초록: 채소 묘목은 채소 생산의 첫 번째 단계이며 묘목의 품질은 식재 후 채소의 수확량과 품질에 매우 중요합니다.야채 산업의 분업이 지속적으로 개선됨에 따라 야채 묘목은 점차 독립적인 산업 체인을 형성하고 야채 생산에 사용되었습니다.악천후의 영향을 받아 전통적인 묘목 방법은 필연적으로 묘목의 느린 성장, 다리 성장, 해충 및 질병과 같은 많은 문제에 직면합니다.다리가 긴 묘목을 다루기 위해 많은 상업용 재배자는 성장 조절제를 사용합니다.그러나 성장 조절제를 사용하면 묘목 경직성, 식품 안전 및 환경 오염의 위험이 있습니다.화학적 제어 방법 외에도 기계적 자극, 온도 및 물 제어도 묘목의 다리 성장을 방지하는 역할을 할 수 있지만 편의성과 효율성이 약간 떨어집니다.전 세계 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)의 영향으로 묘목 업계의 노동력 부족과 인건비 상승으로 인한 생산 관리 어려움 문제가 더욱 두드러졌다.

조명 기술의 발달로 채소 묘목 재배에 인공 조명을 사용하면 묘목 효율이 높고 병해충이 적으며 표준화가 용이한 장점이 있다.전통적인 광원과 비교하여 차세대 LED 광원은 에너지 절약, 고효율, 긴 수명, 환경 보호 및 내구성, 작은 크기, 낮은 열 복사 및 작은 파장 진폭의 특성을 가지고 있습니다.식물 공장 환경에서 묘목의 생육 요구에 따라 적절한 스펙트럼을 형성하고 묘목의 생리 및 대사 과정을 정확하게 제어하는 ​​동시에 무공해, 표준화 및 신속한 채소 묘목 생산에 기여할 수 있습니다. , 묘목주기를 단축합니다.중국 남부에서는 비닐하우스에서 고추와 토마토 모종(본엽 3~4장)을 재배하는 데 약 60일, 오이 모종(본잎 3~5장)은 약 35일이 걸린다.식물 공장 조건에서 광주기 20시간, PPF 200-300 μmol/(m2•s) 조건에서 토마토 묘목을 재배하는 데는 17일, 후추 묘목은 25일밖에 걸리지 않습니다.온실에서 기존의 묘목재배법과 비교하여 LED 식물공장 묘목재배법의 사용은 오이 생장주기를 15~30일로 현저히 단축시켰고, 한그루당 암꽃과 열매수는 각각 33.8%, 37.3% 증가하였다. , 및 최고 수율이 각각 71.44% 증가했습니다.

에너지 이용 효율 측면에서 식물공장의 에너지 이용 효율은 같은 위도의 벤로형 온실보다 높다.예를 들어, 스웨덴 식물 공장에서는 건조 상추 1kg을 생산하는 데 1411MJ가 필요한 반면 온실에서는 1699MJ가 필요합니다.그러나 상추 건조물 1kg당 소요되는 전력을 계산하면 식물공장은 건조중량 1kg의 상추를 생산하기 위해 247kW·h가 필요하고 스웨덴, 네덜란드, 아랍에미리트의 온실은 182kW·h가 필요하다. h, 70kW·h, 111kWh·각각.

동시에 식물 공장에서는 컴퓨터, 자동 장비, 인공 지능 및 기타 기술을 사용하여 묘목 재배에 적합한 환경 조건을 정확하게 제어하고 자연 환경 조건의 한계를 없애고 지능화를 실현할 수 있습니다. 묘목 생산의 기계화되고 연간 안정적인 생산.최근 몇 년 동안 식물 공장 묘목은 일본, 한국, 유럽, 미국 및 기타 국가에서 잎이 많은 채소, 과일 채소 및 기타 경제 작물의 상업적 생산에 사용되었습니다.식물 공장의 높은 초기 투자, 높은 운영 비용 및 막대한 시스템 에너지 소비는 여전히 중국 식물 공장에서 묘목 재배 기술의 홍보를 제한하는 병목 현상입니다.따라서 광관리 전략, 채소 생장 모델 구축, 자동화 설비 등의 측면에서 고수율 및 에너지 절약 등의 요구사항을 고려하여 경제성을 향상시킬 필요가 있다.

이 기사에서는 식물 공장에서 채소 묘목의 광 조절에 대한 연구 방향의 전망과 함께 최근 몇 년 동안 식물 공장에서 채소 묘목의 성장 및 발달에 대한 LED 조명 환경의 영향을 검토합니다.

1. 빛환경이 채소묘의 생육에 미치는 영향

빛은 식물의 생장과 발달에 필수적인 환경요인 중 하나로 식물이 광합성을 하기 위한 에너지원일 뿐만 아니라 식물의 광형성에 영향을 미치는 핵심 신호이기도 하다.식물은 광신호체계를 통해 신호의 방향, 에너지, 광질을 감지하고 스스로 생장과 발달을 조절하며 빛의 유무, 파장, 세기, 지속시간에 반응한다.현재 알려진 식물 광수용체는 적어도 3개의 부류를 포함한다: 적색광과 원적외선(FR)을 감지하는 피토크롬(PHYA~PHYE), 청색과 자외선 A를 감지하는 크립토크롬(CRY1 및 CRY2), 요소(Phot1 및 Phot2), UV-B를 감지하는 UV-B 수용체 UVR8.이러한 광수용체는 관련 유전자의 발현에 참여하고 조절한 다음 식물 종자 발아, 광형성, 개화 시기, 2차 대사 산물의 합성 및 축적, 생물학적 및 비생물적 스트레스에 대한 내성과 같은 생명 활동을 조절합니다.

2. LED조명 환경이 채소묘의 광형성에 미치는 영향

2.1 광질에 따른 채소 묘목의 광형성에 미치는 영향

스펙트럼의 적색 및 청색 영역은 식물 잎 광합성에 대해 높은 양자 효율을 나타냅니다.그러나 오이 잎이 순수한 적색광에 장기간 노출되면 광 시스템이 손상되어 기공 반응 저하, 광합성 능력 및 질소 사용 효율 감소, 성장 지연과 같은 "적색광 증후군" 현상이 발생합니다.낮은 조도(100±5 μmol/(m2•s)) 조건에서 순수한 적색광은 오이의 어린 잎과 성숙한 잎의 엽록체를 손상시킬 수 있지만 손상된 엽록체는 순수한 적색광에서 변경한 후 복구되었습니다. 빨간색과 파란색 빛(R:B= 7:3).반대로 오이 식물체는 적청광 환경에서 순수한 적색광 환경으로 전환했을 때 광합성 효율이 크게 감소하지 않아 적색광 환경에 대한 적응성을 보였다.실험자들은 "적색광 증후군"이 있는 오이 묘목의 잎 구조에 대한 전자현미경 분석을 통해 순수한 적색광 아래에서 잎의 엽록체 수, 전분 과립의 크기 및 그라나 두께가 백색광 치료.청색광의 개입은 오이 엽록체의 미세 구조 및 광합성 특성을 개선하고 영양분의 과도한 축적을 제거합니다.백색광과 적색 및 청색광에 비해 순수한 적색광은 토마토 묘목의 배축 신장 및 자엽 확장을 촉진하고 식물 높이와 잎 면적을 크게 증가시켰지만 광합성 능력을 크게 감소시켰고 Rubisco 함량과 광화학적 효율을 감소시켰으며 열 소산을 크게 증가시켰습니다.같은 빛의 질에 대해 식물의 종류에 따라 반응이 다르게 나타나는 것을 볼 수 있지만, 단색광에 비해 혼합광 환경에서 식물의 광합성 효율이 높고 생육이 왕성하다.

연구원들은 채소 묘목의 광질 조합의 최적화에 대해 많은 연구를 했습니다.동일한 광도에서 적색광의 비율이 증가함에 따라 토마토와 오이 묘목의 식물 키와 생중량이 크게 개선되었으며 적색과 청색의 비율을 3:1로 처리한 처리가 가장 좋은 효과를 나타냈습니다.반대로 높은 비율의 블루라이트는 키가 작고 콤팩트한 토마토와 오이 묘목의 생육을 억제했지만 묘목의 새싹에 건조물과 엽록소 함량을 높였다.고추와 수박과 같은 다른 작물에서도 유사한 패턴이 관찰됩니다.또한 백색광과 비교하여 적색광과 청색광(R:B=3:1)은 토마토 묘목의 잎 두께, 엽록소 함량, 광합성 효율 및 전자 전달 효율을 크게 향상시켰을 뿐만 아니라 관련 효소의 발현 수준도 향상시켰습니다. 캘빈 주기에 따라 성장 채식주의자 함량과 탄수화물 축적도 크게 개선되었습니다.적색광과 청색광의 두 가지 비율(R:B=2:1, 4:1)을 비교하면, 청색광의 비율이 높을수록 오이 묘목에서 암꽃 형성을 유도하는 데 도움이 되고 암꽃 개화 시기를 가속화하는 것으로 나타났습니다. .적색광과 청색광의 다른 비율은 케일, 아루굴라, 겨자 묘목의 생중량 수율에 큰 영향을 미치지 않았지만, 높은 비율의 청색광(30% 청색광)은 케일의 배축 길이와 자엽 면적을 크게 줄였습니다. 겨자 모종, 떡잎 색깔이 짙어지는 동안.따라서 묘목 생산에서 청색광의 비율을 적절하게 증가시키면 채소 묘목의 마디 간격과 잎 면적을 크게 단축하고 묘목의 측면 확장을 촉진하며 묘목 강도 지수를 향상시켜 튼튼한 묘목을 재배합니다.빛의 강도가 변하지 않은 상태에서 적색광과 청색광의 녹색광 증가는 단고추 묘목의 생중량, 잎 면적 및 식물 높이를 크게 개선했습니다.기존의 백색 형광등과 비교하여 적녹청(R3:G2:B5) 조명 조건에서 '오카기 1호 토마토' 묘목의 Y[II], qP 및 ETR이 크게 개선되었습니다.순수한 청색광에 UV 광(100 μmol/(m2•s) 청색광 + 7% UV-A)을 보충하면 아루굴라와 머스타드의 줄기 신장 속도가 크게 감소한 반면, FR의 보충은 그 반대였습니다.이것은 또한 적색광과 청색광 외에 다른 광질도 식물 성장 및 발달 과정에서 중요한 역할을 한다는 것을 보여줍니다.자외선이나 FR 모두 광합성의 에너지원은 아니지만 둘 다 식물의 광형성에 관여합니다.고강도 자외선은 식물의 DNA, 단백질 등에 해롭다. 그러나 자외선은 세포의 스트레스 반응을 활성화시켜 환경변화에 적응하기 위해 식물의 생장, 형태, 발육에 변화를 일으킨다.연구에 따르면 낮은 R/FR은 식물의 그늘 회피 반응을 유도하여 줄기 신장, 잎 가늘어짐 및 건물 수율 감소와 같은 식물의 형태학적 변화를 초래합니다.가느다란 줄기는 강한 묘목을 키우기 위한 좋은 성장 특성이 아닙니다.일반 잎채소 및 과채류 묘목의 경우 단단하고 콤팩트하며 탄력 있는 묘목은 운송 및 식재 중에 문제가 발생하지 않습니다.

UV-A는 오이 묘목을 더 짧고 콤팩트하게 만들 수 있으며 이식 후 수확량은 대조군과 크게 다르지 않습니다.UV-B는 억제 효과가 더 크며 이식 후 수확량 감소 효과는 크지 않습니다.이전 연구에서는 UV-A가 식물 성장을 억제하고 식물을 왜소하게 만든다고 제안했습니다.그러나 UV-A의 존재가 작물 바이오매스를 억제하는 대신 실제로 이를 촉진한다는 증거가 늘어나고 있습니다.기본 적색 및 백색광(R:W=2:3, PPFD는 250 μmol/(m2·s))과 비교하여 적색 및 백색광의 보조 강도는 10 W/m2(약 10 μmol/(m2· s)) 케일의 UV-A는 케일 유묘의 바이오매스, 절간 길이, 줄기 직경 및 수관 폭을 유의하게 증가시켰으나, UV 강도가 10 W/m2를 초과하면 촉진 효과가 약화되었다.매일 2시간 UV-A 보충(0.45 J/(m2•s))은 'Oxheart' 토마토 묘목의 식물 높이, 자엽 면적 및 신선한 무게를 크게 증가시키는 동시에 토마토 묘목의 H2O2 함량을 감소시킬 수 있습니다.서로 다른 작물이 자외선에 다르게 반응한다는 것을 알 수 있으며, 이는 자외선에 대한 작물의 민감도와 관련이 있을 수 있습니다.

접목묘를 재배하기 위해서는 대목 접목이 용이하도록 줄기의 길이를 적절히 늘려야 한다.FR의 다른 강도는 토마토, 후추, 오이, 박 및 수박 묘목의 성장에 다른 영향을 미쳤습니다.차가운 백색광에서 18.9 μmol/(m2•s)의 FR을 보충하면 토마토와 후추 묘목의 하배축 길이와 줄기 직경이 크게 증가했습니다.34.1 μmol/(m2•s)의 FR은 오이, 박 및 수박 묘목의 배축 길이와 줄기 직경을 촉진하는 데 가장 큰 영향을 미쳤습니다.고강도 FR(53.4 μmol/(m2•s))은 이 다섯 가지 채소에 가장 좋은 영향을 미쳤습니다.묘목의 하배축 길이와 줄기 직경은 더 이상 크게 증가하지 않고 하향 추세를 보이기 시작했습니다.고추 묘목의 생중량이 유의하게 감소하여 5개 채소 묘목의 FR 포화도 값이 모두 53.4 μmol/(m2•s) 미만이었고 FR 값이 FR보다 현저히 낮았다.다른 채소 묘목의 성장에 미치는 영향도 다릅니다.

2.2 채소 묘목의 광형성에 대한 일광 적분의 영향

DLI(Daylight Integral)는 하루에 식물 표면에서 받는 광합성 광자의 총량을 나타내며, 이는 광도 및 조명 시간과 관련이 있습니다.계산 공식은 DLI(mol/m2/day) = 광도 [μmol/(m2•s)] × 일광 시간(h) × 3600 × 10-6입니다.조도가 낮은 환경에서 식물은 줄기와 절간 길이를 늘리고 식물 높이, 잎자루 길이 및 잎 면적을 늘리고 잎 두께와 순 광합성률을 감소시켜 낮은 조도 환경에 반응합니다.겨자를 제외하고 빛의 강도가 증가함에 따라 동일한 광질에서 아루굴라, 양배추 및 케일 묘목의 배축 길이와 줄기 신장이 크게 감소했습니다.식물 성장과 형태 형성에 대한 빛의 영향은 빛의 강도와 식물 종과 관련이 있음을 알 수 있습니다.DLI(8.64~28.8 mol/m2/day)가 증가함에 따라 오이 유묘의 식물형은 짧고 강하며 조밀해졌으며 잎의 비중과 엽록소 함량은 점차 감소하였다.오이 모종 파종 6~16일 후 잎과 뿌리가 말라 버렸다.체중은 점차 증가하고 생장속도는 점차 빨라지나 파종 후 16~21일이 지나면서 오이 묘목의 잎과 뿌리의 생장률이 현저히 감소하였다.향상된 DLI는 오이 묘목의 순 광합성률을 촉진했지만 일정 값 이후에는 순 광합성률이 감소하기 시작했습니다.따라서 묘목의 다양한 성장 단계에서 적절한 DLI를 선택하고 다양한 보조 조명 전략을 채택하면 전력 소비를 줄일 수 있습니다.오이와 토마토 묘목의 가용성 당과 SOD 효소의 함량은 DLI 강도가 증가함에 따라 증가하였다.DLI 강도가 7.47 mol/m2/day에서 11.26 mol/m2/day로 증가할 때 오이 유묘의 수용성 당과 SOD 효소의 함량은 각각 81.03%와 55.5% 증가했습니다.동일한 DLI 조건에서 빛의 강도가 증가하고 빛의 시간이 짧아짐에 따라 토마토와 오이 묘목의 광계 II 활동이 억제되었으며, 낮은 빛의 강도와 긴 지속 시간의 보조광 전략을 선택하는 것이 높은 묘목 재배에 더 도움이 되었습니다. 오이와 토마토 묘목의 지수 및 광화학적 효율.

접목묘의 생산에 있어 저조도 환경은 접목묘의 품질저하 및 치유시간의 증가로 이어질 수 있다.적절한 빛의 강도는 접목된 치유 부위의 결합 능력을 향상시키고 강한 묘목의 지표를 향상시킬 뿐만 아니라 암꽃의 마디 위치를 줄이고 암꽃의 수를 증가시킬 수 있습니다.식물 공장에서 2.5-7.5 mol/m2/day의 DLI는 토마토 접목 묘목의 치유 요구를 충족시키기에 충분했습니다.접목된 토마토 묘목의 밀도와 잎 두께는 DLI 강도가 증가함에 따라 크게 증가했습니다.이것은 접목된 묘목이 치유를 위해 높은 광도를 필요로 하지 않는다는 것을 보여줍니다.따라서 소비전력과 식재환경을 고려하여 적절한 조도를 선택하면 경제적 효과를 높일 수 있다.

3. LED 조명 환경이 채소 묘목의 스트레스 저항성에 미치는 영향

식물은 광수용체를 통해 외부의 빛 신호를 받아 식물 내에서 신호 분자의 합성과 축적을 일으켜 식물 기관의 성장과 기능을 변화시키고 궁극적으로 스트레스에 대한 식물의 저항력을 향상시킨다.다른 광질은 묘목의 내한성 및 내염성 개선에 일정한 촉진 효과가 있습니다.예를 들어, 토마토 묘목에 야간 4시간 동안 빛을 보충하였을 때, 보충광이 없는 처리에 비해 백색광, 적색광, 청색광, 적색광 및 청색광은 토마토 묘목의 전해질 투과도 및 MDA 함량을 감소시킬 수 있었으며, 내한성을 향상시킵니다.적청비를 8:2로 처리한 토마토 묘목에서 SOD, POD, CAT의 활성은 다른 처리에 비해 유의하게 높았으며 항산화능과 내한성이 높았다.

콩 뿌리 생장에 대한 UV-B의 영향은 주로 ABA, SA, JA와 같은 호르몬 신호 분자를 포함한 뿌리 NO 및 ROS 함량을 증가시켜 식물 스트레스 저항성을 개선하고 IAA 함량을 감소시켜 뿌리 발달을 억제하는 것입니다. , CTK 및 GA.UV-B의 광수용체인 UVR8은 광형성 조절에 관여할 뿐만 아니라 UV-B 스트레스에 중요한 역할을 합니다.토마토 묘목에서 UVR8은 안토시아닌의 합성 및 축적을 매개하며, UV에 적응된 야생 토마토 묘목은 고강도 UV-B 스트레스에 대처하는 능력을 향상시킵니다.그러나 애기장대에 의해 유발된 가뭄 스트레스에 대한 UV-B의 적응은 UVR8 경로에 의존하지 않으며, 이는 UV-B가 식물 방어 메커니즘의 신호 유도 교차 반응으로 작용하여 다양한 호르몬이 공동으로 작용함을 나타냅니다. 가뭄 스트레스에 저항하고 ROS 소거 능력을 높이는 데 관여합니다.

FR로 인한 식물 배축 또는 줄기의 신장과 저온 스트레스에 대한 식물의 적응은 모두 식물 호르몬에 의해 조절됩니다.따라서 FR에 의한 "음지 회피 효과"는 식물의 한랭 적응과 관련이 있다.실험자들은 발아 18일 후 보리 유묘를 15°C에서 10일 동안 보충하고, 5°C로 냉각 + FR을 7일 동안 보충하였으며, 백색광 처리와 비교하여 FR이 보리 유묘의 내동성을 강화함을 발견하였다.이 과정은 보리 묘목에서 증가된 ABA 및 IAA 함량을 동반합니다.15°C FR 전처리된 보리 묘목을 5°C로 옮기고 7일 동안 계속 FR을 보충하면 위의 두 처리와 유사한 결과가 나왔지만 ABA 반응은 감소했습니다.R:FR 값이 다른 식물은 식물 내염에도 관여하는 식물 호르몬(GA, IAA, CTK 및 ABA)의 생합성을 조절합니다.염 스트레스 하에서 낮은 비율의 R:FR 빛 환경은 토마토 묘목의 항산화 및 광합성 능력을 향상시키고 묘목에서 ROS 및 MDA 생산을 감소시키며 염 내성을 향상시킬 수 있습니다.염분 스트레스와 낮은 R:FR 값(R:FR=0.8)은 모두 엽록소 합성 경로에서 PBG의 UroIII로의 차단된 전환과 관련될 수 있는 엽록소의 생합성을 억제하는 반면, 낮은 R:FR 환경은 효과적으로 완화할 수 있습니다. 염분 스트레스로 인한 엽록소 합성 장애.이러한 결과는 피토크롬과 염분 내성 사이에 상당한 상관관계가 있음을 나타냅니다.

밝은 환경 외에도 다른 환경 요인도 채소 묘목의 성장과 품질에 영향을 미칩니다.예를 들어, CO2 농도의 증가는 광포화 최대값 Pn(Pnmax)을 증가시키고, 광 보상 포인트를 감소시키며, 광 이용 효율을 향상시킨다.빛의 강도와 CO2 농도의 증가는 광합성 색소의 함량, 물 사용 효율 및 캘빈 회로와 관련된 효소의 활성을 개선하는 데 도움이 되며, 최종적으로 토마토 묘목의 더 높은 광합성 효율과 바이오매스 축적을 달성합니다.토마토와 고추 묘목의 건조 중량과 밀도는 DLI와 양의 상관관계가 있었고, 온도의 변화도 동일한 DLI 처리 하에서 성장에 영향을 미쳤다.23~25℃의 환경이 토마토 묘목의 생육에 더 적합하였다.연구진은 온도와 빛 조건에 따라 베이트 분포 모델을 기반으로 고추의 상대적인 성장률을 예측하는 방법을 개발했으며, 이는 고추 접목 묘목 생산의 환경 규제에 대한 과학적 지침을 제공할 수 있습니다.

따라서 생산 시 광조절 방안을 설계할 때 광환경 요인과 식물종뿐만 아니라 묘목 영양 및 물관리, 가스환경, 온도, 묘목 생장단계 등의 재배 및 관리요인도 함께 고려되어야 한다.

4. 문제점 및 전망

첫째, 채소 묘목의 광 조절은 정교한 과정이며 식물 공장 환경에서 다양한 유형의 채소 묘목에 대한 다양한 조명 조건의 영향을 자세히 분석해야 합니다.이는 고효율, 고품질 묘목 생산이라는 목표를 달성하기 위해서는 성숙한 기술 시스템을 구축하기 위한 지속적인 탐색이 필요함을 의미합니다.

둘째, LED 광원의 전력 이용률은 상대적으로 높지만 인공조명을 이용한 묘목 재배를 위한 식물조명의 전력소모가 주된 에너지소모이다.식물공장의 막대한 에너지 소비는 여전히 식물공장의 발전을 제약하는 병목현상이다.

마지막으로, 농업 분야에서 식물 조명이 광범위하게 적용됨에 따라 LED 식물 조명의 비용은 향후 크게 감소할 것으로 예상됩니다.반대로 노동 비용의 증가, 특히 전염병 이후 시대에 노동력 부족은 생산의 기계화 및 자동화 과정을 촉진할 수밖에 없습니다.앞으로 인공지능 기반 제어 모델과 지능형 생산 장비는 채소 묘목 생산의 핵심 기술 중 하나가 될 것이며, 식물 공장 묘목 기술 개발을 지속적으로 추진할 것입니다.

저자: Jiehui Tan, Houcheng Liu
기사 출처: 농업 공학 기술(온실 원예)의 Wechat 계정