Uvod

Svetloba igra ključno vlogo v procesu rasti rastlin. Je najboljše gnojilo za spodbujanje absorpcije rastlinskega klorofila in absorpcije različnih lastnosti rasti rastlin, kot je karoten. Vendar pa je odločilni dejavnik, ki določa rast rastlin, obsežen dejavnik, ki ni povezan samo s svetlobo, ampak tudi neločljivo povezan s konfiguracijo vode, tal in gnojil, pogoji rastnega okolja in celovitim tehničnim nadzorom.

V zadnjih dveh ali treh letih je bilo nešteto poročil o uporabi tehnologije polprevodniške razsvetljave v zvezi s tridimenzionalnimi rastlinskimi tovarnami ali rastjo rastlin. Toda ob natančnem branju je vedno nekaj nelagodnega občutka. Na splošno ni pravega razumevanja, kakšno vlogo bi morala imeti svetloba pri rasti rastlin.

Najprej razumejmo spekter sonca, kot je prikazano na sliki 1. Vidimo lahko, da je sončni spekter zvezen spekter, v katerem sta modri in zeleni spekter močnejša od rdečega spektra, spekter vidne svetlobe pa sega od 380 do 780 nm. Rast organizmov v naravi je povezana z intenzivnostjo spektra. Na primer, večina rastlin na območju blizu ekvatorja raste zelo hitro, hkrati pa je obseg njihove rasti razmeroma velik. Toda visoka intenzivnost sončnega obsevanja ni vedno boljša in obstaja določena stopnja selektivnosti za rast živali in rastlin.

Slika 1, Značilnosti sončnega spektra in njegovega spektra vidne svetlobe

Drugič, drugi spektralni diagram več ključnih absorpcijskih elementov rasti rastlin je prikazan na sliki 2.

Slika 2, Absorpcijski spektri več avksinov v rasti rastlin

Iz slike 2 je razvidno, da se svetlobni absorpcijski spektri več ključnih avksinov, ki vplivajo na rast rastlin, bistveno razlikujejo. Zato uporaba LED luči za rast rastlin ni enostavna zadeva, ampak zelo ciljno usmerjena. Tukaj je potrebno predstaviti pojma dveh najpomembnejših fotosintetskih rastnih elementov rastlin.

• Klorofil

Klorofil je eden najpomembnejših pigmentov, povezanih s fotosintezo. Obstaja v vseh organizmih, ki lahko ustvarijo fotosintezo, vključno z zelenimi rastlinami, prokariontskimi modrozelenimi algami (cianobakterijami) in evkariontskimi algami. Klorofil absorbira energijo iz svetlobe, ki se nato uporabi za pretvorbo ogljikovega dioksida v ogljikove hidrate.

Klorofil a absorbira predvsem rdečo svetlobo, klorofil b pa večinoma modro-vijolično svetlobo, predvsem za razlikovanje senčnih rastlin od sončnih rastlin. Razmerje med klorofilom b in klorofilom a rastlin v senci je majhno, zato lahko rastline v senci močno uporabljajo modro svetlobo in se prilagodijo rasti v senci. Klorofil a je modrozelen, klorofil b pa rumenozelen. Obstajata dve močni absorpciji klorofila a in klorofila b, ena v rdečem območju z valovno dolžino 630-680 nm, druga pa v modro-vijoličnem območju z valovno dolžino 400-460 nm.

• Karotenoidi

Karotenoidi so splošni izraz za razred pomembnih naravnih pigmentov, ki jih običajno najdemo v rumenih, oranžno-rdečih ali rdečih pigmentih pri živalih, višjih rastlinah, glivah in algah. Doslej je bilo odkritih več kot 600 naravnih karotenoidov.

Absorpcija svetlobe karotenoidov pokriva območje OD303~505 nm, kar zagotavlja barvo hrane in vpliva na vnos hrane v telo. V algah, rastlinah in mikroorganizmih je njegova barva prekrita s klorofilom in se ne more pojaviti. V rastlinskih celicah proizvedeni karotenoidi ne le absorbirajo in prenašajo energijo za pomoč pri fotosintezi, ampak imajo tudi funkcijo zaščite celic pred uničenjem z vzbujenimi molekulami kisika z enoelektronsko vezjo.

Nekaj ​​konceptualnih nesporazumov

Ne glede na učinek varčevanja z energijo, selektivnost svetlobe in koordinacijo svetlobe je polprevodniška razsvetljava pokazala velike prednosti. Vendar pa smo zaradi hitrega razvoja v zadnjih dveh letih opazili tudi veliko nesporazumov pri načrtovanju in uporabi svetlobe, ki se odražajo predvsem v naslednjih vidikih.

①Dokler so rdeči in modri žetoni določene valovne dolžine združeni v določenem razmerju, se lahko uporabljajo pri gojenju rastlin, na primer razmerje med rdečo in modro je 4:1, 6:1, 9:1 in tako na.

②Dokler gre za belo svetlobo, lahko nadomesti sončno svetlobo, kot je triprimarna bela svetlobna cev, ki se pogosto uporablja na Japonskem itd. Uporaba teh spektrov ima določen učinek na rast rastlin, vendar je učinek ni tako dober kot svetlobni vir LED.

③Dokler PPFD (gostota kvantnega toka svetlobe), pomemben parameter osvetlitve, doseže določen indeks, je na primer PPFD večji od 200 μmol·m-2·s-1. Pri uporabi tega indikatorja pa morate biti pozorni, ali gre za senčno ali sončno rastlino. Morate povprašati ali poiskati točko nasičenja svetlobne kompenzacije teh rastlin, ki se imenuje tudi točka kompenzacije svetlobe. Pri dejanski uporabi se sadike pogosto sežgejo ali posušijo. Zato je treba zasnovo tega parametra oblikovati glede na rastlinsko vrsto, rastno okolje in pogoje.

Kar zadeva prvi vidik, kot je predstavljeno v uvodu, mora biti spekter, ki je potreben za rast rastlin, zvezen spekter z določeno porazdelitveno širino. Očitno je neprimerno uporabljati svetlobni vir, sestavljen iz dveh čipov z določeno valovno dolžino rdeče in modre z zelo ozkim spektrom (kot je prikazano na sliki 3(a)). V poskusih je bilo ugotovljeno, da so rastline ponavadi rumenkaste, listna stebla so zelo svetla, listna stebla pa zelo tanka.

Pri fluorescenčnih ceveh s tremi osnovnimi barvami, ki so se običajno uporabljale v prejšnjih letih, čeprav je sintetizirana bela, so rdeči, zeleni in modri spektri ločeni (kot je prikazano na sliki 3(b)), širina spektra pa je zelo ozka. Spektralna intenzivnost naslednjega neprekinjenega dela je razmeroma šibka, moč pa je še vedno razmeroma velika v primerjavi z LED diodami, 1,5 do 3-krat večja poraba energije. Zato učinek uporabe ni tako dober kot LED luči.

Slika 3, rdeča in modra svetilka LED za rastline in spekter treh primarnih barv fluorescentne svetlobe

PPFD je gostota svetlobnega kvantnega toka, ki se nanaša na efektivno gostoto svetlobnega toka sevanja v fotosintezi, ki predstavlja skupno število svetlobnih kvantov, ki vpadejo na stebla rastlinskih listov v območju valovnih dolžin od 400 do 700 nm na enoto časa in enoto površine . Njena enota je μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosintetsko aktivno sevanje (PAR) se nanaša na skupno sončno sevanje z valovno dolžino v območju od 400 do 700 nm. Lahko se izrazi s svetlobnimi kvanti ali s sevalno energijo.

V preteklosti je bila jakost svetlobe, ki jo je odbijal iluminometer, svetlost, vendar se spekter rasti rastlin spreminja zaradi višine svetilke od rastline, pokritosti svetlobe in tega, ali lahko svetloba prehaja skozi liste. Zato ni natančna uporaba para kot indikatorja jakosti svetlobe pri preučevanju fotosinteze.

Na splošno se mehanizem fotosinteze lahko sproži, ko je PPFD rastline, ki ljubi sonce, večji od 50 μmol·m-2·s-1, medtem ko PPFD rastline v senci potrebuje le 20 μmol·m-2·s-1 . Zato lahko pri nakupu LED luči za rast izberete število LED luči za rast glede na to referenčno vrednost in vrsto rastlin, ki jih posadite. Na primer, če je PPFD ene LED svetlobe 20 μmol·m-2·s-1, so za gojenje rastlin, ki ljubijo sonce, potrebne več kot 3 LED žarnice.

Več konstrukcijskih rešitev polprevodniške razsvetljave

Polprevodniška razsvetljava se uporablja za rast ali sajenje rastlin, obstajata pa dve osnovni referenčni metodi.

• Trenutno je model sajenja v zaprtih prostorih na Kitajskem zelo vroč. Ta model ima več značilnosti:

①Vloga LED luči je zagotoviti celoten spekter razsvetljave rastlin, sistem razsvetljave pa mora zagotoviti vso svetlobno energijo, proizvodni stroški pa so relativno visoki;
②Zasnova LED luči za rast mora upoštevati kontinuiteto in celovitost spektra;
③Potrebno je učinkovito nadzorovati čas osvetlitve in intenzivnost osvetlitve, na primer pustiti rastline nekaj ur počivati, intenzivnost obsevanja ni zadostna ali premočna itd.;
④Celoten postopek mora posnemati pogoje, ki jih zahteva dejansko optimalno rastno okolje rastlin na prostem, kot so vlažnost, temperatura in koncentracija CO2.

• Način sajenja na prostem z dobro podlago za sajenje v rastlinjaku na prostem. Značilnosti tega modela so:

①Vloga LED luči je dopolnjevanje svetlobe. Ena je povečati intenzivnost svetlobe v modrih in rdečih območjih pod obsevanjem sončne svetlobe čez dan, da se spodbudi fotosinteza rastlin, druga pa je nadomestiti, ko ponoči ni sončne svetlobe, da se pospeši rast rastlin.
②Dodatna svetloba mora upoštevati, v kateri fazi rasti je rastlina, kot je obdobje sadike ali obdobje cvetenja in plodov.

Zato mora imeti zasnova LED luči za rast rastlin najprej dva osnovna načina zasnove, in sicer 24-urno osvetlitev (notranja) in dodatno osvetlitev za rast rastlin (zunanja). Za gojenje rastlin v zaprtih prostorih mora zasnova LED luči za rast upoštevati tri vidike, kot je prikazano na sliki 4. Čipov ni mogoče pakirati s tremi osnovnimi barvami v določenem razmerju.

Slika 4, Zamisel o uporabi notranjih LED-ojačevalnih svetilk za rastline za 24-urno osvetlitev

Na primer, za spekter v fazi drevesnice, glede na to, da mora okrepiti rast korenin in stebel, okrepiti razvejanost listov in se vir svetlobe uporablja v zaprtih prostorih, se lahko spekter oblikuje, kot je prikazano na sliki 5.

Slika 5, Spektralne strukture, primerne za obdobje LED v notranjih vrtcih

Zasnova druge vrste LED luči za rast je v glavnem usmerjena v oblikovalsko rešitev dopolnjevanja svetlobe za spodbujanje sajenja v dnu zunanjega rastlinjaka. Ideja oblikovanja je prikazana na sliki 6.

Slika 6, Ideje za oblikovanje zunanjih luči za gojenje 

Avtor predlaga, da več podjetij za sajenje sprejme drugo možnost uporabe LED luči za spodbujanje rasti rastlin.

Prvič, kitajsko gojenje v rastlinjakih na prostem ima desetletja veliko količino in širok spekter izkušenj, tako na jugu kot na severu. Ima dobre temelje tehnologije gojenja v rastlinjakih in zagotavlja veliko število svežega sadja in zelenjave na trgu okoliških mest. Predvsem na področju tal in vode ter sajenja gnojil so bili doseženi bogati rezultati raziskav.

Drugič, tovrstna dodatna svetlobna rešitev lahko močno zmanjša nepotrebno porabo energije, hkrati pa lahko učinkovito poveča pridelek sadja in zelenjave. Poleg tega je obsežno geografsko območje Kitajske zelo priročno za promocijo.

Kot znanstvena raziskava LED razsvetljave rastlin zagotavlja tudi širšo eksperimentalno osnovo zanjo. Slika 7 je neke vrste LED svetilka za rast, ki jo je razvila ta raziskovalna skupina in je primerna za gojenje v rastlinjakih, njen spekter pa je prikazan na sliki 8.

Slika 7, Nekakšna LED lučka za rast

Slika 8, spekter neke vrste LED luči za rast

V skladu z zgornjimi oblikovalskimi zamislimi je raziskovalna skupina izvedla vrsto poskusov in eksperimentalni rezultati so zelo pomembni. Na primer, za rastočo svetlobo v vrtcu je uporabljena originalna fluorescenčna sijalka z močjo 32 W in 40-dnevnim ciklusom vrtca. Zagotavljamo 12 W LED luč, ki skrajša cikel sadik na 30 dni, učinkovito zmanjša vpliv temperature svetilk v sadikarni in prihrani porabo električne energije klimatske naprave. Debelina, dolžina in barva sadik so boljše od prvotne rešitve za vzgojo sadik. Tudi za sadike navadnih vrtnin so bili pridobljeni dobri zaključki preverjanja, ki so povzeti v naslednji tabeli.

Med njimi skupina dodatne svetlobe PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 in razmerje rdeče-modre: 0,6-0,7. Razpon dnevne vrednosti PPFD naravne skupine je bil 40~800 μmol·m-2·s-1, razmerje med rdečo in modro pa 0,6~1,2. Vidimo, da so zgornji kazalci boljši od tistih pri naravno vzgojenih sadikah.

Zaključek

Ta članek predstavlja najnovejši razvoj pri uporabi LED luči za rast pri gojenju rastlin in opozarja na nekatere nesporazume pri uporabi LED luči za rast pri gojenju rastlin. Na koncu so predstavljene tehnične ideje in sheme za razvoj LED luči za rast, ki se uporabljajo za gojenje rastlin. Poudariti je treba, da je pri namestitvi in ​​uporabi luči treba upoštevati tudi nekaj dejavnikov, kot so razdalja med lučko in rastlino, obseg obsevanja luči in način nanašanja svetlobe z navadna voda, gnojilo in zemlja.

Avtor: Yi Wang et al. Vir: CNKI