Uvod

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

V zadnjih dveh ali treh letih je bilo objavljenih nešteto poročil o uporabi polprevodniške svetlobne tehnologije v zvezi s tridimenzionalnimi tovarnami rastlin ali rastjo rastlin. Toda po natančnem branju vedno ostane nekaj nelagodja. Na splošno ni pravega razumevanja, kakšno vlogo naj bi svetloba igrala pri rasti rastlin.

Najprej si poglejmo spekter sonca, kot je prikazano na sliki 1. Vidimo lahko, da je sončni spekter neprekinjen 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 njihova rast relativno velika. Vendar 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 pri rasti rastlin

Iz slike 2 je razvidno, da se spektri absorpcije svetlobe več ključnih avksinov, ki vplivajo na rast rastlin, bistveno razlikujejo. Zato uporaba LED luči za rast rastlin ni preprosta zadeva, temveč zelo ciljno usmerjena. Tukaj je treba predstaviti koncepta dveh najpomembnejših fotosintetskih elementov rasti rastlin.

• Klorofil

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

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

• Karotenoidi

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

Karotenoidi absorbirajo svetlobo v območju OD303~505 nm, kar daje barvi hrane in vpliva na vnos hrane v telo. V algah, rastlinah in mikroorganizmih je njihova barva prekrita s klorofilom in se ne more pojaviti. V rastlinskih celicah proizvedeni karotenoidi ne le absorbirajo in prenašajo energijo za pomoč pri fotosintezi, temveč imajo tudi funkcijo zaščite celic pred uničenjem zaradi vzbujenih molekul kisika z enojno elektronsko 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 čipi 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 naprej.

②Dokler je bela svetloba, lahko nadomesti sončno svetlobo, kot je na primer triosna bela svetlobna cev, ki se pogosto uporablja na Japonskem itd. Uporaba teh spektrov ima določen vpliv na rast rastlin, vendar učinek ni tako dober kot pri svetlobnem viru, ki ga proizvaja LED.

③Dokler PPFD (gostota svetlobnega kvantnega toka), pomemben parameter osvetljenosti, doseže določen indeks, na primer PPFD je večji od 200 μmol·m-2·s-1. Vendar pa morate pri uporabi tega indikatorja biti pozorni na to, ali gre za senčno ali sončno rastlino. Poiskati morate točko nasičenosti kompenzacije svetlobe pri teh rastlinah, ki se imenuje tudi točka kompenzacije svetlobe. V dejanski uporabi sadike pogosto usahnejo ali se posušijo. Zato je treba zasnovo tega parametra zasnovati glede na vrsto rastline, rastno okolje in pogoje.

Glede prvega vidika, kot je bilo predstavljeno v uvodu, mora biti spekter, potreben za rast rastlin, neprekinjen spekter z določeno širino porazdelitve. Očitno je neprimerno uporabljati svetlobni vir, sestavljen iz dveh specifičnih valovnih dolžin rdeče in modre barve z zelo ozkim spektrom (kot je prikazano na sliki 3(a)). V poskusih so ugotovili, da so rastline ponavadi rumenkaste, listna stebla so zelo svetla in zelo tanka.

Pri fluorescenčnih ceveh s tremi osnovnimi barvami, ki so se pogosto uporabljale v prejšnjih letih, so kljub sintetizaciji bele barve 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 relativno šibka, moč pa je v primerjavi z LED diodami še vedno relativno velika, saj porabi 1,5- do 3-krat več energije. Zato učinek uporabe ni tako dober kot pri LED lučeh.

Slika 3, Rdeča in modra LED-luč za rastline in spekter fluorescentne svetlobe s tremi osnovnimi barvami

PPFD je gostota svetlobnega kvantnega toka, ki se nanaša na efektivno gostoto svetlobnega toka sevanja svetlobe pri fotosintezi, ki predstavlja skupno število svetlobnih kvantov, ki padejo 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 celotno sončno sevanje z valovno dolžino v območju od 400 do 700 nm. Izraža se lahko s svetlobnimi kvanti ali s sevalno energijo.

V preteklosti je bila intenzivnost svetlobe, ki jo je odbijal luminometer, svetlost, vendar se spekter rasti rastlin spreminja zaradi višine svetilke od rastline, svetlobne pokritosti in ali svetloba lahko prehaja skozi liste. Zato uporaba par kot indikatorja intenzivnosti svetlobe pri preučevanju fotosinteze ni natančna.

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 senčne rastline potrebuje le 20 μmol·m-2·s-1. Zato lahko pri nakupu LED luči za rast izberete število LED luči glede na to referenčno vrednost in vrsto rastlin, ki jih sadite. Če je na primer PPFD ene same LED luči 20 μmol·m-2·s-1, so za gojenje rastlin, ki ljubijo sonce, potrebne več kot 3 LED žarnice.

Več oblikovalskih rešitev polprevodniške razsvetljave

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

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

1. Vloga LED luči je zagotavljanje celotnega spektra osvetlitve rastlin, sistem razsvetljave pa mora zagotavljati vso svetlobno energijo, proizvodni stroški pa so relativno visoki;
②Pri zasnovi LED luči za rast je treba upoštevati kontinuiteto in celovitost spektra;
③Potrebno je učinkovito nadzorovati čas in intenzivnost osvetlitve, na primer pustiti rastline počivati ​​nekaj ur, če 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 rastlinjake na prostem. Značilnosti tega modela so:

①Vloga LED luči je dopolnjevanje svetlobe. Ena je povečanje intenzivnosti svetlobe v modrih in rdečih območjih pod sončno svetlobo podnevi, da se spodbudi fotosinteza rastlin, druga pa je kompenzacija ponoči, ko ni sončne svetlobe, da se spodbudi rast rastlin.
②Dodatna svetloba mora upoštevati, v kateri fazi rasti je rastlina, kot je obdobje sadik ali obdobje cvetenja in plodovanja.

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

Slika 4, Ideja zasnove uporabe notranjih LED luči za ojačevalnike rastlin za 24-urno osvetlitev

Na primer, za spekter v fazi drevesnice, če upoštevamo, da mora okrepiti rast korenin in stebel, okrepiti razvejanje listov in da se vir svetlobe uporablja v zaprtih prostorih, je spekter lahko zasnovan, kot je prikazano na sliki 5.

Slika 5, Spektralne strukture, primerne za LED notranje vrtce

Pri zasnovi druge vrste LED luči za rast je glavni cilj rešitev za dodatno svetlobo, ki spodbuja sajenje v podnožju zunanjega rastlinjaka. Ideja zasnove je prikazana na sliki 6.

Slika 6, Ideje za oblikovanje zunanjih luči za gojenje 

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

Najprej, Kitajska ima desetletja bogate in široke izkušnje z gojenjem sadja v rastlinjakih na prostem, tako na jugu kot na severu. Ima dobre temelje tehnologije gojenja v rastlinjakih in zagotavlja veliko količino svežega sadja in zelenjave na trgu za okoliška mesta. Zlasti na področju tal, vode in gnojil so bili doseženi bogati rezultati raziskav.

Drugič, tovrstna dodatna svetlobna rešitev lahko močno zmanjša nepotrebno porabo energije in hkrati 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. Slika 7 prikazuje vrsto LED-luči 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, Vrsta LED luči za rast

Slika 8, spekter neke vrste LED luči za rast

V skladu z zgornjimi idejami zasnove je raziskovalna skupina izvedla vrsto poskusov, rezultati poskusov pa so zelo pomembni. Na primer, za rastno svetlobo med vzgojo sadik je bila prvotno uporabljena fluorescenčna sijalka z močjo 32 W in ciklom vzgoje 40 dni. Zagotavljamo 12 W LED sijalko, ki skrajša cikel sadik na 30 dni, učinkovito zmanjša vpliv temperature svetilk v delavnici za sadike in prihrani porabo energije klimatske naprave. Debelina, dolžina in barva sadik so boljše kot pri prvotni rešitvi za vzgojo sadik. Tudi za sadike običajne zelenjave so bili pridobljeni dobri zaključki preverjanja, ki so povzeti v naslednji tabeli.

Med njimi je bila PPFD dopolnilne svetlobne skupine: 70–80 μmol·m-2·s-1, razmerje med rdečo in modro barvo pa 0,6–0,7. Razpon dnevne vrednosti PPFD naravne skupine je bil 40–800 μmol·m-2·s-1, razmerje med rdečo in modro barvo pa 0,6–1,2. Vidimo lahko, da so zgornji kazalniki boljši od tistih pri naravno vzgojenih sadikah.

Zaključek

Ta članek predstavlja najnovejši razvoj uporabe LED luči za gojenje rastlin in opozarja na nekatere nesporazume pri uporabi LED luči za gojenje rastlin. Na koncu so predstavljene tehnične ideje in sheme za razvoj LED luči za gojenje rastlin. Poudariti je treba, da je treba pri namestitvi in ​​uporabi luči upoštevati tudi nekatere dejavnike, kot so razdalja med luči in rastlino, doseg obsevanja luči ter način uporabe luči z običajno vodo, gnojilom in zemljo.

Avtor: Yi Wang et al. Vir: CNKI