Introducere

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

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 le citești cu atenție, există întotdeauna un sentiment de neliniște. În general, nu există o înțelegere reală a rolului pe care lumina ar trebui să îl 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 la 780 nm. Creșterea organismelor în natură este legată de intensitatea spectrului. De exemplu, majoritatea plantelor din zona apropiată de ecuator cresc foarte repede și, în același timp, dimensiunea creșterii lor este relativ mare. Însă intensitatea mare a iradierii soarelui nu este întotdeauna cu atât mai bună, existând un anumit grad de selectivitate pentru creșterea animalelor și plantelor.

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

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

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

Din Figura 2 se poate observa 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 precisă. Aici este necesar să introducem conceptele celor mai importante două elemente fotosintetice de creștere a plantelor.

• Clorofilă

Clorofila este unul dintre cei mai importanți pigmenți legați de fotosinteză. Aceasta există în toate organismele care pot realiza fotosinteza, inclusiv plantele verzi, algele procariote albastru-verzi (cianobacterii) și algele eucariote. Clorofila absoarbe energia din lumină, care este apoi utilizată pentru a transforma dioxidul de carbon în carbohidrați.

Clorofila a absoarbe în principal lumina roșie, iar clorofila b absoarbe în principal lumina albastru-violet, în principal pentru a distinge plantele de umbră de plantele de soare. Raportul dintre clorofila b și clorofila a la plantele de umbră este mic, astfel încât plantele de umbră pot utiliza puternic lumina albastră și se pot adapta la creșterea la umbră. Clorofila a este albastru-verzuie, iar clorofila b este galben-verzuie. 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.

• Carotenoizi

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 descoperiți peste 600 de carotenoizi naturali.

Absorbția luminii de către carotenoizi acoperă intervalul de lungime de undă DO303~505 nm, ceea ce conferă culoarea alimentelor și influențează aportul de alimente de către organism. În 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 fotosinteza, dar au și funcția de a proteja celulele de distrugerea lor de către moleculele de oxigen excitate cu legături monoelectronice.

Unele neînțelegeri conceptuale

Indiferent de efectul de economisire a energiei, de selectivitatea luminii și de coordonarea acesteia, iluminatul cu semiconductori a demonstrat avantaje considerabile. Cu toate acestea, datorită dezvoltării rapide din ultimii doi ani, am observat și o mulțime de neînțelegeri în proiectarea și aplicarea luminii, care se reflectă în principal în următoarele aspecte.

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

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

③Atâta timp cât PPFD (densitatea fluxului cuantic de lumină), un parametru important al iluminării, 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 vorba de o plantă de umbră sau de o plantă de soare. Trebuie să căutați sau să găsiți punctul de saturație a compensării luminii pentru aceste plante, care este numit și punct de compensare a luminii. În aplicațiile reale, răsadurile sunt adesea arse sau ofilite. Prin urmare, proiectarea acestui parametru trebuie concepută în funcție de specia plantei, mediul de creștere și condițiile.

În ceea ce privește primul aspect, așa cum s-a prezentat în introducere, spectrul necesar creșterii plantelor ar trebui să fie un spectru continuu cu o anumită lățime de distribuție. Este evident nepotrivit să se utilizeze o sursă de lumină formată din două fragmente specifice de lungime de undă, 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 deschise la culoare, iar tulpinile frunzelor sunt foarte subțiri.

Pentru tuburile fluorescente cu trei culori primare utilizate în mod obișnuit în anii precedenți, deși se sintetizează alb, spectrele roșu, verde și albastru sunt separate (așa cum se arată în Figura 3(b)), iar lățimea spectrului este foarte îngustă. Intensitatea spectrală a părții continue următoare este relativ slabă, iar puterea este încă relativ mare în comparație cu LED-urile, consumând de 1,5 până la 3 ori mai multă energie. Prin urmare, efectul utilizării nu este la fel de bun ca al LED-urilor.

Figura 3, Lumină LED roșie și albastră pentru plante și spectru de lumină fluorescentă în trei culori primare

PPFD este densitatea fluxului cuantic de lumină, care se referă la densitatea fluxului de lumină efectivă a radiației luminii în fotosinteză, reprezentând numărul total de cuante de lumină incidente pe tulpinile frunzelor plantelor în intervalul de lungimi de undă de la 400 la 700 nm pe unitatea de timp și unitatea 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 400-700 nm. Aceasta poate fi exprimată fie prin cuante de lumină, fie prin energie radiantă.

În trecut, intensitatea luminii reflectată de iluminometru era luminozitatea, dar spectrul creșterii plantelor se modifică din cauza înălțimii corpului de iluminat față de plantă, a acoperirii luminoase și a faptului 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-ul plantei iubitoare de soare este mai mare de 50 μmol·m-2·s-1, în timp ce PPFD-ul plantei umbroase are nevoie de doar 20 μmol·m-2·s-1. Prin urmare, atunci când achiziționați lămpi LED pentru creștere, puteți alege numărul de lămpi LED pentru creștere 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 semiconductori

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

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

①Rolul luminilor LED este de a oferi întregul spectru de iluminare a plantelor, iar sistemul de iluminat este necesar pentru a furniza toată energia de iluminare, iar costul de producție este relativ ridicat;
② Proiectarea lămpilor de creștere cu LED-uri trebuie să ia în considerare continuitatea și integritatea spectrului;
③Este necesar să se controleze eficient timpul de iluminare și intensitatea iluminării, cum ar fi lăsarea plantelor să se odihnească câteva ore, intensitatea iradierii este insuficientă 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 o bază bună pentru plantarea în seră. Caracteristicile acestui model sunt:

①Rolul luminilor LED este de a suplimenta lumina. Unul este de a spori intensitatea luminii în zonele albastre și roșii sub iradierea soarelui în timpul zilei pentru a promova fotosinteza plantelor, iar celălalt este de a compensa lipsa luminii solare noaptea pentru a promova rata de creștere a plantelor.
② Lumina 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, designul lămpilor LED pentru creșterea plantelor ar trebui să aibă în primul rând două moduri de design de bază, și anume iluminare 24h (interior) și iluminare suplimentară pentru creșterea plantelor (exterior). Pentru cultivarea plantelor în interior, designul lămpilor LED pentru creștere trebuie să ia în considerare trei aspecte, așa cum se arată în Figura 4. Nu este posibilă ambalarea cipurilor cu trei culori primare într-o anumită proporție.

Figura 4, Ideea de design a utilizării lămpilor LED de interior pentru amplificarea plantelor, pentru iluminare 24 de ore

De exemplu, pentru un spectru în stadiul de pepinieră, având în vedere că acesta 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 creșei interioare cu LED-uri

Pentru proiectarea celui de-al doilea tip de lampă LED pentru creștere, se urmărește în principal soluția de design de suplimentare a luminii pentru a promova plantarea la baza serei exterioare. Ideea de design este prezentată în Figura 6.

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

Autorul sugerează ca mai multe companii de plantare să adopte a doua opțiune, aceea de a utiliza lumini LED pentru a promova creșterea plantelor.

În primul rând, China are o vastă experiență în cultivarea în aer liber în sere, atât în ​​sud, cât și în nord, acumulată în urma unor decenii. Deține o bază solidă în tehnologia de cultivare în sere și oferă un număr mare de fructe și legume proaspete pe piața orașelor înconjurătoare. În special în domeniul solului, apei și plantării îngrășămintelor, s-au obținut rezultate bogate în cercetare.

În al doilea rând, acest tip de soluție de iluminat suplimentar poate reduce considerabil consumul inutil de energie și, în același timp, poate crește eficient producția de fructe și legume. În plus, vasta zonă geografică a Chinei este foarte convenabilă pentru promovare.

Pe măsură ce cercetarea științifică privind iluminatul cu LED pentru plante oferă și o bază experimentală mai largă pentru aceasta. Fig. 7 prezintă un tip de lampă de creștere cu LED dezvoltată de această echipă de cercetare, potrivită pentru cultivarea în sere, iar spectrul său este prezentat în Fig. 8.

Figura 7, Un tip de lampă LED pentru creșterea plantelor

Figura 8, spectrul unui tip de lumină LED pentru creșterea plantelor

Conform ideilor de design de mai sus, echipa de cercetare a efectuat o serie de experimente, iar rezultatele experimentale sunt foarte semnificative. De exemplu, pentru lumina de creștere în timpul pepinierei, lampa utilizată inițial este o lampă fluorescentă cu o putere de 32 W și un ciclu de creștere de 40 de zile. Oferim o lumină LED de 12 W, care scurtează ciclul de răsad la 30 de zile, reduce eficient 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. Și pentru răsadurile de legume comune s-au obținut concluzii bune de verificare, care sunt rezumate în tabelul următor.

Printre acestea, PPFD pentru grupul de lumină suplimentară: 70-80 μmol·m-2·s-1, iar raportul roșu-albastru: 0,6-0,7. Intervalul valorii PPFD în timpul zilei pentru grupul 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 crescute natural.

Concluzie

Acest articol prezintă cele mai recente evoluții în aplicarea lămpilor LED pentru creșterea plantelor și evidențiază unele neînțelegeri în aplicarea lămpilor LED pentru creșterea plantelor. În cele din urmă, sunt introduse ideile și schemele tehnice pentru dezvoltarea lămpilor LED pentru creșterea plantelor utilizate. Trebuie subliniat faptul că există și anumiți factori care trebuie luați în considerare la instalarea și utilizarea luminii, cum ar fi distanța dintre lumină și plantă, raza de iradiere a lămpii și modul de aplicare a luminii cu apă normală, îngrășământ și sol.

Autor: Yi Wang și colab. Sursa: CNKI