设施环境中红光与远红光比值调控的研究进展

该文详述了近年来国内外设施园艺环境中R/FR比值对植物形态、生长发育的影响以及实验、生产中R/FR比值调控方法的研究进展。介绍了几种人工光源及光质调控薄膜的R/FR特性，对进一步开展此项研究工作提出建议。     

弱光与偏低温弱光下温室黄瓜耐性指标的研究

采用弱光以及偏低温与弱光互作对4个生态型的16个黄瓜品种进行苗期处理，结果表明：弱光、偏低温弱光均未显著影响到黄瓜的光合系统Ⅱ，但对黄瓜叶绿素荧光参数M峰以及荧光猝灭系数(qN)有影响，各生态型的反应不一。弱光与偏低温组合时，弱光对黄瓜的影响处于主导地位。弱光(60～80 μmolm^-2·s^-1)、偏低温(20℃/12℃)弱光胁迫下不同黄瓜的叶面积增长量与其已知的低温弱光耐性一致。与各项生理指标相比，叶面积更适宜作低温弱光耐受性的评价指标，以子叶展开时进行弱光处理为最佳。     

弱光与偏低温弱光下温室黄瓜耐性指标的研究

采用弱光以及偏低温与弱光互作对4个生态型的16个黄瓜品种进行苗期处理,结果表明:弱光、偏低温弱光均未显著影响到黄瓜的光合系统Ⅱ,但对黄瓜叶绿素荧光参数M峰以及荧光猝灭系数(qN)有影响,各生态型的反应不一。弱光与偏低温组合时,弱光对黄瓜的影响处于主导地位。弱光(60~80μm o lm-2.-s 1)、偏低温(20℃/12℃)弱光胁迫下不同黄瓜的叶面积增长量与其已知的低温弱光耐性一致。与各项生理指标相比,叶面积更适宜作低温弱光耐受性的评价指标,以子叶展开时进行弱光处理为最佳。     

Growth of rice plants under red light with or without supplemental blue light

Abstract

The effects of blue light supplementation to red light on growth, morphology and N utilization in rice plants (Oryza sativa L. cv. Sasanishiki and Nipponbare) were investigated. Plants were grown under two light quality treatments, red light alone (R) or red light supplemented with blue light (RB; red/blue-light photosynthetic photon flux density [PPFD] ratio was 4/1), at 380 mol m^?2 s^?1 PPFD. The biomass production of both cultivars grown under RB conditions was higher than that of plants grown under R conditions. This enhancement of biomass production was caused by an increase in the net assimilation rate (NAR). The higher NAR was associated with a higher leaf N content per leaf area at the whole-plant level, which was accompanied by higher contents of the key components of photosynthesis, including Rubisco and chlorophyll. In Sasanishiki, preferential biomass investment in leaf blades and expansion of wider and thinner leaves also contributed to the enhancement of biomass production. These morphological changes in the leaves were not observed in Nipponbare. Both the changes in physiological characteristics, including leaf photosynthesis, and the changes in morphological characteristics, including leaf development, contributed to the enhancement of biomass production under RB conditions, although the extent of these changes differed between the two cultivars.     

后备母猪对人工光照强度的偏好性选择

为明确人工光环境下后备母猪的适宜光照强度,该研究搭建了一套猪舍光环境偏好性选择系统,以LED白光（400～700 nm）为人工光源,设置4种光照强度（40、100、350、1200 lx）,每7 d为一个周期对单元猪舍对应的光照方案进行调整,光照时长16 h,以24头二元杂交后备母猪为试验对象,进行了为期28 d的试验,探究后备母猪对人工光环境光照强度的偏好性选择规律。结果表明,在猪只数量的时空分布方面,相较于40、350、1200 lx,后备母猪在开灯期间表现出对100 lx光照强度的显著性偏好（P<0.05）,占整体数量29.33% ± 1.14%;猪群对其余3种光照强度的偏好呈现明显的节律性,表现为开灯后和关灯前3 h对40 lx光照强度的偏好显著高于350、1200 lx（P<0.05）;在猪只活跃度方面,开灯后的前6 h,较强光照组（350 lx: 37.97% ± 3.47%和1200 lx：35.42% ± 4.04%）的猪只活跃度显著高于较弱光照组（40 lx: 27.90% ± 8.44%和100 lx: 23.94% ± 3.79%）;在猪只采食方面,较强光照（350、1200 lx）组后备母猪的饲料消耗量和采食时长均高于较弱光照组（40、100 lx）。由此,建议后备母猪舍的照明制度中设置一定的光照过渡阶段,以100 lx光照强度为主,开灯后和关灯前3 h使用40 lx较弱光环境避免刺激,此外,可在09:00—11:00增加2 h较强光照（350 lx）增加猪只活动量。该研究结果可为后备母猪舍光环境精准调控提供理论参考依据。     

一种用于叶片散射光分布测定的新型装置及性能评价

采用微功率激光管作为光源,围绕被测样品旋转的硅光电池作为检测器,研制了一种可以测定植物单个叶片反射和透射光在入射面上分布的装置。分别在650 nm和830 nm波长光照条件下,测定了标准白板(参比样)的反射光和大叶黄杨树叶的反射和透射在入射面上的光强分布。测定结果表明该装置有很好的重现性。所研制的装置可用于植物冠层光辐射传输机理研究。     

Evaluation of aggregate stability of Haplic Stagnosols using dynamic light scattering,phase analysis light scattering and color coordinates

Dynamic light scattering and phase analysis light scattering have been used to study organo-clay complexes and aggregate stability of Haplic Stagnosols depending on land use. The study of agricultural soils afforested for 45 years showed that the value of the effective diameter of organo-clay complexes slightly decreased compared to that in arable soil but remains still higher than that in the forest soil. Multiple linear regression statistical models were developed to predict the effective diameter of the particles. The best model (r = 0.95), where all parameters were significant (P < 0.05), included the clay content, clay carbon concentration, total iron (Fe_t) and soil color coordinates (L*, a*, b*). In the upper horizons, the effective diameter depends on the organic matter content, whereas iron oxides with surfaced position play the main role in the underlying horizons. Intensive tillage moves the colloidal system to coagulation and after withdrawal of arable Haplic Stagnosol from the agricultural production, the colloidal system tends to restore its peptization stability. However, it should be noted that the afforestation period (45 years) of arable Haplic Stagnosols is not enough for a full recovery of organo-clay complexes peptization stability.     

可调LED光源系统设计及其对菠菜生长的影

为提供设施农业装备运用的人工光源,进行了发光二极管(LED)光源系统的硬件及软件设计,并通过以荧光灯为对照对6种柔性组合的LED光源,进行了菠菜生长试验。研究发现该系统具有光质、光强、光周期及占空比柔性可调,可以作为设施补光及光生物学研究的理想光系统。在该光系统下的菠菜生长试验发现,菠菜在红蓝黄(RBY)光处理下叶柄长、叶面积、叶柄粗及根长都显著大于其他处理,生长较其他处理健壮,且RBY光处理菠菜光合色素质量分数显著高于其他处理,表明在红蓝复合光的基础上添加黄光有利于光合色素的合成,并显著地促进菠菜的生长,同时也表明该LED光源系统对开展植物补光应用具有一定的现实意义和使用价值。     

光照度对酶解秸秆料液光合产氢的影响

为了提高光合细菌的产氢能力和光能转化效率,该文以高粱秸秆超微粉体酶解48?h料液为光合产氢碳源,在反应温度30℃,光合混合菌群接种量为体积分数20%的条件下,研究了光照度对光合产氢过程中累积产氢量、产氢速率和光能利用效率的影响。结果表明：当光照度低于5?000?lx时,光合细菌的累积产氢量和光合产氢速率随着光照度的增大而增大,超过5?000?lx时累积产氢量和产氢速率反而减小,说明光合细菌的光合产氢存在一个类似于植物光合作用的光饱和点,当光照度超过光饱和点时出现光抑制现象。反映光能利用效率的光能增量影响系数的最大值出现在＞1?000～3?000?lx之间,说明该试验条件下从能量转换角度采用此区间的光照度比较合适。     

暗前适宜LED远红光光照强度促进设施番茄种苗生长发育

为了研究LED光源在设施番茄育苗生产上的精准化利用。该试验以金鹏1号番茄植株为试材,研究了进入黑暗前LED远红光处理对番茄植株形态、激素含量、光合速率和矿质元素含量的影响。结果表明,当番茄植株进入黑暗前进行10 min远红光处理,番茄植株的株高及茎的鲜质量发生了明显变化,番茄植株的株高和茎的鲜质量随着远红光光照强度的增加而增加,当远红光的光照强度增加到10μmol/(m~2·s)时番茄植株的株高和茎的鲜质量也达到了最大值。与对照相比,进入黑暗前进行时长10 min,光照强度为10μmol/(m~2·s)的远红光处理后番茄植株叶片中的生长素和赤霉素3的含量显著上升;叶绿素和净光合速率显著降低;番茄植株茎中N含量显著降低,叶中P含量显著降低,K含量显著升高,根系中的N、P、K含量都显著增加。因此,可以通过调控黑暗前远红光的光照强度来精确调控番茄植株的株高,控制番茄的生长。     

LED光质和日累积光照量对番茄种苗生长及能量利用效率的影响

为了提高育苗质量，降低冬春季低温弱光环境对设施种苗优质生产的制约，本文利用人工光型植物工厂的LED光照与环控技术研究光质和日累积光照量（Daily Light Integral，DLI）对番茄种苗形态建成和生物量累积的影响，通过对光能利用效率（Light Energy Use Efficiency，LUE）和电能利用效率（Electric Energy Use Efficiency，EUE）的实际测试，分析人工光育苗的能耗水平。光质环境以白色荧光灯为对照，选用红蓝比（R∶B）为0.9的白色LED和R∶B为1.2和2.2的白红LED灯具，在DLI为10.1、12.6和15.1 mol/(m2·d)下培育"丰收"番茄种苗31 d。结果表明：在LED下生长的番茄种苗的壮苗指数、生物量和光合能力均显著优于荧光灯下，增强DLI有利于番茄种苗的形态建成和生物量累积；在R∶B为1.2的白红LED（L1.2）下设置DLI为12.6 mol/(m2·d)时，番茄种苗的株高、茎粗、叶面积、干质量日均增长量（G值）、壮苗指数、及干/鲜质量都达到最大。番茄种苗在相同光质下的光合能力不受DLI的影响，但在L1.2下的净光合速率最高。利用LED生产番茄种苗的LUE和EUE比在荧光灯下显著提高，当DLI为12.6 mol/(m2·d) 时，L1.2下的该值比荧光灯下分别提高79%和321%。因此，R∶B为1.2的白红LED比其他光质的LED更适合番茄种苗生产，推荐DLI为12.6 mol/(m2·d) 作为番茄设施育苗的光环境调控指标。     

黑光灯光场分布的计算与模拟

基于光度学的相关知识,对农业生产和研究中广泛使用的黑光灯在平面上的光强分布进行了分析计算和实际测量,并利用Matlab进行了计算机模拟仿真。建立了黑光灯的物理模型,通过合理的假设,推导出了在工作平面上各点辐照度的计算公式。模拟仿真和试验结果表明黑光灯在打开1 h后,光强的分布明显趋于稳定,在10 cm外的工作平面上可以获得约30 cm×20 cm的光强变化在12.5%以内的较均匀的矩形光场。试验与仿真结果表明采用紫外LED光源阵列替代黑光灯可以明显改进光场的均匀性和稳定性。     

蛋种鸡对本交笼产蛋窝内光环境的偏好性选择

产蛋窝是种鸡表达行为需求的必要福利设施，为明确本交笼养模式下种鸡对产蛋窝内部光环境相关设计参数的需求，探究种鸡对产蛋窝内部LED光环境的偏好性选择，该研究采用窝内蛋比例、产蛋行为与竞争行为作为评价产蛋窝使用效果的指标，选择LED白光（400～700 nm）、LED红光（585～690 nm）、LED蓝光（460～490 nm）3种光色作为诱导光源，每种光色设置2种不同的光照强度（5 lx、30 lx），对照组为无光源诱导组，对比7个试验组产蛋窝使用效果。结果表明，产蛋窝内设置30 lx的LED白光与蓝光时，窝内蛋比例显著高于其他试验组（P<0.05），在33周龄时，窝内蛋比例可达91.5%±3.4%、93.2%±4.5%。30 lx的LED白光与蓝光组鸡只的打斗行为与排挤行为频次显著高于其他试验组（P<0.05），30 lx的LED红光组鸡只啄羽行为频次显著高于其他试验组（P<0.05）。竞争行为频次随时间分布的趋势与产蛋数量随时间分布趋势一致，产蛋数量与竞争行为频次主要集中在开灯后的第2～5小时，开灯后第3和第4小时为产蛋高峰。鸡只更偏好于30 lx的LED白光与蓝光作为产蛋窝内诱导环境，在该刺激下鸡只的产蛋行为可较好地表达，产蛋窝利用率更高。     

不同LED光源对番茄果实转色期品质的影响

采用新型半导体光源发光二极管（LED）精量调制光质（红光、蓝光和红蓝组合光）,以普通日光灯（白光）为对照,研究不同光质对番茄果实转色期品质的影响。结果表明,红光处理下番茄果实番茄红素含量最高,显著高于对照和其他处理,但Vc含量最低。蓝光处理下番茄果实维生素C（Vc）含量、可溶性蛋白含量均显著提高。红蓝组合光处理番茄果实Vc含量与对照差异不明显,但可溶性蛋白的含量显著提高。红光和红蓝组合光处理能够显著提高番茄果实糖、酸含量;各处理糖酸比均显著高于对照,且红蓝组合光处理番茄果实的糖/酸值最高。红光和蓝光是影响番茄果实转色期品质变化的主要光质。     

基于图像技术的温室光分布研究

温室内光照环境对作物生长有重要影响,然而受温室形状、方位、覆盖材料、天气等各因素的影响,温室内光分布一直是研究的难点。该文提出基于计算机视觉技术和基于图像的光照技术来采集温室内真实环境的光分布,通过高动态范围图像的制作,以及从图像中的光源信息的提取,得到温室内光分布的辐射度图,该图能够真实反映不同天气情况下以及一天中不同时刻、不同方向的光照强度分布,能较好地模拟场景周围的自然光照。该研究将为温室内复杂光源分布的获取和作物冠层顶部入射辐射的研究提供准确的光照模型。     

LED光源红蓝光配比对生菜光合作用及能量利用效率的影响

为了提高植物光能及电能利用效率,降低植物工厂光源的投入产出比,该文从不同红蓝光配比(R/B)对生菜光合作用影响机理入手,分析不同R/B对生菜光能及电能利用效率的影响。以荧光灯处理(FL)作为对照,通过设置不同红蓝光配比(R/B)共7个处理进行试验,测定不同R/B下生菜的Ru Bis Co羧化速率和氧化速率、光合电子流分配以及叶氮分配。结果表明:1)当R/B≥8时,增大蓝光比例显著降低了总电子传递速率向参与光呼吸的光合电子流的分配,促进了叶氮向羧化系统和生物能学系统中的投入,提高了叶片的光合作用;2)当R/B≤8时,生菜电能利用效率(electric-energy use efficiency,EUE)和光能利用效率(light use efficiency,LUE)随着R/B增加而显著增大,R/B≥8处理间EUE无显著性差异,但R/B=12处理下LUE较R/B=8处理高12.5%。综上所述,在光强为200μmol/(m2·s)的红蓝LED植物工厂中,R/B为8是影响生菜光合作用、光能及电能利用效率的转折点;为保证生菜高效生产,以红蓝光配比不小于8为宜。     

水冷式植物工厂LED面光源及散热系统的研制与测试

大功率LED的散热问题影响着LED的发光效率和电能消耗。该研究设计了水冷式植物工厂LED面光源及散热系统,通过水循环将LED面光源产生的热量及时置换,从而降低LED结温、延缓其光衰,同时将置换的热量根据植物工厂需热特点配置,降低控温能耗。该系统主要包括LED面光源、散热器和水循环系统三部分。水循环系统水路分为两路,在采暖季节将热量置换于植物工厂内部用于室内增温,而在非采暖季节将热量置换于室外,通过风冷散热后再进入水循环系统。性能测试试验表明：水冷式散热装置具有降低LED面光源散热器温度的作用,较无水冷散热装置的散热器温度最少低5.3℃,最高低19.3℃,不仅直接降低了散热器温度,还间接降低了LED结温,从而延长了LED面光源的使用寿命。     

控制光照强度条件下1年生连翘幼苗的生理生态响应

为了调查连翘在发育早期对于不同光照强度条件的生理生态响应和适应性,提高苗期管理质量和出苗率,以1年生连翘幼苗为材料,在人工控制大田环境中设置100%、50%、25%和12.5%4个光照强度水平,通过测量1个生长季后连翘幼苗的存活率、光合生理、地上地下形态、生物量积累和分配等生理生态指标,研究控制光照强度条件下1年生连翘幼苗的生理生态响应。结果表明:1)1年生连翘幼苗在50%光照强度条件下的最大净光合速率、光饱和点和叶绿素b含量显著下降,苗高、地径、总根长、根表面积以及各器官的生物量积累增加显著,根质量比减小,茎质量比和冠根质量比增大;2)在25%光照强度条件下,幼苗的存活率、最大净光合速率、苗高、地径、总根长、根表面积以及各器官的生物量积累增加显著且达到最大值,茎质量比增大;3)在12.5%光照强度条件下,仅最大净光合速率、地径和根系形态指标显著增加,但增幅小于50%和25%光照强度,叶质量比减小。1年生连翘幼苗在光合生理特性上对于遮荫处理表现出不一致的响应,形态和生物量积累在中等光照强度下响应积极一致,且能够通过增加对地上结构生物量的分配比例而适应中等光照强度条件,建议在今后的苗圃培育和管理中应当重视连翘在发育早期的光环境要求。     

光温耦合效应对蝗虫趋光增益的影响（英）

为给蝗虫灾害光电诱导捕集治理技术中蝗虫趋光增益性热源温度参数的确定及光温耦合调控效应的有效实施提供技术支持,该文利用LED光源、温控加热装置和行为反应试验装置,采用对比试验法进行蝗虫趋光增益性热源温度的优选,探讨光温耦合效应与环境温度作用对蝗虫趋光增益行为影响的机理。结果显示：热源温度高低、光谱色光照、环境温度及蝗虫昼行夜伏性活动规律影响夜间蝗虫对光温耦合效应的选择,热源温度于蝗虫的趋光响应具有增益效应,其中以65℃热源温度于蝗虫的趋光增益作用最佳;同一时间段内,蝗虫对紫光与65℃热源温度耦合效应的选择最优;热源温度对蝗虫的光温诱导起增益群集作用,而光谱色光照对蝗虫诱导起主要作用。该项目的开展对于蝗虫光电诱导捕集机械化技术中在确定温度增益调控参数以及诱导区域内光温耦合效应对蝗虫诱导率的评估可提供实践指导参考。     

基于MOPSO和TOPSIS的多目标优化温室黄瓜光环境调控模型

针对在现有温室光环境调控模型中,未考虑光质-光强的协同影响以及净光合速率与光能利用率双优化的问题。该研究面向温室黄瓜的高效补光,提出一种基于多目标优化思想的光质-光强协同调控方法。通过设计多因子耦合的净光合速率试验,获取叶片的净光合速率数据,建立净光合速率模型,并计算叶片尺度的光能利用率;构建光能利用率与净光合速率双优化的多目标优化模型,利用多目标粒子群算法获取非劣解集,基于理想解逼近算法得到光质-光强的调控单点,从而建立设施黄瓜红、蓝光模型。理论验证试验表明,与光合最大补光法相比,净光合速率降低21.39%,需光量降低59.40%;与固定光质0.5和0.8相比,在相同光强下净光合速率依次提升3.66%和9.69%。在此基础上开展实际验证试验,结果表明与固定光质法相比,在耗电量相近的前提下,生理指标均优于固定光质补光法,且在茎粗、干质量以及壮苗指数上存在显著差异;与光合最大补光法相比,生理指标不存在显著差异,且耗电量节省27.43%,表明本研究方法在保证生理指标高水平的前提下,有效节省了光电资源的消耗。本研究方法为设施农业调控提供了新型补光策略,保障了农业生产资源的高效利用。