生菜光抑制及光诱导特性对红蓝闪烁激光响应机制

Energy consumption of light source is one of the major limitations for artificial light cultivation. As an innovative cultivation method, red and blue laser initiated flashlight with high energy utilization efficiency was introduced to illuminate the plants, achieved remarkable energy saving effect. However, the mechanism of red and blue flashing laser on the regulation of photosynthesis has not been investigated. This project intends to start from studying the effects of different intensity, frequency and light/dark ratio of red and blue flashing light on the characteristics of photoinhibition and the light protection mechanism, combined with the effect on photosynthetic pigment content and microstructure of the leaves. Thereafter, finding out the response mechanism of photosynthetic induction to different flashlight parameters by studying the plant photosynthetic induction curve, as well as the quantitative analysis of the absorption, utilization and distribution on light energy. With previous research results, the flash parameters of maximum photosynthetic rate and energy saving potential were proved. This study will be helpful to deeply understand the physiological nature of flash light regulation of plant photosynthesis, and provide theory evidence and technical support for optimizing the application of high efficient plant production under artificial light cultivation environment.

光源能耗是人工光栽培的重要限制因子。申请人前期研究发现红、蓝扫描激光束（闪光）能够以极低的能耗实现生菜人工光栽培，节能效果明显。但红蓝闪烁激光对光合作用各主要因子的影响及其调控机制尚不清楚。本项目拟从不同强度、频率、光暗期占空比的红蓝闪光对植物光抑制特征的影响入手，结合叶片形态结构与植物光合色素参数，探明光保护机制及能够引起最大光合速率与节能潜力的闪光参数；其次，通过研究不同参数闪光下光合诱导速率及其光能吸收、利用、分配机制，探讨光诱导规律及光合机构对闪光的响应机理，提出改善植株光合作用的闪烁激光优化参数。本研究将有助于深入了解闪光调控植物光合作用的生理机制，为人工光环境下植物高效生产与节能降耗提供理论依据和技术支撑。

针对植物工厂中光源能耗大，运行成本高的问题，结合前人研究发现的高强度闪光照射能够在低能耗下保证光合效率这一光合特性，创造性地提出了“激光闪烁高效节能栽培”思路，通过激光闪烁发散装置将光合效率较高的红蓝高能激光束均匀地分散在植物冠层进行栽培，探究把激光的高能量密度优势与闪烁光方法结合起来用于蔬菜人工光栽培的效果和可行性。.主要研究内容包括“激光闪烁高效节能栽培”系统构建；闪烁激光水培生菜栽培试验及能效分析评价；激光闪烁高效节能栽培系统光学模拟及分析。.通过上述研究，成功构建了基于闪烁激光的栽培系统一套，采用红、蓝激光二极管阵列模组为光源，输出功率均为4000mW，出口处光斑大小分别为3.7×2.9mm和6×7mm。通过其配套电源，可对输出的激光功率进行实时的调节和控制。自主研发基于光学原理的激光发散扫描运动系统及其控制装置，实现对激光的扫描频率、扫描面积进行控制。.使用该套系统进行了闪烁激光水培生菜栽培试验。发现激光照射下的生菜地上部鲜重为4.33克，较LED的11.9克低63.6%；激光栽培的叶面积为131.2 cm2，显著低于LED对照的287.9cm2 ，降幅达到54.4%；激光栽培条件下，其叶片数、叶宽、根长分别为 11.5，4.4cm和22.83cm，比LED对照分别低19.3%，39.7%和15.6%。电能利用率方面，激光栽培为 5.1g·kWh-1，显著低于LED对照的20g·kWh-1。即激光闪烁栽培系统能够维持植物的生长，但其等当量连续光强仍然较低，需要进一步研究其光能分布模式。.开展了系统光学模拟分析及优化研究研究。对现有一字镜、反光镜等光学组件参数，红蓝激光在上述光路中透射与折射特性进行了模拟与分析，待进一步确定装置优化参数。.该研究首次尝试将高能激光束应用于植物栽培领域，确认了使用激光进行植物栽培的可行性；研发了激光发散装置并对其光学特征进行了模拟和优化。该研究和取得的结果可以为设施人工光栽培及补光提供一个新的研究方向，在植物工厂节能光源研发、温室定向高效补光灯研发应用等领域具有指导意义。