Въведение

Светлината играе ключова роля в процеса на растеж на растенията. Тя е най-добрият тор, който насърчава усвояването на хлорофила от растенията и усвояването на различни качества за растеж на растенията, като например каротин. Решаващият фактор, който определя растежа на растенията, обаче е комплексен фактор, свързан не само със светлината, но и неразделен от конфигурацията на водата, почвата и тора, условията на средата за растеж и цялостния технически контрол.

През последните две или три години имаше безброй доклади за приложението на полупроводникова осветителна технология по отношение на триизмерните растителни фабрики или растежа на растенията. Но след внимателно прочитане винаги остава известно неприятно чувство. Като цяло няма истинско разбиране за това каква роля трябва да играе светлината в растежа на растенията.

Първо, нека разберем спектъра на слънцето, както е показано на Фигура 1. Може да се види, че слънчевият спектър е непрекъснат спектър, в който синият и зеленият спектър са по-силни от червения, а спектърът на видимата светлина варира от 380 до 780 nm. Растежът на организмите в природата е свързан с интензитета на спектъра. Например, повечето растения в района близо до екватора растат много бързо и в същото време размерът на растежа им е сравнително голям. Но високата интензивност на слънчевото облъчване не винаги е по-добра и съществува известна степен на селективност за растежа на животните и растенията.

Фигура 1, Характеристики на слънчевия спектър и неговия спектър на видима светлина

Второ, втората спектрална диаграма на няколко ключови абсорбционни елемента на растежа на растенията е показана на Фигура 2.

Фигура 2, Абсорбционни спектри на няколко ауксина в растежа на растенията

От Фигура 2 може да се види, че спектрите на абсорбция на светлина на няколко ключови ауксина, които влияят на растежа на растенията, се различават значително. Следователно, приложението на LED лампи за растеж на растения не е прост въпрос, а е много целенасочено. Тук е необходимо да се въведат понятията за двата най-важни фотосинтетични елемента за растеж на растенията.

• Хлорофил

Хлорофилът е един от най-важните пигменти, свързани с фотосинтезата. Той съществува във всички организми, които могат да създават фотосинтеза, включително зелени растения, прокариотни синьозелени водорасли (цианобактерии) и еукариотни водорасли. Хлорофилът абсорбира енергия от светлината, която след това се използва за превръщане на въглеродния диоксид във въглехидрати.

Хлорофилът а абсорбира главно червена светлина, а хлорофилът b абсорбира главно синьо-виолетова светлина, главно за да прави разлика между растенията на сянка и слънчевите растения. Съотношението на хлорофил b към хлорофил а при растенията на сянка е малко, така че растенията на сянка могат да използват силно синята светлина и да се адаптират към растеж на сянка. Хлорофилът а е синьо-зелен, а хлорофилът b е жълто-зелен. Има две силни абсорбции на хлорофил а и хлорофил b, едната в червената област с дължина на вълната 630-680 nm, а другата в синьо-виолетовата област с дължина на вълната 400-460 nm.

• Каротеноиди

Каротеноидите са общият термин за клас важни естествени пигменти, които обикновено се срещат в жълти, оранжево-червени или червени пигменти при животни, висши растения, гъби и водорасли. Досега са открити повече от 600 естествени каротеноида.

Светлинната абсорбция на каротеноидите обхваща диапазона от OD303~505 nm, което осигурява цвета на храната и влияе върху приема на храна от организма. При водораслите, растенията и микроорганизмите цветът им е покрит от хлорофил и не може да се прояви. В растителните клетки произведените каротеноиди не само абсорбират и пренасят енергия, за да подпомогнат фотосинтезата, но и имат функцията да предпазват клетките от разрушаване от възбудени кислородни молекули с единична електронна връзка.

Някои концептуални недоразумения

Независимо от енергоспестяващия ефект, селективността на светлината и координацията на светлината, полупроводниковото осветление показва големи предимства. Въпреки това, от бързото развитие през последните две години, наблюдаваме и много недоразумения в проектирането и приложението на осветлението, които се отразяват главно в следните аспекти.

①Докато червените и сините чипове с определена дължина на вълната са комбинирани в определено съотношение, те могат да се използват в отглеждането на растения, например съотношението на червено към синьо е 4:1, 6:1, 9:1 и така нататък.

②Стига да е бяла светлина, тя може да замести слънчевата светлина, като например широко използваната в Япония тръба с три основни бели спектъра и др. Използването на тези спектри има известен ефект върху растежа на растенията, но ефектът не е толкова добър, колкото при източника на светлина, създаден от LED.

③Докато PPFD (плътност на светлинния квантов поток), важен параметър на осветеността, достигне определен индекс, например PPFD е по-голяма от 200 μmol·m-2·s-1. Когато обаче използвате този индикатор, трябва да обърнете внимание дали става въпрос за растение за сянка или за слънчево растение. Трябва да попитате или намерите точката на насищане на светлинната компенсация на тези растения, която се нарича още точка на светлинна компенсация. В реални приложения разсадът често се изгаря или изсъхва. Следователно, дизайнът на този параметър трябва да бъде проектиран според вида на растението, средата на растеж и условията.

Що се отнася до първия аспект, както е представено във въведението, спектърът, необходим за растежа на растенията, трябва да бъде непрекъснат спектър с определена ширина на разпределение. Очевидно е неподходящо да се използва източник на светлина, съставен от два чипа със специфични дължини на вълната - червен и син, с много тесен спектър (както е показано на Фигура 3(а)). В експерименти е установено, че растенията са склонни да бъдат жълтеникави, стъблата на листата са много светли и много тънки.

При флуоресцентните тръби с три основни цвята, често използвани в предишни години, въпреки че бялото е синтезирано, червеният, зеленият и синият спектър са разделени (както е показано на Фигура 3(b)), а ширината на спектъра е много тясна. Спектралният интензитет на следващата непрекъсната част е сравнително слаб, а мощността е все още сравнително голяма в сравнение с LED лампите, с 1,5 до 3 пъти по-висока консумация на енергия. Следователно, ефектът от използването не е толкова добър, колкото при LED лампите.

Фигура 3, Червен и син чип LED осветление за растения и спектър от три основни цвята флуоресцентна светлина

PPFD е плътността на светлинния квантов поток, която се отнася до ефективната плътност на светлинния поток на светлината при фотосинтезата. Тя представлява общия брой светлинни кванти, падащи върху стъблата на листата на растенията в диапазона на дължината на вълната от 400 до 700 nm за единица време и единица площ. Единицата ѝ е μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Фотосинтетично активната радиация (ФАР) се отнася до общата слънчева радиация с дължина на вълната в диапазона от 400 до 700 nm. Тя може да бъде изразена или чрез светлинни кванти, или чрез лъчиста енергия.

В миналото интензитетът на светлината, отразен от илюминометъра, е бил яркост, но спектърът на растежа на растенията се променя поради височината на осветителното тяло от растението, светлинното покритие и дали светлината може да премине през листата. Следователно, не е точно да се използва par като индикатор за интензитет на светлината при изучаване на фотосинтезата.

Обикновено механизмът на фотосинтеза може да се задейства, когато PPFD на слънцелюбивото растение е по-голяма от 50 μmol·m-2·s-1, докато PPFD на сенчестото растение се нуждае само от 20 μmol·m-2·s-1. Следователно, когато купувате LED лампи за отглеждане, можете да изберете броя на LED лампите за отглеждане въз основа на тази референтна стойност и вида растения, които засаждате. Например, ако PPFD на една LED лампа е 20 μmol·m-2·s-1, са необходими повече от 3 LED крушки за отглеждане на слънцелюбиви растения.

Няколко дизайнерски решения за полупроводниково осветление

Полупроводниковото осветление се използва за растеж или засаждане на растения и има два основни метода за справка.

• В момента моделът на засаждане на растения на закрито е много популярен в Китай. Този модел има няколко характеристики:

①Ролята на LED светлините е да осигурят пълния спектър от осветление на растенията, а осветителната система е необходима, за да осигури цялата светлинна енергия, а производствените разходи са сравнително високи;
②Дизайнът на LED лампите за отглеждане на растения трябва да отчита непрекъснатостта и целостта на спектъра;
③Необходимо е ефективно да се контролира времето на осветление и интензитетът на осветлението, като например оставяне на растенията да почиват няколко часа, интензитетът на облъчване не е достатъчен или твърде силен и др.;
④Целият процес трябва да имитира условията, изисквани от действителната оптимална среда за растеж на растенията на открито, като влажност, температура и концентрация на CO2.

• Режим на засаждане на открито с добра основа за оранжерии. Характеристиките на този модел са:

①Ролята на LED светлините е да допълват светлината. Едната е да усилват интензитета на светлината в сините и червените области под облъчването на слънчевата светлина през деня, за да стимулират фотосинтезата на растенията, а другата е да компенсират липсата на слънчева светлина през нощта, за да стимулират растежа на растенията.
②Допълнителната светлина трябва да отчита в кой етап на растеж се намира растението, като например период на разсад или период на цъфтеж и плододаване.

Следователно, дизайнът на LED лампи за отглеждане на растения трябва първо да има два основни режима на проектиране, а именно 24-часово осветление (на закрито) и допълнително осветление за растеж на растенията (на открито). За отглеждане на растения на закрито, дизайнът на LED лампи за отглеждане трябва да вземе предвид три аспекта, както е показано на Фигура 4. Не е възможно чиповете да се пакетират с три основни цвята в определено съотношение.

Фигура 4, Идея за използване на вътрешни LED лампи за осветление на растения за 24-часово осветление

Например, за спектър в разсадник, като се има предвид, че е необходимо да се засили растежът на корените и стъблата, да се засили разклоняването на листата и източникът на светлина се използва на закрито, спектърът може да бъде проектиран както е показано на Фигура 5.

Фигура 5, Спектрални структури, подходящи за LED осветление в закрито помещение в разсадник

При проектирането на втория тип LED лампа за отглеждане, основната цел е да се осигури допълнително осветление, което да насърчи засаждането в основата на външна оранжерия. Идеята за дизайн е показана на Фигура 6.

Фигура 6, Идеи за дизайн на външни лампи за отглеждане на растения 

Авторът предлага повече компании за засаждане да възприемат втория вариант за използване на LED светлини за насърчаване на растежа на растенията.

Преди всичко, Китай има десетилетия голям и широк опит в отглеждането на растения в оранжерии на открито, както на юг, така и на север. Китай има добра основа в технологиите за отглеждане в оранжерии и осигурява голямо количество пресни плодове и зеленчуци на пазара за околните градове. Особено в областта на почвата, водата и торенето, са постигнати богати резултати от изследванията.

Второ, този вид допълнително осветление може значително да намали ненужната консумация на енергия и същевременно ефективно да увеличи добива на плодове и зеленчуци. Освен това, обширното географско пространство на Китай е много удобно за популяризиране.

Тъй като научното изследване на LED осветлението за растения предоставя и по-широка експериментална база за него. Фиг. 7 показва вид LED лампа за отглеждане, разработена от този изследователски екип, която е подходяща за отглеждане в оранжерии, а нейният спектър е показан на Фиг. 8.

Фигура 7, Вид LED лампа за отглеждане

Фигура 8, спектър на един вид LED лампа за отглеждане на растения

Според гореспоменатите дизайнерски идеи, изследователският екип проведе серия от експерименти и резултатите от тях са много значителни. Например, за осветление по време на разсад, оригиналната лампа, използвана за отглеждане на растения, е флуоресцентна лампа с мощност 32 W и цикъл на разсад от 40 дни. Ние предлагаме 12 W LED лампа, която съкращава цикъла на разсада до 30 дни, ефективно намалява влиянието на температурата на лампите в цеха за разсад и спестява енергия от климатика. Дебелината, дължината и цветът на разсада са по-добри в сравнение с оригиналното решение за отглеждане на разсад. За разсада от обикновени зеленчуци също са получени добри заключения от проверката, които са обобщени в следващата таблица.

Сред тях, допълнителната светлинна група PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, а съотношението червено-синьо: 0.6-0.7. Диапазонът на дневните стойности на PPFD за естествената група е 40~800 μmol·m-2·s-1, а съотношението червено-синьо е 0.6~1.2. Вижда се, че горните показатели са по-добри от тези на естествено отглежданите разсади.

Заключение

Тази статия представя най-новите разработки в приложението на LED лампи за отглеждане на растения и посочва някои недоразумения при прилагането им. Накрая, представя техническите идеи и схеми за разработване на LED лампи за отглеждане на растения. Трябва да се отбележи, че има и някои фактори, които трябва да се вземат предвид при инсталирането и използването на лампата, като например разстоянието между лампата и растението, обхватът на облъчване на лампата и как да се прилага светлината с обикновена вода, тор и почва.

Автор: Yi Wang и др. Източник: CNKI