Вовед

Светлината игра клучна улога во процесот на раст на растенијата. Таа е најдоброто ѓубриво за поттикнување на апсорпцијата на растителниот хлорофил и апсорпцијата на различни квалитети за раст на растенијата, како што е каротенот. Сепак, одлучувачкиот фактор што го одредува растот на растенијата е сеопфатен фактор, не само поврзан со светлината, туку е неразделен и од конфигурацијата на водата, почвата и ѓубривото, условите на средината за раст и сеопфатната техничка контрола.

Во последните две или три години, имаше безброј извештаи за примената на полупроводничката технологија за осветлување во врска со тродимензионалните фабрики или растот на растенијата. Но, откако ќе се прочитаат внимателно, секогаш се чувствува непријатно. Општо земено, не постои вистинско разбирање за тоа каква улога треба да игра светлината во растот на растенијата.

Прво, да го разбереме спектарот на сонцето, како што е прикажано на Слика 1. Може да се види дека сончевиот спектар е континуиран спектар, во кој синиот и зелениот спектар се посилни од црвениот спектар, а спектарот на видливата светлина се движи од 380 до 780 nm. Растот на организмите во природата е поврзан со интензитетот на спектарот. На пример, повеќето растенија во областа близу до екваторот растат многу брзо, а во исто време, големината на нивниот раст е релативно голема. Но, високиот интензитет на сончевото зрачење не е секогаш подобар, и постои одреден степен на селективност за растот на животните и растенијата.

Слика 1, Карактеристиките на сончевиот спектар и неговиот спектар на видлива светлина

Второ, вториот спектрален дијаграм на неколку клучни елементи на апсорпција на растот на растенијата е прикажан на Слика 2.

Слика 2, Апсорпциски спектри на неколку ауксини во растот на растенијата

Од Слика 2 може да се види дека спектарот на апсорпција на светлина на неколку клучни ауксини кои влијаат на растот на растенијата се значително различни. Затоа, примената на LED светла за раст на растенијата не е едноставна работа, туку многу целна. Тука е потребно да се воведат концептите на двата најважни фотосинтетски елементи за раст на растенијата.

• Хлорофил

Хлорофилот е еден од најважните пигменти поврзани со фотосинтезата. Тој постои кај сите организми кои можат да создадат фотосинтеза, вклучувајќи ги зелените растенија, прокариотските сино-зелени алги (цијанобактерии) и еукариотските алги. Хлорофилот апсорбира енергија од светлината, која потоа се користи за претворање на јаглерод диоксидот во јаглехидрати.

Хлорофилот а главно апсорбира црвена светлина, а хлорофилот б главно апсорбира сино-виолетова светлина, главно за да ги разликува растенијата во сенка од сончевите растенија. Односот на хлорофилот б спрема хлорофилот а кај растенијата во сенка е мал, па затоа растенијата во сенка можат силно да ја користат сината светлина и да се адаптираат на растење во сенка. Хлорофилот а е сино-зелен, а хлорофилот б е жолто-зелен. Постојат две силни апсорпции на хлорофил а и хлорофил б, едната во црвениот регион со бранова должина од 630-680 nm, а другата во сино-виолетовиот регион со бранова должина од 400-460 nm.

• Каротеноиди

Каротеноидите се општ термин за класа на важни природни пигменти, кои најчесто се наоѓаат во жолти, портокалово-црвени или црвени пигменти кај животните, повисоките растенија, габите и алгите. Досега се откриени повеќе од 600 природни каротеноиди.

Апсорпцијата на светлината на каротеноидите го опфаќа опсегот од OD303~505 nm, што ја дава бојата на храната и влијае на внесувањето храна од страна на телото. Кај алгите, растенијата и микроорганизмите, нејзината боја е покриена со хлорофил и не може да се појави. Во растителните клетки, произведените каротеноиди не само што апсорбираат и пренесуваат енергија за да помогнат во фотосинтезата, туку имаат и функција да ги заштитат клетките од уништување од возбудени молекули на кислород со единечна електронска врска.

Некои концептуални недоразбирања

Без оглед на ефектот на заштеда на енергија, селективноста на светлината и координацијата на светлината, полупроводничкото осветлување покажа големи предности. Сепак, од брзиот развој во изминатите две години, видовме и многу недоразбирања во дизајнот и примената на светлината, кои главно се одразуваат во следните аспекти.

① Доколку црвените и сините чипови со одредена бранова должина се комбинираат во одреден сооднос, тие можат да се користат во одгледување растенија, на пример, соодносот на црвена и сина боја е 4:1, 6:1, 9:1 и така натаму.

② Доколку е бела светлина, може да ја замени сончевата светлина, како што е три-примарната бела светлосна цевка што е широко користена во Јапонија, итн. Употребата на овие спектри има одреден ефект врз растот на растенијата, но ефектот не е толку добар како изворот на светлина направен од LED.

③ Доколку PPFD (густина на квантниот флукс на светлината), важен параметар на осветлувањето, достигне одреден индекс, на пример, PPFD е поголем од 200 μmol·m-2·s-1. Меѓутоа, кога го користите овој индикатор, мора да обрнете внимание дали станува збор за растение кое е во сенка или за сонце. Треба да ја побарате или пронајдете точката на сатурација на компензацијата на светлината кај овие растенија, која се нарекува и точка на компензација на светлината. Во реалните апликации, садниците често се изгорени или овенати. Затоа, дизајнот на овој параметар мора да биде дизајниран според видот на растението, средината за раст и условите.

Во однос на првиот аспект, како што е претставено во воведот, спектарот потребен за раст на растенијата треба да биде континуиран спектар со одредена ширина на дистрибуција. Очигледно е несоодветно да се користи извор на светлина направен од два специфични чипови со бранова должина од црвена и сина боја со многу тесен спектар (како што е прикажано на Слика 3(а)). Во експериментите, беше откриено дека растенијата имаат тенденција да бидат жолтеникави, стеблата на листовите се многу светли, а стеблата на листовите се многу тенки.

Кај флуоресцентните цевки со три основни бои што најчесто се користеа во претходните години, иако се синтетизира белата боја, црвениот, зелениот и синиот спектар се одделени (како што е прикажано на Слика 3(б)), а ширината на спектарот е многу тесна. Спектралниот интензитет на следниот континуиран дел е релативно слаб, а моќноста е сè уште релативно голема во споредба со LED диодите, 1,5 до 3 пати поголема од потрошувачката на енергија. Затоа, ефектот на употреба не е толку добар како кај LED светилките.

Слика 3, Црвена и сина LED светилка за растенија и спектар на флуоресцентна светлина со три основни бои

PPFD е густина на квантниот светлосен флукс, што се однесува на ефективната густина на светлосен флукс на зрачењето на светлината во фотосинтезата, што го претставува вкупниот број на светлосни кванти што паѓаат на стеблата од листот на растението во опсегот на бранова должина од 400 до 700 nm по единица време и единица површина. Нејзината единица е μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Фотосинтетски активното зрачење (PAR) се однесува на вкупното сончево зрачење со бранова должина во опсегот од 400 до 700 nm. Може да се изрази или со светлосни кванти или со зрачна енергија.

Во минатото, интензитетот на светлината што ја рефлектираше илуминометарот беше осветленост, но спектарот на раст на растенијата се менува поради висината на светилката од растението, покриеноста со светлина и дали светлината може да помине низ листовите. Затоа, не е точно да се користи par како индикатор за интензитет на светлината во проучувањето на фотосинтезата.

Општо земено, механизмот на фотосинтеза може да се иницира кога PPFD на растението што го сака сонцето е поголем од 50 μmol·m-2·s-1, додека на PPFD на растението што седи во сенка му се потребни само 20 μmol·m-2·s-1. Затоа, кога купувате LED светилки за растење, можете да го изберете бројот на LED светилки за растење врз основа на оваа референтна вредност и видот на растенијата што ги садите. На пример, ако PPFD на едно LED светло е 20 μmol·m-2·s-1, потребни се повеќе од 3 LED светилки за растенија за да се одгледуваат растенија што го сакаат сонцето.

Неколку дизајнерски решенија за полупроводничко осветлување

Полупроводничкото осветлување се користи за раст или садење растенија, а постојат два основни референтни методи.

• Во моментов, моделот за садење во затворен простор е многу популарен во Кина. Овој модел има неколку карактеристики:

① Улогата на LED светлата е да обезбедат целосен спектар на осветлување на растенијата, а системот за осветлување е потребен за да ја обезбеди целата енергија за осветлување, а трошоците за производство се релативно високи;
② Дизајнот на LED светилките за растење треба да го земе предвид континуитетот и интегритетот на спектарот;
③ Потребно е ефикасно да се контролира времето на осветлување и интензитетот на осветлувањето, како на пример да се остават растенијата да одморат неколку часа, интензитетот на зрачењето не е доволен или премногу силен итн.;
④Целиот процес треба да ги имитира условите потребни за вистинската оптимална средина за раст на растенијата на отворено, како што се влажноста, температурата и концентрацијата на CO2.

• Начин на садење на отворено со добра основа за садење во стаклена градина. Карактеристиките на овој модел се:

① Улогата на LED светлата е да ја надополнат светлината. Едната е да го зголемат интензитетот на светлината во сините и црвените области под зрачење на сончева светлина во текот на денот за да се поттикне фотосинтезата на растенијата, а другата е да компензираат кога нема сончева светлина ноќе за да се поттикне стапката на раст на растенијата.
② Дополнителната светлина треба да земе предвид во која фаза на раст се наоѓа растението, како што е периодот на расадување или периодот на цветање и плодоносење.

Затоа, дизајнот на LED светилките за одгледување растенија прво треба да има два основни режими на дизајн, имено, 24-часовно осветлување (затворен простор) и дополнително осветлување за раст на растенијата (надворешен простор). За одгледување растенија во затворен простор, дизајнот на LED светилките за одгледување растенија треба да земе предвид три аспекти, како што е прикажано на Слика 4. Не е можно чиповите да се спакуваат со три основни бои во одреден сооднос.

Слика 4, Идејата за дизајн за користење на LED светилки за засилување на растенијата во затворен простор за 24-часовно осветлување

На пример, за спектар во фаза на расадник, со оглед на тоа што треба да се зајакне растот на корените и стеблата, да се зајакне разгранувањето на листовите, а изворот на светлина се користи во затворен простор, спектарот може да се дизајнира како што е прикажано на Слика 5.

Слика 5, Спектрални структури погодни за LED внатрешен период во расадникот

За дизајнот на вториот тип на LED светилка за растење, главно е насочено кон дизајнерско решение за дополнителна светлина за да се промовира садењето во основата на надворешната стаклена градина. Идејата за дизајн е прикажана на Слика 6.

Слика 6, Идеи за дизајн на надворешни светилки за одгледување 

Авторот предлага повеќе компании за садење да ја усвојат втората опција за користење на LED светла за да го поттикнат растот на растенијата.

Прво на сите, одгледувањето на отворено во стакленици во Кина има децениско големо и широко искуство, како на југ, така и на север. Има добра основа за технологија на одгледување во стакленици и обезбедува голем број свежо овошје и зеленчук на пазарот за околните градови. Особено во областа на почвата, водата и садењето ѓубрива, постигнати се богати истражувачки резултати.

Второ, овој вид дополнително светлосно решение може значително да ја намали непотребната потрошувачка на енергија, а во исто време ефикасно да го зголеми приносот на овошје и зеленчук. Покрај тоа, огромната географска област на Кина е многу погодна за промоција.

Како научно истражување на LED осветлувањето на растенијата, тоа исто така обезбедува поширока експериментална основа за него. Сл. 7 е еден вид LED светилка за растење развиена од овој истражувачки тим, која е погодна за одгледување во оранжерии, а нејзиниот спектар е прикажан на Сл. 8.

Слика 7, Вид на LED светилка за растење

Слика 8, спектар на еден вид LED светилка за растење

Според горенаведените идеи за дизајн, истражувачкиот тим спроведе серија експерименти, а експерименталните резултати се многу значајни. На пример, за осветлување на растечката површина за време на расадникот, оригиналната светилка што се користеше е флуоресцентна светилка со моќност од 32 W и циклус на расадникот од 40 дена. Ние обезбедуваме LED светилка од 12 W, која го скратува циклусот на расад на 30 дена, ефикасно го намалува влијанието на температурата на светилките во работилницата за расад и ја заштедува потрошувачката на енергија на клима уредот. Дебелината, должината и бојата на расадот се подобри од оригиналното решение за одгледување расад. За расадот од обичниот зеленчук, исто така, се добиени добри заклучоци за верификација, кои се сумирани во следната табела.

Меѓу нив, дополнителната светлосна група PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, а односот црвено-сина: 0,6-0,7. Опсегот на дневната вредност на PPFD на природната група беше 40~800 μmol·m-2·s-1, а односот црвена кон сина беше 0,6~1,2. Може да се види дека горенаведените индикатори се подобри од оние на природно одгледуваните садници.

Заклучок

Оваа статија ги претставува најновите достигнувања во примената на LED светилки за одгледување растенија во одгледувањето растенија и посочува некои недоразбирања во примената на LED светилки за одгледување растенија. Конечно, се воведуваат техничките идеи и шеми за развој на LED светилки за одгледување што се користат за одгледување растенија. Треба да се истакне дека постојат и некои фактори што треба да се земат предвид при инсталацијата и употребата на светилката, како што се растојанието помеѓу светилката и растението, опсегот на зрачење на светилката и начинот на нанесување на светилката со нормална вода, ѓубриво и почва.

Автор: Ји Ванг и др. Извор: ЦНКИ