим растениям свет особенно необходим для выполнения физиологических функций, а также для роста растений. Чтобы получить эволюционное преимущество перед другими организмами, высшие растения овладели многочисленными сложными механизмами. Растениям необходим адекватный фотопериодический солнечный свет для синтеза фотосинтеза.
Для фотосинтеза растений основным источником энергии является свет, будь то природный или искусственный источник. Вместо использования традиционного света для выращивания растений теперь используются светодиоды, поскольку они обладают рядом уникальных преимуществ: регулируемая длина волны света, низкое энергопотребление и длительный срок службы. Поэтому светодиоды используются при выращивании растений для решения проблем, с которыми сталкиваются традиционные источники света, такие как ДНаТ и люминесцентные лампы, которые имеют высокое энергопотребление и светоотдачу.
Исследования показали, что воздействие синего света может уменьшить сухую массу побегов и площадь листьев у растений, принадлежащих к семейству сложноцветных, а для растений семейства пасленовых это оказывает обратный эффект.
Воздействие красного света приводило к значительному увеличению устьичной проводимости у растений семейства крестоцветных и к значительному снижению у растений тыквенных. Кроме того, согласно некоторым исследованиям, эффекты светодиодного освещения зависят от конкретной стадии жизненного цикла растений, на которой использовался светодиод. Например, воздействие красного света снизило активность ферментов каталазы (CAT) и пероксидазы аскорбиновой кислоты (APX) у некоторых однолетних растений. Однако воздействие красного света значительно повышало активность этих ферментов у некоторых многолетних растений.
Ниже представлена таблица с данными влияния светодиодного света различного качества на рост, фотосинтез и содержание вторичных метаболитов листовых овощей, плодовых овощей, цветочных и декоративных видов.
|
|
Длина волны |
Плотность потока фотосинтетических фотонов (PPFD), фотопериод, температура и относительная влажность. |
Развитие завода |
Вторичные метаболиты |
|
Листовые овощи |
||||
|
Салат-латук, шпинат, капуста, базилик и сладкий перец |
красный и синий |
200 ± 5 мкмоль м -2 с -1 , 16 ч, 25/21 ± 2,5 °С и 65 ± 5 % |
Увеличение высоты растения, общего количества листьев |
Стимулированное содержание каротиноидов и уровень антиоксидантов |
|
Латук |
Красный (657 нм) и синий (450 нм) |
200 мкмоль м -2 с -1 облучение для 16 сут -1 |
Увеличение сухой массы побегов и количества листьев, повышение фотосинтетической способности. |
_ |
|
Лист салата и красный рубин |
Синий (400–500 нм), зеленый (500–600 нм), красный (600–700 нм) и дальний красный (700–800 нм). |
200 ± 20 мкмоль м -2 с -1 , 14 ч, 20 °C/15 °C День/ночь, 80 ± 10 % |
Увеличивает скорость роста, не влияет на количество листьев, увеличивает высоту побегов и длину корней. |
Повышенное общее содержание фенолов |
|
китайская капуста |
Красный (658 нм), синий (460 нм), зеленый (520 нм), желтый (590 нм), красный плюс синий |
150 мкмоль м -2 с -1 , 12 ч, 18–20 °С, 70 ± 10 % |
Увеличение свежей и сухой массы, высоты растений, уровня хлорофилла а / б. |
_ |
|
Сладкий базилик |
Красный (635–700 нм) и синий (450–490 нм). |
200 мкмоль м -2 с -1 , 16/8ч свет/темнота, 21 ± 2 °C, 55–70 % |
Увеличение биомассы растений, урожайности фруктов и эффективности использования энергии. |
Повышенное содержание фенольных соединений и флавоноидов |
|
Латук |
Белый (380–780 нм) |
85–117 мкмоль м –2 с –1 , 16/8 ч свет/темнота, 28–18 °C (день/ночь), 85–80 % |
Увеличение фотосинтетической реакции |
_ |
|
Латук |
Красный (660 нм) и синий (455–475 нм) с зеленым или без него (515–545 нм) |
100 мкмоль м -2 с -1 , 16 ч, 25 ± 1/20 ± 1 °С, 65 ± 5 % |
Увеличение свежей и сухой массы побегов и площади листьев, существенно более высокие показатели фотосинтеза. |
Повышенное общее содержание фенолов |
|
Фрукты Овощи |
||||
|
Помидор |
Красный (650–670 нм) и синий (455–475 нм) |
150 мкмоль м -2 с -1 , 16 ч, 25 ± 1/20 ± 1 °С, 65 ± 5 % |
Увеличение свежей и сухой массы побегов и площади листьев, существенно более высокие показатели фотосинтеза. |
Повышенное общее содержание фенолов |
|
Клубника |
|
71 мкмоль м -2 с -1 , 5 °С, 80 % |
Увеличение производства фруктов |
_ |
|
Помидор и болгарский перец |
Белый (380–780 нм) |
85–117 мкмоль м –2 с –1 , 16/8 ч свет/темнота, 28–18 °C (день/ночь), 85–80 % |
Увеличение фотосинтетической реакции |
_ |
|
Клубника |
Красный (635–700 нм) и синий (450–490 нм) |
200 мкмоль м -2 с -1 , 16/8ч свет/темнота, 21 ± 2 °C, 55–70 % |
Увеличение биомассы растений, урожайности фруктов и эффективности использования энергии. |
Повышенное содержание фенольных соединений и флавоноидов |
|
Огурец, помидор, перец, соя и редис |
Синий (от 400 до 500 нм) и зеленый (от 500 до 600 нм) |
200 или 500 мкмоль м -2 с -1 , 16 часов дня/8 часов ночи, 25/20 °C, 40 % |
У всех протестированных растений обработка низким содержанием PPF увеличивала рост растений, но обработка более высоким содержанием PPF замедляла рост растений. |
_ |
|
Сладкий перец |
красный и синий |
200 ± 5 мкмоль м -2 с -1 , 16 ч, 25/21 ± 2,5 °С и 65 ± 5 % |
Увеличение высоты растения, общего количества листьев, |
Стимулированное содержание каротиноидов и уровень антиоксидантов |
|
Мини-огурец |
Красный (660 нм), синий (460 нм) и белый (от 400 до 700 нм) |
14,5 мкмоль м -2 с -1 , 12–20 ч, 18/20 °С, 65–85 % |
Увеличен рост растений и урожайность фруктов. |
_ |
|
Огурец |
Синий (400–500 нм), зеленый (500–600 нм) и красный (600–700 нм). |
125–160 мкмоль м- 2 с -1 |
Увеличение фотосинтетической реакции, увеличение площади листьев всего растения. |
_ |
|
Картофель |
Красный (660 нм) и синий (445 нм) |
200 мкмоль м -2 с -1 , 12/12 ч свет/тьма, 22/18 °C, 60 ± 10 % |
Увеличено количество листьев, площадь и высота. |
Увеличение синтеза каротиноидов |
|
Цветочные и декоративные виды |
||||
|
Львиный зев и герань |
Красный (660 нм) и синий (453 нм) |
90 ± 10 мкмоль м -2 с -1 , 16 ч, 20 °С |
Увеличение высоты рассады, раннее цветение, количество цветков. |
_ |
|
Пуансеттия |
Синий (465 нм) и красный (630 нм) |
100 ± 20 мкмоль м -2 с -1 , 10 ч, 20 °С, 70 ± 5 % |
Увеличенная длина побега, раннее цветение. |
_ |
|
Герань и фонтанная трава |
Синий (460 нм) и красный (660 нм) |
100 мкмоль м -2 с -1 , 16 ч, 22 °С, |
Улучшенный цвет листвы герани и листьев фонтанной травы. |
_ |
|
Капустное дерево, фикус, глоксиния |
Синий (460 нм), красный (660 нм) |
100 мкмоль м -2 с -1 , 16 ч, 22 ± 2 °С |
Увеличение устьичной проводимости, толщины листа. |
_ |
|
Шафран |
Красный (660 нм), синий (450 нм) и зеленый (500–600 нм). |
70–120 мкмоль м -2 с -1 , 15 светлых/9 темных, 18 °C, 70–80 % |
Повышенная индукция цветения |
Увеличение общего содержания флавоноидов |
|
Гвоздика |
Белый (400–730 нм), синий (460 нм) и красный (660 нм). |
150 мкмоль м -2 с -1 , 12/12 ч свет/тьма, 21 ± 2 °С, |
Увеличена жизнь вазы, количество цветов. |
Снижение содержания каротиноидов |
Усиление роста проростков пшеницы наблюдается по различным показателям, таким как увеличение площади листьев, вес свежих побегов, сухой вес и высота растений при воздействии белого + красного светодиодного света, что указывает на то, что красный свет оказывает благотворное влияние на развитие сеянцев пшеницы.
Было проведено исследование для изучения влияния различных светодиодных обработок, в частности белого, белого + красного и белого + синего, на рост, антиоксидантные свойства и питательные характеристики проростков пшеницы. Результаты исследования подтвердили, что все три метода лечения дали одинаковый положительный эффект. Исследования водного шпината также показали значительное увеличение высоты растений и массы свежего стебля при использовании обработки красными светодиодами. И наоборот, сочетание синего и белого светодиодного света оказало пагубное влияние на рост пшеницы.
Роль светодиодных светильников в защите растений
Свет не только контролирует фундаментальные метаболические процессы и модели роста растений, такие как цветение, удлинение стебля и физические характеристики, но также оказывает значительное влияние на сложную систему, которая регулирует производство и накопление вторичных метаболитов.
Вторичные метаболиты служат разнообразным функциональным и биологическим целям, охватывая защитные механизмы против растительноядных организмов (фитофагов), коммуникацию внутри и между видами, защиту от вредного солнечного излучения, а также выступая в качестве сигналов для опыления или распространения семян.
Манипулирование световым спектром представляет собой интригующий подход к стимуляции определенных путей биосинтеза, эффективно повышая уровень важных фитохимических веществ. Эту стратегию можно использовать для улучшения как показателей роста, так и общего качества декоративных культур. Используя этот метод, становится возможным улучшить приспособленность растений и достичь желаемых результатов с точки зрения эстетики и характеристик растений.
Более того, качество света не только вызывает отчетливые метаболические изменения, но также оказывает прямое или косвенное воздействие на патогены, вредителей и их естественных врагов. Трихроматические системы зрения, наблюдаемые у большинства травоядных членистоногих, обладают максимальной чувствительностью в УФ-, B- и G-точках спектра.
Понимание фототаксиса членистоногих по отношению к определенным длинам волн имеет важное значение для применения усовершенствований на основе светодиодов в борьбе с вредителями, особенно в разработке световых ловушек. Тем не менее цвета, которые наиболее эффективны для привлечения членистоногих, такие как зеленый и желтый, часто дают ограниченные преимущества с точки зрения урожайности сельскохозяйственных культур.
Было обнаружено, что использование красного светодиодного света уменьшает количество конидий, что указывает на его многообещающий потенциал в борьбе с мучнистой росой у роз. Это говорит о том, что красный светодиодный свет может быть эффективным методом борьбы с распространением и серьезностью мучнистой росы на растениях розы.
Серая плесень, вызываемая грибком Botrytis cinerea , является широко распространенным и разрушительным патогеном растений, поражающим различные садовые культуры. Исследования показали, что синий светодиодный свет и ультрафиолетовое излучение могут эффективно подавлять рост и развитие B. cinerea в собранных овощах. Это открытие подчеркивает потенциальное использование синего светодиодного света и УФ-излучения в качестве средства борьбы с серой гнилью на различных декоративных культурах, восприимчивых к этому заболеванию.
Влияние светодиодов на качество урожая после уборки
Основная цель послеуборочной практики — предотвратить порчу фруктов и овощей и свести к минимуму порчу, вызванную микроорганизмами, тем самым максимизируя их коммерческую ценность. Растет интерес к использованию светодиодного освещения для увеличения срока хранения овощей и трав. Исследования показывают, что освещение низкой интенсивности может значительно продлить срок хранения листовых овощей по сравнению с их хранением в темных условиях. Более того, для обеспечения оптимального качества послеуборочной продукции крайне важно эффективно контролировать критически важные факторы окружающей среды, такие как температура, относительная влажность, а также уровни CO 2 , этилена и O 2.
В последнее время светодиоды стали перспективными источниками света для послеуборочной обработки. Овощи и травы, известные своим высоким содержанием влаги, часто имеют ограниченный срок хранения, что создает трудности при длительном хранении. Кроме того, эти скоропортящиеся продукты подвержены микробному разложению, что еще больше ускоряет снижение их питательных качеств.
Обширные исследования показали, что применение света с точной интенсивностью и спектром играет жизненно важную роль в продлении срока хранения овощей и трав.
Комбинация белого и синего светодиодного освещения доказала свою эффективность в снижении пожелтения (старения) брокколи после сбора урожая по сравнению с хранением ее в темных условиях.
Более того, сочетание дополнительных светодиодных светильников с обычными источниками света продемонстрировало способность улучшать питательный состав овощей и трав перед их сбором. Например, было замечено, что применение зеленого и белого светодиодного освещения приводит к более высокому содержанию хлорофилла по сравнению с красным и синим светодиодным освещением. И наоборот, было обнаружено, что синее и белое светодиодное освещение дает наибольшую концентрацию витамина С и фенольных соединений.
В целом, потенциальное применение светодиодов обеспечивает лучшие методы послеуборочной обработки и увеличения емкости хранения, а также помогает продавцам и фермерам в транспортировке и долгосрочном хранении.
Послеуборочное влияние светодиодных светильников на поведение садовых культур.
|
|
Длина волны светодиода |
СветОблучение/Мощность |
Эффективность |
|
Помидоры черри ( Solanum lycopersicum L.) |
Красный (638 нм) и синий (454 нм) |
118 мкмоль м -2 с -1 |
Параметры здоровья томатов черри, обработанных на зрелой зеленой стадии, были улучшены как синим, так и красным светом. |
|
Помидоры |
Красный свет (650–700 нм) |
113 мкмоль м -2 с -1 |
Как во внешней, так и во внутренней части томатов цветное развитие ликопина, β-каротина, общей концентрации фенольных соединений и общей концентрации флавоноидов усиливалось под действием красного света. |
|
Помидоры ( Solanum lycopersicum L. Micro-Tom) |
Синий свет (430 ± 10 нм) |
100 мкмоль м -2 с -1 |
Воздействие синего света в течение 30 минут с последующей 8-минутной паузой привело к максимальному увеличению содержания ликопина, общего количества фенольных соединений, общего количества флавоноидов, витамина С и растворимого сахара по сравнению с другими видами лечения. |
|
Помидоры ( Solanum lycopersicum L. сорт Dotaerang) |
синий (440–450 нм) и красный (650–660 нм) огни |
85,72 мкм Эйнштейна м -2 с -1 и 102,70 мкм Эйнштейна м -2 с -1 |
Длина волны синего цвета оказалась эффективной для продления срока хранения томатов за счет задержки процессов размягчения и созревания плодов. |
|
Помидоры |
Синий свет (405 нм) |
87 Вт/м 2 |
Синий свет продемонстрировал возможность сохранения физико-химических качеств томатов и эффективного контроля роста плесени во время транспортировки и хранения. |
|
Зеленый перец чили ( Capsicum annuum L.) |
Красный (660 нм) и синий (470 нм) огни |
50 мкмоль м -2 с -1 |
Воздействие на помидоры красного света ускоряло развитие цвета и накопление ликопина, тогда как синий свет оказался эффективным для повышения содержания витамина С и общего содержания фенольных соединений. |
|
Брокколи ( Brassica oleracea L. var. Italica) |
Белые, красные, зеленые, желтые, синие и фиолетовые огни. |
40 мкмоль м -2 с -1 для каждой длины волны |
Во время хранения при 20 °C использование фиолетового света замедлило пожелтение брокколи, а также эффективно сохранило и улучшило ее питательные качества. |
|
Ростки брокколи ( Brassica oleracea var. Italica) |
Красный (660 нм), синий (465 нм) и дальний красный (730 нм) огни. |
35 ± 2,5 мкмоль м -2 с -1 |
Фиолетовый свет привел к улучшению общей антиоксидантной активности и снижению роста микробов в обработанных образцах. |
|
Головки брокколи ( Brassicaoleracea var. Italica, сорт You-xiu) |
красный свет |
50 мкмоль м -2 с -1 |
Обработка эффективно замедлила старение и сохранила общее качество хранения продукта. |
|
Салат-латук ( Lactuca sativa ) |
Белый (441–534 нм), зеленый (516 нм), красный (630 нм) и синий (450 нм). |
10 мкмоль м -2 с -1 |
Белый, красный и зеленый продлевают срок хранения за счет снижения уровня заражения, а зеленый свет увеличивает общее содержание растворимых веществ. |
Белый, красный и зеленый продлевают срок хранения за счет снижения уровня заражения, а зеленый свет увеличивает общее содержание растворимых веществ.
Заключение
Светодиодные источники освещения все чаще используются для повышения скорости роста овощей и трав, выращиваемых в теплицах по всему миру. Этот всплеск популярности можно объяснить широким распространением светодиодов в тепличных установках, благоприятной политикой энергопотребления и их минимальным воздействием на окружающую среду.
Использование светодиодного освещения значительно повышает урожайность садоводческой продукции и сокращает циклы выращивания. Но важно применять освещение с умом, тщательно подходя к выбору спектра и времени воздействия на культуры. Существует множество исследований на эту тему, и мы постараемся рассказать вам о всех тонкостях применения светодиодов в выращивании растений.
Чтобы не пропустить новые интересные статьи подписывайтесь на наш блог на Дзен https://dzen.ru/optolux
Авторы научной статьи: Чжу Ю., Чжао X, Кан Ю.Д., Ли Ю.З., Чжан Дж.Х., Цао Г.И. "Новый источник света для консервации салата после сбора урожая, основанный на спектре поглощения хлорофилла. Световые исследования и технологии ." 2024;0(0). дои: 10.1177/14771535241231532