Uvod

Svjetlost igra ključnu ulogu u procesu rasta biljaka. To je najbolje gnojivo za promicanje apsorpcije biljnog klorofila i apsorpciju različitih svojstava rasta biljaka kao što je karoten. Međutim, odlučujući čimbenik koji određuje rast biljaka je sveobuhvatan čimbenik, ne samo povezan sa svjetlom, već i neodvojiv od konfiguracije vode, tla i gnojiva, uvjeta okruženja za rast i sveobuhvatne tehničke kontrole.

U posljednje dvije ili tri godine bilo je beskonačnih izvješća o primjeni tehnologije poluvodičke rasvjete u vezi s trodimenzionalnim tvornicama biljaka ili rastom biljaka. Ali nakon pažljivog čitanja, uvijek postoji neki neugodan osjećaj. Općenito govoreći, ne postoji pravo razumijevanje o tome kakvu bi ulogu svjetlost trebala igrati u rastu biljaka.

Prvo, shvatimo spektar Sunca, kao što je prikazano na slici 1. Može se vidjeti da je Sunčev spektar kontinuirani spektar, u kojem su plavi i zeleni spektar jači od crvenog spektra, a spektar vidljive svjetlosti kreće se od 380 do 780 nm. Rast organizama u prirodi povezan je s intenzitetom spektra. Na primjer, većina biljaka u području blizu ekvatora raste vrlo brzo, a istovremeno je veličina njihova rasta relativno velika. No, visok intenzitet sunčevog zračenja nije uvijek bolji, a postoji i određeni stupanj selektivnosti za rast životinja i biljaka.

Slika 1, Karakteristike sunčevog spektra i njegovog spektra vidljive svjetlosti

Drugo, dijagram drugog spektra nekoliko ključnih apsorpcijskih elemenata rasta biljaka prikazan je na slici 2.

Slika 2, Apsorpcijski spektri nekoliko auksina u rastu biljaka

Na slici 2. vidljivo je da se spektri apsorpcije svjetlosti nekoliko ključnih auksina koji utječu na rast biljaka značajno razlikuju. Stoga primjena LED svjetiljki za rast biljaka nije jednostavna stvar, već vrlo ciljana. Ovdje je potrebno uvesti pojmove o dva najvažnija fotosintetska elementa rasta biljaka.

• Klorofil

Klorofil je jedan od najvažnijih pigmenata povezanih s fotosintezom. Postoji u svim organizmima koji mogu stvarati fotosintezu, uključujući zelene biljke, prokariotske modrozelene alge (cijanobakterije) i eukariotske alge. Klorofil apsorbira energiju iz svjetlosti, koja se zatim koristi za pretvaranje ugljičnog dioksida u ugljikohidrate.

Klorofil a uglavnom apsorbira crvenu svjetlost, a klorofil b uglavnom apsorbira plavo-ljubičastu svjetlost, uglavnom za razlikovanje biljaka za sjenu od biljaka za sunčanje. Omjer klorofila b i klorofila a biljaka u sjeni je mali, tako da biljke u sjeni mogu snažno koristiti plavu svjetlost i prilagoditi se rastu u sjeni. Klorofil a je plavo-zelen, a klorofil b je žuto-zelen. Postoje dvije jake apsorpcije klorofila a i klorofila b, jedna u crvenom području valne duljine 630-680 nm, a druga u plavo-ljubičastom području valne duljine 400-460 nm.

• Karotenoidi

Karotenoidi su opći naziv za klasu važnih prirodnih pigmenata, koji se obično nalaze u žutim, narančasto-crvenim ili crvenim pigmentima u životinja, viših biljaka, gljiva i algi. Do sada je otkriveno više od 600 prirodnih karotenoida.

Apsorpcija svjetla karotenoida pokriva raspon od OD303~505 nm, što daje boju hrani i utječe na unos hrane u tijelo. U algama, biljkama i mikroorganizmima njegova je boja prekrivena klorofilom i ne može se pojaviti. U biljnim stanicama proizvedeni karotenoidi ne samo da apsorbiraju i prenose energiju kako bi pomogli fotosintezi, već imaju i funkciju zaštite stanica od uništenja pobuđenim molekulama kisika s jednostrukom elektronskom vezom.

Neki konceptualni nesporazumi

Bez obzira na učinak uštede energije, selektivnost svjetla i koordinaciju svjetla, poluvodička rasvjeta pokazala je velike prednosti. Međutim, zbog brzog razvoja u posljednje dvije godine, također smo vidjeli mnogo nesporazuma u dizajnu i primjeni svjetla, koji se uglavnom odražavaju u sljedećim aspektima.

①Sve dok se crveni i plavi čips određene valne duljine kombiniraju u određenom omjeru, mogu se koristiti u uzgoju biljaka, na primjer, omjer crvenog i plavog je 4:1, 6:1, 9:1 i tako na.

②Sve dok se radi o bijelom svjetlu, ono može zamijeniti sunčevo svjetlo, kao što je bijela svjetlosna cijev s tri primara koja se široko koristi u Japanu, itd. Korištenje ovih spektara ima određeni učinak na rast biljaka, ali učinak je nije tako dobar kao izvor svjetla napravljen od LED-a.

③Sve dok PPFD (gustoća kvantnog toka svjetlosti), važan parametar osvjetljenja, dosegne određeni indeks, na primjer, PPFD je veći od 200 μmol·m-2·s-1. No, pri korištenju ovog pokazatelja morate obratiti pozornost radi li se o biljci za sjenu ili o biljci za sunčanje. Morate ispitati ili pronaći točku zasićenja kompenzacije svjetla ovih biljaka, koja se također naziva točkom kompenzacije svjetlosti. U stvarnim primjenama, sadnice su često spaljene ili uvenule. Stoga se dizajn ovog parametra mora dizajnirati u skladu s biljnom vrstom, okolišem rasta i uvjetima.

Što se tiče prvog aspekta, kao što je predstavljeno u uvodu, spektar potreban za rast biljke trebao bi biti kontinuirani spektar s određenom širinom distribucije. Očito je neprikladno koristiti izvor svjetlosti napravljen od dva čipa specifične valne duljine crvene i plave s vrlo uskim spektrom (kao što je prikazano na slici 3(a)). U pokusima je utvrđeno da su biljke obično žućkaste, stabljike lišća su vrlo svijetle, a stabljike lišća vrlo tanke.

Za fluorescentne cijevi s tri primarne boje koje su se obično koristile prethodnih godina, iako je bijela sintetizirana, crveni, zeleni i plavi spektri su odvojeni (kao što je prikazano na slici 3(b)), a širina spektra je vrlo uska. Spektralni intenzitet sljedećeg kontinuiranog dijela relativno je slab, a snaga je još uvijek relativno velika u usporedbi s LED diodama, 1,5 do 3 puta veća od potrošnje energije. Stoga učinak korištenja nije tako dobar kao LED svjetla.

Slika 3, crveno i plavo čip LED svjetlo za biljke i spektar fluorescentne svjetlosti tri primarne boje

PPFD je kvantna gustoća svjetlosnog toka, koja se odnosi na efektivnu gustoću svjetlosnog toka zračenja u fotosintezi, koja predstavlja ukupan broj svjetlosnih kvanta koji padaju na stabljike lišća biljke u rasponu valnih duljina od 400 do 700 nm po jedinici vremena i jedinici površine . Jedinica mu je μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosintetski aktivno zračenje (PAR) odnosi se na ukupno sunčevo zračenje valne duljine u rasponu od 400 do 700 nm. Može se izraziti ili kvantima svjetlosti ili energijom zračenja.

U prošlosti je intenzitet svjetlosti koji reflektira iluminometar bio svjetlina, ali spektar rasta biljke se mijenja zbog visine rasvjetnog tijela od biljke, pokrivenosti svjetlom i može li svjetlost proći kroz lišće. Stoga nije točno koristiti par kao pokazatelj intenziteta svjetlosti u proučavanju fotosinteze.

Općenito, mehanizam fotosinteze može se pokrenuti kada je PPFD biljke koja voli sunce veći od 50 μmol·m-2·s-1, dok PPFD biljke u sjeni treba samo 20 μmol·m-2·s-1 . Stoga, kada kupujete LED svjetla za rast, možete odabrati broj LED svjetla za rast na temelju ove referentne vrijednosti i vrste biljaka koje sadite. Na primjer, ako je PPFD jedne LED svjetiljke 20 μmol·m-2·s-1, za uzgoj biljaka koje vole sunce potrebno je više od 3 LED žarulje.

Nekoliko konstrukcijskih rješenja poluvodičke rasvjete

Poluvodička rasvjeta koristi se za rast ili sadnju biljaka, a postoje dvije osnovne referentne metode.

• Trenutačno je model sadnje u zatvorenom prostoru vrlo popularan u Kini. Ovaj model ima nekoliko karakteristika:

①Uloga LED svjetala je osigurati puni spektar rasvjete biljaka, a sustav rasvjete mora osigurati svu energiju osvjetljenja, a troškovi proizvodnje su relativno visoki;
②Dizajn LED svjetiljki za uzgoj mora uzeti u obzir kontinuitet i cjelovitost spektra;
③Potrebno je učinkovito kontrolirati vrijeme osvjetljenja i intenzitet osvjetljenja, kao što je pustiti biljke da se odmore nekoliko sati, intenzitet zračenja nije dovoljan ili prejak, itd.;
④Cijeli proces treba oponašati uvjete potrebne za stvarno optimalno okruženje za rast biljaka na otvorenom, kao što su vlažnost, temperatura i koncentracija CO2.

• Način sadnje na otvorenom s dobrim temeljem za sadnju u stakleniku na otvorenom. Karakteristike ovog modela su:

①Uloga LED svjetala je dopuna svjetla. Jedan je povećati intenzitet svjetla u plavim i crvenim područjima pod zračenjem sunčeve svjetlosti tijekom dana kako bi se pospješila fotosinteza biljaka, a drugi je nadoknaditi kada nema sunčeve svjetlosti noću kako bi se pospješio rast biljaka
②Dopunsko svjetlo treba uzeti u obzir u kojoj je fazi rasta biljka, kao što je razdoblje sadnice ili razdoblje cvatnje i plodonošenja.

Stoga bi dizajn LED rasvjete za rast biljaka prvo trebao imati dva osnovna načina dizajna, naime, 24-satno osvjetljenje (unutarnje) i dodatno osvjetljenje za rast biljaka (vanjsko). Za uzgoj biljaka u zatvorenom prostoru, dizajn LED rasvjete treba uzeti u obzir tri aspekta, kao što je prikazano na slici 4. Nije moguće pakirati čips s tri osnovne boje u određenom omjeru.

Slika 4, Ideja dizajna korištenja unutarnjih LED rasvjetnih tijela za 24-satnu rasvjetu

Na primjer, za spektar u fazi rasadnika, s obzirom na to da treba pojačati rast korijena i stabljike, pojačati grananje lišća, a izvor svjetlosti se koristi u zatvorenom prostoru, spektar se može dizajnirati kao što je prikazano na slici 5.

Slika 5, Spektralne strukture prikladne za LED rasadnike u zatvorenim prostorima

Što se tiče dizajna drugog tipa LED svjetla za rast, uglavnom je usmjereno na dizajnersko rješenje dopunskog svjetla za promicanje sadnje u podnožju staklenika na otvorenom. Ideja dizajna prikazana je na slici 6.

Slika 6, Ideje dizajna vanjskih rasvjetnih tijela 

Autor predlaže da više tvrtki koje se bave sadnjom prihvate drugu opciju za korištenje LED svjetala za promicanje rasta biljaka.

Prije svega, kineski uzgoj u staklenicima na otvorenom ima desetljećima veliku količinu i širok raspon iskustva, kako na jugu tako i na sjeveru. Ima dobre temelje tehnologije stakleničkog uzgoja i osigurava veliki broj svježeg voća i povrća na tržištu okolnih gradova. Osobito u području sadnje tla i vode i gnojidbe postignuti su bogati rezultati istraživanja.

Drugo, ovakvo rješenje dodatnog svjetla može uvelike smanjiti nepotrebnu potrošnju energije, au isto vrijeme može učinkovito povećati prinos voća i povrća. Osim toga, veliko geografsko područje Kine vrlo je pogodno za promociju.

Kao znanstveno istraživanje LED rasvjete biljaka, također pruža širu eksperimentalnu bazu za to. Slika 7 je vrsta LED rasvjete koju je razvio ovaj istraživački tim, a koja je prikladna za uzgoj u staklenicima, a njen spektar prikazan je na slici 8.

Slika 7, Vrsta LED svjetla za uzgoj

Slika 8, spektar vrste LED svjetla za uzgoj

Prema gore navedenim idejama dizajna, istraživački tim je proveo niz eksperimenata, a eksperimentalni rezultati su vrlo značajni. Na primjer, za rasvjetu tijekom rasadnika, originalna svjetiljka koja se koristi je fluorescentna svjetiljka snage 32 W i ciklusa rasadnika od 40 dana. Nudimo LED rasvjetu od 12 W koja skraćuje ciklus sadnje na 30 dana, učinkovito smanjuje utjecaj temperature lampi u radionici za sadnice i štedi potrošnju energije klima uređaja. Debljina, duljina i boja presadnica su bolje od izvorne otopine za uzgoj presadnica. Za presadnice običnog povrća također su dobiveni dobri zaključci provjere koji su sažeti u sljedećoj tablici.

Među njima, dopunska svjetlosna skupina PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 i omjer crveno-plavo: 0,6-0,7. Raspon dnevne PPFD vrijednosti prirodne skupine bio je 40~800 μmol·m-2·s-1, a omjer crvenog prema plavom bio je 0,6~1,2. Vidljivo je da su navedeni pokazatelji bolji nego kod prirodno uzgojenih presadnica.

Zaključak

Ovaj članak predstavlja najnovija dostignuća u primjeni LED svjetla za uzgoj u uzgoju biljaka i ukazuje na neke nesporazume u primjeni LED svjetla za uzgoj u uzgoju biljaka. Konačno, predstavljene su tehničke ideje i sheme za razvoj LED rasvjete za uzgoj koja se koristi za uzgoj biljaka. Treba istaknuti da postoje i neki čimbenici koje je potrebno uzeti u obzir pri postavljanju i korištenju svjetla, kao što su udaljenost između svjetla i biljke, raspon zračenja svjetiljke i način primjene svjetla s normalna voda, gnojivo i tlo.

Autor: Yi Wang i sur. Izvor: CNKI