Introducere

Lumina joacă un rol cheie în procesul de creștere a plantelor. Este cel mai bun îngrășământ pentru a promova absorbția clorofilei plantelor și absorbția diferitelor calități de creștere a plantelor, cum ar fi carotenul. Cu toate acestea, factorul decisiv care determină creșterea plantelor este un factor cuprinzător, nu numai legat de lumină, ci și inseparabil de configurația apei, a solului și a îngrășămintelor, a condițiilor mediului de creștere și a controlului tehnic cuprinzător.

În ultimii doi sau trei ani, au existat nenumărate rapoarte despre aplicarea tehnologiei de iluminat cu semiconductori în ceea ce privește fabricile de plante tridimensionale sau creșterea plantelor. Dar după ce l-ai citit cu atenție, există întotdeauna un sentiment de neliniște. În general, nu există o înțelegere reală a rolului pe care lumina ar trebui să-l joace în creșterea plantelor.

În primul rând, să înțelegem spectrul soarelui, așa cum se arată în figura 1. Se poate observa că spectrul solar este un spectru continuu, în care spectrul albastru și verde sunt mai puternice decât spectrul roșu, iar spectrul luminii vizibile variază de la 380 până la 780 nm. Creșterea organismelor în natură este legată de intensitatea spectrului. De exemplu, majoritatea plantelor din zona din apropierea ecuatorului cresc foarte repede și, în același timp, dimensiunea creșterii lor este relativ mare. Dar intensitatea ridicată a iradierii solare nu este întotdeauna mai bună și există un anumit grad de selectivitate pentru creșterea animalelor și a plantelor.

Figura 1, Caracteristicile spectrului solar și spectrul său de lumină vizibilă

În al doilea rând, a doua diagramă de spectru a mai multor elemente cheie de absorbție ale creșterii plantelor este prezentată în Figura 2.

Figura 2, Spectrele de absorbție a mai multor auxine în creșterea plantelor

Se poate observa din Figura 2 că spectrele de absorbție a luminii ale mai multor auxine cheie care afectează creșterea plantelor sunt semnificativ diferite. Prin urmare, aplicarea luminilor LED pentru creșterea plantelor nu este o chestiune simplă, ci foarte vizată. Aici este necesar să se introducă conceptele celor mai importante două elemente fotosintetice de creștere a plantelor.

• Clorofila

Clorofila este unul dintre cei mai importanți pigmenți legați de fotosinteză. Există în toate organismele care pot crea fotosinteza, inclusiv plantele verzi, algele procariote albastre-verzi (cianobacterii) și algele eucariote. Clorofila absoarbe energie din lumină, care este apoi folosită pentru a transforma dioxidul de carbon în carbohidrați.

Clorofila a absoarbe în principal lumina roșie, iar clorofila b absoarbe în principal lumina albastră-violetă, în principal pentru a distinge plantele de umbră de plantele solare. Raportul dintre clorofila b și clorofila a al plantelor de umbră este mic, astfel încât plantele de umbră pot folosi puternic lumina albastră și se pot adapta la creșterea la umbră. Clorofila a este albastru-verde, iar clorofila b este galben-verde. Există două absorbții puternice ale clorofilei a și clorofilei b, una în regiunea roșie cu o lungime de undă de 630-680 nm, iar cealaltă în regiunea albastru-violet cu o lungime de undă de 400-460 nm.

• Carotenoide

Carotenoizii sunt termenul general pentru o clasă de pigmenți naturali importanți, care se găsesc în mod obișnuit în pigmenții galbeni, portocalii-roșii sau roșii la animale, plante superioare, ciuperci și alge. Până în prezent, au fost descoperite peste 600 de carotenoizi naturali.

Absorbția luminii a carotenoizilor acoperă intervalul OD303~505 nm, care oferă culoarea alimentelor și afectează aportul de alimente de către organism. La alge, plante și microorganisme, culoarea sa este acoperită de clorofilă și nu poate apărea. În celulele vegetale, carotenoizii produși nu numai că absorb și transferă energie pentru a ajuta la fotosinteză, dar au și funcția de a proteja celulele împotriva distrugerii de către moleculele de oxigen excitate cu un singur electron.

Câteva neînțelegeri conceptuale

Indiferent de efectul de economisire a energiei, selectivitatea luminii și coordonarea luminii, iluminatul cu semiconductori a arătat avantaje mari. Cu toate acestea, de la dezvoltarea rapidă din ultimii doi ani, am văzut și o mulțime de neînțelegeri în proiectarea și aplicarea luminii, care se reflectă în principal în următoarele aspecte.

① Atâta timp cât jetoanele roșii și albastre de o anumită lungime de undă sunt combinate într-un anumit raport, ele pot fi utilizate în cultivarea plantelor, de exemplu, raportul dintre roșu și albastru este 4:1, 6:1, 9:1 și așadar pe.

②Atâta timp cât este lumină albă, poate înlocui lumina soarelui, cum ar fi tubul de lumină albă cu trei primare, utilizat pe scară largă în Japonia, etc. Utilizarea acestor spectre are un anumit efect asupra creșterii plantelor, dar efectul este nu la fel de bună ca sursa de lumină realizată de LED.

③ Atâta timp cât PPFD (densitatea fluxului cuantic al luminii), un parametru important de iluminare, atinge un anumit indice, de exemplu, PPFD este mai mare de 200 μmol·m-2·s-1. Cu toate acestea, atunci când utilizați acest indicator, trebuie să acordați atenție dacă este o plantă de umbră sau o plantă solară. Trebuie să interogați sau să găsiți punctul de saturație de compensare a luminii al acestor plante, care este numit și punctul de compensare a luminii. În aplicațiile reale, răsadurile sunt adesea arse sau ofilite. Prin urmare, proiectarea acestui parametru trebuie proiectată în funcție de specia de plante, mediul de creștere și condițiile.

În ceea ce privește primul aspect, așa cum sa introdus în introducere, spectrul necesar creșterii plantelor ar trebui să fie un spectru continuu cu o anumită lățime de distribuție. Este evident nepotrivit să folosiți o sursă de lumină formată din două cipuri de lungime de undă specifice de roșu și albastru cu un spectru foarte îngust (așa cum se arată în Figura 3(a)). În experimente, s-a constatat că plantele tind să fie gălbui, tulpinile frunzelor sunt foarte ușoare, iar tulpinile frunzelor sunt foarte subțiri.

Pentru tuburile fluorescente cu trei culori primare utilizate în mod obișnuit în anii precedenți, deși albul este sintetizat, spectrele roșu, verde și albastru sunt separate (după cum se arată în Figura 3(b)), iar lățimea spectrului este foarte îngustă. Intensitatea spectrală a următoarei părți continue este relativ slabă, iar puterea este încă relativ mare în comparație cu LED-urile, de 1,5 până la 3 ori consumul de energie. Prin urmare, efectul de utilizare nu este la fel de bun ca luminile LED.

Figura 3, Lumină pentru plante LED cu chip roșu și albastru și spectru de lumină fluorescentă cu trei culori primare

PPFD este densitatea fluxului cuantic al luminii, care se referă la densitatea efectivă a fluxului luminos de radiație al luminii în fotosinteză, care reprezintă numărul total de cuante de lumină incidente pe tulpinile frunzelor plantei în intervalul de lungimi de undă de 400 până la 700 nm pe unitate de timp și unitate de suprafață. . Unitatea sa este μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Radiația fotosintetic activă (PAR) se referă la radiația solară totală cu o lungime de undă în intervalul de 400 până la 700 nm. Poate fi exprimat fie prin cuante de lumină, fie prin energie radiantă.

În trecut, intensitatea luminii reflectată de iluminometru era luminozitate, dar spectrul de creștere a plantelor se modifică din cauza înălțimii corpului de iluminat de la plantă, a acoperirii luminii și dacă lumina poate trece prin frunze. Prin urmare, nu este corect să se utilizeze par ca indicator al intensității luminii în studiul fotosintezei.

În general, mecanismul de fotosinteză poate fi inițiat atunci când PPFD al plantei iubitoare de soare este mai mare de 50 μmol·m-2·s-1, în timp ce PPFD al plantei umbrite are nevoie doar de 20 μmol·m-2·s-1 . Prin urmare, atunci când achiziționați lămpi cu LED-uri, puteți alege numărul de lumini cu LED-uri pe baza acestei valori de referință și a tipului de plante pe care le plantați. De exemplu, dacă PPFD-ul unei singure lămpi LED este de 20 μmol·m-2·s-1, sunt necesare mai mult de 3 becuri LED pentru plante pentru a crește plante iubitoare de soare.

Mai multe soluții de proiectare a iluminatului cu semiconductor

Iluminatul cu semiconductor este utilizat pentru creșterea sau plantarea plantelor și există două metode de referință de bază.

• În prezent, modelul de plantare de interior este foarte fierbinte în China. Acest model are mai multe caracteristici:

①Rolul luminilor LED este de a oferi spectrul complet de iluminare a plantelor, iar sistemul de iluminat este necesar să furnizeze toată energia de iluminat, iar costul de producție este relativ ridicat;
②Designul luminilor de creștere cu LED trebuie să ia în considerare continuitatea și integritatea spectrului;
③Este necesar să se controleze eficient timpul de iluminare și intensitatea luminii, cum ar fi lăsarea plantelor să se odihnească câteva ore, intensitatea iradierii nu este suficientă sau prea puternică etc.;
④Întregul proces trebuie să imite condițiile cerute de mediul optim de creștere real al plantelor în aer liber, cum ar fi umiditatea, temperatura și concentrația de CO2.

• Mod de plantare în aer liber cu fundație bună de plantare în seră în aer liber. Caracteristicile acestui model sunt:

①Rolul luminilor LED este de a suplimenta lumina. Una este de a spori intensitatea luminii în zonele albastre și roșii sub iradierea luminii solare în timpul zilei pentru a promova fotosinteza plantelor, iar cealaltă este de a compensa atunci când nu există lumină solară noaptea pentru a promova rata de creștere a plantelor.
②Lumina suplimentară trebuie să ia în considerare stadiul de creștere în care se află planta, cum ar fi perioada de răsad sau perioada de înflorire și fructificare.

Prin urmare, proiectarea luminilor LED pentru creșterea plantelor ar trebui să aibă mai întâi două moduri de proiectare de bază, și anume, iluminare 24 de ore (interioară) și iluminare suplimentară pentru creșterea plantelor (exterior). Pentru cultivarea plantelor de interior, proiectarea luminilor de creștere cu LED-uri trebuie să ia în considerare trei aspecte, așa cum se arată în Figura 4. Nu este posibil să împachetați chipsurile cu trei culori primare într-o anumită proporție.

Figura 4, Ideea de proiectare a utilizării luminilor de amplificare a plantelor cu LED de interior pentru iluminare 24 de ore

De exemplu, pentru un spectru în stadiul de pepinieră, având în vedere că trebuie să întărească creșterea rădăcinilor și tulpinilor, să întărească ramificarea frunzelor, iar sursa de lumină este utilizată în interior, spectrul poate fi proiectat așa cum se arată în Figura 5.

Figura 5, Structuri spectrale potrivite pentru perioada de pepinieră interioară cu LED

Pentru proiectarea celui de-al doilea tip de lumină de creștere cu LED-uri, se vizează în principal soluția de proiectare de completare a luminii pentru a promova plantarea la baza serei în aer liber. Ideea de proiectare este prezentată în Figura 6.

Figura 6, Idei de design pentru lumini de creștere în aer liber 

Autorul sugerează că mai multe companii de plantare adoptă a doua opțiune de a folosi lumini LED pentru a promova creșterea plantelor.

În primul rând, cultivarea în seră în aer liber din China are decenii o cantitate mare și o gamă largă de experiență, atât în ​​sud, cât și în nord. Are o bază bună de tehnologie de cultivare în seră și oferă un număr mare de fructe și legume proaspete pe piață pentru orașele din jur. În special în domeniul plantării solului și apei și îngrășămintelor, s-au obținut rezultate bogate de cercetare.

În al doilea rând, acest tip de soluție suplimentară de lumină poate reduce foarte mult consumul inutil de energie și, în același timp, poate crește eficient randamentul fructelor și legumelor. În plus, vasta zonă geografică a Chinei este foarte convenabilă pentru promovare.

Ca cercetare științifică a iluminatului cu LED-uri a plantelor, oferă, de asemenea, o bază experimentală mai largă pentru aceasta. Fig. 7 este un fel de lumină de creștere cu LED dezvoltată de această echipă de cercetare, care este potrivită pentru creșterea în sere, iar spectrul său este prezentat în Fig. 8.

Figura 7, Un fel de lumină de creștere LED

Figura 8, spectrul unui fel de lumină de creștere LED

Conform ideilor de proiectare de mai sus, echipa de cercetare a efectuat o serie de experimente, iar rezultatele experimentale sunt foarte semnificative. De exemplu, pentru creșterea luminii în timpul creșei, lampa originală folosită este o lampă fluorescentă cu o putere de 32 W și un ciclu de pepinieră de 40 de zile. Oferim o lumină LED de 12 W, care scurtează ciclul de răsad la 30 de zile, reduce efectiv influența temperaturii lămpilor din atelierul de răsaduri și economisește consumul de energie al aparatului de aer condiționat. Grosimea, lungimea și culoarea răsadurilor sunt mai bune decât soluția originală de creștere a răsadurilor. Pentru puieții de legume comune s-au obținut și concluzii bune de verificare, care sunt rezumate în tabelul următor.

Printre acestea, grupul de lumină suplimentară PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, iar raportul roșu-albastru: 0,6-0,7. Intervalul valorii PPFD în timpul zilei a grupului natural a fost de 40 ~ 800 μmol · m-2 · s-1, iar raportul dintre roșu și albastru a fost de 0,6 ~ 1,2. Se poate observa că indicatorii de mai sus sunt mai buni decât cei ai răsadurilor cultivate în mod natural.

Concluzie

Acest articol prezintă cele mai recente evoluții în aplicarea luminilor de creștere cu LED-uri în cultivarea plantelor și subliniază unele neînțelegeri în aplicarea luminii de creștere cu LED-uri în cultivarea plantelor. În final, sunt prezentate ideile tehnice și schemele de dezvoltare a lămpilor de creștere cu LED utilizate pentru cultivarea plantelor. Trebuie subliniat că există, de asemenea, câțiva factori care trebuie luați în considerare în instalarea și utilizarea luminii, cum ar fi distanța dintre lumină și plantă, domeniul de iradiere a lămpii și modul de aplicare a luminii cu apă normală, îngrășământ și sol.

Autor: Yi Wang și colab. Sursa: CNKI