Wstęp

Światło odgrywa kluczową rolę w procesie wzrostu roślin. Jest najlepszym nawozem, który wspomaga wchłanianie chlorofilu przez rośliny i przyswajanie różnych substancji odżywczych, takich jak karoten. Jednak decydującym czynnikiem warunkującym wzrost roślin jest czynnik kompleksowy, związany nie tylko ze światłem, ale również nierozerwalnie związany z konfiguracją wody, gleby i nawozów, warunkami środowiska wzrostu oraz kompleksową kontrolą techniczną.

W ciągu ostatnich dwóch, trzech lat pojawiło się mnóstwo doniesień na temat zastosowania technologii oświetlenia półprzewodnikowego w trójwymiarowych fabrykach roślin lub w procesie wzrostu roślin. Jednak po uważnej lekturze zawsze pojawia się pewien niepokój. Ogólnie rzecz biorąc, nie ma prawdziwego zrozumienia, jaką rolę światło powinno odgrywać we wzroście roślin.

Najpierw przyjrzyjmy się widmu słonecznemu, jak pokazano na rysunku 1. Widać, że widmo słoneczne jest widmem ciągłym, w którym widmo niebieskie i zielone jest silniejsze niż widmo czerwone, a widmo światła widzialnego mieści się w zakresie od 380 do 780 nm. Wzrost organizmów w przyrodzie jest związany z intensywnością widma. Na przykład większość roślin w okolicach równika rośnie bardzo szybko, a jednocześnie ich rozmiary są stosunkowo duże. Jednak wysokie natężenie promieniowania słonecznego nie zawsze jest lepsze i istnieje pewien stopień selektywności w stosunku do wzrostu zwierząt i roślin.

Rysunek 1. Charakterystyka widma słonecznego i widma światła widzialnego

Po drugie, drugi wykres widma kilku kluczowych elementów absorpcji wzrostu roślin pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Widma absorpcyjne kilku auksyn w procesie wzrostu roślin

Z rysunku 2 wynika, że ​​widma absorpcji światła kilku kluczowych auksyn wpływających na wzrost roślin znacząco się różnią. Dlatego zastosowanie oświetlenia LED do wzrostu roślin nie jest sprawą prostą, ale bardzo ukierunkowaną. W tym miejscu konieczne jest wprowadzenie pojęć dotyczących dwóch najważniejszych fotosyntetycznych czynników wzrostu roślin.

• Chlorofil

Chlorofil jest jednym z najważniejszych pigmentów związanych z fotosyntezą. Występuje we wszystkich organizmach zdolnych do fotosyntezy, w tym roślinach zielonych, prokariotycznych sinicach (cyjanobakteriach) i eukariotycznych glonach. Chlorofil absorbuje energię świetlną, która następnie jest wykorzystywana do przekształcania dwutlenku węgla w węglowodany.

Chlorofil a absorbuje głównie światło czerwone, a chlorofil b – głównie niebiesko-fioletowe, co pozwala odróżnić rośliny cieniolubne od słonecznych. Stosunek chlorofilu b do chlorofilu a w roślinach cieniolubnych jest niewielki, dlatego rośliny cieniolubne mogą silnie wykorzystywać światło niebieskie i adaptować się do wzrostu w cieniu. Chlorofil a jest niebieskozielony, a chlorofil b żółtozielony. Istnieją dwa silne sposoby absorpcji chlorofilu a i chlorofilu b: jeden w obszarze czerwonym o długości fali 630–680 nm, a drugi w obszarze niebiesko-fioletowym o długości fali 400–460 nm.

• Karotenoidy

Karotenoidy to ogólne określenie klasy ważnych naturalnych pigmentów, powszechnie występujących w żółtych, pomarańczowoczerwonych i czerwonych pigmentach u zwierząt, roślin wyższych, grzybów i glonów. Do tej pory odkryto ponad 600 naturalnych karotenoidów.

Absorpcja światła przez karotenoidy obejmuje zakres OD303~505 nm, który nadaje kolor żywności i wpływa na jej przyswajanie przez organizm. W algach, roślinach i mikroorganizmach barwa ta jest przykryta chlorofilem i nie może się ujawnić. W komórkach roślinnych wytwarzane karotenoidy nie tylko absorbują i przekazują energię, wspomagając fotosyntezę, ale także chronią komórki przed zniszczeniem przez wzbudzone wiązania jednoelektronowe cząsteczek tlenu.

Kilka nieporozumień koncepcyjnych

Niezależnie od efektu energooszczędności, selektywności światła i jego koordynacji, oświetlenie półprzewodnikowe wykazało ogromne zalety. Jednak gwałtowny rozwój w ciągu ostatnich dwóch lat doprowadził do powstania wielu nieporozumień w projektowaniu i stosowaniu oświetlenia, które znajdują odzwierciedlenie głównie w poniższych aspektach.

①Jeśli czerwone i niebieskie pasma o określonej długości fali zostaną połączone w odpowiednim stosunku, można je wykorzystać w uprawie roślin, np. stosunek czerwonego do niebieskiego wynosi 4:1, 6:1, 9:1 i tak dalej.

② Jeśli jest to światło białe, może zastąpić światło słoneczne, np. szeroko stosowane w Japonii trójpodstawowe świetlówki z białym światłem. Wykorzystanie tych widm ma pewien wpływ na wzrost roślin, ale efekt nie jest tak dobry, jak w przypadku źródła światła LED.

③Dopóki PPFD (gęstość strumienia kwantowego światła), ważny parametr oświetlenia, osiąga określony wskaźnik, na przykład PPFD jest większe niż 200 μmol·m-2·s-1. Używając tego wskaźnika, należy jednak zwrócić uwagę na to, czy roślina jest rośliną cieniolubną, czy słoneczną. Należy sprawdzić lub znaleźć punkt nasycenia kompensacji światła tych roślin, zwany również punktem kompensacji światła. W praktyce sadzonki często ulegają spaleniu lub uschnięciu. Dlatego projekt tego parametru musi być dostosowany do gatunku rośliny, środowiska i warunków wzrostu.

Odnośnie pierwszego aspektu, przedstawionego we wstępie, widmo wymagane do wzrostu roślin powinno być widmem ciągłym o określonej szerokości rozkładu. Oczywiste jest, że niewłaściwe jest stosowanie źródła światła składającego się z dwóch chipów o określonej długości fali – czerwonego i niebieskiego – o bardzo wąskim widmie (jak pokazano na rysunku 3(a)). W eksperymentach stwierdzono, że rośliny mają tendencję do żółtawego koloru, łodygi liści są bardzo jasne, a łodygi liści są bardzo cienkie.

W przypadku świetlówek fluorescencyjnych z trzema kolorami podstawowymi, powszechnie stosowanych w poprzednich latach, pomimo syntezy bieli, widma czerwone, zielone i niebieskie są rozdzielone (jak pokazano na rysunku 3(b)), a szerokość widma jest bardzo wąska. Intensywność widmowa kolejnej części ciągłej jest stosunkowo niska, a moc jest nadal stosunkowo duża w porównaniu z diodami LED, 1,5 do 3 razy większa niż zużycie energii. W związku z tym efekt użytkowania nie jest tak dobry, jak w przypadku diod LED.

Rysunek 3. Czerwone i niebieskie diody LED oświetlające rośliny oraz trójkolorowe widmo światła fluorescencyjnego

PPFD to kwantowa gęstość strumienia światła, która odnosi się do efektywnej gęstości strumienia promieniowania świetlnego w procesie fotosyntezy, reprezentującej całkowitą liczbę kwantów światła padających na łodygi liści roślin w zakresie długości fali od 400 do 700 nm w jednostce czasu i na jednostkę powierzchni. Jednostką jest μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Promieniowanie fotosyntetycznie czynne (PAR) odnosi się do całkowitego promieniowania słonecznego o długości fali w zakresie od 400 do 700 nm. Można je wyrazić za pomocą kwantów światła lub energii promieniowania.

W przeszłości natężenie światła odbitego przez iluminometr było jasnością, ale widmo wzrostu roślin zmieniało się ze względu na wysokość lampy nad rośliną, zasięg światła oraz możliwość przenikania światła przez liście. Dlatego nie jest trafne stosowanie parametru par jako wskaźnika natężenia światła w badaniach fotosyntezy.

Zasadniczo mechanizm fotosyntezy może zostać zainicjowany, gdy PPFD rośliny słonecznej przekracza 50 μmol·m-2·s-1, podczas gdy PPFD rośliny cienistej wynosi zaledwie 20 μmol·m-2·s-1. Dlatego kupując lampy LED do uprawy, można wybrać ich liczbę na podstawie tej wartości referencyjnej i rodzaju roślin, które sadzi się. Na przykład, jeśli PPFD pojedynczej lampy LED wynosi 20 μmol·m-2·s-1, do uprawy roślin słonecznych potrzebne będą więcej niż 3 żarówki LED.

Kilka rozwiązań projektowych oświetlenia półprzewodnikowego

Oświetlenie półprzewodnikowe jest stosowane do uprawy roślin lub sadzenia. Istnieją dwie podstawowe metody odniesienia.

• Obecnie w Chinach bardzo popularny jest model uprawy roślin w pomieszczeniach. Model ten charakteryzuje się kilkoma cechami:

①Rolą świateł LED jest zapewnienie pełnego spektrum oświetlenia roślin, a system oświetleniowy musi dostarczać całą energię świetlną, a koszty produkcji są stosunkowo wysokie;
② Projektując lampy LED do uprawy roślin należy brać pod uwagę ciągłość i integralność widma;
③Należy skutecznie kontrolować czas i intensywność oświetlenia, np. pozwalając roślinom odpocząć przez kilka godzin, gdy intensywność naświetlania jest niewystarczająca lub zbyt silna itp.;
④Cały proces musi imitować warunki wymagane w optymalnym środowisku wzrostu roślin na zewnątrz, takie jak wilgotność, temperatura i stężenie CO2.

• Tryb sadzenia na zewnątrz z dobrym podłożem do sadzenia w szklarni. Cechy tego modelu to:

①Rolą diod LED jest uzupełnianie światła. Po pierwsze, zwiększanie intensywności światła w obszarach niebieskich i czerwonych pod wpływem światła słonecznego w ciągu dnia, aby wspomagać fotosyntezę roślin, a po drugie, kompensowanie braku światła słonecznego w nocy, aby wspomagać tempo wzrostu roślin.
②Dodatkowe oświetlenie należy dostosować do fazy wzrostu rośliny, np. fazy siewki lub fazy kwitnienia i owocowania.

Dlatego projekt oświetlenia LED do uprawy roślin powinien uwzględniać dwa podstawowe tryby: oświetlenie 24h (do użytku wewnętrznego) i oświetlenie wspomagające wzrost roślin (na zewnątrz). W przypadku uprawy roślin w pomieszczeniach, projekt oświetlenia LED do uprawy roślin musi uwzględniać trzy aspekty, jak pokazano na rysunku 4. Nie jest możliwe umieszczenie chipów o trzech kolorach podstawowych w określonej proporcji.

Rysunek 4. Pomysł na wykorzystanie lamp LED do wspomagania roślin w pomieszczeniach do oświetlenia całodobowego

Na przykład, w przypadku widma w fazie szkółkarskiej, biorąc pod uwagę konieczność wzmocnienia wzrostu korzeni i łodyg, wzmocnienia rozgałęziania się liści, a źródło światła jest stosowane w pomieszczeniu, widmo można zaprojektować tak, jak pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5. Struktury widmowe odpowiednie dla okresu oświetlenia LED w pomieszczeniach dziecięcych

Projekt drugiego typu oświetlenia LED do uprawy roślin ma na celu przede wszystkim uzupełnienie oświetlenia, wspomagając sadzenie roślin w szklarni zewnętrznej. Pomysł na projekt przedstawiono na rysunku 6.

Rysunek 6. Pomysły na projekt oświetlenia do uprawy na zewnątrz 

Autor sugeruje, aby więcej firm zajmujących się sadownictwem przyjęło drugą opcję i wykorzystało oświetlenie LED w celu stymulacji wzrostu roślin.

Przede wszystkim, chińskie uprawy szklarniowe na wolnym powietrzu cieszą się od dziesięcioleci dużym doświadczeniem, zarówno na południu, jak i na północy kraju. Kraj ten dysponuje solidnymi podstawami technologii uprawy szklarniowej i dostarcza na rynek okolicznych miast dużą ilość świeżych owoców i warzyw. Szczególnie w dziedzinie uprawy gleby, wody i nawożenia, uzyskano bogate wyniki badań.

Po drugie, tego typu rozwiązanie w zakresie dodatkowego oświetlenia może znacznie ograniczyć niepotrzebne zużycie energii, a jednocześnie skutecznie zwiększyć plony owoców i warzyw. Ponadto, rozległy obszar geograficzny Chin jest bardzo dogodny do celów promocyjnych.

Jako naukowe badanie oświetlenia roślin LED, stanowi ono również szerszą bazę eksperymentalną. Na rys. 7 przedstawiono rodzaj lampy LED opracowanej przez ten zespół badawczy, która nadaje się do uprawy w szklarniach, a jej widmo pokazano na rys. 8.

Rysunek 7. Rodzaj lampy LED do uprawy roślin

Rysunek 8, widmo pewnego rodzaju lampy LED do uprawy roślin

Zgodnie z powyższymi założeniami projektowymi, zespół badawczy przeprowadził serię eksperymentów, a ich wyniki są bardzo znaczące. Na przykład, do oświetlenia wzrostu roślin w szkółce, pierwotnie użyto świetlówki o mocy 32 W i cyklu wzrostu wynoszącym 40 dni. Oferujemy oświetlenie LED o mocy 12 W, które skraca cykl wzrostu sadzonek do 30 dni, skutecznie redukuje wpływ temperatury lamp w pracowni sadzonek i zmniejsza zużycie energii przez klimatyzator. Grubość, długość i kolor sadzonek są lepsze niż w oryginalnym rozwiązaniu. W przypadku sadzonek popularnych warzyw uzyskano również trafne wnioski weryfikacyjne, które podsumowano w poniższej tabeli.

Wśród nich, uzupełniająca grupa świetlna PPFD: 70–80 μmol·m-2·s-1 oraz stosunek czerwieni do błękitu: 0,6–0,7. Zakres dziennej wartości PPFD grupy naturalnej wynosił 40–800 μmol·m-2·s-1, a stosunek czerwieni do błękitu 0,6–1,2. Widać, że powyższe wskaźniki są lepsze niż w przypadku naturalnie wyhodowanych sadzonek.

Wniosek

Niniejszy artykuł przedstawia najnowsze osiągnięcia w zakresie stosowania oświetlenia LED w uprawie roślin i wskazuje na pewne nieporozumienia związane z jego zastosowaniem. Na koniec przedstawiono koncepcje techniczne i schematy rozwoju oświetlenia LED wykorzystywanego w uprawie roślin. Należy również podkreślić, że istnieją pewne czynniki, które należy wziąć pod uwagę podczas instalacji i użytkowania oświetlenia, takie jak odległość między oświetleniem a rośliną, zasięg promieniowania lampy oraz sposób stosowania oświetlenia z wodą, nawozem i glebą.

Autor: Yi Wang i in. Źródło: CNKI