Wstęp

Światło odgrywa kluczową rolę w procesie wzrostu roślin. Jest to najlepszy nawóz promujący wchłanianie chlorofilu roślinnego i wchłanianie różnych właściwości wzrostu roślin, takich jak karoten. Jednak czynnikiem decydującym o wzroście roślin jest czynnik kompleksowy, nie tylko związany ze światłem, ale także nierozerwalnie związany z konfiguracją wody, gleby i nawozów, warunkami środowiska wzrostu i kompleksową kontrolą techniczną.

W ciągu ostatnich dwóch lub trzech lat pojawiały się niekończące się doniesienia na temat zastosowania technologii oświetlenia półprzewodnikowego w trójwymiarowych fabrykach roślin lub wzroście roślin. Ale po uważnym przeczytaniu zawsze pojawia się pewne uczucie niepokoju. Ogólnie rzecz biorąc, nie ma prawdziwego zrozumienia roli, jaką światło powinno odgrywać we wzroście roślin.

Najpierw przyjrzyjmy się widmu słońca, jak pokazano na rysunku 1. Można zauważyć, że widmo słońca jest widmem ciągłym, w którym widmo koloru niebieskiego i zielonego jest silniejsze niż widmo czerwone, a widmo światła widzialnego waha się od 380 do 780 nm. Wzrost organizmów w przyrodzie jest powiązany z intensywnością widma. Przykładowo większość roślin w okolicach równika rośnie bardzo szybko, a jednocześnie wielkość ich wzrostu jest stosunkowo duża. Jednak wysoka intensywność napromieniowania słonecznego nie zawsze jest lepsza i istnieje pewien stopień selektywności w przypadku wzrostu zwierząt i roślin.

Rysunek 1, Charakterystyka widma słonecznego i widma światła widzialnego

Po drugie, drugi diagram widma kilku kluczowych elementów absorpcyjnych wzrostu roślin pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2, Widma absorpcji kilku auksyn we wzroście roślin

Z Ryc. 2 można zobaczyć, że widma absorpcji światła kilku kluczowych auksyn wpływających na wzrost roślin znacznie się różnią. Dlatego zastosowanie lamp LED do wzrostu roślin nie jest sprawą prostą, ale bardzo ukierunkowaną. W tym miejscu konieczne jest wprowadzenie pojęć dotyczących dwóch najważniejszych fotosyntetycznych elementów wzrostu roślin.

• Chlorofil

Chlorofil jest jednym z najważniejszych pigmentów związanych z fotosyntezą. Występuje we wszystkich organizmach zdolnych do fotosyntezy, w tym w roślinach zielonych, prokariotycznych niebiesko-zielonych algach (cyjanobakteriach) i glonach eukariotycznych. Chlorofil pochłania energię ze światła, która następnie jest wykorzystywana do konwersji dwutlenku węgla w węglowodany.

Chlorofil a pochłania głównie światło czerwone, a chlorofil b głównie światło niebiesko-fioletowe, głównie w celu odróżnienia roślin cieniujących od roślin słonecznych. Stosunek chlorofilu b do chlorofilu a w roślinach cienistych jest niewielki, więc rośliny cieniujące mogą silnie wykorzystywać niebieskie światło i przystosować się do uprawy w cieniu. Chlorofil a jest niebiesko-zielony, a chlorofil b jest żółto-zielony. Istnieją dwie silne absorpcje chlorofilu a i chlorofilu b, jedna w obszarze czerwonym o długości fali 630-680 nm, a druga w obszarze niebiesko-fioletowym o długości fali 400-460 nm.

• Karotenoidy

Karotenoidy to ogólne określenie klasy ważnych naturalnych pigmentów, które powszechnie występują w żółtych, pomarańczowo-czerwonych lub czerwonych pigmentach zwierząt, roślin wyższych, grzybów i alg. Do tej pory odkryto ponad 600 naturalnych karotenoidów.

Absorpcja światła przez karotenoidy obejmuje zakres OD303~505 nm, który nadaje barwę żywności i wpływa na pobieranie pokarmu przez organizm. W algach, roślinach i mikroorganizmach jego kolor jest przykryty chlorofilem i nie może się pojawić. W komórkach roślinnych wytwarzane karotenoidy nie tylko absorbują i przekazują energię w celu wspomagania fotosyntezy, ale także pełnią funkcję ochrony komórek przed zniszczeniem przez wzbudzone cząsteczki tlenu z wiązaniem pojedynczym elektronem.

Niektóre nieporozumienia koncepcyjne

Niezależnie od efektu oszczędzania energii, selektywność światła i koordynacja światła, oświetlenie półprzewodnikowe wykazało ogromne zalety. Jednak w związku z szybkim rozwojem, jaki nastąpił w ciągu ostatnich dwóch lat, zaobserwowaliśmy również wiele nieporozumień w projektowaniu i zastosowaniu światła, które znajdują odzwierciedlenie głównie w następujących aspektach.

①Pod warunkiem, że czerwone i niebieskie chipy o określonej długości fali zostaną połączone w określonym stosunku, można je stosować w uprawie roślin, na przykład stosunek koloru czerwonego do niebieskiego wynosi 4:1, 6:1, 9:1 i tak NA.

②Dopóki jest to światło białe, może zastąpić światło słoneczne, np. trójpodstawową świetlówkę białą szeroko stosowaną w Japonii itp. Zastosowanie tych widm ma pewien wpływ na wzrost roślin, ale efekt jest nie tak dobre, jak źródło światła wykonane w technologii LED.

③Dopóki PPFD (gęstość strumienia kwantowego światła), ważny parametr oświetlenia, osiąga określony wskaźnik, na przykład PPFD jest większy niż 200 μmol·m-2·s-1. Jednak korzystając z tego wskaźnika, należy zwrócić uwagę, czy jest to roślina cieniująca, czy słoneczna. Musisz zapytać lub znaleźć punkt nasycenia kompensacji światła tych roślin, który jest również nazywany punktem kompensacji światła. W rzeczywistych zastosowaniach sadzonki są często spalane lub więdnięte. Dlatego projekt tego parametru musi być zaprojektowany zgodnie z gatunkiem rośliny, środowiskiem wzrostu i warunkami.

Jeśli chodzi o pierwszy aspekt, jak wprowadzono we wstępie, widmo wymagane do wzrostu roślin powinno być widmem ciągłym o określonej szerokości rozkładu. Oczywiście niewłaściwe jest używanie 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 zabarwienia, łodygi liści są bardzo jasne, a łodygi liści są bardzo cienkie.

W przypadku świetlówek o trzech kolorach podstawowych powszechnie stosowanych w poprzednich latach, chociaż syntetyzuje się biel, widma czerwieni, zieleni i błękitu są rozdzielane (jak pokazano na rysunku 3 (b)), a szerokość widma jest bardzo wąska. Intensywność widmowa kolejnej części ciągłej jest stosunkowo słaba, a moc jest nadal stosunkowo duża w porównaniu z diodami LED, 1,5 do 3 razy większa od zużycia energii. Dlatego efekt użytkowania nie jest tak dobry jak światła LED.

Rysunek 3. Widmo światła roślinnego LED w kolorze czerwonym i niebieskim oraz światło fluorescencyjne w trzech kolorach podstawowych

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

W przeszłości natężenie światła odbijane przez iluminometr było jasnością, ale spektrum wzrostu roślin zmieniało się ze względu na wysokość oprawy oświetleniowej od rośliny, zasięg światła i to, czy światło może przechodzić przez liście. Dlatego nie jest dokładne stosowanie par jako wskaźnika natężenia światła w badaniu fotosyntezy.

Ogólnie rzecz biorąc, mechanizm fotosyntezy można zainicjować, gdy PPFD rośliny kochającej słońce jest większe niż 50 μmol·m-2·s-1, podczas gdy PPFD rośliny cienistej potrzebuje jedynie 20 μmol·m-2·s-1 . Dlatego przy zakupie lamp LED do uprawy możesz wybrać liczbę lamp LED do uprawy w oparciu o tę wartość referencyjną i rodzaj sadzonych roślin. Na przykład, jeśli współczynnik PPFD pojedynczego światła LED wynosi 20 μmol·m-2·s-1, do wyhodowania roślin kochających słońce potrzebne są więcej niż 3 żarówki LED.

Kilka rozwiązań konstrukcyjnych oświetlenia półprzewodnikowego

Oświetlenie półprzewodnikowe służy do wzrostu lub sadzenia roślin i istnieją dwie podstawowe metody referencyjne.

• Obecnie w Chinach model sadzenia w pomieszczeniach jest bardzo gorący. Model ten ma kilka cech:

①Rolą diod LED jest zapewnienie pełnego spektrum oświetlenia roślin, a system oświetlenia musi zapewnić całą energię oświetleniową, a koszt produkcji jest stosunkowo wysoki;
② Projekt oświetlenia LED do uprawy musi uwzględniać ciągłość i integralność widma;
③Konieczne jest skuteczne kontrolowanie czasu i intensywności oświetlenia, np. pozostawienie roślin na kilka godzin w spokoju, intensywność naświetlania jest niewystarczająca lub zbyt silna itp.;
④Cały proces musi imitować warunki wymagane przez rzeczywiste optymalne środowisko wzrostu roślin na zewnątrz, takie jak wilgotność, temperatura i stężenie CO2.

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

①Rolą świateł LED jest uzupełnianie światła. Jednym z nich jest zwiększenie intensywności światła w obszarach niebieskich i czerwonych pod napromieniowaniem słonecznym w ciągu dnia, aby pobudzić fotosyntezę roślin, a drugim jest kompensacja braku światła słonecznego w nocy, aby pobudzić tempo wzrostu roślin
②Dodatkowe światło musi uwzględniać fazę wzrostu, w której znajduje się roślina, na przykład okres sadzonek lub okres kwitnienia i owocowania.

Dlatego projekt lamp LED do uprawy roślin powinien najpierw obejmować dwa podstawowe tryby projektowania, a mianowicie oświetlenie 24-godzinne (wewnątrz) i oświetlenie uzupełniające wzrost roślin (na zewnątrz). W przypadku uprawy roślin w pomieszczeniach projekt lamp LED do uprawy musi uwzględniać trzy aspekty, jak pokazano na rysunku 4. Nie jest możliwe pakowanie chipów w trzech podstawowych kolorach w określonej proporcji.

Rysunek 4, Pomysł projektowy wykorzystania wewnętrznych lamp LED do oświetlenia roślin w pomieszczeniach zamkniętych do oświetlenia 24-godzinnego

Na przykład w przypadku widma w szkółce, biorąc pod uwagę, że musi ono wzmocnić wzrost korzeni i łodyg, wzmocnić rozgałęzianie liści, a źródło światła jest wykorzystywane w pomieszczeniach zamkniętych, widmo można zaprojektować w sposób pokazany na rysunku 5.

Rysunek 5, Struktury widmowe odpowiednie dla okresu przedszkola LED w pomieszczeniach zamkniętych

Projektowanie drugiego typu oświetlenia LED do uprawy ma na celu głównie rozwiązanie projektowe polegające na uzupełnianiu światła w celu promowania sadzenia w podstawie szklarni zewnętrznej. Pomysł na projekt pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6, Pomysły projektowe oświetlenia zewnętrznego do uprawy 

Autor sugeruje, aby więcej firm zajmujących się sadzeniem przyjęło drugą opcję wykorzystania świateł LED do wspomagania wzrostu roślin.

Po pierwsze, chińska uprawa szklarniowa na świeżym powietrzu ma duże doświadczenie od kilkudziesięciu lat, zarówno na południu, jak i na północy. Ma dobre podstawy technologii upraw szklarniowych i zapewnia dużą liczbę świeżych owoców i warzyw na rynku dla okolicznych miast. Szczególnie w dziedzinie sadzenia gleby, wody i nawozów poczyniono bogate wyniki badań.

Po drugie, tego rodzaju dodatkowe rozwiązanie oświetleniowe może znacznie zmniejszyć niepotrzebne zużycie energii, a jednocześnie skutecznie zwiększyć plony owoców i warzyw. Ponadto rozległy obszar geograficzny Chin jest bardzo dogodny do promocji.

Jako badania naukowe nad oświetleniem roślin LED, zapewnia również szerszą bazę eksperymentalną. Ryc. 7 przedstawia rodzaj oświetlenia LED do uprawy opracowanego przez ten zespół badawczy, który nadaje się do uprawy w szklarniach, a jego widmo pokazano na ryc. 8.

Rysunek 7. Rodzaj oświetlenia LED do uprawy

Rysunek 8, widmo pewnego rodzaju rosnącego światła LED

Zgodnie z powyższymi pomysłami projektowymi zespół badawczy przeprowadził serię eksperymentów, a wyniki eksperymentów są bardzo znaczące. Na przykład, do oświetlenia upraw w szkółce, oryginalną lampą jest świetlówka o mocy 32 W i cyklu szkółkarskim trwającym 40 dni. Dostarczamy oświetlenie LED o mocy 12 W, które skraca cykl sadzonek do 30 dni, skutecznie ogranicza wpływ temperatury lamp w warsztacie sadzonek oraz oszczędza zużycie energii przez klimatyzator. Grubość, długość i kolor sadzonek są lepsze niż oryginalne rozwiązanie do uprawy sadzonek. W przypadku sadzonek warzyw pospolitych uzyskano również dobre wnioski z weryfikacji, które podsumowano w poniższej tabeli.

Wśród nich dodatkowa grupa lekka PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 i stosunek czerwono-niebieski: 0,6-0,7. Zakres dziennych wartości PPFD grupy naturalnej wynosił 40~800 μmol·m-2·s-1, a stosunek barwy czerwonej do niebieskiej 0,6~1,2. Można zauważyć, że powyższe wskaźniki są lepsze niż w przypadku sadzonek naturalnie uprawianych.

Wniosek

W artykule przedstawiono najnowsze osiągnięcia w zastosowaniu oświetlenia LED do uprawy roślin oraz wskazano na pewne nieporozumienia w zastosowaniu oświetlenia LED do uprawy roślin. Na koniec przedstawiono pomysły techniczne i schematy rozwoju lamp LED do uprawy stosowanych w uprawie roślin. Należy zauważyć, że podczas instalacji i użytkowania oświetlenia należy wziąć pod uwagę również pewne czynniki, takie jak odległość między światłem a rośliną, zasięg naświetlania lampy oraz sposób stosowania światła. zwykła woda, nawozy i gleba.

Autor: Yi Wang i in. Źródło: CNKI