Uvod

Svjetlost igra ključnu ulogu u procesu rasta biljaka. To je najbolje gnojivo za podsticanje apsorpcije biljnog hlorofila 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, uslova okoline za rast i sveobuhvatne tehničke kontrole.

U protekle dvije ili tri godine objavljeni su bezbrojni izvještaji o primjeni tehnologije poluprovodničke rasvjete u vezi s trodimenzionalnim biljnim tvornicama ili rastom biljaka. Ali nakon pažljivog čitanja uvijek postoji neki neugodan osjećaj. Općenito govoreći, ne postoji pravo razumijevanje uloge koju svjetlost treba igrati u rastu biljaka.

Prvo, shvatimo spektar Sunca, kao što je prikazano na Slici 1. Može se vidjeti da je solarni 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 stepen 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 se može vidjeti da se spektri apsorpcije svjetlosti nekoliko ključnih auksina koji utiču na rast biljaka značajno razlikuju. Stoga, primjena LED svjetala za rast biljaka nije jednostavna, već vrlo ciljana. Ovdje je potrebno predstaviti koncepte dva najvažnija fotosintetska elementa rasta biljaka.

• Hlorofil

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

Hlorofil a uglavnom apsorbira crvenu svjetlost, a hlorofil b uglavnom apsorbira plavo-ljubičastu svjetlost, uglavnom kako bi razlikovao biljke koje vole sjenu od biljaka koje vole sunce. Odnos hlorofila b i hlorofila a kod biljaka koje vole sjenu je mali, tako da biljke koje vole sjenu mogu snažno koristiti plavu svjetlost i prilagoditi se rastu u sjeni. Hlorofil a je plavo-zelen, a hlorofil b je žuto-zelen. Postoje dvije jake apsorpcije hlorofila a i hlorofila b, jedna u crvenom području s talasnom dužinom od 630-680 nm, a druga u plavo-ljubičastom području s talasnom dužinom od 400-460 nm.

• Karotenoidi

Karotenoidi su opći naziv za klasu važnih prirodnih pigmenata, koji se obično nalaze u žutim, narandžastocrvenim 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 utiče na unos hrane u organizam. Kod algi, biljaka i mikroorganizama, njihova boja je prekrivena hlorofilom i ne može se pojaviti. U biljnim ćelijama, proizvedeni karotenoidi ne samo da apsorbuju i prenose energiju kako bi pomogli fotosintezi, već imaju i funkciju zaštite ćelija od uništenja pobuđenim molekulama kisika s jednostrukom elektronskom vezom.

Neki konceptualni nesporazumi

Bez obzira na efekat uštede energije, selektivnost svjetlosti i koordinaciju svjetlosti, poluprovodnička rasvjeta je pokazala velike prednosti. Međutim, zbog brzog razvoja u protekle dvije godine, svjedočili smo i mnogim nesporazumima u dizajnu i primjeni svjetlosti, što se uglavnom ogleda u sljedećim aspektima.

①Sve dok se crveni i plavi čipovi određene talasne dužine kombinuju u određenom odnosu, mogu se koristiti u uzgoju biljaka, na primjer, odnos crvene i plave je 4:1, 6:1, 9:1 i tako dalje.

②Sve dok je u pitanju bijela svjetlost, može zamijeniti sunčevu svjetlost, kao što je troslojna bijela svjetlosna cijev koja se široko koristi u Japanu itd. Korištenje ovih spektara ima određeni utjecaj na rast biljaka, ali učinak nije tako dobar kao kod izvora svjetlosti koji proizvodi LED.

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, prilikom korištenja ovog indikatora, morate obratiti pažnju na to da li se radi o biljci za sjenu ili biljci za sunce. Potrebno je ispitati ili pronaći tačku zasićenja kompenzacije svjetlosti kod ovih biljaka, koja se naziva i tačka kompenzacije svjetlosti. U stvarnim primjenama, sadnice često izgore ili uvenu. Stoga, dizajn ovog parametra mora biti dizajniran prema vrsti biljke, okruženju za rast i uslovima.

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

Kod fluorescentnih cijevi s tri osnovne boje koje su se obično koristile u prethodnim godinama, iako se bijela sintetizira, 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, Crveno-plava LED lampa za biljke i spektar fluorescentnog svjetla s tri primarne boje

PPFD je gustina fluksa kvanta svjetlosti, koja se odnosi na efektivnu gustinu fluksa zračenja svjetlosti u fotosintezi, koja predstavlja ukupan broj kvanta svjetlosti koji padaju na stabljike listova biljaka u rasponu valnih dužina od 400 do 700 nm po jedinici vremena i jedinici površine. Njena jedinica je μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosintetski aktivno zračenje (PAR) odnosi se na ukupno sunčevo zračenje s valnom dužinom u rasponu od 400 do 700 nm. Može se izraziti ili kvantima svjetlosti ili energijom zračenja.

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

Nekoliko dizajnerskih rješenja poluprovodničke rasvjete

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

• Trenutno je model sadnje biljaka u zatvorenom prostoru veoma popularan u Kini. Ovaj model ima nekoliko karakteristika:

①Uloga LED svjetala je da obezbijedi puni spektar osvjetljenja biljaka, a sistem osvjetljenja je potreban da obezbijedi svu energiju za osvjetljenje, a troškovi proizvodnje su relativno visoki;
②Dizajn LED svjetala za uzgoj mora uzeti u obzir kontinuitet i integritet spektra;
③Neophodno je efikasno kontrolisati vrijeme i intenzitet osvjetljenja, na primjer, ostaviti biljke da se odmaraju nekoliko sati, intenzitet zračenja nije dovoljan ili je prejak itd.;
④Cijeli proces treba da imitira uslove koje zahtijeva stvarno optimalno okruženje za rast biljaka na otvorenom, kao što su vlažnost, temperatura i koncentracija CO2.

• Način sadnje na otvorenom s dobrom podlogom za sadnju u plasteniku. Karakteristike ovog modela su:

①Uloga LED svjetala je dopunjavanje svjetlosti. Jedna je pojačavanje intenziteta svjetlosti u plavim i crvenim područjima pod sunčevom svjetlošću tokom dana kako bi se potaknula fotosinteza biljaka, a druga je kompenzacija nedostatka sunčeve svjetlosti noću kako bi se potaknula brzina rasta biljaka.
②Dopunsko osvjetljenje treba uzeti u obzir u kojoj se fazi rasta biljka nalazi, kao što je period sadnice ili period cvjetanja i plodonošenja.

Stoga, dizajn LED svjetala za uzgoj biljaka trebao bi prvo imati dva osnovna načina dizajna, i to 24-satno osvjetljenje (u zatvorenom prostoru) i dodatno osvjetljenje za rast biljaka (na otvorenom). 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 LED pojačivača svjetla za biljke u zatvorenom prostoru za 24-satnu rasvjetu

Na primjer, za spektar u fazi rasadnika, uzimajući u obzir da je potrebno ojačati rast korijena 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 pogodne za LED rasvjetu u zatvorenom prostoru u periodu vrtića

Kod dizajna drugog tipa 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 kompanija za sadnju usvoji drugu opciju korištenja LED svjetala za podsticanje rasta biljaka.

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

Drugo, ova vrsta dodatnog svjetlosnog rješenja može značajno 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 rasvjete za biljke, 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 plastenicima, a njegov spektar je prikazan na slici 8.

Slika 7, Vrsta LED lampe za uzgoj biljaka

Slika 8, spektar jedne vrste LED lampe za uzgoj

Prema gore navedenim idejama dizajna, istraživački tim je proveo niz eksperimenata, a eksperimentalni rezultati su vrlo značajni. Na primjer, za osvjetljenje za uzgoj tokom rasadnika, originalno je korištena fluorescentna lampa snage 32 W i ciklusom rasadnika od 40 dana. Mi smo obezbijedili LED svjetlo od 12 W, koje skraćuje ciklus sadnice na 30 dana, efikasno smanjuje utjecaj temperature lampi u radionici za sadnice i štedi potrošnju energije klima uređaja. Debljina, dužina i boja sadnica su bolje u odnosu na originalno rješenje za uzgoj sadnica. Za sadnice uobičajenog povrća također su dobijeni dobri zaključci verifikacije, koji su sažeti u sljedećoj tabeli.

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

Zaključak

Ovaj članak predstavlja najnovija dostignuća 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 istaći da postoje i neki faktori koje treba uzeti u obzir prilikom instalacije i korištenja svjetla, kao što su udaljenost između svjetla i biljke, domet zračenja lampe i način primjene svjetla s običnom vodom, gnojivom i tlom.

Autor: Yi Wang et al. Izvor: CNKI