Regulação e controle de luz na fábrica da usina

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Resumo: As mudas de hortaliças são a primeira etapa na produção de hortaliças, e a qualidade das mudas é muito importante para o rendimento e qualidade das hortaliças após o plantio.Com o refinamento contínuo da divisão do trabalho na indústria de hortaliças, as mudas de hortaliças formaram gradualmente uma cadeia industrial independente e serviram à produção de hortaliças.Afetados pelo mau tempo, os métodos tradicionais de mudas inevitavelmente enfrentam muitos desafios, como crescimento lento de mudas, crescimento de pernas e pragas e doenças.Para lidar com mudas de pernas longas, muitos cultivadores comerciais usam reguladores de crescimento.No entanto, há riscos de rigidez das mudas, segurança alimentar e contaminação ambiental com o uso de reguladores de crescimento.Além dos métodos de controle químico, embora a estimulação mecânica, o controle da temperatura e da água também possam desempenhar um papel na prevenção do crescimento pernalta das mudas, eles são um pouco menos convenientes e eficazes.Sob o impacto da nova epidemia global de Covid-19, os problemas de dificuldades de gerenciamento de produção causados ​​pela escassez de mão de obra e aumento dos custos de mão de obra na indústria de mudas tornaram-se mais proeminentes.

Com o desenvolvimento da tecnologia de iluminação, o uso de luz artificial para cultivo de mudas de hortaliças tem as vantagens de alta eficiência de mudas, menos pragas e doenças e fácil padronização.Em comparação com as fontes de luz tradicionais, a nova geração de fontes de luz LED tem as características de economia de energia, alta eficiência, longa vida útil, proteção ambiental e durabilidade, tamanho pequeno, baixa radiação térmica e pequena amplitude de comprimento de onda.Pode formular o espectro apropriado de acordo com as necessidades de crescimento e desenvolvimento de mudas no ambiente de fábricas de plantas e controlar com precisão o processo fisiológico e metabólico de mudas, ao mesmo tempo, contribuindo para a produção de mudas de vegetais sem poluição, padronizada e rápida , e encurta o ciclo da muda.No sul da China, leva cerca de 60 dias para cultivar mudas de pimenta e tomate (3-4 folhas verdadeiras) em estufas de plástico e cerca de 35 dias para mudas de pepino (3-5 folhas verdadeiras).Em condições de fábrica, são necessários apenas 17 dias para cultivar mudas de tomate e 25 dias para mudas de pimentão sob condições de fotoperíodo de 20 h e PPF de 200-300 μmol/(m2•s).Comparado com o método convencional de cultivo de mudas na estufa, o uso do método de cultivo de mudas de fábrica de LED encurtou significativamente o ciclo de crescimento do pepino em 15-30 dias, e o número de flores femininas e frutas por planta aumentou em 33,8% e 37,3% , respectivamente, e o maior rendimento foi aumentado em 71,44%.

Em termos de eficiência de utilização de energia, a eficiência de utilização de energia das fábricas de plantas é maior do que a das estufas do tipo Venlo na mesma latitude.Por exemplo, em uma fábrica sueca, são necessários 1.411 MJ para produzir 1 kg de matéria seca de alface, enquanto em uma estufa são necessários 1.699 MJ.No entanto, se a eletricidade necessária por quilograma de matéria seca de alface for calculada, a fábrica da planta precisa de 247 kW·h para produzir 1 kg de peso seco de alface, e as estufas na Suécia, Holanda e Emirados Árabes Unidos requerem 182 kW· h, 70 kW·h e 111 kW·h, respectivamente.

Ao mesmo tempo, na fábrica de plantas, o uso de computadores, equipamentos automáticos, inteligência artificial e outras tecnologias podem controlar com precisão as condições ambientais adequadas para o cultivo de mudas, livrar-se das limitações das condições naturais do ambiente e realizar o inteligente, produção mecanizada e estável anual de produção de mudas.Nos últimos anos, mudas de fábricas de plantas têm sido usadas na produção comercial de vegetais folhosos, frutas e outras culturas econômicas no Japão, Coréia do Sul, Europa, Estados Unidos e outros países.O alto investimento inicial das fábricas de plantas, os altos custos operacionais e o enorme consumo de energia do sistema ainda são os gargalos que limitam a promoção da tecnologia de cultivo de mudas nas fábricas chinesas.Portanto, é necessário levar em consideração os requisitos de alto rendimento e economia de energia em termos de estratégias de gerenciamento de luz, estabelecimento de modelos de crescimento vegetal e equipamentos de automação para melhorar os benefícios econômicos.

Neste artigo, é revisada a influência do ambiente de luz LED no crescimento e desenvolvimento de mudas de hortaliças em fábricas de plantas nos últimos anos, com a perspectiva da direção de pesquisa de regulação de luz de mudas de hortaliças em fábricas de plantas.

1. Efeitos do ambiente de luz no crescimento e desenvolvimento de mudas de hortaliças

Como um dos fatores ambientais essenciais para o crescimento e desenvolvimento das plantas, a luz não é apenas uma fonte de energia para as plantas realizarem a fotossíntese, mas também um sinal chave que afeta a fotomorfogênese das plantas.As plantas sentem a direção, a energia e a qualidade da luz do sinal através do sistema de sinal de luz, regulam seu próprio crescimento e desenvolvimento e respondem à presença ou ausência, comprimento de onda, intensidade e duração da luz.Os fotorreceptores de plantas atualmente conhecidos incluem pelo menos três classes: fitocromos (PHYA~PHYE) que detectam luz vermelha e vermelha distante (FR), criptocromos (CRY1 e CRY2) que detectam azul e ultravioleta A e Elementos (Phot1 e Phot2), os Receptor UV-B UVR8 que detecta UV-B.Esses fotorreceptores participam e regulam a expressão de genes relacionados e, em seguida, regulam atividades vitais, como germinação de sementes de plantas, fotomorfogênese, tempo de floração, síntese e acúmulo de metabólitos secundários e tolerância a estresses bióticos e abióticos.

2. Influência do ambiente de luz LED no estabelecimento fotomorfológico de mudas de hortaliças

2.1 Efeitos de diferentes qualidades de luz na fotomorfogênese de mudas de hortaliças

As regiões vermelha e azul do espectro têm altas eficiências quânticas para a fotossíntese das folhas das plantas.No entanto, a exposição prolongada das folhas de pepino à luz vermelha pura danificará o fotossistema, resultando no fenômeno da “síndrome da luz vermelha”, como resposta estomática atrofiada, diminuição da capacidade fotossintética e eficiência do uso de nitrogênio e retardo de crescimento.Sob a condição de baixa intensidade de luz (100±5 μmol/(m2•s)), a luz vermelha pura pode danificar os cloroplastos de folhas jovens e maduras de pepino, mas os cloroplastos danificados foram recuperados após a mudança da luz vermelha pura à luz vermelha e azul (R:B= 7:3).Ao contrário, quando as plantas de pepino mudaram do ambiente de luz vermelho-azul para o ambiente de luz vermelha pura, a eficiência fotossintética não diminuiu significativamente, mostrando a adaptabilidade ao ambiente de luz vermelha.Por meio da análise por microscopia eletrônica da estrutura foliar de mudas de pepino com “síndrome da luz vermelha”, os pesquisadores descobriram que o número de cloroplastos, o tamanho dos grânulos de amido e a espessura do grana nas folhas sob luz vermelha pura eram significativamente menores do que sob luz vermelha pura. tratamento com luz branca.A intervenção da luz azul melhora a ultraestrutura e as características fotossintéticas dos cloroplastos do pepino e elimina o acúmulo excessivo de nutrientes.Em comparação com a luz branca e a luz vermelha e azul, a luz vermelha pura promoveu o alongamento do hipocótilo e a expansão do cotilédone de mudas de tomate, aumentou significativamente a altura da planta e a área foliar, mas diminuiu significativamente a capacidade fotossintética, reduziu o conteúdo de Rubisco e a eficiência fotoquímica e aumentou significativamente a dissipação de calor.Pode-se observar que diferentes tipos de plantas respondem diferentemente à mesma qualidade de luz, mas comparadas com a luz monocromática, as plantas apresentam maior eficiência fotossintética e crescimento mais vigoroso no ambiente de luz mista.

Os pesquisadores têm feito muitas pesquisas sobre a otimização da combinação de qualidade de luz de mudas de hortaliças.Sob a mesma intensidade de luz, com o aumento da proporção de luz vermelha, a altura de planta e a massa fresca de mudas de tomate e pepino melhoraram significativamente, sendo o tratamento com proporção de vermelho para azul de 3:1 o melhor efeito;pelo contrário, uma alta proporção de luz azul inibiu o crescimento de mudas de tomate e pepino, que eram curtas e compactas, mas aumentou o teor de matéria seca e clorofila na parte aérea das mudas.Padrões semelhantes são observados em outras culturas, como pimentas e melancias.Além disso, em comparação com luz branca, luz vermelha e azul (R:B=3:1) não só melhorou significativamente a espessura da folha, teor de clorofila, eficiência fotossintética e eficiência de transferência de elétrons de mudas de tomate, mas também os níveis de expressão de enzimas relacionadas ao ciclo de Calvin, o crescimento do conteúdo vegetariano e o acúmulo de carboidratos também foram significativamente melhorados.Comparando as duas proporções de luz vermelha e azul (R:B=2:1, 4:1), uma proporção maior de luz azul foi mais propícia para induzir a formação de flores femininas em mudas de pepino e acelerou o tempo de floração das flores femininas .Embora diferentes proporções de luz vermelha e azul não tenham efeito significativo sobre o rendimento de massa fresca de mudas de couve, rúcula e mostarda, uma alta proporção de luz azul (30% de luz azul) reduziu significativamente o comprimento do hipocótilo e a área cotilédone da couve e mudas de mostarda, enquanto a cor do cotilédone se aprofundou.Portanto, na produção de mudas, um aumento adequado na proporção de luz azul pode encurtar significativamente o espaçamento dos nós e a área foliar das mudas de hortaliças, promover a extensão lateral das mudas e melhorar o índice de força das mudas, o que é propício para cultivo de mudas robustas.Sob a condição de que a intensidade de luz permanecesse inalterada, o aumento da luz verde em luz vermelha e azul melhorou significativamente a massa fresca, a área foliar e a altura da planta das mudas de pimentão.Em comparação com a lâmpada fluorescente branca tradicional, sob as condições de luz vermelho-verde-azul (R3:G2:B5), o Y[II], qP e ETR de mudas de 'Okagi No. 1 tomato' foram significativamente melhorados.A suplementação de luz UV (100 μmol/(m2•s) luz azul + 7% UV-A) para luz azul pura reduziu significativamente a velocidade de alongamento do caule de rúcula e mostarda, enquanto a suplementação de FR foi o oposto.Isso também mostra que, além da luz vermelha e azul, outras qualidades de luz também desempenham um papel importante no processo de crescimento e desenvolvimento das plantas.Embora nem a luz ultravioleta nem o FR sejam a fonte de energia da fotossíntese, ambos estão envolvidos na fotomorfogênese da planta.A luz ultravioleta de alta intensidade é prejudicial ao DNA e às proteínas das plantas, etc. No entanto, a luz ultravioleta ativa as respostas celulares ao estresse, causando alterações no crescimento, morfologia e desenvolvimento das plantas para se adaptar às mudanças ambientais.Estudos demonstraram que R/FR mais baixas induzem respostas de evitação de sombra nas plantas, resultando em alterações morfológicas nas plantas, como alongamento do caule, afinamento das folhas e redução da produção de matéria seca.Um caule fino não é uma boa característica de crescimento para o cultivo de mudas fortes.Para mudas de hortaliças folhosas e frutíferas em geral, mudas firmes, compactas e elásticas não são propensas a problemas durante o transporte e plantio.

O UV-A pode tornar as mudas de pepino mais curtas e compactas, e o rendimento após o transplante não é significativamente diferente do controle;enquanto o UV-B tem um efeito inibitório mais significativo e o efeito de redução do rendimento após o transplante não é significativo.Estudos anteriores sugeriram que o UV-A inibe o crescimento das plantas e as torna anãs.Mas há evidências crescentes de que a presença de UV-A, em vez de suprimir a biomassa da cultura, na verdade a promove.Em comparação com a luz vermelha e branca básica (R:W=2:3, PPFD é 250 μmol/(m2·s)), a intensidade suplementar na luz vermelha e branca é de 10 W/m2 (cerca de 10 μmol/(m2· s)) O UV-A da couve aumentou significativamente a biomassa, o comprimento do internódio, o diâmetro do caule e a largura da copa das mudas de couve, mas o efeito de promoção foi enfraquecido quando a intensidade do UV ultrapassou 10 W/m2.A suplementação diária de 2 h de UV-A (0,45 J/(m2•s)) pode aumentar significativamente a altura da planta, a área do cotilédone e o peso fresco das mudas de tomateiro 'Oxheart', enquanto reduz o teor de H2O2 das mudas de tomate.Pode-se observar que diferentes culturas respondem diferentemente à luz ultravioleta, o que pode estar relacionado à sensibilidade das culturas à luz ultravioleta.

Para cultivar mudas enxertadas, o comprimento do caule deve ser aumentado adequadamente para facilitar a enxertia do porta-enxerto.Diferentes intensidades de RF tiveram diferentes efeitos sobre o crescimento de mudas de tomate, pimentão, pepino, cabaça e melancia.A suplementação de 18,9 μmol/(m2•s) de FR em luz branca fria aumentou significativamente o comprimento do hipocótilo e o diâmetro do caule de mudas de tomate e pimentão;FR de 34,1 μmol/(m2•s) teve o melhor efeito na promoção do comprimento do hipocótilo e diâmetro do caule de mudas de pepino, cabaça e melancia;FR de alta intensidade (53,4 μmol/(m2•s)) teve o melhor efeito nesses cinco vegetais.O comprimento do hipocótilo e o diâmetro do caule das mudas não aumentaram mais significativamente, e passaram a apresentar uma tendência de queda.O peso fresco das mudas de pimenta diminuiu significativamente, indicando que os valores de saturação de FR das cinco mudas de hortaliças foram todos menores que 53,4 μmol/(m2•s), e o valor de FR foi significativamente menor que o de FR.Os efeitos sobre o crescimento de diferentes mudas de hortaliças também são diferentes.

2.2 Efeitos de Diferentes Integrais de Luz do Dia na Fotomorfogênese de Mudas Hortaliças

O Daylight Integral (DLI) representa a quantidade total de fótons fotossintéticos recebidos pela superfície da planta em um dia, que está relacionado com a intensidade luminosa e o tempo de luz.A fórmula de cálculo é DLI (mol/m2/dia) = intensidade de luz [μmol/(m2•s)] × tempo de luz diário (h) × 3600 × 10-6.Em um ambiente com baixa intensidade de luz, as plantas respondem ao ambiente de pouca luz alongando o comprimento do caule e do entrenó, aumentando a altura da planta, o comprimento do pecíolo e a área da folha e diminuindo a espessura da folha e a taxa fotossintética líquida.Com o aumento da intensidade de luz, exceto para mostarda, o comprimento do hipocótilo e o alongamento do caule de mudas de rúcula, repolho e couve sob a mesma qualidade de luz diminuíram significativamente.Pode-se observar que o efeito da luz no crescimento e na morfogênese das plantas está relacionado à intensidade luminosa e às espécies vegetais.Com o aumento do DLI (8,64~28,8 mol/m2/dia), as mudas de pepino tornaram-se curtas, fortes e compactas, e o peso específico da folha e o teor de clorofila diminuíram gradativamente.6 a 16 dias após a semeadura das mudas de pepino, as folhas e raízes secaram.O peso aumentou gradualmente e a taxa de crescimento acelerou gradualmente, mas 16 a 21 dias após a semeadura, a taxa de crescimento das folhas e raízes das mudas de pepino diminuiu significativamente.DLI aprimorado promoveu a taxa fotossintética líquida de mudas de pepino, mas depois de um certo valor, a taxa fotossintética líquida começou a declinar.Portanto, selecionar o DLI adequado e adotar diferentes estratégias de suplementação de luz em diferentes estágios de crescimento das mudas pode reduzir o consumo de energia.O teor de açúcar solúvel e enzima SOD em mudas de pepino e tomate aumentou com o aumento da intensidade DLI.Quando a intensidade DLI aumentou de 7,47 mol/m2/dia para 11,26 mol/m2/dia, o teor de açúcar solúvel e enzima SOD em mudas de pepino aumentou 81,03% e 55,5%, respectivamente.Nas mesmas condições DLI, com o aumento da intensidade de luz e o encurtamento do tempo de luz, a atividade PSII de mudas de tomate e pepino foi inibida, e a escolha de uma estratégia de luz suplementar de baixa intensidade luminosa e longa duração foi mais propícia ao cultivo de mudas altas índice e eficiência fotoquímica de mudas de pepino e tomate.

Na produção de mudas enxertadas, o ambiente de pouca luz pode acarretar na diminuição da qualidade das mudas enxertadas e no aumento do tempo de cicatrização.A intensidade de luz apropriada pode não apenas aumentar a capacidade de ligação do local de cicatrização enxertado e melhorar o índice de mudas fortes, mas também reduzir a posição do nó das flores femininas e aumentar o número de flores femininas.Nas fábricas de plantas, o DLI de 2,5-7,5 mol/m2/dia foi suficiente para atender às necessidades de cura das mudas enxertadas de tomate.A compacidade e a espessura foliar das mudas de tomate enxertadas aumentaram significativamente com o aumento da intensidade de DLI.Isso mostra que mudas enxertadas não requerem alta intensidade de luz para cicatrização.Portanto, levando em consideração o consumo de energia e o ambiente de plantio, a escolha de uma intensidade de luz adequada ajudará a melhorar os benefícios econômicos.

3. Efeitos do ambiente de luz LED na resistência ao estresse de mudas de hortaliças

As plantas recebem sinais externos de luz por meio de fotorreceptores, causando a síntese e o acúmulo de moléculas sinalizadoras na planta, alterando assim o crescimento e a função dos órgãos da planta e, finalmente, melhorando a resistência da planta ao estresse.Diferentes qualidades de luz têm um certo efeito de promoção na melhoria da tolerância ao frio e à salinidade das mudas.Por exemplo, quando mudas de tomate foram suplementadas com luz por 4 horas à noite, em comparação com o tratamento sem luz suplementar, luz branca, luz vermelha, luz azul e luz vermelha e azul podem reduzir a permeabilidade eletrolítica e o teor de MDA das mudas de tomate, e melhorar a tolerância ao frio.As atividades de SOD, POD e CAT nas mudas de tomate sob o tratamento de proporção 8:2 vermelho-azul foram significativamente maiores que as dos demais tratamentos, além de apresentarem maior capacidade antioxidante e tolerância ao frio.

O efeito do UV-B no crescimento da raiz da soja é principalmente melhorar a resistência da planta ao estresse, aumentando o teor de NO e ROS da raiz, incluindo moléculas de sinalização hormonal como ABA, SA e JA, e inibe o desenvolvimento da raiz, reduzindo o teor de IAA , CTK e GA.O fotorreceptor de UV-B, UVR8, não está apenas envolvido na regulação da fotomorfogênese, mas também desempenha um papel fundamental no estresse UV-B.Em mudas de tomate, UVR8 medeia a síntese e o acúmulo de antocianinas, e mudas de tomate selvagem aclimatadas a UV melhoram sua capacidade de lidar com o estresse UV-B de alta intensidade.No entanto, a adaptação do UV-B ao estresse hídrico induzido por Arabidopsis não depende da via UVR8, o que indica que o UV-B atua como uma resposta cruzada induzida por sinal dos mecanismos de defesa da planta, de modo que uma variedade de hormônios é conjuntamente envolvidos na resistência ao estresse hídrico, aumentando a capacidade de eliminação de ROS.

Tanto o alongamento do hipocótilo ou caule da planta causado pela FR quanto a adaptação das plantas ao estresse frio são regulados por hormônios vegetais.Portanto, o “efeito de evitar a sombra” causado pela RF está relacionado à adaptação das plantas ao frio.Os experimentadores suplementaram as mudas de cevada 18 dias após a germinação a 15°C por 10 dias, resfriando a 5°C + complementando FR por 7 dias e descobriram que, em comparação com o tratamento com luz branca, FR aumentou a resistência ao gelo das mudas de cevada.Este processo é acompanhado pelo aumento do teor de ABA e IAA nas mudas de cevada.A transferência subsequente de mudas de cevada pré-tratadas com FR a 15°C para 5°C e a suplementação contínua de FR por 7 dias resultou em resultados semelhantes aos dos dois tratamentos acima, mas com resposta ABA reduzida.Plantas com diferentes valores de R:FR controlam a biossíntese de fitohormônios (GA, IAA, CTK e ABA), que também estão envolvidos na tolerância da planta ao sal.Sob estresse salino, o ambiente de luz R:FR de baixa relação pode melhorar a capacidade antioxidante e fotossintética das mudas de tomate, reduzir a produção de ROS e MDA nas mudas e melhorar a tolerância ao sal.Tanto o estresse de salinidade quanto o baixo valor de R:FR (R:FR=0,8) inibiram a biossíntese da clorofila, o que pode estar relacionado à conversão bloqueada de PBG em UroIII na via de síntese da clorofila, enquanto o ambiente de baixo R:FR pode efetivamente aliviar a salinidade Estresse induzido por comprometimento da síntese de clorofila.Esses resultados indicam uma correlação significativa entre os fitocromos e a tolerância ao sal.

Além do ambiente de luz, outros fatores ambientais também afetam o crescimento e a qualidade das mudas de hortaliças.Por exemplo, o aumento da concentração de CO2 aumentará o valor máximo de saturação de luz Pn (Pnmax), reduzirá o ponto de compensação de luz e melhorará a eficiência de utilização da luz.O aumento da intensidade de luz e da concentração de CO2 ajuda a melhorar o teor de pigmentos fotossintéticos, a eficiência do uso da água e as atividades das enzimas relacionadas ao ciclo de Calvin e, finalmente, alcançar maior eficiência fotossintética e acúmulo de biomassa de mudas de tomate.O peso seco e a compacidade das mudas de tomate e pimentão foram positivamente correlacionados com DLI, e a mudança de temperatura também afetou o crescimento sob o mesmo tratamento DLI.O ambiente de 23~25℃ foi mais adequado para o crescimento de mudas de tomate.De acordo com as condições de temperatura e luz, os pesquisadores desenvolveram um método para prever a taxa de crescimento relativo da pimenta com base no modelo de distribuição bate, que pode fornecer orientação científica para a regulação ambiental da produção de mudas enxertadas de pimenta.

Portanto, ao projetar um esquema de regulação de luz na produção, não apenas fatores ambientais de luz e espécies de plantas devem ser considerados, mas também fatores de cultivo e manejo, como nutrição de mudas e manejo de água, ambiente gasoso, temperatura e estágio de crescimento de mudas.

4. Problemas e Perspectivas

Primeiro, a regulação da luz das mudas de hortaliças é um processo sofisticado, e os efeitos de diferentes condições de luz em diferentes tipos de mudas de hortaliças no ambiente da fábrica precisam ser analisados ​​em detalhes.Isso significa que, para atingir a meta de produção de mudas de alta eficiência e alta qualidade, é necessária uma exploração contínua para estabelecer um sistema técnico maduro.

Em segundo lugar, embora a taxa de utilização de energia da fonte de luz LED seja relativamente alta, o consumo de energia para iluminação das plantas é o principal consumo de energia para o cultivo de mudas com luz artificial.O enorme consumo de energia das fábricas ainda é o gargalo que restringe o desenvolvimento das fábricas.

Finalmente, com a ampla aplicação da iluminação de plantas na agricultura, espera-se que o custo das luzes de plantas LED seja bastante reduzido no futuro;pelo contrário, o aumento do custo da mão de obra, principalmente na era pós-epidêmica, a falta de mão de obra está fadada a promover o processo de mecanização e automação da produção.No futuro, modelos de controle baseados em inteligência artificial e equipamentos de produção inteligentes se tornarão uma das principais tecnologias para a produção de mudas de hortaliças e continuarão a promover o desenvolvimento da tecnologia de mudas de plantas.

Autores: Jiehui Tan, Houcheng Liu
Fonte do artigo: Conta Wechat de Tecnologia de Engenharia Agrícola (horticultura com efeito de estufa)


Horário de postagem: 22 de fevereiro de 2022