Wstęp

Światło odgrywa kluczową rolę w procesie wzrostu roślin.Jest to najlepszy nawóz wspomagający wchłanianie chlorofilu roślinnego i wchłanianie różnych składników wzrostu roślin, takich jak karoten.Jednak decydującym 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 oraz wszechstronną kontrolą techniczną.

W ciągu ostatnich dwóch lub trzech lat pojawiały się nieskończone doniesienia na temat zastosowania półprzewodnikowej technologii oświetleniowej w trójwymiarowych fabrykach roślin lub wzroście roślin.Ale po uważnym przeczytaniu 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. Można zauważyć, że widmo słoneczne jest widmem ciągłym, w którym widmo niebieskie i zielone jest silniejsze niż widmo czerwone, a widmo światła widzialnego waha się od 380 do 780 nm.Wzrost organizmów w przyrodzie jest związany z intensywnością widma.Na przykład większość roślin w pobliżu równika rośnie bardzo szybko, a jednocześnie rozmiar ich wzrostu jest stosunkowo duży.Ale wysoka intensywność promieniowania słonecznego nie zawsze jest tym lepsza, i istnieje pewien stopień selektywności dla wzrostu zwierząt i roślin.

Rysunek 1, Charakterystyka widma słonecznego i jego widma światła widzialnego

Po drugie, drugi wykres widmowy kilku kluczowych pierwiastków absorpcyjnych wzrostu roślin pokazano na rycinie 2.

Rycina 2, Widma absorpcyjne kilku auksyn we wzroście roślin

Na rycinie 2 widać, że widma absorpcji światła kilku kluczowych auksyn, które wpływają na wzrost roślin, znacznie się różnią.Dlatego zastosowanie świateł 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 barwników związanych z fotosyntezą.Występuje we wszystkich organizmach, które mogą przeprowadzać fotosyntezę, w tym w roślinach zielonych, prokariotycznych niebiesko-zielonych algach (sinicach) i algach eukariotycznych.Chlorofil pochłania energię ze światła, która jest następnie wykorzystywana do przekształcania dwutlenku węgla w węglowodany.

Chlorofil a pochłania głównie światło czerwone, a chlorofil b głównie światło niebiesko-fioletowe, głównie w celu odróżnienia roślin cienistych od roślin nasłonecznionych.Stosunek chlorofilu b do chlorofilu a roślin zacienionych jest niewielki, więc rośliny zacienione mogą silnie wykorzystywać światło niebieskie i przystosowywać się do wzrostu 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 u zwierząt, roślin wyższych, grzybów i alg.Do tej pory odkryto ponad 600 naturalnych karotenoidów.

Absorpcja światła przez karotenoidy obejmuje zakres OD303 ~ 505 nm, który zapewnia kolor żywności i wpływa na pobieranie pokarmu przez organizm.W algach, roślinach i mikroorganizmach jego kolor jest pokryty chlorofilem i nie może się pojawić.W komórkach roślinnych wytwarzane karotenoidy nie tylko absorbują i przenoszą energię, aby pomóc w fotosyntezie, ale mają również funkcję ochrony komórek przed zniszczeniem przez wzbudzone cząsteczki tlenu z pojedynczym wiązaniem elektronowym.

Jakieś nieporozumienia koncepcyjne

Niezależnie od efektu energooszczędności, selektywności światła i koordynacji światła, oświetlenie półprzewodnikowe wykazało ogromne zalety.Jednak w związku z szybkim rozwojem w ciągu ostatnich dwóch lat zaobserwowaliśmy również wiele nieporozumień w projektowaniu i zastosowaniu światła, które znajdują odzwierciedlenie głównie w następujących aspektach.

① Dopóki czerwone i niebieskie chipy o określonej długości fali są połączone w określonym stosunku, mogą być używane w uprawie roślin, na przykład stosunek czerwonego do niebieskiego wynosi 4:1, 6:1, 9:1 i tak NA.

② Tak długo, jak jest to białe światło, może zastąpić światło słoneczne, takie jak trzy podstawowe białe świetlówki szeroko stosowane w Japonii itp. Wykorzystanie tych widm ma pewien wpływ na wzrost roślin, ale efekt jest nie tak dobre, jak źródło światła wykonane przez 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 na to, czy jest to roślina cienista, 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 usychane.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 użycie źródła światła składającego się z dwóch chipów o określonej długości fali, czerwonego i niebieskiego, o bardzo wąskim spektrum (jak pokazano na rysunku 3 (a)).W doświadczeniach stwierdzono, że rośliny wydają się być żółtawe, łodygi liści są bardzo jasne, a łodygi liści są bardzo cienkie.

W przypadku lamp fluorescencyjnych z trzema kolorami podstawowymi powszechnie używanymi w poprzednich latach, chociaż biel jest syntetyzowana, widma czerwone, zielone i niebieskie są rozdzielone (jak pokazano na rysunku 3 (b)), a szerokość widma jest bardzo wąska.Intensywność widmowa następnej ciągłej części jest stosunkowo słaba, a moc jest nadal stosunkowo duża w porównaniu z diodami LED, 1,5 do 3 razy większa niż zużycie energii.Dlatego efekt użytkowania nie jest tak dobry, jak światła LED.

Rysunek 3, Czerwone i niebieskie światło roślinne LED i widmo światła fluorescencyjnego w trzech podstawowych kolorach

PPFD to gęstość strumienia kwantowego światła, która odnosi się do efektywnej gęstości strumienia świetlnego promieniowania podczas 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 powierzchnię .Jego jednostką jest μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).Promieniowanie aktywne fotosyntetycznie (PAR) odnosi się do całkowitego promieniowania słonecznego o długości fali w zakresie od 400 do 700 nm.Może być wyrażona albo przez kwanty światła, albo przez energię promieniowania.

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

Generalnie mechanizm fotosyntezy można zainicjować, gdy PPFD rośliny kochającej słońce jest większe niż 50 μmol·m-2·s-1, podczas gdy PPFD rośliny zacienionej potrzebuje tylko 20 μmol·m-2·s-1 .Dlatego kupując lampy LED do uprawy, możesz wybrać liczbę lamp LED do uprawy w oparciu o tę wartość referencyjną i rodzaj sadzonych roślin.Na przykład, jeśli PPFD pojedynczej diody LED wynosi 20 μmol·m-2·s-1, do uprawy roślin kochających słońce potrzeba więcej niż 3 żarówek LED.

Kilka rozwiązań konstrukcyjnych oświetlenia półprzewodnikowego

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

• Obecnie model sadzenia w pomieszczeniach jest bardzo popularny w Chinach.Ten model ma kilka cech:

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

• Tryb sadzenia na zewnątrz z dobrą podstawą do sadzenia w szklarni na zewnątrz.Cechy charakterystyczne tego modelu to:

①Rolą świateł LED jest uzupełnienie światła.Jednym z nich jest zwiększenie intensywności światła w obszarach niebieskich i czerwonych pod wpływem napromieniowania światłem słonecznym w ciągu dnia w celu promowania fotosyntezy roślin, a drugim jest kompensacja, gdy w nocy nie ma światła słonecznego, aby promować tempo wzrostu roślin
②Dodatkowe światło musi uwzględniać fazę wzrostu rośliny, na przykład okres sadzonek lub okres kwitnienia i owocowania.

Dlatego projekt lamp LED do uprawy roślin powinien najpierw mieć dwa podstawowe tryby projektowania, a mianowicie oświetlenie całodobowe (wewnątrz) i oświetlenie uzupełniające wzrost roślin (zewnętrzne).W przypadku uprawy roślin w pomieszczeniach projekt oświetlenia LED do uprawy musi uwzględniać trzy aspekty, jak pokazano na rysunku 4. Nie jest możliwe pakowanie chipów z trzema kolorami podstawowymi w określonej proporcji.

Rysunek 4, Pomysł projektowy wykorzystania wewnętrznych lamp LED wspomagających rośliny do całodobowego oświetlenia

Na przykład dla widma w fazie szkółki, biorąc pod uwagę, że musi ono wzmacniać wzrost korzeni i łodyg, wzmacniać rozgałęzienia liści, a źródło światła jest używane w pomieszczeniach, widmo można zaprojektować tak, jak pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5, Struktury widmowe odpowiednie dla okresu szkółkarskiego LED w pomieszczeniach

W przypadku projektowania drugiego rodzaju oświetlenia LED do uprawy, ma on na celu głównie rozwiązanie projektowe polegające na uzupełnieniu światła w celu promowania sadzenia w podstawie szklarni zewnętrznej.Pomysł na projekt pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6, Pomysły projektowe zewnętrznych świateł do uprawy 

Autor sugeruje, aby więcej firm sadowniczych przyjęło drugą opcję, wykorzystując światła LED do promowania wzrostu roślin.

Przede wszystkim chińska uprawa szklarniowa na zewnątrz ma dziesięciolecia dużą ilość i szeroki zakres doświadczeń, zarówno na południu, jak i na północy.Ma dobre podstawy technologii uprawy szklarniowej i dostarcza dużą ilość świeżych owoców i warzyw na rynek dla okolicznych miast.Szczególnie w dziedzinie sadzenia gleby i wody oraz nawozów poczyniono bogate wyniki badań.

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

Jako badanie naukowe oświetlenia roślin LED, zapewnia ono również szerszą bazę eksperymentalną.Ryc. 7 to rodzaj oświetlenia LED 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 światła LED do uprawy

Zgodnie z powyższymi pomysłami projektowymi zespół badawczy przeprowadził serię eksperymentów, a wyniki eksperymentów są bardzo znaczące.Na przykład w przypadku oświetlenia do uprawy w szkółce oryginalnie zastosowano świetlówkę o mocy 32 W i cyklu szkółkarskim wynoszącym 40 dni.Zapewniamy oświetlenie LED o mocy 12 W, które skraca cykl rozsady do 30 dni, skutecznie zmniejsza wpływ temperatury lamp w sadowni oraz oszczędza zużycie prądu przez klimatyzator.Grubość, długość i kolor sadzonek są lepsze niż oryginalne rozwiązanie do hodowli sadzonek.W przypadku sadzonek warzyw pospolitych uzyskano również dobre wnioski weryfikacyjne, które podsumowano w poniższej tabeli.

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

Wniosek

W tym artykule przedstawiono najnowsze osiągnięcia w stosowaniu świateł LED do uprawy roślin w uprawie roślin i zwraca się uwagę na pewne nieporozumienia w stosowaniu oświetlenia LED do uprawy roślin.Na koniec przedstawiono techniczne koncepcje i schematy rozwoju lamp LED do uprawy roślin.Należy zauważyć, że istnieją również pewne czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy instalacji i użytkowaniu światła, takie jak odległość między światłem a rośliną, zasięg napromieniowania lampy oraz sposób zastosowania światła z zwykła woda, nawóz i gleba.

Autor: Yi Wang i in.źródło: CNKI