植物工厂,LED灯点亮高值农业

来源:http://www.nbcgrouphk.com 作者:林业中心 人气:93 发布时间:2019-11-02
摘要:近十多年来,得益于蓝光LED的出现与红蓝LED组合光源的研制成功,以及基于网络的智能控制技术的应用,植物工厂人工光源能耗明显降低,栽培层间距进一步缩短,能效比大有了幅度提

  近十多年来,得益于蓝光LED的出现与红蓝LED组合光源的研制成功,以及基于网络的智能控制技术的应用,植物工厂人工光源能耗明显降低,栽培层间距进一步缩短,能效比大有了幅度提升。与此同时,智能控制器、传感器以及物联网技术的应用也为植物工厂智能化管控提供了可能。

运用科技协助高经济作物是农业新趋势,尤其是将LED光源应用在植物成长方面,更是近年来的重大突破。台湾地区工研院发现以LED灯取代白炽灯作为农作物的夜间照明,可以解决光照不足所造成的产量问题,也能够达到节能省电的效益,增加农民收益。

  台湾工研院以智慧化LED光照调控技术,结合映兴电子、高仪科技及尚懋公司等跨领域产业,在南投九九峰有机农场建立“高品质温室有机芦笋LED光照环控示范场域”,并于10月31日发表相关成果。

摘要:人工光源在设施农业上的应用一改往日作物种植过程中单纯依靠自然光源的窘境。不同植物种类和生长阶段对光源的需求不尽相同,本文通过分析现有研究及应用试验,对不同生育时期常见经济作物在补光前后植物生理生态特征进行了对比。结果显示,LED植物补光灯在设施农业上的应用有利于培育优苗壮苗,提升蔬菜水果品质;利用补光灯产生的光环境的动态控制管理技术将会是日后植物工厂研究领域的一大热点。

  我们可以看到,在这一时期内,全国多个国家加快了对植物工厂的产业化步伐与研发力度。自2009年开始,日本就提出大力发展植物工厂、振兴现代农业计划。同年,韩国政府也开始支持科研机构与企业共同进行人工光植物工厂的研发。

目前台工研院的智慧化LED光照调控技术已经在台湾地区南投、新竹、彰化的茭白笋、芦笋、草莓与葡萄等农地获得采用,并且展现不错的种植成果。

  台工研院表示,目前已证实透过LED补光,可提升有机芦笋25%的产量,未来可将此示范场域软硬体技术与生产管理模式完整复制,扩大运用到其他农作物生产、植物工厂、简易温室大棚等场域,缩短后续进入厂商的技术门槛与摸索建立期。

关键词:LED植物补光灯;设施农业;温室;植物工厂;稀土

  美国则一方面通过植物工厂的研究为空间站和星球探索提供食物保障,另一方面提出了“摩天大楼农业”的构想,将从空间上突破植物资源瓶颈……

LED光源可选特定波长调整光量及光质,符合植物所需光波,作为调控农作物产期、产量及品质,且台湾地区LED光电产业具有完整的供应链与客制化设计能力,农业先进种植技术尤其独步全球,若结合两者优势,将可创造具世界竞争力的高附加价值LED光源应用以及高品质农产品。运用一盏盏的LED灯,台工研院替农友点亮高价值经济作物之路,也让台湾地区的有机农业更加剔透明亮。

  台工研院电子与台光电研究所刘军廷所长指出,LED因体积小、寿命长、加上比传统灯泡省电,而成为照明市场的主流,台湾LED光电产业具有完整的供应链与客制化设计能力,农业先进种植技术尤其独步全球,若结合两者优势,将可创造具世界竞争力的高附加价值LED光源应用以及高品质农产品。

引言

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台工研院的LED灯最早运用在南投埔里筊白笋田测试,将LED灯导入南投埔里的茭白笋光照控制,采取灯泡式的照射方式,将灯泡直接架设在植物上方,能够让作物受光均匀,使光合作用的效率变好。

  目前台工研院已将LED技术应用扩展到农渔畜牧照明领域上,除了可满足农产品光照需求外,并可进一步节能减碳,增加农民的收益。

受到气候条件的影响,我国北方地区大田农业耕作多为一年一熟制或两年三熟制。为适应市场需求,满足现代农业发展需要,利用现代工程技术,创造合理的生长环境,为农作物提供最合适的光照、温度、湿度、植保及水肥条件,使其保持最佳的生长状态,以期获得优质、高产的农产品,已经成为了现代农业发展的趋势。光照、温度、空气、水和养分是植物生长的核心要素。随着农事操作水平的提高,设施内温度、水肥综合管理条件在不断的趋于完善。但由于设施建筑在一定程度上会遮挡部分自然光源,导致室内光线不足,且北方初春、晚秋及冬季日照时长较短,会显着影响喜光作物的产量和品质。人工光源的引入一改往日作物种植过程中单纯依靠自然光源的窘境,通过添加白炽灯、卤钨灯、高压钠灯、荧光灯和LED灯等人工光源来满足植物的光需求。这其中,LED具有光电转换效率高、体积小、寿命长、耗能低、波长稳定、热辐射低、环保等优点而得到广泛的应用。

  LED植物工厂:

这样的照射方式,耗电量大幅降低一半以上,降低农民的栽种成本,LED灯具有光度均匀、无光害等优点,能达到增产、高效、抗病与无光害目的。

  台湾地区农渔畜牧LED应用产业推动联盟朱慕道会长说,在工业局支持下,台工研院于2012年成立“农渔畜牧LED应用产业推动联盟”,目的主要是将LED技术应用在更多领域,推动农渔畜牧业朝精致高值化发展,目前已陆续投入芦笋、虱目鱼、药草、草莓等光照调控应用计划。

1光对植物生长的影响

  事实上,中国从上世纪90年代已开始植物工厂研发工作,2002年成功研发了自然光植物工厂,2005年研制出LED植物工厂实验系统,并在2010年上海世博会首次展出家庭LED植物工厂。2013年国家正式将“智能化植物工厂生产技术研究”项目列入“863”计划,目前拥有不同规模的人工光植物工厂约100座。

不只是茭白笋,台湾在地有机芦笋,即使在日照不足的冬季,因有LED光源帮忙补光,维持好品质及稳定产量,成为五星级饭店佳肴的最佳材料,而这些鲜嫩清甜又多汁的芦笋是来自南投九九峰有机农场与工研院科技合作的成果。

  这次则系跨产业整合LED灯具、资通讯、有机农场、有机肥料等产业,结合LED人工光源调控与种植环境的自动化监控系统的建置、以及微生物菌有机质肥料的施做,利用现代工业科技方法来进行农业生产种植管理及经营,促使农场达到规模化、产业化、精准化以及智慧化。

光作为一种外界信号可以影响植物发育的诸多方面,从种子的发芽,脱黄化到营养形态,昼夜节律的建成。植物通过光合作用制造有机物为其生长发育提供物质和能量,因此光也是植物获取能量的来源。光照强度、光照周期和光谱分布构成了设施内的光照环境。在弱光条件下,远红光比例升高,红光、蓝光和紫外光的比例降低,这些变化很可能形成了果菜类作物生长失调的光信号[1]。利用补光灯,对设施内的光照环境进行灵活的调节,克服了设施自身和天气条件带来的光源限制。植物光合作用的有效波长范围是380~710nm。这其中,叶绿素对红光部分及蓝紫光部分的光谱吸收最强。研究表明,红光会促进细胞的伸长,而蓝光则具有相反的效果。长波长的光可以显着提升植物各器官的发育速率,最显着的效果就是引起植物提前开花、结果;短波长的光会抑制茎的伸长,防止徒长,促进营养器官的生长。红蓝组合LED补光灯可以相互弥补各单色光源的不足,且光能利用率高达80%~90%,节能效果显着。

  植物工厂逐渐火热发展势头,也吸引了众多LED照明行业中人的注意,再加上今年国家主席习近平在参观国家“十二五”科技创新成就展上,对中国农业科学院自主研发的智能LED植物工厂显现出了一定的关注度,尤其让有意投身这一行业的人士欢喜雀跃,对其未来的发展更平添了诸多信心。

台工研院发展“智慧温室”,运用智慧LED光照调控技术种植有机芦笋,并导入IoT种植环境自动化监控系统,可以每日自动量测室内的光照度、空气及土壤温度、湿度、电导度等资料,并透过相关数据分析调控LED灯具的光量输出,创造最佳的芦笋种植光环境。

  朱慕道强调,有机芦笋属含丰富营养素的高经济价值作物,夏季若遇连续阴雨天2~3天,产量即会减少至平时的一半。冬天由于光照量不足,造成芦笋产量和品质不佳,无法达全年高品质稳定产量。南投九九峰有机农场运用LED灯控调光技术进行光量调变,并导入种植环境自动化监控系统,可以每日自动量测室内的光照度、空气及土壤温度、湿度、电导度等资料,并透过相关数据分析,智慧调控LED灯具的光量输出,创造最佳的芦笋种植光环境,未来冀透过整厂技术输出,以点线面模式全面扩大芦笋产量,除了能解决台湾地区供需不足的问题,更可进一步外销。

2LED植物补光灯在植物营养生长期的应用

  LED灯点亮高值农业“钱”景

目前已证实透过LED光照,质量总和效益可提升32%。未来可将此示范场域软硬体技术与生产管理模式完整复制,扩大运用到其他农作物生产、植物工厂、简易温室大棚等场域。

澳门金沙官网手机版,金沙线上娱乐,随着农业生产不断趋于集约化,规范化,设施温室育苗成为设施农业的重要环节。在育苗生产中,常会使用到一些植物生长调节剂来调控幼苗生长,但不合理的施用会对幼苗及设施环境造成污染,影响人类身体健康[2]。有研究表明,补光对常见经济作物的产量、品质以及生长发育具有积极的意义[3,4]。在温室栽培领域,利用调控光质、光强、光周期来控制植物形态建成和生长发育是一项重要的技术[5]。植物通过体内的感光受体整合不同的光源信号,经胞内信使传导,调节植物的形态建成及生长发育[6]。在温室补光育苗方面,随着补光处理时间的延长,补光时间及光质对黄瓜幼苗叶面积生长的促进作用逐渐显现[7]。通过延长光照时间、增强光照强度,会有效提高番茄的壮苗率及抵抗病虫害的能力[8],而红蓝组合LED光源则会显着提升黄瓜幼苗的叶面积及地上部分干物重[9]。植物幼苗期补充蓝光可以有效提升叶片中保护酶的活性,延缓叶片衰老[7]。我们使用中科院长春应用化学研究所研发的稀土LED植物补光灯对CM966大番茄苗期补光试验,结果表明,在同样波长组合稀土LED植物补光灯下,不同光照时长显着影响番茄幼苗形态。适当延长番茄苗期光照时间可加快细胞生长,幼苗壮苗程度较好,细胞活性较强,生物量累积较多。每日低于10h的组合光照会导致植株茎部纤细,色泽清淡,幼苗呈徒长状态。此外,组合光补光亦可显着提高黄瓜幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量。因此,研究新型LED人工光源及光源调控在温室育苗生产中的应用,对于揭示植物光质调控机制,培育幼苗壮苗,促进作物优质高产具有重要意义。

  运用科技协助高经济作物是农业新趋势,尤其是将LED光源应用在植物成长方面,更是近年来的重大突破。台湾地区工研院发现以LED灯取代白炽灯作为农作物的夜间照明,可以解决光照不足所造成的产量问题,也能够达到节能省电的效益,增加农民收益。

同时,台工研院也与新竹香山草莓园合作,利用LED光照可以缩短种植到开花结果所需的天数,已至少可缩短10到15天,提早收成上市增加产期数,还能控制草莓植株成长形态、产量、品质,以及抑制病虫害的发生,LED光照技术的加值效益,也让草莓种植成为高值化农业之一。

3LED植物补光灯在植物生殖生长期的应用

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在台工研院协助下,彰化县溪湖镇种植葡萄的农友王礼深,也将LED夜间灯照装置运用于葡萄园。

研究发现,红光和蓝光是影响果实转色期品质变化的主要光质。红光可以显着提高番茄果实番茄红素含量,蓝光可以显着提高番茄果实维生素C、可溶性蛋白含量[10];组合补光可提升番茄果实可溶性固形物含量、可溶性蛋白含量和番茄红素含量[11]。对草莓来说,组合补光可以提高光合色素含量,对果实产量和品质有较大的提升作用[12]。2017年11月至2018年3月,我们分别在内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗、准格尔旗智能温室中进行稀土LED植物补光灯的相关试验。试验结果表明,通过增加光照时长,可以令草莓提前10~15d开花,增强草莓植株耐旱性,提升果色、果实口感和果实品质,增强市场竞争力。每日4h的组合补光,草莓的总糖含量提升了10.72%,花青素含量提升了65.73%,维生素C含量提升了1.47%。与未安装稀土LED植物补光灯的温室相比,安装补光灯的草莓温室在本次试验草莓采收期每亩多收入5000~8000元。同期对不同品种的茄子生育期进行补光试验,结果表明,通过增加光照时长,可以提高茄子的耐寒性。每日4h的组合补光,可以显着提升圆茄的总糖含量、长茄的花青素含量。并且我们发现,茄子的不同品种对补光灯使用效果表现不一。总体来说,使用稀土LED植物补光灯可以提升蔬菜品质,但对于茄子相关色素形成的影响还需要进一步的研究。

  台工研院发展“智慧温室”,运用智慧LED光照调控技术种植有机芦笋,并导入种植环境自动化监控系统,可以每日自动量测室内的光照度、空气及土壤温度、湿度、电导度等资料,并透过相关数据分析调控LED灯具的光量输出,创造最佳的芦笋种植光环境。

由于台湾地区葡萄园以架棚种植,葡萄树在棚上开枝、散叶、结果,因此LED灯必须由下往上照射,才能发挥最大经济效益;经过不断修改LED灯的设计与布建位置,终于成功研发出可取代白炽灯的模组,为农友节约相当可观的电费。

4LED植物补光灯在设施农业中的发展前景及方向

  目前已证实透过LED光照,质量总和效益可提升32%。未来可将此示范场域软硬体技术与生产管理模式完整复制,扩大运用到其他农作物生产、植物工厂、简易温室大棚等场域。

近些年,由于农业生产过程中不合理的使用工业化学用品,导致农产品的农残超标,严重影响了人类的身体健康和人身安全。食品安全问题愈演愈烈,引起了人们对食品安全的极大关注。农业是否可以实现高产量、高效益、高品质的连续化生产,高新技术产业———植物工厂的形成提供了一个解决方案。植物工厂是设施园艺发展的高级阶段和必然趋势[13]。它颠覆了传统的土地利用方式和农作形式,为提供安全、高附加值植物提供了高效稳定的生产环境。随着各学科高新技术的交叉应用(如:LED人工光源、无土栽培、水肥一体化、环境控制、智慧控制等相关设备、技术装备领域),国内外太阳光/人工光源植物工厂发展迅速。这其中,人工光源植物工厂的市场规模发展潜力巨大。植物工厂的生产效率和经济效益主要受到设施装备水平、环境调控水平、植物品种特征、地理环境及社会市场环境等因素的控制。试验数据表明,每种植物对光源的光质、光强、光周期都有其独特的偏好,并且在同一种植物的不同生长阶段其对光源的偏好也是动态变化的。理清环境影响植物生理学原理,严格遵循植物生理需求,耦合多方参数,建立完善系统的智能LED光配方成为了植物工厂的关键核心技术[13]。因此,在今后很长一段时期内,光环境的动态控制管理技术将会是植物工厂智能化研究领域的一大热点。

  LED光照缩短种植到开花结果所需的天数

参考文献

  同时,台工研院也与新竹香山草莓园合作,利用LED光照可以缩短种植到开花结果所需的天数,已至少可缩短10到15天,提早收成上市增加产期数,还能控制草莓植株成长形态、产量、品质,以及抑制病虫害的发生,LED光照技术的加值效益,也让草莓种植成为高值化农业之一。

[1]孙祥瑞,张尚卿,岳艳丽,等.越冬蔬菜植物生长灯补光措施效果评价[J].中国蔬菜,2013,1:45-47.

  在台工研院协助下,彰化县溪湖镇种植葡萄的农友王礼深,也将LED夜间灯照装置运用于葡萄园。由于台湾地区葡萄园以架棚种植,葡萄树在棚上开枝、散叶、结果,因此LED灯必须由下往上照射,才能发挥最大经济效益;经过不断修改LED灯的设计与布建位置,最终成功研发出可取代白炽灯的模组,可以为农友节约相当可观的电费哟。

[2]李雅旻,张继业,张轶婷,等.LED补光灯在设施园艺中的应用[J].农业工程技术,2018,38:10-16.

  台湾的LED定制补光

[3]黄薪历.LED补光对番茄幼苗和生菜生长发育、产量及品质的影响[D].咸阳:西北农林科技大学,2017.

  目前台湾工研院的智慧化LED光照调控技术已经在台湾地区大规模的试验了,其中,台湾地区南投、新竹、彰化的茭白笋、芦笋、草莓与葡萄等农地获得采用,并且展现出了不错的种植成果。LED光源可选特定波长调整光量及光质,符合植物所需的光波,作为调控农作物产期、产量及品质,且台湾地区LED光电产业具有完整的供应链与客制化设计能力,农业先进种植技术尤其独步全球,若结合两者优势,将可创造出拥有世界竞争力的高附加价值LED光应用以及高品质农产品(000061)。运用一盏盏的LED灯,台工研院替农友点亮高价值经济作物之路,也让台湾地区的有机农业更加剔透明亮。

[4]王华硕.LED补光对日光温室黄瓜、番茄、草莓生长发育及品质的影响[D].邯郸:河北工程大学,2018.

[5]谢景.不同光质LED灯补光对黄瓜生长发育的影响[D].广州:华南农业大学,2012.

[6]吴鹏举,王成章,严学兵,等.光受体的研究进展[J].江西农业学报,2009,21:108-111.

[7]闫晓花.补光时间及光质对温室黄瓜幼苗生长及光合特性的影响[D].兰州:甘肃农业大学,2016.

[8]林婧,马邯生,王丽萍,等.LED补光技术对番茄苗期应用研究[J].现代园艺,2018:15-17.

[9]唐大为,张国斌,张帆,等.LED光源不同光质对黄瓜幼苗生长及生理生化特性的影响[J].甘肃农业大学学报,2011,46:44-48.

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[11]于经纬,罗博特,岳钉伊.不同CO2浓度与LED补光组合对番茄果实品质的影响[J].农村经济与科技,2017,28:41-42.

[12]刘庆,连海峰,刘世琦,等.不同光质LED光源对草莓光合特性、产量及品质的影响[J].应用生态学报,2015,26:1743-1750.

[13]刘文科,刘义飞.LED智能植物工厂光配方构建与应用[J].中国照明电器,2017,:1-3.

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