植物工廠中光譜分布對(duì)作物的影響
作者: 時(shí)間: 2024-06-20
提高能源效率、作物產(chǎn)量和作物品質(zhì)是室內(nèi)生菜種植光譜分布優(yōu)化研究的三大目標(biāo)。
在自然環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)不斷變化的多光譜光，它會(huì)對(duì)栽培植物產(chǎn)生組合影響，因此離散波長(zhǎng)的影響既不可測(cè)量，也無(wú)法分離。然而，在使用LED的PFAL實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以監(jiān)測(cè)所用每種波長(zhǎng)的確切影響。LED的波長(zhǎng)可以在納米級(jí)上控制，其他環(huán)境因素（溫度、濕度、養(yǎng)分供應(yīng)、空氣速度）以及其他光參數(shù)（光量、光照持續(xù)時(shí)間、脈動(dòng)等）可以根據(jù)其他所有條件相同（其他條件不變）的原則分別分析。在最初引入LED時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置針對(duì)的是單色光的影響，后來(lái)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向波長(zhǎng)的組合，而較少關(guān)注相互作用的重要性。
傳統(tǒng)上，光譜分布對(duì)植物性狀的影響是按照波長(zhǎng)來(lái)討論的；為了保持與先前發(fā)表的研究之間的可比性，我們?cè)谟懻摬ㄩL(zhǎng)對(duì)生菜產(chǎn)量的影響時(shí)遵循相同的分類。表3介紹了光譜設(shè)置對(duì)生產(chǎn)生物學(xué)性狀影響的最新研究結(jié)果。
除了紅藍(lán)照明環(huán)境外，還可以通過(guò)其他LED來(lái)補(bǔ)充光譜，包括熒光粉轉(zhuǎn)換的白光、紫外線、遠(yuǎn)紅光或綠光LED（Ahmed等人，2020a；Kang等人，2016）。在葉生菜的營(yíng)養(yǎng)階段，UV-A和UV-B充當(dāng)應(yīng)激因素，從而誘導(dǎo)次生代謝產(chǎn)物（花青素、黃酮類化合物）的合成；紫外線與藍(lán)光結(jié)合可以提供最高的葉綠素a和最低的硝酸鹽含量（ChangandChang，2014）。對(duì)于紅生菜來(lái)說(shuō)，僅使用紅色LED時(shí)花青素的積累并不理想，因此在栽培紅生菜時(shí)有必要加入弱紫外線（Nicole等人，2019；Wong等人，2020）。由于450nmLED的光子效率僅為2.8µmol/J，從能源效率的角度來(lái)看，應(yīng)為栽培提供最低強(qiáng)度的藍(lán)光，因?yàn)樵摬ǘ呜?fù)責(zé)營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量性狀（抗氧化劑、類胡蘿卜素、多酚、花青素）。為了提高生長(zhǎng)率和光合作用效率，在發(fā)射光譜的藍(lán)峰和紅峰之間填充綠波段是有利的；這可以通過(guò)更高的酶活性來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量并抑制硝酸鹽的積累。黃光（580-600nm）似乎可以減少生物量，而320-535和630-735nm之間的光有助于增加生物量（Wong等人，2020年）。目前，峰值波長(zhǎng)為660nm的深紅色發(fā)射器在PAR波段中具有最高的4.1µmol/J光子效率（Kusuma等人，2022年）。而且660nmLED的發(fā)射峰與葉綠素的吸收曲線重疊，因此深紅色LED為光合作用提供了最高效的電光源。在高強(qiáng)度的660nm光下，生菜幼苗會(huì)長(zhǎng)出伸長(zhǎng)的下胚軸和細(xì)長(zhǎng)的子葉。長(zhǎng)時(shí)間紅光照射會(huì)導(dǎo)致“紅光綜合癥”，其特征是光合能力低、葉綠素?zé)晒庾畲罅孔赢a(chǎn)率（Fv/Fm）低、碳水化合物含量積累低和生長(zhǎng)受損（Miaoetal.，2019）。與藍(lán)光結(jié)合可以有效預(yù)防此類疾病（Darkoetal.，2014；DavisandBurns，2016）。用遠(yuǎn)紅光補(bǔ)充紅藍(lán)光可促進(jìn)生菜生長(zhǎng)和生物活性化合物的合成（Leeetal.，2016a）。建議在植物工廠使用的紅藍(lán)LED燈中添加730nm發(fā)射（Leeetal.，2015）。將52μmolm−2s−1遠(yuǎn)紅光添加到218μmolm−2s−189%的紅光和11%的藍(lán)光提高了室內(nèi)生菜種植的資源利用效率（Jinetal.，2021）。
660nm和450nm輻射的混合被認(rèn)為是生菜栽培的最低要求（Ahmed等人，2020a）。紅光有利于營(yíng)養(yǎng)性狀，但會(huì)損害次生代謝產(chǎn)物，而藍(lán)光可增強(qiáng)不同植物化學(xué)物質(zhì)的合成，如多酚、花青素、維生素C和類胡蘿卜素（Zha等人，2020），并對(duì)葉片大小和植物高度產(chǎn)生負(fù)面影響（Wong等人，2020）。然而，最有利的形態(tài)性狀，例如最大高度和重量，只有通過(guò)R、B、G和FR的適當(dāng)組合才能實(shí)現(xiàn)；任何波段的缺失都會(huì)導(dǎo)致葉片尺寸減小，從而給市場(chǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失（Nozue和Gomi，2018）。
硝酸鹽積累是生菜生產(chǎn)中最重要的光相關(guān)質(zhì)量性狀之一，盡管水培生產(chǎn)能夠控制硝酸鹽的吸收（Rouphael等人，2018年）。硝酸鹽本身并不那么危險(xiǎn)，然而，它們的反應(yīng)產(chǎn)物需要更多的關(guān)注（Santamaria，2006年）；它與唾液和腸道細(xì)菌發(fā)生反應(yīng)后會(huì)降解為亞硝酸鹽。亞硝酸鹽與仲氨基和叔氨基化合物發(fā)生反應(yīng)后，會(huì)形成致癌的N-亞硝基化合物（Lijinsky，1999年）。先前的研究表明，生菜的硝酸鹽含量與光合作用呈負(fù)相關(guān)（Behr和Wiebe，1992年），因此硝酸鹽濃度隨著光照強(qiáng)度的降低而增加，并且可以通過(guò)收獲前短時(shí)間的補(bǔ)充LED照明計(jì)劃降低濃度（Samuolien?等人，2009年）。在綠光下，硝酸鹽含量在24小時(shí)內(nèi)下降；在48小時(shí)光照計(jì)劃的情況下，4:1:1比例的RGB光被證明是有效的(Bian等，2018b)。一些食品安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)和組織（聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織/世衛(wèi)組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)(JECFA)、歐洲食品安全局(EFSA)、美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)等）負(fù)責(zé)對(duì)硝酸鹽和硝酸鹽每日可接受攝入量進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并定義閾值水平(ATSDR，2017；EFSA，2017；JECFA，2002)。
文章來(lái)源：葉菜俠科技
在自然環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)不斷變化的多光譜光，它會(huì)對(duì)栽培植物產(chǎn)生組合影響，因此離散波長(zhǎng)的影響既不可測(cè)量，也無(wú)法分離。然而，在使用LED的PFAL實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以監(jiān)測(cè)所用每種波長(zhǎng)的確切影響。LED的波長(zhǎng)可以在納米級(jí)上控制，其他環(huán)境因素（溫度、濕度、養(yǎng)分供應(yīng)、空氣速度）以及其他光參數(shù)（光量、光照持續(xù)時(shí)間、脈動(dòng)等）可以根據(jù)其他所有條件相同（其他條件不變）的原則分別分析。在最初引入LED時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置針對(duì)的是單色光的影響，后來(lái)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向波長(zhǎng)的組合，而較少關(guān)注相互作用的重要性。
傳統(tǒng)上，光譜分布對(duì)植物性狀的影響是按照波長(zhǎng)來(lái)討論的；為了保持與先前發(fā)表的研究之間的可比性，我們?cè)谟懻摬ㄩL(zhǎng)對(duì)生菜產(chǎn)量的影響時(shí)遵循相同的分類。表3介紹了光譜設(shè)置對(duì)生產(chǎn)生物學(xué)性狀影響的最新研究結(jié)果。
除了紅藍(lán)照明環(huán)境外，還可以通過(guò)其他LED來(lái)補(bǔ)充光譜，包括熒光粉轉(zhuǎn)換的白光、紫外線、遠(yuǎn)紅光或綠光LED（Ahmed等人，2020a；Kang等人，2016）。在葉生菜的營(yíng)養(yǎng)階段，UV-A和UV-B充當(dāng)應(yīng)激因素，從而誘導(dǎo)次生代謝產(chǎn)物（花青素、黃酮類化合物）的合成；紫外線與藍(lán)光結(jié)合可以提供最高的葉綠素a和最低的硝酸鹽含量（ChangandChang，2014）。對(duì)于紅生菜來(lái)說(shuō)，僅使用紅色LED時(shí)花青素的積累并不理想，因此在栽培紅生菜時(shí)有必要加入弱紫外線（Nicole等人，2019；Wong等人，2020）。由于450nmLED的光子效率僅為2.8µmol/J，從能源效率的角度來(lái)看，應(yīng)為栽培提供最低強(qiáng)度的藍(lán)光，因?yàn)樵摬ǘ呜?fù)責(zé)營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量性狀（抗氧化劑、類胡蘿卜素、多酚、花青素）。為了提高生長(zhǎng)率和光合作用效率，在發(fā)射光譜的藍(lán)峰和紅峰之間填充綠波段是有利的；這可以通過(guò)更高的酶活性來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量并抑制硝酸鹽的積累。黃光（580-600nm）似乎可以減少生物量，而320-535和630-735nm之間的光有助于增加生物量（Wong等人，2020年）。目前，峰值波長(zhǎng)為660nm的深紅色發(fā)射器在PAR波段中具有最高的4.1µmol/J光子效率（Kusuma等人，2022年）。而且660nmLED的發(fā)射峰與葉綠素的吸收曲線重疊，因此深紅色LED為光合作用提供了最高效的電光源。在高強(qiáng)度的660nm光下，生菜幼苗會(huì)長(zhǎng)出伸長(zhǎng)的下胚軸和細(xì)長(zhǎng)的子葉。長(zhǎng)時(shí)間紅光照射會(huì)導(dǎo)致“紅光綜合癥”，其特征是光合能力低、葉綠素?zé)晒庾畲罅孔赢a(chǎn)率（Fv/Fm）低、碳水化合物含量積累低和生長(zhǎng)受損（Miaoetal.，2019）。與藍(lán)光結(jié)合可以有效預(yù)防此類疾病（Darkoetal.，2014；DavisandBurns，2016）。用遠(yuǎn)紅光補(bǔ)充紅藍(lán)光可促進(jìn)生菜生長(zhǎng)和生物活性化合物的合成（Leeetal.，2016a）。建議在植物工廠使用的紅藍(lán)LED燈中添加730nm發(fā)射（Leeetal.，2015）。將52μmolm−2s−1遠(yuǎn)紅光添加到218μmolm−2s−189%的紅光和11%的藍(lán)光提高了室內(nèi)生菜種植的資源利用效率（Jinetal.，2021）。
660nm和450nm輻射的混合被認(rèn)為是生菜栽培的最低要求（Ahmed等人，2020a）。紅光有利于營(yíng)養(yǎng)性狀，但會(huì)損害次生代謝產(chǎn)物，而藍(lán)光可增強(qiáng)不同植物化學(xué)物質(zhì)的合成，如多酚、花青素、維生素C和類胡蘿卜素（Zha等人，2020），并對(duì)葉片大小和植物高度產(chǎn)生負(fù)面影響（Wong等人，2020）。然而，最有利的形態(tài)性狀，例如最大高度和重量，只有通過(guò)R、B、G和FR的適當(dāng)組合才能實(shí)現(xiàn)；任何波段的缺失都會(huì)導(dǎo)致葉片尺寸減小，從而給市場(chǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失（Nozue和Gomi，2018）。
硝酸鹽積累是生菜生產(chǎn)中最重要的光相關(guān)質(zhì)量性狀之一，盡管水培生產(chǎn)能夠控制硝酸鹽的吸收（Rouphael等人，2018年）。硝酸鹽本身并不那么危險(xiǎn)，然而，它們的反應(yīng)產(chǎn)物需要更多的關(guān)注（Santamaria，2006年）；它與唾液和腸道細(xì)菌發(fā)生反應(yīng)后會(huì)降解為亞硝酸鹽。亞硝酸鹽與仲氨基和叔氨基化合物發(fā)生反應(yīng)后，會(huì)形成致癌的N-亞硝基化合物（Lijinsky，1999年）。先前的研究表明，生菜的硝酸鹽含量與光合作用呈負(fù)相關(guān)（Behr和Wiebe，1992年），因此硝酸鹽濃度隨著光照強(qiáng)度的降低而增加，并且可以通過(guò)收獲前短時(shí)間的補(bǔ)充LED照明計(jì)劃降低濃度（Samuolien?等人，2009年）。在綠光下，硝酸鹽含量在24小時(shí)內(nèi)下降；在48小時(shí)光照計(jì)劃的情況下，4:1:1比例的RGB光被證明是有效的(Bian等，2018b)。一些食品安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)和組織（聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織/世衛(wèi)組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)(JECFA)、歐洲食品安全局(EFSA)、美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)等）負(fù)責(zé)對(duì)硝酸鹽和硝酸鹽每日可接受攝入量進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并定義閾值水平(ATSDR，2017；EFSA，2017；JECFA，2002)。
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