Uvod

Svjetlost igra ključnu ulogu u procesu rasta biljaka. To je najbolje gnojivo za poticanje apsorpcije biljnog klorofila i apsorpcije različitih svojstava rasta biljaka poput karotena. Međutim, odlučujući faktor koji određuje rast biljaka je sveobuhvatan faktor, koji nije povezan samo sa svjetlošću, već je i neodvojiv od konfiguracije vode, tla i gnojiva, uvjeta okoline za rast i sveobuhvatne tehničke kontrole.

U protekle dvije ili tri godine objavljeno je bezbroj izvješća o primjeni tehnologije poluvodičke rasvjete u vezi s trodimenzionalnim tvornicama biljaka ili rastom biljaka. No, nakon pažljivog čitanja uvijek postoji neki neugodan osjećaj. Općenito govoreći, ne postoji pravo razumijevanje uloge koju bi 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 njihovog rasta relativno velika. Ali visok intenzitet sunčevog zračenja nije uvijek bolji i postoji određeni stupanj selektivnosti za rast životinja i biljaka.

Slika 1, Karakteristike solarnog spektra i njegovog spektra vidljive svjetlosti

Drugo, drugi spektralni dijagram nekoliko ključnih elemenata apsorpcije rasta biljaka prikazan je na slici 2.

Slika 2, Apsorpcijski spektri nekoliko auksina u rastu biljaka

Iz slike 2 može se vidjeti da se spektri apsorpcije svjetlosti nekoliko ključnih auksina koji utječu na rast biljaka značajno razlikuju. Stoga primjena LED svjetala za rast biljaka nije jednostavna, već vrlo ciljana. Ovdje je potrebno uvesti koncepte dvaju najvažnijih fotosintetskih elemenata rasta biljaka.

• Klorofil

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

Klorofil a uglavnom apsorbira crvenu svjetlost, a klorofil b uglavnom apsorbira plavo-ljubičastu svjetlost, uglavnom kako bi razlikovao biljke koje vole sjenu od biljaka koje vole sunce. Omjer klorofila b i klorofila a kod biljaka koje vole sjenu je mali, pa biljke koje vole sjenu 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 s valnom duljinom od 630-680 nm, a druga u plavo-ljubičastom području s valnom duljinom od 400-460 nm.

• Karotenoidi

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

Apsorpcija svjetlosti karotenoida pokriva raspon od OD303~505 nm, što daje boju hrani i utječe na unos hrane u tijelo. U algama, biljkama i mikroorganizmima, njihova boja je 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 jednom elektronskom vezom.

Neki konceptualni nesporazumi

Bez obzira na učinak uštede energije, selektivnost svjetlosti i koordinaciju svjetlosti, poluvodička rasvjeta pokazala je velike prednosti. Međutim, zbog brzog razvoja u protekle dvije godine, vidjeli smo i mnogo nesporazuma u dizajnu i primjeni svjetlosti, što se uglavnom odražava u sljedećim aspektima.

①Sve dok se crveni i plavi čipovi određene valne duljine kombiniraju u određenom omjeru, mogu se koristiti u uzgoju biljaka, na primjer, omjer crvene i plave boje je 4:1, 6:1, 9:1 i tako dalje.

②Sve dok je u pitanju bijela svjetlost, može zamijeniti sunčevu svjetlost, poput troslojne bijele svjetlosne cijevi koja se široko koristi u Japanu itd. Korištenje ovih spektara ima određeni učinak na rast biljaka, ali učinak nije tako dobar kao kod izvora svjetlosti koji proizvodi LED.

③Sve dok PPFD (gustoća kvantnog toka svjetlosti), važan parametar osvjetljenja, dostigne određeni indeks, na primjer, PPFD je veći od 200 μmol·m-2·s-1. Međutim, pri korištenju ovog pokazatelja morate obratiti pozornost na to je li riječ o biljci za sjenu ili biljci za sunce. Potrebno je provjeriti ili pronaći točku zasićenja kompenzacije svjetlosti kod ovih biljaka, koja se naziva i točkom kompenzacije svjetlosti. U stvarnim primjenama, sadnice se često spale ili uvenu. Stoga, dizajn ovog parametra mora biti dizajniran prema vrsti biljke, okruženju rasta i uvjetima.

Što se tiče prvog aspekta, kako je predstavljeno u uvodu, spektar potreban za rast biljaka trebao bi biti kontinuirani spektar s određenom širinom distribucije. Očito je neprikladno koristiti izvor svjetlosti napravljen od dva specifična čipa valnih duljina, crvene i plave, s vrlo uskim spektrom (kao što je prikazano na slici 3(a)). U eksperimentima je utvrđeno da biljke imaju tendenciju žućkaste boje, stabljike listova su vrlo svijetle, a stabljike listova vrlo tanke.

Kod fluorescentnih cijevi s tri primarne boje koje su se uobičajeno koristile u prethodnim godinama, iako se sintetizira bijela, crveni, zeleni i plavi spektar su odvojeni (kao što je prikazano na slici 3(b)), a širina spektra je vrlo uska. Spektralni intenzitet sljedećeg kontinuiranog dijela je relativno slab, a snaga je i dalje relativno velika u usporedbi s LED diodama, s potrošnjom energije od 1,5 do 3 puta većom. Stoga, učinak korištenja nije tako dobar kao kod LED svjetala.

Slika 3, Crvena i plava LED lampa za biljke i spektar fluorescentne svjetlosti s tri primarne boje

PPFD je gustoća svjetlosnog kvantnog toka, koja se odnosi na efektivnu gustoću svjetlosnog toka zračenja svjetlosti u fotosintezi, koja predstavlja ukupan broj svjetlosnih kvanta koji padnu na stabljike listova biljaka u rasponu valnih duljina od 400 do 700 nm po jedinici vremena i jedinici površine. Njegova jedinica je μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosintetski aktivno zračenje (PAR) odnosi se na ukupno sunčevo zračenje s valnom duljinom u rasponu od 400 do 700 nm. Može se izraziti ili svjetlosnim kvantima ili energijom zračenja.

U prošlosti je intenzitet svjetlosti koji je reflektirao iluminometar bio svjetlina, ali spektar rasta biljaka mijenja se zbog visine svjetiljke od biljke, pokrivenosti svjetlošću i toga 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 je PPFD biljke koja uzgaja sjenu potrebno samo 20 μmol·m-2·s-1. Stoga, prilikom kupnje LED svjetala za uzgoj, možete odabrati broj LED svjetala za uzgoj na temelju ove referentne vrijednosti i vrste biljaka koje sadite. Na primjer, ako je PPFD jedne LED lampe 20 μmol·m-2·s-1, za uzgoj biljaka koje vole sunce potrebno je više od 3 LED žarulje.

Nekoliko dizajnerskih rješenja poluvodičke rasvjete

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

• Trenutno je model uzgoja biljaka 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 svjetlosnu energiju, a troškovi proizvodnje su relativno visoki;
②Dizajn LED svjetala za uzgoj mora uzeti u obzir kontinuitet i integritet spektra;
③Potrebno je učinkovito kontrolirati vrijeme i intenzitet osvjetljenja, na primjer, ostaviti biljke da se odmaraju nekoliko sati, intenzitet zračenja nije dovoljan ili je prejak itd.;
④Cijeli proces mora oponašati uvjete koje zahtijeva 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 na otvorenom u stakleniku. Karakteristike ovog modela su:

①Uloga LED svjetala je dopunjavanje svjetla. Jedna je pojačavanje intenziteta svjetla u plavim i crvenim područjima pod sunčevom svjetlošću tijekom dana kako bi se potaknula fotosinteza biljaka, a druga je kompenzacija kada nema sunčeve svjetlosti noću kako bi se potaknula brzina rasta biljaka.
②Dopunska rasvjeta mora uzeti u obzir u kojoj se fazi rasta biljka nalazi, kao što je razdoblje sadnice ili razdoblje cvjetanja i plodonošenja.

Stoga bi dizajn LED svjetala za uzgoj biljaka trebao prvo imati dva osnovna načina dizajna, i to 24-satnu rasvjetu (unutarnju) i dodatnu rasvjetu za rast biljaka (vanjsku). Za uzgoj biljaka u zatvorenom prostoru, dizajn LED svjetala za uzgoj mora uzeti u obzir tri aspekta, kao što je prikazano na slici 4. Nije moguće pakirati čipove s tri osnovne boje u određenom omjeru.

Slika 4, Ideja dizajna korištenja unutarnjih LED svjetala za pojačavanje biljaka za 24-satnu rasvjetu

Na primjer, za spektar u fazi rasadnika, s obzirom na to da treba ojačati rast korijenja i stabljika, ojačati 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 unutarnje vrtićke razdoblje

Kod dizajna druge vrste LED svjetla za uzgoj, glavni cilj je dizajnersko rješenje dopunske svjetlosti za poticanje sadnje u podnožju vanjskog staklenika. Ideja dizajna prikazana je na slici 6.

Slika 6, Ideje za dizajn vanjskih svjetiljki za uzgoj 

Autor predlaže da više tvrtki za sadnju usvoji drugu mogućnost korištenja LED svjetala za poticanje rasta biljaka.

Prije svega, Kina ima desetljeća dugo i široko iskustvo u uzgoju na otvorenom u staklenicima, kako na jugu tako i na sjeveru. Ima dobru osnovu tehnologije uzgoja u staklenicima i osigurava veliki broj svježeg voća i povrća na tržištu za okolne gradove. Posebno u području tla, vode i gnojiva postignuti su bogati rezultati istraživanja.

Drugo, ovakvo dodatno svjetlosno rješenje može uvelike smanjiti nepotrebnu potrošnju energije, a istovremeno može učinkovito povećati prinos voća i povrća. Osim toga, ogromno geografsko područje Kine vrlo je povoljno za promociju.

Kao znanstveno istraživanje LED rasvjete biljaka, ono također pruža širu eksperimentalnu bazu za njega. Slika 7 prikazuje vrstu LED svjetla za uzgoj koje je razvio ovaj istraživački tim, a pogodno je za uzgoj u staklenicima, a njegov 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 proveo je niz eksperimenata, a eksperimentalni rezultati su vrlo značajni. Na primjer, za osvjetljenje uzgoja tijekom rasadnika, originalno je korištena fluorescentna lampa snage 32 W i ciklusa rasadnika od 40 dana. Mi nudimo LED svjetlo od 12 W, koje skraćuje ciklus sadnica na 30 dana, učinkovito smanjuje utjecaj temperature lampi u radionici za sadnice i štedi potrošnju energije klima uređaja. Debljina, duljina i boja sadnica su bolje od originalnog rješenja za uzgoj sadnica. Za sadnice uobičajenog povrća također su dobiveni dobri zaključci provjere, koji su sažeti u sljedećoj tablici.

Među njima, dodatna svjetlosna skupina PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, a omjer crvene i plave boje: 0,6-0,7. Raspon dnevne vrijednosti PPFD-a prirodne skupine bio je 40~800 μmol·m-2·s-1, a omjer crvene i plave boje bio je 0,6~1,2. Može se vidjeti da su gore navedeni pokazatelji bolji od onih prirodno uzgojenih sadnica.

Zaključak

Ovaj članak predstavlja najnoviji razvoj u primjeni LED svjetala za uzgoj biljaka i ukazuje na neke nesporazume u primjeni LED svjetala za uzgoj biljaka. Konačno, predstavljene su tehničke ideje i sheme za razvoj LED svjetala za uzgoj biljaka. Treba istaknuti da postoje i neki čimbenici koje treba uzeti u obzir prilikom instalacije i korištenja svjetla, kao što su udaljenost između svjetla i biljke, domet zračenja svjetiljke te način primjene svjetla s običnom vodom, gnojivom i tlom.

Autor: Yi Wang i sur. Izvor: CNKI