Увод

Светлост игра кључну улогу у процесу раста биљака. То је најбоље ђубриво за подстицање апсорпције хлорофила из биљака и апсорпције различитих квалитета раста биљака, као што је каротен. Међутим, одлучујући фактор који одређује раст биљака је свеобухватан фактор, који није повезан само са светлошћу, већ је и неодвојив од конфигурације воде, земљишта и ђубрива, услова окружења за раст и свеобухватне техничке контроле.

У протекле две или три године објављено је безброј извештаја о примени технологије полупроводничког осветљења у вези са тродимензионалним фабрикама биљака или растом биљака. Али након пажљивог читања, увек постоји неки непријатан осећај. Генерално говорећи, не постоји право разумевање какву улогу светлост треба да игра у расту биљака.

Прво, хајде да разумемо спектар Сунца, као што је приказано на Слици 1. Може се видети да је Сунчев спектар континуирани спектар, у коме су плави и зелени спектар јачи од црвеног спектра, а спектар видљиве светлости се креће од 380 до 780 nm. Раст организама у природи је повезан са интензитетом спектра. На пример, већина биљака у подручју близу екватора расте веома брзо, а истовремено је величина њиховог раста релативно велика. Али висок интензитет сунчевог зрачења није увек бољи и постоји одређени степен селективности за раст животиња и биљака.

Слика 1, Карактеристике соларног спектра и његовог спектра видљиве светлости

Друго, други спектрални дијаграм неколико кључних елемената апсорпције раста биљака приказан је на слици 2.

Слика 2, Апсорпциони спектри неколико ауксина у расту биљака

Из слике 2 се види да се спектри апсорпције светлости неколико кључних ауксина који утичу на раст биљака значајно разликују. Стога, примена ЛЕД светала за раст биљака није једноставна ствар, већ веома циљана. Овде је потребно представити концепте два најважнија фотосинтетска елемента раста биљака.

• Хлорофил

Хлорофил је један од најважнијих пигмената повезаних са фотосинтезом. Постоји у свим организмима који могу да врше фотосинтезу, укључујући зелене биљке, прокариотске плавозелене алге (цијанобактерије) и еукариотске алге. Хлорофил апсорбује енергију из светлости, која се затим користи за претварање угљен-диоксида у угљене хидрате.

Хлорофил а углавном апсорбује црвену светлост, а хлорофил б углавном апсорбује плаво-љубичасту светлост, углавном да би се разликовале биљке које нуде хлад од биљака које нуде сунце. Однос хлорофила б и хлорофила а код биљака које нуде хлад је мали, тако да биљке које нуде хлад могу снажно да користе плаву светлост и да се прилагоде расту у хладу. Хлорофил а је плаво-зелен, а хлорофил б је жуто-зелен. Постоје две јаке апсорпције хлорофила а и хлорофила б, једна у црвеном подручју са таласном дужином од 630-680 nm, а друга у плаво-љубичастом подручју са таласном дужином од 400-460 nm.

• Каротеноиди

Каротеноиди су општи назив за класу важних природних пигмената, који се обично налазе у жутим, наранџасто-црвеним или црвеним пигментима код животиња, виших биљака, гљивица и алги. До сада је откривено више од 600 природних каротеноида.

Апсорпција светлости каротеноида покрива опсег од OD303~505 nm, што даје боју храни и утиче на унос хране у тело. Код алги, биљака и микроорганизама, њихова боја је прекривена хлорофилом и не може се појавити. У биљним ћелијама, произведени каротеноиди не само да апсорбују и преносе енергију како би помогли фотосинтези, већ имају и функцију заштите ћелија од уништења побуђеним молекулима кисеоника са једноелектронском везом.

Нека концептуална неспоразума

Без обзира на ефекат уштеде енергије, селективност светлости и координацију светлости, полупроводничко осветљење је показало велике предности. Међутим, од брзог развоја у последње две године, видели смо и много неспоразума у ​​дизајну и примени светлости, што се углавном огледа у следећим аспектима.

①Све док се црвени и плави чипови одређене таласне дужине комбинују у одређеном односу, могу се користити у узгоју биљака, на пример, однос црвене и плаве је 4:1, 6:1, 9:1 и тако даље.

②Све док је у питању бела светлост, може заменити сунчеву светлост, као што је трострука бела светлосна цев која се широко користи у Јапану итд. Употреба ових спектара има одређени утицај на раст биљака, али ефекат није тако добар као код извора светлости који производи ЛЕД.

③Све док PPFD (густина квантног флукса светлости), важан параметар осветљења, достигне одређени индекс, на пример, PPFD је већи од 200 μmol·m-2·s-1. Међутим, када се користи овај индикатор, мора се обратити пажња на то да ли се ради о биљци за сенку или биљци за сунце. Потребно је да се утврди или пронађе тачка засићења компензације светлости код ових биљака, која се назива и тачка компензације светлости. У стварним применама, саднице се често спаљују или увену. Стога, дизајн овог параметра мора бити пројектован у складу са врстом биљке, окружењем за раст и условима.

Што се тиче првог аспекта, како је представљено у уводу, спектар потребан за раст биљака треба да буде континуирани спектар са одређеном ширином дистрибуције. Очигледно је неприкладно користити извор светлости направљен од два специфична чипа таласне дужине, црвене и плаве, са веома уским спектром (као што је приказано на слици 3(а)). У експериментима је утврђено да биљке имају тенденцију да буду жућкасте, стабљике лишћа су веома светле, а стабљике лишћа су веома танке.

Код флуоресцентних цеви са три основне боје које су се често користиле претходних година, иако се бела синтетише, црвени, зелени и плави спектри су раздвојени (као што је приказано на слици 3(б)), а ширина спектра је веома уска. Спектрални интензитет следећег континуираног дела је релативно слаб, а снага је и даље релативно велика у поређењу са ЛЕД диодама, са 1,5 до 3 пута већом потрошњом енергије. Стога, ефекат употребе није тако добар као код ЛЕД сијалица.

Слика 3, Црвена и плава ЛЕД диода за осветљење биљака и спектар флуоресцентне светлости са три основне боје

PPFD је густина квантног флукса светлости, која се односи на ефективну густину светлосног флукса зрачења светлости у фотосинтези, која представља укупан број кванта светлости који падају на стабљике биљних листова у опсегу таласних дужина од 400 до 700 nm по јединици времена и јединици површине. Њена јединица је μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Фотосинтетски активно зрачење (PAR) односи се на укупно сунчево зрачење са таласном дужином у опсегу од 400 до 700 nm. Може се изразити или квантима светлости или енергијом зрачења.

У прошлости, интензитет светлости који је рефлектовао илуминометар био је осветљеност, али спектар раста биљака се мења због висине светиљке од биљке, покривености светлошћу и тога да ли светлост може да прође кроз лишће. Стога није тачно користити пар као индикатор интензитета светлости у проучавању фотосинтезе.

Генерално, механизам фотосинтезе може се покренути када је ППФД биљке која воли сунце већи од 50 μmol·m-2·s-1, док је ППФД биљке која воли сунце потребно само 20 μmol·m-2·s-1. Стога, приликом куповине ЛЕД светала за узгој, можете одабрати број ЛЕД светала за узгој на основу ове референтне вредности и врсте биљака које садите. На пример, ако је ППФД једне ЛЕД лампе 20 μmol·m-2·s-1, потребно је више од 3 ЛЕД сијалице за узгој биљака које воле сунце.

Неколико дизајнерских решења полупроводничког осветљења

Полупроводничко осветљење се користи за раст или садњу биљака, а постоје две основне референтне методе.

• Тренутно је модел садње у затвореном простору веома популаран у Кини. Овај модел има неколико карактеристика:

①Улога ЛЕД светала је да обезбеди пун спектар осветљења биљака, а систем осветљења је потребан да обезбеди сву енергију за осветљење, а трошкови производње су релативно високи;
②Дизајн ЛЕД светала за узгој мора узети у обзир континуитет и интегритет спектра;
③Неопходно је ефикасно контролисати време осветљења и интензитет осветљења, као што је остављање биљака да се одмарају неколико сати, интензитет зрачења није довољан или је прејак итд.;
④Читав процес мора да имитира услове које захтева стварно оптимално окружење за раст биљака на отвореном, као што су влажност, температура и концентрација CO2.

• Режим садње на отвореном са добрим темељем за садњу на отвореном у пластенику. Карактеристике овог модела су:

①Улога ЛЕД светала је да допуне светлост. Једна је да појачају интензитет светлости у плавим и црвеним областима под зрачењем сунчеве светлости током дана како би се подстакла фотосинтеза биљака, а друга је да компензују када нема сунчеве светлости ноћу како би се подстакла брзина раста биљака.
②Додатно осветљење мора узети у обзир у којој се фази раста биљка налази, као што је период саднице или период цветања и плодоношења.

Стога, дизајн ЛЕД светала за узгој биљака треба прво да има два основна начина дизајна, наиме, 24-часовно осветљење (у затвореном простору) и додатно осветљење за раст биљака (на отвореном). За узгој биљака у затвореном простору, дизајн ЛЕД светала за узгој мора да узме у обзир три аспекта, као што је приказано на слици 4. Није могуће паковати чипове са три основне боје у одређеној пропорцији.

Слика 4, Идеја дизајна коришћења ЛЕД појачивача биљака у затвореном простору за 24-часовно осветљење

На пример, за спектар у фази расадника, с обзиром на то да је потребно ојачати раст корена и стабљика, ојачати гранање лишћа, а извор светлости се користи у затвореном простору, спектар се може дизајнирати као што је приказано на слици 5.

Слика 5, Спектралне структуре погодне за ЛЕД осветљење у затвореном простору у периоду расадника

Што се тиче дизајна друге врсте ЛЕД светла за узгој, углавном се циља на дизајнерско решење допуњавања светлости како би се подстакла садња у основи спољашњег стакленика. Идеја дизајна је приказана на слици 6.

Слика 6, Идеје за дизајн спољних светала за узгој биљака 

Аутор предлаже да више компанија за садњу усвоји другу опцију коришћења ЛЕД светла за подстицање раста биљака.

Пре свега, Кина има деценије искуства у узгоју поврћа у пластеницима, како на југу тако и на северу. Има добру основу технологије узгоја поврћа у пластеницима и обезбеђује велики број свежег воћа и поврћа на тржишту за околне градове. Посебно у области земљишта, воде и садње ђубрива, постигнути су богати резултати истраживања.

Друго, ова врста додатног светлосног решења може значајно смањити непотребну потрошњу енергије, а истовремено може ефикасно повећати принос воћа и поврћа. Поред тога, огромно географско подручје Кине је веома погодно за промоцију.

Као научно истраживање ЛЕД осветљења биљака, оно такође пружа ширу експерименталну базу за њега. Слика 7 приказује врсту ЛЕД светла за узгој које је развио овај истраживачки тим, а које је погодно за узгој у пластеницима, а његов спектар је приказан на слици 8.

Слика 7, Врста ЛЕД лампе за узгој биљака

Слика 8, спектар једне врсте ЛЕД лампе за узгој

Према горе наведеним идејама за дизајн, истраживачки тим је спровео низ експеримената, а експериментални резултати су веома значајни. На пример, за осветљење током расадника, оригинална лампа која се користи је флуоресцентна лампа снаге 32 W и циклуса расадника од 40 дана. Ми нудимо ЛЕД светло од 12 W, које скраћује циклус саднице на 30 дана, ефикасно смањује утицај температуре лампи у радионици за саднице и штеди потрошњу енергије клима уређаја. Дебљина, дужина и боја садница су боље него код оригиналног решења за узгој садница. За саднице уобичајеног поврћа, такође су добијени добри закључци верификације, који су сумирани у следећој табели.

Међу њима, додатна светлосна група PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, а однос црвене и плаве боје: 0,6-0,7. Распон дневних вредности PPFD природне групе био је 40~800 μmol·m-2·s-1, а однос црвене и плаве боје био је 0,6~1,2. Може се видети да су горе наведени индикатори бољи од оних код природно узгајаних садница.

Закључак

Овај чланак представља најновија достигнућа у примени ЛЕД светала за узгој биљака и указује на нека неспоразума у ​​вези са применом ЛЕД светала за узгој биљака. На крају, представљене су техничке идеје и шеме за развој ЛЕД светала за узгој биљака која се користе за узгој биљака. Треба истаћи да постоје и неки фактори које треба узети у обзир приликом инсталације и коришћења светла, као што су растојање између светла и биљке, домет зрачења лампе и начин примене светла са обичном водом, ђубривом и земљом.

Аутор: Ии Ванг ет ал. Извор: ЦНКИ