Въведение

Светлината играе ключова роля в процеса на растеж на растенията. Това е най-добрият тор за насърчаване на усвояването на растителния хлорофил и усвояването на различни качества за растеж на растенията, като каротин. Въпреки това, решаващият фактор, който определя растежа на растенията, е всеобхватен фактор, не само свързан със светлината, но и неотделим от конфигурацията на водата, почвата и тора, условията на средата на растеж и цялостния технически контрол.

През последните две или три години имаше безкрайни доклади за прилагането на технология за полупроводниково осветление по отношение на триизмерни растителни фабрики или растеж на растения. Но след внимателно четене винаги остава някакво неспокойно чувство. Най-общо казано, няма реално 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 спектър, 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 техния растеж е сравнително голям. Но високият интензитет на слънчевата радиация не винаги е по-добър и има известна степен на селективност за растежа на животни и растения.

Фигура 1, Характеристиките на слънчевия спектър и неговия спектър на видимата 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 ауксини в растежа на растенията

Може да се види от Фигура 2, че спектрите на абсорбция на светлина на няколко ключови ауксини, които влияят върху растежа на растенията, са значително различни. Следователно прилагането на LED светлини за растеж на растенията не е просто нещо, а много целенасочено. Тук е необходимо да се въведат понятията за двата най-важни фотосинтетични растежни елемента на растенията.

• Хлорофил

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

Хлорофил a абсорбира главно червената светлина, а хлорофил b абсорбира главно синьо-виолетовата светлина, главно за разграничаване на сенчести растения от слънчеви растения. Съотношението на хлорофил b към хлорофил a в сенчестите растения е малко, така че сенчестите растения могат да използват силно синята светлина и да се адаптират към отглеждане на сянка. Хлорофил а е синьо-зелен, а хлорофил 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-виолетовия регион с дължина на вълната 400-460 nm.

• Каротеноиди

Каротеноидите са общият термин за клас важни природни 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 каротеноиди.

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

Някои концептуални недоразумения

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

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

②Докато е бяла светлина, тя може да замени слънчевата светлина, като например тръбата с три първични бели светлини, широко използвана в Япония и т.н. Използването на тези спектри има известен ефект върху растежа на растенията, но ефектът е не е толкова добър, колкото източникът на светлина, направен от LED.

③Докато PPFD (плътността на квантовия поток на светлината), важен параметър на осветеността, достигне определен индекс, например, PPFD е по-голям от 200 μmol·m-2·s-1. Въпреки това, когато използвате този индикатор, трябва да обърнете внимание дали е растение за сянка или растение за слънце. Трябва да направите запитване или да намерите точката на насищане на компенсацията на светлината на тези растения, която също се нарича точка на компенсация на светлината. При реални приложения разсадът често се изгаря или изсъхва. Следователно дизайнът на този параметър трябва да бъде проектиран в съответствие с видовете растения, средата на растеж и условията.

По отношение на първия аспект, както беше въведено във въведението, спектърът, необходим за растежа на растението, трябва да бъде непрекъснат спектър с определена ширина на разпределение. Очевидно е неподходящо да се използва източник на светлина, направен от два чипа със специфична дължина на вълната от червено и синьо с много тесен спектър (както е показано на фигура 3(a)). При експерименти беше установено, че растенията обикновено са жълтеникави, стъблата на листата са много светли, а стъблата на листата са много тънки.

За флуоресцентни тръби с три основни цвята, използвани обикновено през предходните 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. Спектралната интензивност на следващата непрекъсната част е сравнително слаба и мощността все още е сравнително голяма в сравнение със светодиодите, 1,5 до 3 пъти консумацията на енергия. Следователно ефектът от употребата не е толкова добър, колкото LED светлините.

Фигура 3, Червен и син чип LED светлина за растения и три основни цвята флуоресцентен светлинен спектър

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

В миналото интензитетът на светлината, отразен от илюминометъра, беше яркост, но спектърът на растеж 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 интензитета на светлината при изследване на фотосинтезата.

Като цяло механизмът на фотосинтеза може да се задейства, когато PPFD на слънцелюбивото растение е по-голям 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 единична LED светлина е 20 μmol·m-2·s-1, за отглеждането на слънцелюбиви растения са необходими повече от 3 LED крушки за растения.

Няколко дизайнерски решения на полупроводниково осветление

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

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

①Ролята на LED светлините е да осигурят пълния спектър от осветление на растенията, а осветителната система трябва да осигури цялата енергия за осветление, а производствените разходи са сравнително високи;
②Дизайнът на LED лампите за отглеждане трябва да вземе предвид непрекъснатостта и целостта на спектъра;
③Необходимо е ефективно да се контролира времето за осветяване и интензитета на осветяване, като например оставяне на растенията да почиват за няколко часа, интензитетът на облъчване не е достатъчен или твърде силен и т.н.;
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 засаждане на открито в оранжерия. Характеристиките на този модел са:

①Ролята на LED светлините е да допълват светлината. Единият е да се повиши интензитета на светлината в сините и червените зони под облъчването на слънчева светлина през деня, за да се насърчи фотосинтезата на растенията, а другият е да се компенсира, когато няма слънчева светлина през нощта, за да се насърчи скоростта на растеж на растенията
②Допълнителната светлина трябва да вземе предвид в кой етап на растеж се намира растението, като например периода на разсад или периода на цъфтеж и плод.

Следователно дизайнът на LED светлини за отглеждане на растения трябва първо да има два основни режима на проектиране, а именно 24-часово осветление (вътрешно) и допълнително осветление за растеж на растенията (външно). За култивиране на растения на закрито, дизайнът на LED светлини за отглеждане трябва да вземе предвид три аспекта, както е показано на Фигура 4. Не е възможно чиповете да се опаковат с три основни цвята в определена пропорция.

Фигура 4, Дизайнерската идея за използване на вътрешни LED усилващи лампи за растения за 24-часово осветление

Например, за спектър в етапа на разсадник, като се има предвид, че той трябва да засили растежа на корените и стъблата, да 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 закрит детски период

За дизайна на втория тип LED светлина за отглеждане, той е насочен главно към дизайнерското решение за допълване на светлината за насърчаване на засаждането в основата на външна оранжерия. Идеята за дизайн е показана на фигура 6.

Фигура 6, Идеи за дизайн на външни светлини за отглеждане 

Авторът предлага повече компании за засаждане да приемат втората опция за използване на LED светлини за насърчаване на растежа на растенията.

На първо място, китайското отглеждане на открито в оранжерии има десетилетия голямо количество и широк спектър от опит, както на юг, така и на север. Има добра основа от оранжерийна технология за отглеждане и осигурява голям брой пресни плодове и зеленчуци на пазара за околните градове. Особено в областта на почвата и водата и засаждането на торове са направени богати резултати от изследвания.

Второ, този вид решение за допълнителна светлина може значително да намали ненужната консумация на енергия и в същото време може ефективно да увеличи добива на плодове и зеленчуци. Освен това обширната географска област на Китай е много удобна за промоция.

Тъй като научното изследване на LED осветлението на растенията, то предоставя и по-широка експериментална база за него. Фигура 7 е един вид LED светлина за отглеждане, разработена от този изследователски екип, която е подходяща за отглеждане в оранжерии и нейният спектър е показан на Фигура 8.

Фигура 7, Един вид LED лампа за отглеждане

Фигура 8, спектър на един вид LED светлина за отглеждане

Съгласно горните дизайнерски идеи, изследователският екип проведе серия от експерименти и експерименталните резултати са много значими. Например, за светлина за отглеждане по време на разсадник, използваната оригинална лампа е флуоресцентна лампа с мощност 32 W и цикъл на разсадник от 40 дни. Предоставяме 12 W LED светлина, която скъсява цикъла на разсад до 30 дни, ефективно намалява влиянието на температурата на лампите в цеха за разсад и спестява консумацията на енергия на климатика. Дебелината, дължината и цветът на разсада са по-добри от оригиналния разтвор 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 и съотношението червено-синьо: 0,6-0,7. Диапазонът на дневните стойности на PPFD на естествената група е 40~800 μmol·m-2·s-1, а съотношението на червено към синьо е 0,6~1,2. Вижда се, че горните показатели са по-добри от тези на естествено отгледаните разсади.

Заключение

Тази статия представя най-новите разработки в прилагането на LED светлини за отглеждане в отглеждането на растения и посочва някои недоразумения при прилагането на LED светлина за отглеждане в отглеждането на растения. Накрая са представени техническите идеи и схеми за разработване на LED светлини за отглеждане, използвани за отглеждане на растения. Трябва да се отбележи, че има и някои фактори, които трябва да се вземат предвид при инсталирането и използването на светлината, като разстоянието между светлината и растението, обхватът на излъчване на лампата и как да се прилага светлината с нормална вода, тор и почва.

Автор: Yi Wang и др. Източник: CNKI