發布時間：2018-05-25所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 下面文章主要從光質調控、光照強度調控、光周期調控及光照分布調控 4 方面，并協同其它環境因子，綜述了光調控植物生產的國內外研究進展，深入分析植物吸收不同波段的光能從而產生一系列生化反應的機理及此機理應用于光調控的研究現狀，對研究植物生產的光環
下面文章主要從光質調控、光照強度調控、光周期調控及光照分布調控 4 方面，并協同其它環境因子，綜述了光調控植物生產的國內外研究進展，深入分析植物吸收不同波段的光能從而產生一系列生化反應的機理及此機理應用于光調控的研究現狀，對研究植物生產的光環境因子調控具有一定的參考價值。
關鍵詞： 精準農業,光環境, LED, 溫室, 光譜分析
植物生長發育受光照、溫度、水分、養分及二氧化碳濃度等環境因素的影響，而光照在植物的整個生命周期中起重要作用。其機理是: 植物通過外界光子的激發完成光合作用過程，從而影響其生長發育、形態建成、果實著色、物質代謝積累及基因表達等。光調控是一種科學有效、精準智能、綠色無公害的調控手段，植物在人工光環境下的光合速率往往比在自然光。
1光質調控技術
長期以來，我國設施農業大型智能溫室調控的發展速度緩慢，所用光調控多采用白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈及金屬鹵化物燈等光源，但這些光源能耗大、不環保，且只具備單一的開關功能，不能實現對植物生產所需光照的精準智能控制。相比傳統光源，LED(Light - Emitting Diode，發光二極管) 光源[2 - 3] 屬于固體冷光源，體積小，發光效率高，能耗低，節能環保，使用壽命長達 10 萬 h，是一種新型綠色光源。
光質調控植物生長發育的機理在于植物體內含有許多色素，不同的色素通過吸收不同波長光譜的光能表現出不同的活性，光敏色素( Phytochrome) 和隱花色素( Cryptochrome) 是植物體內光吸收或光調控較為。
光敏色素可以調節植物對光的反應，重要的色素吸收紅光( Pr 型) 和遠紅光( Pfr 型) ，二者可以發生逆轉效應，光敏色素在黑暗中積累，刺激種子發芽，參與植物葉綠素合成等生化反應; 隱花色素則可以調節植物對藍光和紫外線 A( UVA) 的響應，如在擬南芥中隱花色素在綠光吸收狀態下可以逆轉藍光的誘導反應，影響相關基因的表達 。植物色素在不同的光質照射下活性不同，接收光能的能力也不同，通過調控光質可影響植物的生理特性。
如采用 100% 藍光照射后植株的氣孔導度 ( GS ) 和凈光合速率顯著高于 100% 紅光照射，說明藍光促進了氣體和水分的交換，使得葉片的光合效率升高。但是 NI Jiheng 對比不同的 LED 光質( 紅、藍、白光) 對溫室黃瓜的影響，發現補充藍光處理雖有效減少黃瓜畸形果，對增產最有效，但氣孔導度增大使線粒體暗呼吸作用加強，光合產物消耗增多，使得植株生物量積累減緩，故合理調控光質對植物生長意義重大。
1. 1 LED 人工光源光質調控方法
LED 光源光色種類豐富，除可以發出不同波長的單色光外，還能根據植物生長發育的需求進行人工組。國內外學合，從而實現對植物光環境的精準控制者研究表明：紅光、藍光和遠紅光對植物的形態建成及生長發育有顯著影響，故通常采用單色光控制 ( 即特定光譜的人工光源控制 ) 、調控紅光與藍光比值(R /B) 、調控紅光與遠紅光比值( R /FR) ，以及暗期對植物進行紅光或遠紅光處理等光質調控方法對觀賞花卉、瓜果蔬菜及藥用植物等領域實現光質的智能精準調控。
1. 1. 1 單色光人工光質調控
早在 20 世紀末，有學者發現高強度輸出的發光二極管( LED) 可作為植物進行光合作用的優質光源。對比熒光燈，紅色 LED 燈[波峰( 656 ± 5nm) ]照射下萵苣 ( Lactuca sativa ) 幼苗下胚軸和子葉伸長更長，對比氙弧燈，紅色 LED 燈光照能充分打開多野葛( Pueraria lobata) 葉片氣孔，提高氣孔導度，增加異戊二烯 ( 一種 ATP 指示劑) 含量，對野葛葉片進行光合作用、電子轉運及物質代謝都有促進作用。
用不同光質培養菊花試管苗 Sun J K 發現 紅藍復合 LED 光( RB) 照射下菊花凈光合速率最高，藍色LED( B) 光照射下鮮重、干重和葉面積最大，最有利于植物有機物質積累; 紅色 LED( R) 及紅光和遠紅光LED( RFR) 光照射下莖伸長最高，這也導致莖在第 3節間的脆性增大，但試驗尚未明確紅光在 3 種混合光證實：采用不同光質光調控組合中的比例。
在 3 ～ 9μmol /m下最有利于黑豆、蘿卜、油葵等幾種芽苗菜的生長，研究了在水培條件下煙 部分營養品質改善。草幼苗的生理特性和根系發育對不同光質的響應，結果顯示：紅光處理下幼苗葉面積和地上部分鮮重增幅達到近 50% ，紅光促進了根系發育卻明顯抑制了莖稈伸長; 而藍光則促進煙苗莖稈生長，但葉片發育緩慢，葉片中葉綠素和類胡蘿卜素含量最小。
不同光質通過改變生長素( IAA) 的極性運輸從而實現對根系發育的調控，紅光處理提高了生長素外流載體編碼基因 PIN3 在根莖結合處及根系的表達水平，促進了生長素由地上部分向根系部分轉運，致使煙草幼苗根系中 IAA 含量明顯增加，根系發育較好; 藍光則顯著抑制了 PIN1、PIN3 和 PIN4 在根系部位的表達，研究這些基因對紅、藍光調控 IAA 的轉運機理，可為光質調控側根系發育提供參考。
2光照強度調控技術
光照強度對不同作物的生長、產量和品質具有調。當光照強度較低時，水稻籽粒中蔗糖
控作用合成酶活性下降，轉化酶活性提高，蔗糖含量減少，蛋白質含量增多，對水稻遮陰處理可提高其營養價值; 弱光( 100μmol·m - 2 s - 1 ) 下種植，但降低了米飯口感株的光合酶活性降低，對光合作用產生抑制效應，此時施入適宜銨硝配比液( 1: 9) 可緩解幼苗因弱光脅迫對葉綠體結構造成的破壞。
蝴蝶蘭若在低光照水平( 175μmol·m - 2 ·s - 1 ) 下培育，當光照綠素 a，葉綠素 b 和總葉綠素含量) 最高強度較高時，蘭花的凈 CO2 同化率、氣孔導度和蒸騰速率最高，葉片電鏡掃描( SEM) 圖像顯示高度光照下生長的植株結蠟更多，根被層高度發達，根系細胞活性非常高存活率可達90%。
3光周期調控技術
植物生產的光周期調控是指根據植物種類通過間接補光或遮光的方式調控其光照時間，多方面影響植物的生長發育和生理生化反應。我國部分地區冬季日照時間短、光照強度低，一般需要采取光周期補光手段保證作物的產量與品質。對于短日照植物或需要經歷連續暗期的植物則要求對其進行光周期遮光處理，以促進花芽分化，調控開花時間。利用光周期誘導植株開花過程中，采用光周期對擬南16h /d 最能促進草莓葉片的光合作用等觀賞花卉的生長培育。
芥、菊花、春石斛階段進行短日照或暗處理，可明顯加快花芽的分化進程，使開花時間大大提前，且植株花芽多，開花量和花徑大。對黃瓜嫁接苗緩苗進行適當暗處理有利于其成活，適宜溫濕度環境條件下可使嫁接苗成活率達95%。
蔬菜育苗時常會發生幼苗徒長、莖葉不壯的現象，由于施用植物生長調節劑對植物有副作用，故采用光周期調控法可以控制幼苗徒長，提高壯苗指數，環保、經濟、有效且簡便易行。在基因表達水平上研究光周期調控技術能更有效調控植株的生長發育。
在光周期調控馬鈴薯塊莖的形成中，研究過程與光敏色素、同源異型框基因 POTH1 及其相互作用基因 StBEL5 有關，但部分調控通路僅僅通過基因表達水平分析或根據植物開花過程推測形成，還需研究 StGI、PIFs、FHYs、HY5 等因子作用及相關調控機理，從而提高育種效率。
多數植物莖生長不是 24 h 均勻分布的，夜間 ( 18: 00 - 08: 00) 莖伸長顯著高于白天，通過調控夜間植物生長的光周期可促進植株生長，研究了間歇光照對馬鈴薯試管苗生長的影響 試驗結果表明: 720Hz、16h 光照 / 8h 黑暗及 50% 占空比的 LED 光源最能刺激植株增長。若考慮能耗以及熱排出問題，則頻率 180 Hz 時對馬鈴薯苗生長最合適。在番茄植株生長的夜間進行 LED 紅光處理 5 次 ( 每隔 2 h 打斷一次) 及以上時，其營養生長期延長，第 1 穗果的平均單果質量和單株產量顯著提高 ( P < 0.05) 也發現了類似的結論。
多點打斷( 7 次) 促進黃瓜和番茄幼苗的下胚軸生長，使植株長高、葉片增大，壯苗指數較對照( 暗期不給予紅光間斷照射) 分別提高了 42. 4% 和 24. 2% ，但兩種植株的光合特性表現出差異，還需進一步研究。在黃瓜生長后期( 二葉期至成苗期) ，采取紅藍復合光夜間延時補光可使黃瓜各項生理指標達到最優，即幼苗葉面積、莖粗、株高、干物質量、葉綠素含量和壯苗指數最大，最適宜的補光策略為補光時長為 4h，補光光質為 8R /2B[74 - 75]的紅藍光組合。
4光分布調控技術
在植物冠層水平方向上，溫室內的光照分布較均勻，但中下層因植物遮擋易造成光照分布不均、光照不足，在垂直方向上，光照強度由屋頂至地面呈垂直遞減趨勢 。設施內光照分布調控根據作物栽培對光需求，可以結合光照強度的措施 ，對植物進行補光或遮陰。對于瓜果類、多肉類花卉著色，依據作物生長的位置進行移動補光、單光源定點補光; 對于株高高的蔬菜，可利用補光燈或移動補光板進行下層的較大面積補光; 對于蔓藤類植物，可用透明繩人工改變垂吊方向避免遮陰。
5光調控設備與系統
自20 世紀末以來，隨著植物學和溫室的發展， LED 的應用越來越廣泛，涉及藻類、作物、花卉、水果和蔬菜等各個方面。LED 以其使用壽命長、尺寸小、散熱小、具有特定波長和可調光質光強等優點，在植物生長的光調控應用中發揮了越來越重要的作用。
市面上出售有各種規格和配方的補光設備，如燈管、燈帶、補光燈、補光板、帶罩燈及頂棚燈等等�；趩纹瑱C的溫室植物 LED 補光系統，配置是由紅光、藍光、遠紅光、紫外光組成的 LED 模塊陣列光源，可滿足植物對光質、光強、光周期的精準補光需求
基于遺傳算法的番茄幼苗光合作用優化調控模型，構建了溫度和光通量密度耦合的光合速率回歸模型，可動態獲取不同溫度條件下光飽和點信息，誤差小、精度高。此方法可應用到協同濕度、二氧化碳濃度、水肥狀況、生長階段及營養液配制等來完善光環境調控參數，提高設施光環境檢測與智能調控系統效率 。
利用快速分波段 PFD 檢測算法建立光環境多因子耦合需光模型，可計算實時紅、藍光光強和根據實時監測的環境信息運算所得補光量，對設施光環境動態調控有重要意義，但天氣對其模型精度的影響較大，還需擴大模型的應用范圍開發了植物自適應精準補光系統，使不同植物在不同生長階段、不同環境下實時監測特定波段光照強度、二氧化碳濃度和環境溫度，采用 PWM ( 脈寬調制) 信號控制模式精確調控分波長補光量，部署靈活、響應快，提高了光能利用率，比常規的 LED 補光系統節能約 30% ，能耗更低。
與大功率芯片的組合設計相比，具有散熱少、功耗低的優勢，可用來近距離照射植物，基于 LabVIEW 上位機結合虛擬儀器和下位機控制器實現監測和控制系統，實時檢測光通量密度( PPFD) 。其燈頭采用 0. 2W 貼片式 RRGB 燈頭，脈沖寬度調制信號通過動態調整控制器結合環境照明系統實現智能照明，可根據植物不同增長階段智能滿足補光要求。
為突破傳統的光環境有線部署方式弊端，對小型番茄培育溫室設計出基于無線傳感器的無線光調控系統，成本低，效率高式多點 LED 調光控制終端實現開關控制、參數調整和狀態監測。此法運行可靠，測試結果良好，對于調節光照度效率更高，能滿足溫室群的需求為基礎的 ZigBee 無線網絡，可通過互聯網遠程監控植物光環境，數據采集和遠程管理系統性能優異，Pieter H B 以 3D 虛擬的番茄為仿真對象 結合番茄 3D 模型和射線示蹤，基于 GroIMP 平臺評估了許多溫室照明措施。模型測試了葉片角度對光能利用效率 的影響，指出葉片定向垂直于 LED 燈將更有利于攔截光照，將 LED 燈向上傾斜 20° 更有利于光吸收，且射線追蹤和 3D 作物模型的結合優化了計算葉片光通量方法。
6總結與展望
1) 研究植株對同一光強不同光質的響應時，光照強度的設定往往是因人而異或依據經驗，沒有經過驗證或參考既有規范，故降低了所得結論的可比性及實驗的可重復性。
2) 人工控制植物生長環境中復合光的光照強度比值是通過設置 LED 燈的數量比來體現的，由于 LED 燈的類型不同、排布不同而使試驗產生一定誤差，應建立統一規范或標準。
3) 不同品種的植物所需的特定光譜不同，LED 技術提供了很大的靈活性，滿足了不同植物的光質要求; 但是，今后對光環境調控的研究需結合光強、光周期、光分布多方面協同調控，為植物的不同生長發育階段提供量身定制光照條件，最大可能地滿足植物對光的需求。
4) 針對不同植株，通過試驗得出的最適宜的光調控策略大多依據的是植株形態表現，鮮有對調控機理的深入研究。
5) 植株生長生理生化特性檢測系統與光照調控系統往往是獨立分開的，通信系統的同步性有待加強，并未實現實時、快速、無損的同步檢測。
隨著農換藍光強弱工作模式，但也只能削弱藍光業信息感知與獲取技術的進步，利用圖像傳感技術、機器視覺技術、環境自動控制技術等對植物狀況進行檢測和調控將是未來發展的一個方向，還需要廣大學者共同努力，推動智慧農業的發展。
推薦期刊：《植物保護學報》(雙月刊)創刊于1962奶奶，是中國科協主管、中國植物保護學會主辦的一種綜合性學術期刊，1986年借用在中國農業大學。刊登了大量植物保護學科各方面，包括農作物病害、蟲害、草害、鼠害、農藥等，偏重應用或與應用聯系較緊密的未曾發表過的研究論文、文獻綜述及研究簡報等。為傳播科技信息、推動我國的植物保護學科和國民經濟的發展起到了一定的作用。
SCISSCIAHCI
