Úvod

Svetlo hrá kľúčovú úlohu v procese rastu rastlín.Je to najlepšie hnojivo na podporu absorpcie rastlinného chlorofylu a absorpcie rôznych rastových vlastností rastlín, ako je karotén.Rozhodujúcim faktorom, ktorý rozhoduje o raste rastlín, je však komplexný faktor, súvisiaci nielen so svetlom, ale aj neoddeliteľný od konfigurácie vody, pôdy a hnojív, podmienok rastového prostredia a komplexnej technickej kontroly.

V posledných dvoch alebo troch rokoch sa objavili nekonečné správy o aplikácii technológie polovodičového osvetlenia v súvislosti s trojrozmernými závodmi na rastliny alebo rastom rastlín.Ale po pozornom prečítaní vždy príde nejaký nepríjemný pocit.Všeobecne povedané, neexistuje skutočné pochopenie toho, akú úlohu by svetlo malo zohrávať v raste rastlín.

Najprv pochopme spektrum slnka, ako je znázornené na obrázku 1. Je vidieť, že slnečné spektrum je spojité spektrum, v ktorom modré a zelené spektrum je silnejšie ako červené spektrum a spektrum viditeľného svetla sa pohybuje od 380 až 780 nm.Rast organizmov v prírode súvisí s intenzitou spektra.Napríklad väčšina rastlín v oblasti blízko rovníka rastie veľmi rýchlo a zároveň je veľkosť ich rastu pomerne veľká.Ale vysoká intenzita slnečného žiarenia nie je vždy lepšia a existuje určitý stupeň selektivity pre rast zvierat a rastlín.

Obrázok 1, Charakteristika slnečného spektra a jeho viditeľného svetelného spektra

Po druhé, druhý spektrálny diagram niekoľkých kľúčových absorpčných prvkov rastu rastlín je znázornený na obrázku 2.

Obrázok 2, Absorpčné spektrá niekoľkých auxínov v raste rastlín

Z obrázku 2 je vidieť, že spektrá absorpcie svetla niekoľkých kľúčových auxínov, ktoré ovplyvňujú rast rastlín, sú výrazne odlišné.Preto aplikácia LED svetiel na rast rastlín nie je jednoduchá záležitosť, ale veľmi cielená.Tu je potrebné predstaviť pojmy dvoch najdôležitejších fotosyntetických rastových prvkov rastlín.

• Chlorofyl

Chlorofyl je jedným z najdôležitejších pigmentov súvisiacich s fotosyntézou.Existuje vo všetkých organizmoch, ktoré môžu vytvárať fotosyntézu, vrátane zelených rastlín, prokaryotických modrozelených rias (cyanobaktérií) a eukaryotických rias.Chlorofyl absorbuje energiu zo svetla, ktorá sa potom používa na premenu oxidu uhličitého na sacharidy.

Chlorofyl a absorbuje hlavne červené svetlo a chlorofyl b hlavne modrofialové svetlo, hlavne kvôli odlíšeniu tieňových rastlín od slnečných rastlín.Pomer chlorofylu b k chlorofylu a tieňových rastlín je malý, takže tienené rastliny môžu silne využívať modré svetlo a prispôsobiť sa pestovaniu v tieni.Chlorofyl a je modrozelený a chlorofyl b je žltozelený.Existujú dve silné absorpcie chlorofylu a a chlorofylu b, jedna v červenej oblasti s vlnovou dĺžkou 630-680 nm a druhá v modrofialovej oblasti s vlnovou dĺžkou 400-460 nm.

• Karotenoidy

Karotenoidy sú všeobecný pojem pre triedu dôležitých prírodných pigmentov, ktoré sa bežne vyskytujú v žltých, oranžovo-červených alebo červených pigmentoch u zvierat, vyšších rastlín, húb a rias.Doteraz bolo objavených viac ako 600 prírodných karotenoidov.

Svetelná absorpcia karotenoidov pokrýva rozsah OD303~505 nm, čo zabezpečuje farbu potravy a ovplyvňuje príjem potravy organizmom.V riasach, rastlinách a mikroorganizmoch je jeho farba pokrytá chlorofylom a nemôže sa objaviť.V rastlinných bunkách produkované karotenoidy nielen absorbujú a prenášajú energiu na pomoc pri fotosyntéze, ale majú aj funkciu ochrany buniek pred zničením excitovanými molekulami kyslíka s jednoelektrónovou väzbou.

Niektoré koncepčné nedorozumenia

Bez ohľadu na efekt úspory energie, selektivitu svetla a koordináciu svetla, polovodičové osvetlenie ukázalo veľké výhody.Z prudkého vývoja posledných dvoch rokov sme však zaznamenali aj množstvo nedorozumení pri navrhovaní a aplikácii svetla, ktoré sa prejavujú najmä v nasledujúcich aspektoch.

①Pokiaľ sú červené a modré žetóny určitej vlnovej dĺžky kombinované v určitom pomere, môžu byť použité pri pestovaní rastlín, napríklad pomer červenej k modrej je 4:1, 6:1, 9:1 atď. na.

②Pokiaľ ide o biele svetlo, môže nahradiť slnečné svetlo, ako je napríklad trubica s tromi primárnymi bielymi svetlami široko používaná v Japonsku atď. Použitie týchto spektier má určitý vplyv na rast rastlín, ale účinok je nie tak dobrý ako svetelný zdroj vyrobený LED.

③Pokiaľ PPFD (hustota kvantového toku svetla), dôležitý parameter osvetlenia, dosiahne určitý index, napríklad PPFD je väčšia ako 200 μmol·m-2·s-1.Pri používaní tohto indikátora však musíte venovať pozornosť tomu, či ide o tienistú alebo slnečnú rastlinu.Musíte sa opýtať alebo nájsť bod saturácie kompenzácie svetla týchto rastlín, ktorý sa tiež nazýva bod kompenzácie svetla.V skutočných aplikáciách sú sadenice často spálené alebo vyschnuté.Preto treba návrh tohto parametra navrhnúť podľa druhu rastliny, rastového prostredia a podmienok.

Pokiaľ ide o prvý aspekt, ako je uvedené v úvode, spektrum potrebné na rast rastlín by malo byť súvislé spektrum s určitou šírkou distribúcie.Je evidentne nevhodné použiť svetelný zdroj vyrobený z dvoch špecifických čipov s vlnovou dĺžkou červenej a modrej s veľmi úzkym spektrom (ako je znázornené na obrázku 3(a)).Pri pokusoch sa zistilo, že rastliny bývajú žltkasté, stonky listov sú veľmi svetlé a stonky listov sú veľmi tenké.

V prípade žiariviek s tromi základnými farbami bežne používanými v predchádzajúcich rokoch, hoci sa syntetizuje biela, červené, zelené a modré spektrá sú oddelené (ako je znázornené na obrázku 3(b)) a šírka spektra je veľmi úzka.Spektrálna intenzita nasledujúcej súvislej časti je relatívne slabá a výkon je v porovnaní s LED stále relatívne veľký, 1,5 až 3-násobok spotreby energie.Preto efekt použitia nie je taký dobrý ako LED svetlá.

Obrázok 3, Červené a modré čipové LED rastlinné svetlo a tri základné farebné fluorescenčné svetelné spektrum

PPFD je hustota svetelného kvantového toku, ktorá sa vzťahuje na efektívnu hustotu svetelného toku žiarenia svetla pri fotosyntéze, ktorá predstavuje celkový počet svetelných kvánt dopadajúcich na stonky listov rastlín v rozsahu vlnových dĺžok 400 až 700 nm za jednotku času a jednotku plochy. .Jeho jednotkou je μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).Fotosynteticky aktívne žiarenie (PAR) označuje celkové slnečné žiarenie s vlnovou dĺžkou v rozsahu 400 až 700 nm.Môže byť vyjadrená buď svetelnými kvantami alebo žiarivou energiou.

V minulosti bola intenzita svetla odrážaná iluminometrom jas, ale spektrum rastu rastlín sa mení v dôsledku výšky svietidla od rastliny, pokrytia svetlom a toho, či svetlo môže prechádzať cez listy.Preto nie je presné používať par ako indikátor intenzity svetla pri štúdiu fotosyntézy.

Vo všeobecnosti možno mechanizmus fotosyntézy spustiť, keď je PPFD slnkom milujúcej rastliny väčšie ako 50 μmol·m-2·s-1, zatiaľ čo PPFD tienistej rastliny potrebuje iba 20 μmol·m-2·s-1 .Preto si pri kúpe LED pestovateľských svetiel môžete zvoliť počet LED pestovateľských svetiel na základe tejto referenčnej hodnoty a typu rastlín, ktoré pestujete.Napríklad, ak je PPFD jedného LED svetla 20 μmol·m-2·s-1, na pestovanie rastlín milujúcich slnko sú potrebné viac ako 3 LED žiarovky.

Niekoľko dizajnových riešení polovodičového osvetlenia

Polovodičové osvetlenie sa používa na rast alebo výsadbu rastlín a existujú dve základné referenčné metódy.

• V súčasnosti je v Číne veľmi horúci model výsadby v interiéri.Tento model má niekoľko charakteristík:

①Úlohou LED svetiel je poskytnúť celé spektrum osvetlenia rastlín a systém osvetlenia musí poskytnúť všetku energiu osvetlenia a výrobné náklady sú relatívne vysoké;
②Konštrukcia LED pestovateľských svetiel musí brať do úvahy kontinuitu a integritu spektra;
③Je potrebné efektívne kontrolovať dobu osvetlenia a intenzitu osvetlenia, napríklad nechať rastliny niekoľko hodín odpočívať, intenzita ožiarenia nie je dostatočná alebo príliš silná atď.;
④Celý proces musí napodobňovať podmienky požadované skutočným optimálnym rastovým prostredím rastlín vonku, ako je vlhkosť, teplota a koncentrácia CO2.

• Režim výsadby vonku s dobrým základom na výsadbu vonkajšieho skleníka.Charakteristiky tohto modelu sú:

①Úlohou LED svetiel je doplniť svetlo.Jedným je zvýšiť intenzitu svetla v modrých a červených oblastiach pod ožiarením slnečným žiarením počas dňa, aby sa podporila fotosyntéza rastlín, a druhým je kompenzovať, keď v noci nie je slnečné svetlo, aby sa podporila rýchlosť rastu rastlín.
②Doplnkové svetlo musí zvážiť, v ktorej fáze rastu sa rastlina nachádza, ako je obdobie sadeníc alebo obdobie kvitnutia a plodenia.

Preto by dizajn LED svetiel na pestovanie rastlín mal mať najskôr dva základné dizajnové režimy, a to 24-hodinové osvetlenie (vnútorné) a doplnkové osvetlenie pre rast rastlín (vonkajšie).Pri pestovaní rastlín v interiéri je potrebné pri návrhu pestovateľských svetiel LED zvážiť tri aspekty, ako je znázornené na obrázku 4. Nie je možné zabaliť čipy s tromi základnými farbami v určitom pomere.

Obrázok 4, Konštrukčná myšlienka použitia vnútorných LED pomocných svetiel pre 24-hodinové osvetlenie

Napríklad pre spektrum v štádiu škôlky, ak vezmeme do úvahy, že potrebuje posilniť rast koreňov a stoniek, posilniť vetvenie listov a svetelný zdroj sa používa v interiéri, spektrum môže byť navrhnuté tak, ako je znázornené na obrázku 5.

Obrázok 5, Spektrálne štruktúry vhodné pre LED interiérové ​​škôlky

Pri návrhu druhého typu LED pestovateľského svetla sa zameriava najmä na konštrukčné riešenie doplnenia svetla na podporu výsadby v podstavci vonkajšieho skleníka.Myšlienka dizajnu je znázornená na obrázku 6.

Obrázok 6, Nápady na dizajn vonkajších pestovateľských svetiel 

Autor navrhuje, aby viac pestovateľských spoločností prijalo druhú možnosť použitia LED svetiel na podporu rastu rastlín.

Po prvé, čínske pestovanie v skleníkoch vonku má desiatky rokov veľké množstvo a široké spektrum skúseností na juhu aj na severe.Má dobré základy technológie skleníkového pestovania a poskytuje veľké množstvo čerstvého ovocia a zeleniny na trhu pre okolité mestá.Najmä v oblasti pestovania pôdy a vody a hnojív sa dosiahli bohaté výsledky výskumu.

Po druhé, tento druh doplnkového svetelného riešenia môže výrazne znížiť zbytočnú spotrebu energie a zároveň môže efektívne zvýšiť výnos ovocia a zeleniny.Okrem toho je obrovská geografická oblasť Číny veľmi vhodná na propagáciu.

Ako vedecký výskum LED osvetlenia rastlín mu poskytuje aj širšiu experimentálnu základňu.Obr. 7 je druh rastrového LED svetla vyvinutého týmto výskumným tímom, ktorý je vhodný na pestovanie v skleníkoch a jeho spektrum je znázornené na obr.

Obrázok 7, Druh rastového svetla LED

Obrázok 8, spektrum druhu rastúceho svetla LED

Podľa vyššie uvedených návrhových nápadov výskumný tím vykonal sériu experimentov a experimentálne výsledky sú veľmi významné.Napríklad pre pestovateľské svetlo počas škôlky sa ako pôvodné svietidlo používa žiarivka s výkonom 32 W a škôlkarskym cyklom 40 dní.Poskytujeme 12 W LED svetlo, ktoré skracuje cyklus sadby na 30 dní, efektívne znižuje vplyv teploty lámp v sadiarni a šetrí spotrebu energie klimatizácie.Hrúbka, dĺžka a farba sadeníc sú lepšie ako pôvodné riešenie na pestovanie sadeníc.Pre sadenice bežnej zeleniny sa získali aj dobré overovacie závery, ktoré sú zhrnuté v nasledujúcej tabuľke.

Medzi nimi doplnková svetelná skupina PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 a pomer červeno-modrá: 0,6-0,7.Rozsah dennej hodnoty PPFD prirodzenej skupiny bol 40~800 μmol·m-2·s-1 a pomer červenej k modrej bol 0,6~1,2.Je vidieť, že vyššie uvedené ukazovatele sú lepšie ako u prirodzene pestovaných sadeníc.

Záver

Tento článok predstavuje najnovší vývoj v aplikácii LED pestovateľských svetiel pri pestovaní rastlín a poukazuje na niektoré nedorozumenia pri aplikácii LED pestovateľského svetla pri pestovaní rastlín.Nakoniec sú predstavené technické nápady a schémy pre vývoj LED pestovateľských svetiel používaných na pestovanie rastlín.Malo by sa zdôrazniť, že existujú aj niektoré faktory, ktoré je potrebné vziať do úvahy pri inštalácii a používaní svetla, ako je vzdialenosť medzi svetlom a rastlinou, rozsah žiarenia lampy a spôsob použitia svetla. normálna voda, hnojivo a pôda.

Autor: Yi Wang a kol.Zdroj: CNKI