Úvod

Svetlo zohráva kľúčovú úlohu v procese rastu rastlín. Je to najlepšie hnojivo na podporu vstrebávania chlorofylu a rôznych rastových vlastností rastlín, ako je karotén. Rozhodujúcim faktorom, ktorý určuje rast rastlín, je však komplexný faktor, ktorý súvisí nielen so svetlom, ale je neoddeliteľný aj od konfigurácie vody, pôdy a hnojiva, podmienok rastového prostredia a komplexnej technickej kontroly.

V posledných dvoch alebo troch rokoch sa objavilo nespočetné množstvo správ o aplikácii polovodičovej osvetľovacej technológie v súvislosti s trojrozmernými rastlinnými továrňami alebo rastom rastlín. Po pozornom prečítaní však vždy pretrváva určitý nepríjemný pocit. Vo všeobecnosti neexistuje skutočné pochopenie toho, akú úlohu by malo svetlo zohrávať v raste rastlín.

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

Obrázok 1, Charakteristiky slnečného spektra a jeho spektra viditeľného svetla

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 zrejmé, že spektrá absorpcie svetla niekoľkých kľúčových auxínov, ktoré ovplyvňujú rast rastlín, sa výrazne líšia. Preto aplikácia LED svetiel na rast rastlín nie je jednoduchá, ale veľmi cielená záležitosť. Tu je potrebné predstaviť koncepty dvoch najdôležitejších fotosyntetických prvkov rastu rastlín.

• Chlorofyl

Chlorofyl je jeden z najdôležitejších pigmentov súvisiacich s fotosyntézou. Nachádza sa vo všetkých organizmoch, ktoré dokážu fotosyntézu vykonávať, vrátane zelených rastlín, prokaryotických modrozelených rias (siníc) a eukaryotických rias. Chlorofyl absorbuje energiu zo svetla, ktorú potom využíva na premenu oxidu uhličitého na sacharidy.

Chlorofyl a absorbuje prevažne červené svetlo a chlorofyl b absorbuje prevažne modrofialové svetlo, najmä na rozlíšenie tieňových rastlín od slnečných rastlín. Pomer chlorofylu b k chlorofylu a u tieňových rastlín je malý, takže tieňové rastliny dokážu silne využívať modré svetlo a prispôsobiť sa rastu 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 termín pre triedu dôležitých prírodných pigmentov, ktoré sa bežne nachádzajú v žltých, oranžovočervených alebo červených pigmentoch u zvierat, vyšších rastlín, húb a rias. Doteraz bolo objavených viac ako 600 prírodných karotenoidov.

Karotenoidy absorbujú svetlo v rozsahu optickej hustoty (OD303~505 nm), čo určuje farbu potravín a ovplyvňuje ich príjem v tele. V riasach, rastlinách a mikroorganizmoch je ich farba prekrytá chlorofylom a nemôže sa prejaviť. V rastlinných bunkách produkované karotenoidy nielen absorbujú a prenášajú energiu na podporu fotosyntézy, ale majú aj funkciu ochrany buniek pred zničením excitovanými molekulami kyslíka s jednou elektrónovou väzbou.

Niektoré koncepčné nedorozumenia

Bez ohľadu na efekt úspory energie, selektivitu svetla a koordináciu svetla, polovodičové osvetlenie preukázalo veľké výhody. Avšak v dôsledku rýchleho vývoja v posledných dvoch rokoch sme zaznamenali aj veľa nedorozumení v oblasti návrhu a aplikácie svetla, ktoré sa odrážajú najmä v nasledujúcich aspektoch.

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

②Pokiaľ ide o biele svetlo, môže nahradiť slnečné svetlo, ako napríklad trojvláknová biela trubica široko používaná v Japonsku atď. Použitie týchto spektier má určitý vplyv na rast rastlín, ale účinok nie je taký dobrý ako pri svetelnom zdroji vyrobenom 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 použití tohto indikátora však musíte venovať pozornosť tomu, či ide o tieňovú alebo slnečnú rastlinu. Musíte zistiť bod nasýtenia kompenzácie svetla týchto rastlín, ktorý sa nazýva aj bod kompenzácie svetla. V skutočných aplikáciách sa sadenice často spália alebo uschnú. Preto musí byť návrh tohto parametra navrhnutý podľa druhu rastliny, rastového prostredia a podmienok.

Pokiaľ ide o prvý aspekt, ako bolo uvedené v úvode, spektrum potrebné pre rast rastlín by malo byť spojité spektrum s určitou šírkou rozloženia. Je zjavne nevhodné používať svetelný zdroj vyrobený z dvoch špecifických vlnových dĺžok červených a modrých čipov s veľmi úzkym spektrom (ako je znázornené na obrázku 3(a)). V experimentoch sa zistilo, že rastliny majú tendenciu byť žltkasté, stonky listov sú veľmi svetlé a stonky listov sú veľmi tenké.

V prípade žiariviek s tromi základnými farbami, ktoré sa bežne používali v predchádzajúcich rokoch, sa síce syntetizuje biela, ale červené, zelené a modré spektrum 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 stále relatívne vysoký v porovnaní s LED diódami, spotreba energie je 1,5 až 3-násobná. Preto účinok spotreby nie je taký dobrý ako pri LED diódach.

Obrázok 3, Červené a modré čipové LED osvetlenie rastlín a spektrum žiarivkového svetla s tromi základnými farbami

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

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

Vo všeobecnosti sa mechanizmus fotosyntézy môže spustiť, keď je PPFD slnečnej rastliny väčšia 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 vybrať 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 slnečných rastlín sú potrebné viac ako 3 LED žiarovky.

Niekoľko konštrukčných riešení polovodičového osvetlenia

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

• V súčasnosti je model pestovania v interiéri v Číne veľmi populárny. Tento model má niekoľko charakteristík:

①Úlohou LED svetiel je poskytovať celé spektrum osvetlenia rastlín a osvetľovací systém musí poskytovať všetku svetelnú energiu a výrobné náklady sú relatívne vysoké;
②Pri návrhu LED pestovateľských svetiel je potrebné zohľadniť kontinuitu a integritu spektra;
③Je potrebné efektívne kontrolovať čas 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 vonkajšej výsadby s dobrým základom pre vonkajšiu výsadbu v skleníku. Charakteristiky tohto modelu sú:

①Úlohou LED svetiel je dopĺňať svetlo. Jednou z nich je zvýšiť intenzitu svetla v modrých a červených oblastiach pod slnečným žiarením počas dňa, aby sa podporila fotosyntéza rastlín, a druhou je kompenzovať nedostatok slnečného svetla v noci, aby sa podporila rýchlosť rastu rastlín.
②Doplnkové svetlo musí zohľadniť, v akom štádiu rastu sa rastlina nachádza, napríklad v období sadeníc alebo v období kvitnutia a plodenia.

Preto by mal dizajn LED svetiel na pestovanie rastlín mať v prvom rade dva základné režimy, a to 24-hodinové osvetlenie (v interiéri) a doplnkové osvetlenie pre rast rastlín (vonkajšie). Pre pestovanie rastlín v interiéri je potrebné pri návrhu LED svetiel na pestovanie zohľadniť 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 svetiel na osvetlenie rastlín pre 24-hodinové osvetlenie

Napríklad pre spektrum v štádiu škôlky, vzhľadom na to, že je potrebné posilniť rast koreňov a stoniek, posilniť rozvetvovanie listov a svetelný zdroj sa používa v interiéri, možno spektrum navrhnúť tak, ako je znázornené na obrázku 5.

Obrázok 5, Spektrálne štruktúry vhodné pre LED osvetlenie v interiéri škôlky

Pri návrhu druhého typu LED pestovateľského svetla sa hlavnou pozornosť zameriava na dizajnové riešenie doplnkového svetla na podporu výsadby v základni vonkajšieho skleníka. Dizajnová myšlienka je znázornená na obrázku 6.

Obrázok 6, Dizajnové nápady na vonkajšie pestovateľské svetlá 

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

V prvom rade má Čína s pestovaním rastlín vonku v skleníkoch desaťročia rozsiahlych a širokých skúseností, a to ako na juhu, tak aj na severe. Má dobrý základ v technológii pestovania v skleníkoch a poskytuje veľké množstvo čerstvého ovocia a zeleniny na trhu pre okolité mestá. Najmä v oblasti pôdy, vody a hnojív sa dosiahli bohaté výsledky výskumu.

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

Vedecký výskum LED osvetlenia rastlín poskytuje aj širšiu experimentálnu základňu. Obr. 7 znázorňuje druh LED pestovateľského svetla vyvinutého týmto výskumným tímom, ktoré je vhodné na pestovanie v skleníkoch, a jeho spektrum je znázornené na obr. 8.

Obrázok 7, Druh LED pestovateľského svetla

Obrázok 8, spektrum druhu LED pestovateľského svetla

Podľa vyššie uvedených návrhov výskumný tím vykonal sériu experimentov a experimentálne výsledky sú veľmi významné. Napríklad na pestovanie sadeníc počas pestovania sa pôvodne použila žiarivka s výkonom 32 W a pestovateľským cyklom 40 dní. My sme použili 12 W LED svetlo, ktoré skracuje pestovateľský cyklus na 30 dní, účinne znižuje vplyv teploty lámp v sadenici a šetrí spotrebu energie klimatizácie. Hrúbka, dĺžka a farba sadeníc sú lepšie ako pri pôvodnom riešení pestovania sadeníc. V prípade sadeníc bežnej zeleniny sa tiež dosiahli dobré overovacie závery, ktoré sú zhrnuté v nasledujúcej tabuľke.

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

Záver

Tento článok predstavuje najnovší vývoj v aplikácii LED pestovateľských svetiel v pestovaní rastlín a poukazuje na niektoré nedorozumenia týkajúce sa aplikácie LED pestovateľských svetiel v pestovaní rastlín. Na záver sú predstavené technické nápady a schémy pre vývoj LED pestovateľských svetiel používaných na pestovanie rastlín. Treba zdôrazniť, že pri inštalácii a používaní svetla je potrebné zvážiť aj niektoré faktory, ako je vzdialenosť medzi svetlom a rastlinou, dosah ožiarenia lampy a spôsob aplikácie svetla s bežnou vodou, hnojivom a pôdou.

Autor: Yi Wang a kol. Zdroj: CNKI