Uvod

Svetlost igra ključnu ulogu u procesu rasta biljaka.To je najbolje gnojivo za promicanje apsorpcije biljnog hlorofila i apsorpciju različitih kvaliteta rasta biljaka kao što je karoten.Međutim, odlučujući faktor koji određuje rast biljaka je sveobuhvatni faktor, koji se ne odnosi samo na svjetlost, već je i neodvojiv od konfiguracije vode, tla i gnojiva, uslova okoline rasta i sveobuhvatne tehničke kontrole.

U posljednje dvije ili tri godine bilo je beskonačnih izvještaja o primjeni tehnologije poluvodičke rasvjete u vezi trodimenzionalnih tvornica biljaka ili rasta biljaka.Ali nakon što je pažljivo pročitate, uvijek postoji neki nelagodan osjećaj.Uopšteno govoreći, ne postoji pravo razumevanje uloge svetlosti u rastu biljaka.

Prvo, hajde da razumemo spektar sunca, kao što je prikazano na slici 1. Može se videti da je solarni spektar kontinuirani spektar, u kome su plavi i zeleni spektar jači od crvenog spektra, a spektar vidljive svetlosti kreće se od 380 do 780 nm.Rast organizama u prirodi povezan je sa intenzitetom spektra.Na primjer, većina biljaka u području blizu ekvatora raste vrlo brzo, a u isto vrijeme, veličina njihovog rasta je relativno velika.Ali visok intenzitet sunčevog zračenja nije uvijek bolji, a postoji i određeni stepen selektivnosti za rast životinja i biljaka.

Slika 1, Karakteristike sunčevog spektra i njegovog spektra vidljive svjetlosti

Drugo, drugi dijagram spektra nekoliko ključnih apsorpcionih elemenata rasta biljaka prikazan je na slici 2.

Slika 2, Spektri apsorpcije nekoliko auksina u rastu biljaka

Na slici 2 se može vidjeti da se spektri apsorpcije svjetlosti nekoliko ključnih auksina koji utiču na rast biljaka značajno razlikuju.Stoga, primjena LED rasvjete za rast biljaka nije jednostavna stvar, već vrlo ciljana.Ovdje je potrebno uvesti koncepte dva najvažnija fotosintetička elementa rasta biljaka.

• Hlorofil

Klorofil je jedan od najvažnijih pigmenata vezanih za fotosintezu.Postoji u svim organizmima koji mogu stvoriti fotosintezu, uključujući zelene biljke, prokariotske plavo-zelene 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 hlorofil b uglavnom apsorbira plavo-ljubičastu svjetlost, uglavnom da bi razlikovao biljke u sjeni od biljaka sunca.Omjer hlorofila b i hlorofila a u biljkama u sjeni je mali, tako da biljke u sjeni mogu snažno koristiti plavo svjetlo i prilagoditi se rastu u sjeni.Hlorofil a je plavo-zeleni, a hlorofil b je žuto-zeleni.Postoje dvije jake apsorpcije hlorofila a i hlorofila b, jedna u crvenom području sa talasnom dužinom od 630-680 nm, a druga u plavo-ljubičastom području sa talasnom dužinom od 400-460 nm.

• Karotenoidi

Karotenoidi su opći naziv za klasu važnih prirodnih pigmenata, koji se obično nalaze u žutim, narančasto-crvenim 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 hrane i utiče na unos hrane u organizam.U algama, biljkama i mikroorganizmima njegova boja je prekrivena hlorofilom i ne može se pojaviti.U biljnim ćelijama, proizvedeni karotenoidi ne samo da apsorbuju i prenose energiju kako bi pomogli fotosintezu, već imaju i funkciju zaštite ćelija od uništenja pobuđenim molekulama kiseonika sa jednoelektronskom vezom.

Neki konceptualni nesporazumi

Bez obzira na efekat uštede energije, selektivnost svjetlosti i koordinaciju svjetlosti, poluprovodnička rasvjeta je pokazala velike prednosti.Međutim, od brzog razvoja u protekle dvije godine, vidjeli smo i dosta nesporazuma u dizajnu i primjeni svjetla, koji se uglavnom ogledaju u sljedećim aspektima.

①Sve dok su crveni i plavi čipovi određene talasne dužine kombinovani u određenom omjeru, mogu se koristiti u uzgoju biljaka, na primjer, omjer crvene i plave je 4:1, 6:1, 9:1 i tako on.

②Sve dok je bijela svjetlost, može zamijeniti sunčevu svjetlost, kao što je cijev s tri primarne bijele svjetlosti koja se široko koristi u Japanu, itd. Upotreba ovih spektra ima određeni učinak na rast biljaka, ali efekat je nije tako dobar kao izvor svjetlosti napravljen od LED-a.

③Sve dok PPFD (gustina kvantnog fluksa svjetlosti), važan parametar osvjetljenja, dostigne određeni indeks, na primjer, PPFD je veći od 200 μmol·m-2·s-1.Međutim, kada koristite ovaj indikator, morate obratiti pažnju da li se radi o biljci u sjeni ili o biljci sunca.Morate ispitati ili pronaći tačku zasićenja svjetlosne kompenzacije ovih biljaka, koja se također naziva tačka kompenzacije svjetlosti.U stvarnim primjenama, sadnice su često spaljene ili uvele.Stoga, dizajn ovog parametra mora biti dizajniran prema biljnoj vrsti, okruženju rasta i uslovima.

Što se tiče prvog aspekta, kako je uvedeno u uvodu, spektar potreban za rast biljaka trebao bi biti kontinuirani spektar sa određenom širinom distribucije.Očigledno je neprikladno koristiti izvor svjetlosti napravljen od dva čipa specifične talasne dužine crvene i plave sa vrlo uskim spektrom (kao što je prikazano na slici 3(a)).U eksperimentima je ustanovljeno da su biljke žućkaste, stabljike listova vrlo svijetle, a stabljike vrlo tanke.

Za fluorescentne cijevi sa tri osnovne boje koje su se uobičajeno koristile prethodnih godina, iako je sintetizirana bijela, crveni, zeleni i plavi spektri su razdvojeni (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 poređenju sa LED diodama, 1,5 do 3 puta veća od potrošnje energije.Stoga, učinak upotrebe nije tako dobar kao LED svjetla.

Slika 3, crveni i plavi čip LED biljnog svjetla i fluorescentni svjetlosni spektar tri primarne boje

PPFD je kvantna gustina fluksa svjetlosti, koja se odnosi na efektivnu gustinu svjetlosnog toka zračenja radijacije u fotosintezi, koja predstavlja ukupan broj svjetlosnih kvanta koji upadaju na stabljike listova biljaka u rasponu valnih dužina 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) se odnosi na ukupno sunčevo zračenje s talasnom dužinom 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 se spektar rasta biljaka mijenja zbog visine rasvjetnog tijela od biljke, pokrivenosti svjetlošću i da li svjetlost može proći kroz lišće.Stoga nije tačno koristiti par kao indikator intenziteta svjetlosti u proučavanju fotosinteze.

Generalno, mehanizam fotosinteze može se pokrenuti kada je PPFD biljke koja voli sunce veći od 50 μmol·m-2·s-1, dok je PPFD biljke u sjenci potrebno samo 20 μmol·m-2·s-1 .Stoga, kada kupujete LED svjetla za uzgoj, možete odabrati broj LED svjetala za uzgoj na osnovu ove referentne vrijednosti i vrste biljaka koje sadite.Na primjer, ako je PPFD jednog LED svjetla 20 μmol·m-2·s-1, potrebno je više od 3 LED sijalice za uzgoj biljaka koje vole sunce.

Nekoliko dizajnerskih rješenja poluvodičke rasvjete

Za rast biljaka ili sadnju koristi se poluprovodnička rasvjeta, a postoje dvije osnovne referentne metode.

• Trenutno je model sadnje u zatvorenom veoma vruć u Kini.Ovaj model ima nekoliko karakteristika:

①Uloga LED svjetala je da obezbijede cijeli spektar biljne rasvjete, a sistem rasvjete je potreban da osigura svu energiju rasvjete, a troškovi proizvodnje su relativno visoki;
② Dizajn LED rasvjetnih svjetala mora uzeti u obzir kontinuitet i integritet spektra;
③Potrebno je efikasno kontrolisati vrijeme osvjetljenja i intenzitet osvjetljenja, kao što je ostavljanje biljaka nekoliko sati da se odmore, intenzitet ozračivanja nije dovoljan ili prejak itd.;
④Cijeli proces treba oponašati uvjete koje zahtijeva stvarno optimalno okruženje za rast biljaka na otvorenom, kao što su vlažnost, temperatura i koncentracija CO2.

• Način sadnje na otvorenom sa dobrom podlogom za sadnju na otvorenom.Karakteristike ovog modela su:

①Uloga LED svjetala je dopuna svjetla.Jedan je da se pojača intenzitet svjetlosti u plavim i crvenim područjima pod zračenjem sunčeve svjetlosti tokom dana kako bi se potaknula fotosinteza biljaka, a drugi je da se nadoknadi kada noću nema sunčeve svjetlosti kako bi se ubrzao rast biljaka.
②Dodatno svjetlo treba uzeti u obzir u kojoj se fazi rasta biljka nalazi, kao što je period sadnje ili period cvjetanja i plodova.

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

Slika 4, Dizajnerska ideja upotrebe unutrašnjeg LED rasvjetnog tijela za 24-časovno osvjetljenje

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

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

Za dizajn drugog tipa LED svjetla za uzgoj, ono je uglavnom usmjereno na dizajnersko rješenje dopunskog svjetla za promoviranje sadnje u podnožju vanjskog staklenika.Ideja dizajna prikazana je na slici 6.

Slika 6, Ideje dizajna svjetala za uzgoj na otvorenom 

Autor predlaže da više kompanija za sadnju usvoji drugu opciju da koriste LED svjetla za promicanje rasta biljaka.

Prije svega, uzgoj u staklenicima u Kini decenijama ima veliku količinu i širok spektar iskustva, kako na jugu tako i na sjeveru.Ima dobru osnovu tehnologije uzgoja u staklenicima i nudi veliki broj svježeg voća i povrća na tržištu za okolne gradove.Posebno u oblasti sadnje tla i vode i đubriva postignuti su bogati rezultati istraživanja.

Drugo, ova vrsta dopunskog svjetlosnog rješenja može u velikoj mjeri smanjiti nepotrebnu potrošnju energije, a istovremeno može efikasno povećati prinos voća i povrća.Osim toga, ogromno geografsko područje Kine je vrlo pogodno za promociju.

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

Slika 7, Vrsta LED svjetla za rast

Slika 8, spektar vrste LED rasvjete

Prema gore navedenim dizajnerskim idejama, istraživački tim je proveo niz eksperimenata, a eksperimentalni rezultati su vrlo značajni.Na primjer, za rasvjetu tokom rasadnika, originalna lampa koja se koristi je fluorescentna lampa snage 32 W i ciklus rasadnika od 40 dana.Obezbeđujemo LED svetlo od 12 W, koje skraćuje ciklus sadnje na 30 dana, efikasno smanjuje uticaj temperature lampi u rasadnoj radionici i štedi potrošnju energije klima uređaja.Debljina, dužina i boja sadnica su bolji od originalnog rastvora za podizanje rasada.Za presadnice običnog povrća takođe su dobijeni dobri verifikacioni zaključci, koji su sažeti u sledećoj tabeli.

Među njima, dopunska grupa svetlosti PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, i crveno-plavi odnos: 0,6-0,7.Opseg dnevne PPFD vrijednosti prirodne grupe bio je 40~800 μmol·m-2·s-1, a odnos crvene i plave bio je 0,6~1,2.Vidi se da su navedeni pokazatelji bolji od onih kod prirodno uzgojenih sadnica.

Zaključak

Ovaj članak predstavlja najnovija dostignuća u primjeni LED rasvjete u uzgoju biljaka, te ukazuje na neke nesporazume u primjeni LED rasvjete u uzgoju biljaka.Na kraju, predstavljene su tehničke ideje i šeme za razvoj LED rasvjete koja se koristi za uzgoj biljaka.Treba istaći da postoje i neki faktori koje je potrebno uzeti u obzir pri postavljanju i korištenju svjetla, kao što su udaljenost između svjetla i biljke, opseg zračenja lampe i način nanošenja svjetlosti sa normalna voda, đubrivo i zemlja.

Autor: Yi Wang et al.Izvor: CNKI