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植物工厂中光谱分布对作物的影响
作者: 时间: 2024-06-20
提高能源效率、作物产量和作物品质是室内生菜种植光谱分布优化研究的三大目标。
在自然环境中，会出现不断变化的多光谱光，它会对栽培植物产生组合影响，因此离散波长的影响既不可测量，也无法分离。然而，在使用LED的PFAL实验环境中，可以监测所用每种波长的确切影响。LED的波长可以在纳米级上控制，其他环境因素（温度、湿度、养分供应、空气速度）以及其他光参数（光量、光照持续时间、脉动等）可以根据其他所有条件相同（其他条件不变）的原则分别分析。在最初引入LED时，实验设置针对的是单色光的影响，后来重点转向波长的组合，而较少关注相互作用的重要性。
传统上，光谱分布对植物性状的影响是按照波长来讨论的；为了保持与先前发表的研究之间的可比性，我们在讨论波长对生菜产量的影响时遵循相同的分类。表3介绍了光谱设置对生产生物学性状影响的最新研究结果。
除了红蓝照明环境外，还可以通过其他LED来补充光谱，包括荧光粉转换的白光、紫外线、远红光或绿光LED（Ahmed等人，2020a；Kang等人，2016）。在叶生菜的营养阶段，UV-A和UV-B充当应激因素，从而诱导次生代谢产物（花青素、黄酮类化合物）的合成；紫外线与蓝光结合可以提供最高的叶绿素a和最低的硝酸盐含量（ChangandChang，2014）。对于红生菜来说，仅使用红色LED时花青素的积累并不理想，因此在栽培红生菜时有必要加入弱紫外线（Nicole等人，2019；Wong等人，2020）。由于450nmLED的光子效率仅为2.8µmol/J，从能源效率的角度来看，应为栽培提供最低强度的蓝光，因为该波段负责营养质量性状（抗氧化剂、类胡萝卜素、多酚、花青素）。为了提高生长率和光合作用效率，在发射光谱的蓝峰和红峰之间填充绿波段是有利的；这可以通过更高的酶活性来提高产品质量并抑制硝酸盐的积累。黄光（580-600nm）似乎可以减少生物量，而320-535和630-735nm之间的光有助于增加生物量（Wong等人，2020年）。目前，峰值波长为660nm的深红色发射器在PAR波段中具有最高的4.1µmol/J光子效率（Kusuma等人，2022年）。而且660nmLED的发射峰与叶绿素的吸收曲线重叠，因此深红色LED为光合作用提供了最高效的电光源。在高强度的660nm光下，生菜幼苗会长出伸长的下胚轴和细长的子叶。长时间红光照射会导致“红光综合症”，其特征是光合能力低、叶绿素荧光最大量子产率（Fv/Fm）低、碳水化合物含量积累低和生长受损（Miaoetal.，2019）。与蓝光结合可以有效预防此类疾病（Darkoetal.，2014；DavisandBurns，2016）。用远红光补充红蓝光可促进生菜生长和生物活性化合物的合成（Leeetal.，2016a）。建议在植物工厂使用的红蓝LED灯中添加730nm发射（Leeetal.，2015）。将52μmolm−2s−1远红光添加到218μmolm−2s−189%的红光和11%的蓝光提高了室内生菜种植的资源利用效率（Jinetal.，2021）。
660nm和450nm辐射的混合被认为是生菜栽培的最低要求（Ahmed等人，2020a）。红光有利于营养性状，但会损害次生代谢产物，而蓝光可增强不同植物化学物质的合成，如多酚、花青素、维生素C和类胡萝卜素（Zha等人，2020），并对叶片大小和植物高度产生负面影响（Wong等人，2020）。然而，最有利的形态性状，例如最大高度和重量，只有通过R、B、G和FR的适当组合才能实现；任何波段的缺失都会导致叶片尺寸减小，从而给市场带来严重的经济损失（Nozue和Gomi，2018）。
硝酸盐积累是生菜生产中最重要的光相关质量性状之一，尽管水培生产能够控制硝酸盐的吸收（Rouphael等人，2018年）。硝酸盐本身并不那么危险，然而，它们的反应产物需要更多的关注（Santamaria，2006年）；它与唾液和肠道细菌发生反应后会降解为亚硝酸盐。亚硝酸盐与仲氨基和叔氨基化合物发生反应后，会形成致癌的N-亚硝基化合物（Lijinsky，1999年）。先前的研究表明，生菜的硝酸盐含量与光合作用呈负相关（Behr和Wiebe，1992年），因此硝酸盐浓度随着光照强度的降低而增加，并且可以通过收获前短时间的补充LED照明计划降低浓度（Samuolienė等人，2009年）。在绿光下，硝酸盐含量在24小时内下降；在48小时光照计划的情况下，4:1:1比例的RGB光被证明是有效的(Bian等，2018b)。一些食品安全监管机构和组织（联合国粮农组织/世卫组织食品添加剂联合专家委员会(JECFA)、欧洲食品安全局(EFSA)、美国环境保护署(EPA)等）负责对硝酸盐和硝酸盐每日可接受摄入量进行风险评估，并定义阈值水平(ATSDR，2017；EFSA，2017；JECFA，2002)。
文章来源：叶菜侠科技
在自然环境中，会出现不断变化的多光谱光，它会对栽培植物产生组合影响，因此离散波长的影响既不可测量，也无法分离。然而，在使用LED的PFAL实验环境中，可以监测所用每种波长的确切影响。LED的波长可以在纳米级上控制，其他环境因素（温度、湿度、养分供应、空气速度）以及其他光参数（光量、光照持续时间、脉动等）可以根据其他所有条件相同（其他条件不变）的原则分别分析。在最初引入LED时，实验设置针对的是单色光的影响，后来重点转向波长的组合，而较少关注相互作用的重要性。
传统上，光谱分布对植物性状的影响是按照波长来讨论的；为了保持与先前发表的研究之间的可比性，我们在讨论波长对生菜产量的影响时遵循相同的分类。表3介绍了光谱设置对生产生物学性状影响的最新研究结果。
除了红蓝照明环境外，还可以通过其他LED来补充光谱，包括荧光粉转换的白光、紫外线、远红光或绿光LED（Ahmed等人，2020a；Kang等人，2016）。在叶生菜的营养阶段，UV-A和UV-B充当应激因素，从而诱导次生代谢产物（花青素、黄酮类化合物）的合成；紫外线与蓝光结合可以提供最高的叶绿素a和最低的硝酸盐含量（ChangandChang，2014）。对于红生菜来说，仅使用红色LED时花青素的积累并不理想，因此在栽培红生菜时有必要加入弱紫外线（Nicole等人，2019；Wong等人，2020）。由于450nmLED的光子效率仅为2.8µmol/J，从能源效率的角度来看，应为栽培提供最低强度的蓝光，因为该波段负责营养质量性状（抗氧化剂、类胡萝卜素、多酚、花青素）。为了提高生长率和光合作用效率，在发射光谱的蓝峰和红峰之间填充绿波段是有利的；这可以通过更高的酶活性来提高产品质量并抑制硝酸盐的积累。黄光（580-600nm）似乎可以减少生物量，而320-535和630-735nm之间的光有助于增加生物量（Wong等人，2020年）。目前，峰值波长为660nm的深红色发射器在PAR波段中具有最高的4.1µmol/J光子效率（Kusuma等人，2022年）。而且660nmLED的发射峰与叶绿素的吸收曲线重叠，因此深红色LED为光合作用提供了最高效的电光源。在高强度的660nm光下，生菜幼苗会长出伸长的下胚轴和细长的子叶。长时间红光照射会导致“红光综合症”，其特征是光合能力低、叶绿素荧光最大量子产率（Fv/Fm）低、碳水化合物含量积累低和生长受损（Miaoetal.，2019）。与蓝光结合可以有效预防此类疾病（Darkoetal.，2014；DavisandBurns，2016）。用远红光补充红蓝光可促进生菜生长和生物活性化合物的合成（Leeetal.，2016a）。建议在植物工厂使用的红蓝LED灯中添加730nm发射（Leeetal.，2015）。将52μmolm−2s−1远红光添加到218μmolm−2s−189%的红光和11%的蓝光提高了室内生菜种植的资源利用效率（Jinetal.，2021）。
660nm和450nm辐射的混合被认为是生菜栽培的最低要求（Ahmed等人，2020a）。红光有利于营养性状，但会损害次生代谢产物，而蓝光可增强不同植物化学物质的合成，如多酚、花青素、维生素C和类胡萝卜素（Zha等人，2020），并对叶片大小和植物高度产生负面影响（Wong等人，2020）。然而，最有利的形态性状，例如最大高度和重量，只有通过R、B、G和FR的适当组合才能实现；任何波段的缺失都会导致叶片尺寸减小，从而给市场带来严重的经济损失（Nozue和Gomi，2018）。
硝酸盐积累是生菜生产中最重要的光相关质量性状之一，尽管水培生产能够控制硝酸盐的吸收（Rouphael等人，2018年）。硝酸盐本身并不那么危险，然而，它们的反应产物需要更多的关注（Santamaria，2006年）；它与唾液和肠道细菌发生反应后会降解为亚硝酸盐。亚硝酸盐与仲氨基和叔氨基化合物发生反应后，会形成致癌的N-亚硝基化合物（Lijinsky，1999年）。先前的研究表明，生菜的硝酸盐含量与光合作用呈负相关（Behr和Wiebe，1992年），因此硝酸盐浓度随着光照强度的降低而增加，并且可以通过收获前短时间的补充LED照明计划降低浓度（Samuolienė等人，2009年）。在绿光下，硝酸盐含量在24小时内下降；在48小时光照计划的情况下，4:1:1比例的RGB光被证明是有效的(Bian等，2018b)。一些食品安全监管机构和组织（联合国粮农组织/世卫组织食品添加剂联合专家委员会(JECFA)、欧洲食品安全局(EFSA)、美国环境保护署(EPA)等）负责对硝酸盐和硝酸盐每日可接受摄入量进行风险评估，并定义阈值水平(ATSDR，2017；EFSA，2017；JECFA，2002)。
文章来源：叶菜侠科技