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设施园艺半导体照明相关的科学技术问题

导读: 光环境调控为物理性调控,生态安全,环境负效应少。设施园艺光环境调控已经成为现代农业发展的内在要求与客观需求,以保障现代农业高产、优质、高效、稳产。

  为进一步鼓励和发展LED植物照明,小编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。今天分享一篇发表刘文科与杨其长在照明工程学报的文章《设施园艺半导体照明及其研发中的科技问题》,全文如下:

  为推进设施园艺照明研发及产业化发展,需解决的科学问题包括: ( 1) 光质生物学 弄清单一光质及复合光质对植物和食用菌生长发育和产量品质影响的生理代谢 分子生物学及蛋白组学机理; 生物种类及品种间光质适应性和利用差异性机理; 光质与环境其它因子互作的生物学机制;设施生物光质数量属性有效阈值和基准值( 如补偿点 饱和点与光胁迫阈值) 等; ( 2) 逆境光质生物学 明确单色及复合弱光 强光及连续光照下光合机构 代谢系统运转效率的响应机理及其农学意义等 需解决的技术问题包括: ( 1) 建立设施园艺各生产领域特定生物生长发育 优质高产所需的光照配方; ( 2) 制定农业生物光环境控制策略; ( 3) 研发 LED 光源装置 灯具及计算机智能控制系统。

  随着世界人口增加,农产品需求持续增加,而农业资源不断减少,环境污染日益严重,气候变化及其灾害逐年增多,农田生态系统的生产力及其稳定性大幅下降,粮食和食物产出难以保证,食物数量安全与质量安全问题日益凸显 设施园艺是环境可控农业,生产稳定性高,在保障 食物安全 和农产品有效供给方面发挥着不可或缺的作用,已成为现代农业主体设施园艺可通过环境控制促进或延迟农业生物的生长发育与繁殖过程,按照人类的时空要求获得所需要的植物和食用菌产品 我国设施园艺栽培面积高居世界首位,已近400 万公顷,产值超万亿元。

  设施园艺要实现可持续发展迫切需要综合性、全面智能化环境控制技术的支撑,以克服环境逆境,创造适宜的生产条件。光照是设施园艺生产重要的环境因子,为了获得较高的产量和高品质农产品,生产过程中园艺设施内包括光照在内所有与农业生物生产相关的环境因子都有必要实现人工或智能调控。设施园艺生产系统内环境因子控制越多越精准,越是符合园艺生物需求,就更有利于设施园艺生产潜力的发挥。纵观设施园艺环境控制技术发展历程,光照是继温度、湿度、CO2浓度、气流等环境因子之后,园艺设施中最后一个实现智能控制的重要环境因素。其主要原因是在发光二极管(Light-emitting diode, LED)这种固态半导体电光源出现之前,传统电光源作为执行机构均无法实时调控其光强和光质成分,无法实施智能控制。现今,基于LED光源良好的可控性和光电优势,采用LED补光或人工光环境调控可以很好地克服不适光照条件对园艺生物生产的制约,对保障设施园艺优质、高产和稳产至关重要。

  设施园艺生产对人工照明的客观需求

  光环境调控为物理性调控,生态安全,环境负效应少。设施园艺光环境调控已经成为现代农业发展的内在要求与客观需求,以保障现代农业高产、优质、高效、稳产。设施园艺作为环境可控的农业生产方式,发展光环境调控技术是其内在要求,更是客观需求,主要表现在两个方面。其一,温室人工补光十分必要,需求迫切。补光方式包含两类,一是通过可见光调控(PAR),强化光周期和光合作用;二是通过UV和FR调控形态和品质。温室人工补光必要性主要基于以下几点。

  (1)弱光寡照胁迫。夏季连阴雨天、冬季连阴雪天等导致的设施弱光寡照胁迫常造成的严重的生产危害,导致作物减产甚至绝收。

  (2)雾霾天气。2012年以来,我国雾霾天气的发生频率、持续时间及影响地域范围呈逐年增加的趋势,雾霾发生时段长达7个月(10月至次年4月)。雾霾天气条件下光照强度下降20%-90%,严重影响作物的光合作用,开花结果,并易孳生病虫害,造成作物减产甚至绝收。而且,冬春季雾霾频发期与设施园艺生产关键期重合,加剧了危害程度,对菜农收益影响巨大。

  (3)高纬度地区光周期调控。在高纬度短日照地区迫切需要进行延长光周期的调控,增加光照时数。

  (4)长日照植物生产需求。在日照时间不足地区生产长日照植物需要增加光照时数,促进其完成生长周期。总之,为克服上述设施园艺生产的光环境问题,进行人工智能补光是直接有效的途径。其二,完全人工光设施生产光环境调控。精准智能化光环境调控是人工光植物组培、植物工厂、食用菌工厂和育苗工厂等领域优质高产、能耗与生产效率的决定性因素,必要性十分突出。通过光环境调控,可改善作物形态,增加产量,并按照人类需求定向增加有益化学物质的含量,降低无益物质的积累,提高农产品的能值和营养保健价值,实现真正意义的优质生产。

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