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行业新闻

紫外光在植物工厂中分布特征及应用前景

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紫外 (UV) 光在植物光形态建成、 次生代谢和叶色形成方面具有重要光生物学和光化学作用, 在调控设施园艺优质高产方面具有潜在应用价值。综述了人工光植物工厂和太阳光植物工厂中UV光的分布规律, 特征波长UV光的植物效应及其人工调控的必要性和调控策略。提出了植物工厂中UV-LED利用的前景、 目标和方法。为进一步鼓励和发展LED植物照明,记者联系了中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所刘文科教授特分享了一些论文,希望对投身LED植物照明领域的人士有所帮助。 作者:刘文科, 杨其长 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室 在农业生产中, 光照条件的好坏直接关系着露地农业生产的效率和效益。因此, 认识、 利用和调控太阳光谱成分一直是农业研究的重要内容。尤其在现代农业生产中, 设施农业发展成为支柱产业, 人工光环境调控的技术客观需求变得现实且迫切, 调控目标得到了拓展, 以人工照明为手段的光环境调控已经成为设施农业发展的必然选择。 太阳光是连续光谱, 其波长范围从100 nm的X射线到100 m的无线电波。太阳辐射中99%的能量集中在280~500nm波段范围内。太阳光中不同光谱对植物光合作用贡献大小不一, 仅400~700 nm范围的光为植物光合有效辐射, 参与了植物的碳水化合物合成的光反应过程。而根据人眼的感知能力, 通常把太阳光谱分为可见光和不可见光, 不可见光包括红外光和紫外光, 其中波长小于380 nm的波段称为紫外光。根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320~380 nm长波紫外线 (UV-A), 波长280~320 nm的中波紫外线 (UV-B) 和波长100~280 nm的短波紫外线 (UV-C) [1]。在全部太阳辐射中可见光约占50%, 红外线约占48%~49%, 其余紫外光约占1%~2%。研究表明, 在太阳光光谱中光合有效辐射、 UV和远红光对植物生长发育具有调控功能,对农业生产具有应用价值。 1、 露地农业系统中UV辐射特征 太阳辐射通过大气层后, 光强和光谱均发生了变化。表现为X射线和一些超短波辐射减少, 主要是被电离层氧、 氮 及其他大气成分强烈吸收过滤了。对紫外线而言, 大气平流层中的臭氧几乎能吸收全部 UV-C, 而UV-A和UV-B能够达到地面, 到达地面的UV中95%为UV-A, 5%为UV-B[1]。波长大于2500 nm的射线由于大气层CO2和水蒸气的强烈吸收,到达地面的能量微乎其微。太阳辐射中只有可见光部分较为完整地到达地面, 在大气层中损失较小。因此, 在到达地面的太阳光谱中, UV-A和可见光丰富, UV-B及其他波长的光质较少, 这决定了露地植物所能接收到的太阳能量及光信号的种类。就辐射能量而言, 太阳光经过大气层到达海平面处或地球表面, 再到植物叶片表面辐射能量逐渐降低, *终植物光合作用固定的太阳能仅占照到植物叶片表面太阳辐射的5%[2]。 近年来, 由于氯氟烷烃 (CFCs) 和氮氧化合物等化学物质大量释放, 致使大气平流层臭氧含量下降[3]。大气臭氧层遭到破坏削弱了其对太阳UV-B辐射的吸收作用, 导致到达植物叶片表面的UV-B辐射强度有增加趋势。臭氧层破坏对UV-A和UV-C辐射的空间变化无影响, 研究表明即使臭氧层减少90%也不会有UV-C到达地面。到达地面的UV-B辐射增强, 对暴露的地球植物而产生严重的生物学效应。据估计, 大气臭氧每减少1%, 到达地表的辐射强度将增加2%~3%, 粮食将减产2%[4]。1978 1991年大气层臭氧降低了1%~5%, 到2060年将减少16%。UV-B辐射增强、 温室效应、 酸雨并称为全球3大环境问题。 2、 植物工厂中紫外光的分布特征 植物工厂作为设施园艺的一种生产形式, 是通过设施内高精度环境控制, 实现作物周年连续生产的高效设施农业系统, 不受或很少受自然条件制约的全新生产方式[5]。植物工厂被国际上公认为设施农业的*高级发展阶段, 是衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一。较传统设施园艺, 植物工厂具有众多生产优势, 生产效率高, 可控性好, 应用前景广阔。因此, 植物工厂是设施园艺发展的必然趋势, 对解决21世纪人口、 资源、 环境问题的具有重要意义, 也是未来航天工程、 月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段[5]。 通常, 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辐射背景值、 UV光环境调控方面存在差异。人工光植物工厂需要人为利用电光源为植物提供光照, 而太阳光植物工厂的光能主要来自太阳光, 人工补光仅起辅助作用。 太阳光植物工厂通常是以半密闭式玻璃温室或日光温室为维护结构, 以太阳光为光源, 故此其内的UV辐射分布特征与玻璃、 遮阳网和棚膜材质密切相关。温室和大棚由于覆盖材料 (玻璃、 塑膜和高质量防老化膜等) 而对自然光有吸收、 遮挡和过滤作用[6]。一般, 覆盖材料对可见光的透过率在88%左右, 紫外线透过率仅在15.9%~21.1%。与露地相比, 网膜和玻璃能滤掉大部分UV-A和UV-B, 太阳光植物工厂中UV-A和UV-B显著降低, 紫外辐射显著减少。露地晴天中 午UV-B辐照度约为0.5 W m-2, 而玻璃温室内仅约0.075 W m-2[7]。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。人工光植物工厂通常以密闭式避光建筑作为维护结构, 以人工光源为植物光照来源 (如荧光灯和发光二级管 (LED) 灯), 紫外辐射强度完全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辐射成分几乎为零。所以, 人工光植物工厂中光照中UV-A和UV-B辐射非常缺乏, 甚至完全缺失。 3 、UV对设施植物生长与品质的调控作用 植物工厂的一个重要特征是缺乏太阳光中的UV-A和UV-B辐射, UV缺乏情况下设施园艺作物的生物效应尚不清楚; 但伴随臭氧层破坏太阳辐射中的UV-B强度提高, 设施内UV的变化及其生物效应目前更不清楚。一方面, 植物工厂覆盖材料保护了设施植物免受UV辐射的危害, 但是完全缺失UV辐射也带来了生产负效应。所以, 调控植物工厂内UV的辐射水平是十分必要的, 但这种调控必需以生产需求和植物耐受响应规律为依据。目前, 设施蔬菜暴露在不同或剂量变化的紫外线辐射下的生物学效应已成为新的生态学和生物学问题, 成为国际研究热点。 3.1 UV辐射的生物效应 适宜的UV辐射对设施蔬菜的优质高效生产十分重要。UV辐射缺乏会对设施蔬菜生长发育造成负效应。例如, 低UV-B辐射通常造成设施蔬菜的植株徒长, 营养品质低、 色泽晦暗, 味道不鲜等问题, 还会阻碍植物色素的合成, 不利于茄果类蔬菜生产。合理的UV-B辐射剂量能矮化植株[8], 促进次生代谢产物如类胡萝卜素的积累等作用[9], 改善番茄果实品质[10]。但是, UV-B高剂量暴露也会引发植物光合作用的一些响应, 如CO2吸收、 光合电子传递链、 暗呼吸、 气孔行为、 色素含量和植物内源激素含量, 抑制植物的生长发育[11]。UV-A也影响植物的生长和发育, 但生物学效应较小。 为了解决蔬菜设施栽培中存在的这些问题, 利用人工控制UV-B光源在设施内补充UV-B辐射对于改善这些蔬菜的品质, 能取得良好的效果。另外, 人工光栽培蔬菜以荧光灯和LED为主要光源, 品质调控问题必须依赖于补充UV-A和V-B。目前, 设施人工光栽培以荧光灯和LED红蓝光组合光源为主要光源, 很明显缺乏紫外光谱组成。设施内紫外光的缺失导致严重的生长和品质问题, 补光优化光谱组成十分迫切。LED已作为节能光源应用于人工光设施蔬菜栽培。 LED具有其他电光源无法比拟的优势: 节能环保、 冷光源、 使用寿命长、 体积小、 光质纯、 光效高、 波长类型丰富、 光谱能量易复合、 调制便捷等突出优势, 可近距离照射植物, 可采用多层立体栽培系统, 提高空间利用率。因此, UV-LED将在植物工厂中具有应用优势, 在提高植物工厂生产效能, 增加生产过程可控性方面发挥作用。

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