Εισαγωγή

Το φως παίζει βασικό ρόλο στη διαδικασία ανάπτυξης των φυτών. Είναι το καλύτερο λίπασμα για την προώθηση της απορρόφησης της χλωροφύλλης των φυτών και την απορρόφηση διαφόρων ιδιοτήτων ανάπτυξης των φυτών, όπως η καροτίνη. Ωστόσο, ο αποφασιστικός παράγοντας που καθορίζει την ανάπτυξη των φυτών είναι ένας ολοκληρωμένος παράγοντας, που δεν σχετίζεται μόνο με το φως, αλλά είναι επίσης άρρηκτα συνδεδεμένος με τη διαμόρφωση του νερού, του εδάφους και του λιπάσματος, τις συνθήκες του περιβάλλοντος ανάπτυξης και τον ολοκληρωμένο τεχνικό έλεγχο.

Τα τελευταία δύο ή τρία χρόνια, έχουν υπάρξει ατελείωτες αναφορές σχετικά με την εφαρμογή της τεχνολογίας φωτισμού ημιαγωγών σε τρισδιάστατα εργοστάσια ή στην ανάπτυξη των φυτών. Αλλά αφού τις διαβάσετε προσεκτικά, υπάρχει πάντα μια ανησυχία. Γενικά, δεν υπάρχει πραγματική κατανόηση του ρόλου που πρέπει να παίζει το φως στην ανάπτυξη των φυτών.

Αρχικά, ας κατανοήσουμε το φάσμα του ήλιου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Μπορεί να φανεί ότι το ηλιακό φάσμα είναι ένα συνεχές φάσμα, στο οποίο το μπλε και το πράσινο φάσμα είναι ισχυρότερα από το κόκκινο φάσμα, και το φάσμα του ορατού φωτός κυμαίνεται από 380 έως 780 nm. Η ανάπτυξη των οργανισμών στη φύση σχετίζεται με την ένταση του φάσματος. Για παράδειγμα, τα περισσότερα φυτά στην περιοχή κοντά στον ισημερινό αναπτύσσονται πολύ γρήγορα, και ταυτόχρονα, το μέγεθος της ανάπτυξής τους είναι σχετικά μεγάλο. Αλλά η υψηλή ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας δεν είναι πάντα η καλύτερη, και υπάρχει ένας ορισμένος βαθμός επιλεκτικότητας για την ανάπτυξη ζώων και φυτών.

Σχήμα 1, Τα χαρακτηριστικά του ηλιακού φάσματος και του φάσματος ορατού φωτός του

Δεύτερον, το δεύτερο διάγραμμα φάσματος αρκετών βασικών στοιχείων απορρόφησης της ανάπτυξης των φυτών φαίνεται στο Σχήμα 2.

Σχήμα 2, Φάσματα απορρόφησης αρκετών αυξινών στην ανάπτυξη των φυτών

Από το Σχήμα 2 φαίνεται ότι τα φάσματα απορρόφησης φωτός αρκετών βασικών αυξινών που επηρεάζουν την ανάπτυξη των φυτών διαφέρουν σημαντικά. Επομένως, η εφαρμογή των φώτων LED για την ανάπτυξη των φυτών δεν είναι απλή υπόθεση, αλλά πολύ στοχευμένη. Εδώ είναι απαραίτητο να εισαχθούν οι έννοιες των δύο πιο σημαντικών φωτοσυνθετικών στοιχείων ανάπτυξης των φυτών.

• Χλωροφύλλη

Η χλωροφύλλη είναι μια από τις πιο σημαντικές χρωστικές ουσίες που σχετίζονται με τη φωτοσύνθεση. Υπάρχει σε όλους τους οργανισμούς που μπορούν να δημιουργήσουν φωτοσύνθεση, συμπεριλαμβανομένων των πράσινων φυτών, των προκαρυωτικών μπλε-πράσινων φυκιών (κυανοβακτήρια) και των ευκαρυωτικών φυκιών. Η χλωροφύλλη απορροφά ενέργεια από το φως, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε υδατάνθρακες.

Η χλωροφύλλη α απορροφά κυρίως το κόκκινο φως και η χλωροφύλλη β απορροφά κυρίως το μπλε-ιώδες φως, κυρίως για να διακρίνει τα φυτά σκιάς από τα φυτά ήλιου. Η αναλογία χλωροφύλλης β προς χλωροφύλλη α των φυτών σκιάς είναι μικρή, επομένως τα φυτά σκιάς μπορούν να χρησιμοποιήσουν έντονα το μπλε φως και να προσαρμοστούν στην ανάπτυξη σε σκιά. Η χλωροφύλλη α είναι μπλε-πράσινη και η χλωροφύλλη β είναι κιτρινοπράσινη. Υπάρχουν δύο ισχυρές απορροφήσεις χλωροφύλλης α και χλωροφύλλης β, η μία στην κόκκινη περιοχή με μήκος κύματος 630-680 nm και η άλλη στην μπλε-ιώδη περιοχή με μήκος κύματος 400-460 nm.

• Καροτενοειδή

Τα καροτενοειδή είναι ο γενικός όρος για μια κατηγορία σημαντικών φυσικών χρωστικών, οι οποίες βρίσκονται συνήθως σε κίτρινες, πορτοκαλοκόκκινες ή κόκκινες χρωστικές σε ζώα, ανώτερα φυτά, μύκητες και φύκια. Μέχρι στιγμής, έχουν ανακαλυφθεί περισσότερα από 600 φυσικά καροτενοειδή.

Η απορρόφηση φωτός των καροτενοειδών καλύπτει το εύρος OD303~505 nm, το οποίο καθορίζει το χρώμα των τροφίμων και επηρεάζει την πρόσληψη τροφής από τον οργανισμό. Στα φύκια, τα φυτά και τους μικροοργανισμούς, το χρώμα τους καλύπτεται από χλωροφύλλη και δεν μπορεί να εμφανιστεί. Στα φυτικά κύτταρα, τα καροτενοειδή που παράγονται όχι μόνο απορροφούν και μεταφέρουν ενέργεια για να βοηθήσουν στη φωτοσύνθεση, αλλά έχουν επίσης τη λειτουργία της προστασίας των κυττάρων από την καταστροφή τους από διεγερμένα μόρια οξυγόνου με μονοηλεκτρονιακούς δεσμούς.

Ορισμένες εννοιολογικές παρεξηγήσεις

Ανεξάρτητα από το αποτέλεσμα εξοικονόμησης ενέργειας, την επιλεκτικότητα του φωτός και τον συντονισμό του φωτός, ο φωτισμός ημιαγωγών έχει δείξει μεγάλα πλεονεκτήματα. Ωστόσο, από την ταχεία ανάπτυξη των τελευταίων δύο ετών, έχουμε δει επίσης πολλές παρεξηγήσεις στο σχεδιασμό και την εφαρμογή του φωτός, οι οποίες αντικατοπτρίζονται κυρίως στις ακόλουθες πτυχές.

① Εφόσον τα κόκκινα και μπλε τσιπ ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος συνδυάζονται σε μια συγκεκριμένη αναλογία, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην καλλιέργεια φυτών, για παράδειγμα, η αναλογία κόκκινου προς μπλε είναι 4:1, 6:1, 9:1 και ούτω καθεξής.

②Εφόσον είναι λευκό φως, μπορεί να αντικαταστήσει το φως του ήλιου, όπως ο τριπλός κύριος σωλήνας λευκού φωτός που χρησιμοποιείται ευρέως στην Ιαπωνία, κ.λπ. Η χρήση αυτών των φασμάτων έχει κάποια επίδραση στην ανάπτυξη των φυτών, αλλά το αποτέλεσμα δεν είναι τόσο καλό όσο η πηγή φωτός που παράγεται από τα LED.

③Εφόσον η PPFD (πυκνότητα κβαντικής ροής φωτός), μια σημαντική παράμετρος φωτισμού, φτάσει σε έναν ορισμένο δείκτη, για παράδειγμα, η PPFD είναι μεγαλύτερη από 200 μmol·m-2·s-1. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιείτε αυτόν τον δείκτη, πρέπει να δώσετε προσοχή στο αν πρόκειται για φυτό σκιάς ή για φυτό ηλίου. Πρέπει να αναζητήσετε ή να βρείτε το σημείο κορεσμού αντιστάθμισης φωτός αυτών των φυτών, το οποίο ονομάζεται επίσης σημείο αντιστάθμισης φωτός. Σε πραγματικές εφαρμογές, τα σπορόφυτα συχνά καίγονται ή μαραίνονται. Επομένως, ο σχεδιασμός αυτής της παραμέτρου πρέπει να σχεδιάζεται σύμφωνα με το είδος του φυτού, το περιβάλλον ανάπτυξης και τις συνθήκες.

Όσον αφορά την πρώτη πτυχή, όπως παρουσιάστηκε στην εισαγωγή, το φάσμα που απαιτείται για την ανάπτυξη των φυτών θα πρέπει να είναι ένα συνεχές φάσμα με ένα ορισμένο πλάτος κατανομής. Είναι προφανώς ακατάλληλο να χρησιμοποιείται μια πηγή φωτός κατασκευασμένη από δύο συγκεκριμένα τσιπ μήκους κύματος κόκκινου και μπλε με πολύ στενό φάσμα (όπως φαίνεται στο Σχήμα 3(α)). Σε πειράματα, διαπιστώθηκε ότι τα φυτά τείνουν να είναι κιτρινωπά, τα στελέχη των φύλλων είναι πολύ ανοιχτόχρωμα και τα στελέχη των φύλλων είναι πολύ λεπτά.

Για τους λαμπτήρες φθορισμού με τρία βασικά χρώματα που χρησιμοποιούνταν συνήθως τα προηγούμενα χρόνια, αν και συντίθεται λευκό, τα φάσματα του κόκκινου, του πράσινου και του μπλε είναι διαχωρισμένα (όπως φαίνεται στο Σχήμα 3(β)) και το πλάτος του φάσματος είναι πολύ στενό. Η φασματική ένταση του επόμενου συνεχούς μέρους είναι σχετικά ασθενής και η ισχύς εξακολουθεί να είναι σχετικά μεγάλη σε σύγκριση με τα LED, 1,5 έως 3 φορές την κατανάλωση ενέργειας. Επομένως, το αποτέλεσμα χρήσης δεν είναι τόσο καλό όσο των λαμπτήρων LED.

Σχήμα 3, Κόκκινο και μπλε τσιπ LED φωτισμού φυτών και φάσμα φωτός φθορισμού τριών κύριων χρωμάτων

Η PPFD είναι η πυκνότητα κβαντικής ροής φωτός, η οποία αναφέρεται στην ενεργό πυκνότητα ροής φωτός ακτινοβολίας του φωτός στη φωτοσύνθεση, η οποία αντιπροσωπεύει τον συνολικό αριθμό των κβάντων φωτός που προσπίπτουν στους μίσχους των φύλλων των φυτών στην περιοχή μήκους κύματος από 400 έως 700 nm ανά μονάδα χρόνου και μονάδα επιφάνειας. Η μονάδα της είναι μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Η φωτοσυνθετικά ενεργός ακτινοβολία (PAR) αναφέρεται στη συνολική ηλιακή ακτινοβολία με μήκος κύματος στην περιοχή από 400 έως 700 nm. Μπορεί να εκφραστεί είτε με κβάντα φωτός είτε με ενέργεια ακτινοβολίας.

Στο παρελθόν, η ένταση του φωτός που ανακλάται από το φωτόμετρο ήταν η φωτεινότητα, αλλά το φάσμα ανάπτυξης των φυτών αλλάζει λόγω του ύψους του φωτιστικού από το φυτό, της κάλυψης φωτός και του κατά πόσον το φως μπορεί να περάσει μέσα από τα φύλλα. Επομένως, δεν είναι ακριβές να χρησιμοποιείται η par ως δείκτης της έντασης του φωτός στη μελέτη της φωτοσύνθεσης.

Γενικά, ο μηχανισμός φωτοσύνθεσης μπορεί να ξεκινήσει όταν η PPFD του φυτού που αγαπά τον ήλιο είναι μεγαλύτερη από 50 μmol·m-2·s-1, ενώ η PPFD του φυτού που αγαπά τον ήλιο χρειάζεται μόνο 20 μmol·m-2·s-1. Επομένως, όταν αγοράζετε φώτα ανάπτυξης LED, μπορείτε να επιλέξετε τον αριθμό των φώτων ανάπτυξης LED με βάση αυτήν την τιμή αναφοράς και τον τύπο των φυτών που φυτεύετε. Για παράδειγμα, εάν η PPFD ενός μόνο φωτός LED είναι 20 μmol·m-2·s-1, απαιτούνται περισσότεροι από 3 λαμπτήρες LED για την καλλιέργεια φυτών που αγαπούν τον ήλιο.

Αρκετές σχεδιαστικές λύσεις φωτισμού ημιαγωγών

Ο ημιαγωγός φωτισμός χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη ή τη φύτευση φυτών και υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι αναφοράς.

• Προς το παρόν, το μοντέλο φύτευσης εσωτερικού χώρου είναι πολύ δημοφιλές στην Κίνα. Αυτό το μοντέλο έχει πολλά χαρακτηριστικά:

①Ο ρόλος των φώτων LED είναι να παρέχουν το πλήρες φάσμα φωτισμού των εγκαταστάσεων και το σύστημα φωτισμού απαιτείται να παρέχει όλη την ενέργεια φωτισμού και το κόστος παραγωγής είναι σχετικά υψηλό.
②Ο σχεδιασμός των φώτων ανάπτυξης LED πρέπει να λαμβάνει υπόψη τη συνέχεια και την ακεραιότητα του φάσματος.
③Είναι απαραίτητο να ελέγχεται αποτελεσματικά ο χρόνος και η ένταση του φωτισμού, όπως να αφήνονται τα φυτά να ξεκουραστούν για μερικές ώρες, η ένταση της ακτινοβολίας δεν είναι αρκετή ή πολύ δυνατή, κ.λπ.
④Όλη η διαδικασία πρέπει να μιμείται τις συνθήκες που απαιτούνται από το πραγματικό βέλτιστο περιβάλλον ανάπτυξης των φυτών σε εξωτερικούς χώρους, όπως η υγρασία, η θερμοκρασία και η συγκέντρωση CO2.

• Λειτουργία φύτευσης σε εξωτερικό χώρο με καλή βάση φύτευσης σε εξωτερικό θερμοκήπιο. Τα χαρακτηριστικά αυτού του μοντέλου είναι:

①Ο ρόλος των φώτων LED είναι να συμπληρώνουν το φως. Ο ένας είναι να ενισχύουν την ένταση του φωτός στις μπλε και κόκκινες περιοχές υπό την ακτινοβολία του ηλιακού φωτός κατά τη διάρκεια της ημέρας για να προωθήσουν τη φωτοσύνθεση των φυτών, και ο άλλος είναι να αντισταθμίζουν την έλλειψη ηλιακού φωτός τη νύχτα για να προωθήσουν τον ρυθμό ανάπτυξης των φυτών.
②Το συμπληρωματικό φως πρέπει να λαμβάνει υπόψη το στάδιο ανάπτυξης στο οποίο βρίσκεται το φυτό, όπως η περίοδος σπορόφυτου ή η περίοδος ανθοφορίας και καρποφορίας.

Επομένως, ο σχεδιασμός των φώτων ανάπτυξης φυτών LED θα πρέπει πρώτα να έχει δύο βασικές λειτουργίες σχεδιασμού, δηλαδή, 24ωρο φωτισμό (εσωτερικός χώρος) και φωτισμό συμπληρωματικής ανάπτυξης φυτών (εξωτερικός χώρος). Για την καλλιέργεια φυτών εσωτερικού χώρου, ο σχεδιασμός των φώτων ανάπτυξης LED πρέπει να λαμβάνει υπόψη τρεις πτυχές, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Δεν είναι δυνατή η συσκευασία των τσιπ με τρία βασικά χρώματα σε μια συγκεκριμένη αναλογία.

Σχήμα 4, Η ιδέα σχεδιασμού για τη χρήση εσωτερικών φώτων LED για ενίσχυση φυτών για 24ωρο φωτισμό

Για παράδειγμα, για ένα φάσμα στο στάδιο του φυτωρίου, λαμβάνοντας υπόψη ότι πρέπει να ενισχύσει την ανάπτυξη των ριζών και των στελεχών, να ενισχύσει τη διακλάδωση των φύλλων και η πηγή φωτός χρησιμοποιείται σε εσωτερικούς χώρους, το φάσμα μπορεί να σχεδιαστεί όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.

Σχήμα 5, Φασματικές δομές κατάλληλες για εσωτερική περίοδο βρεφονηπιακού σταθμού με LED

Για τον σχεδιασμό του δεύτερου τύπου φωτιστικού ανάπτυξης LED, στοχεύει κυρίως στη σχεδιαστική λύση του συμπληρωματικού φωτός για την προώθηση της φύτευσης στη βάση του εξωτερικού θερμοκηπίου. Η ιδέα σχεδιασμού φαίνεται στο Σχήμα 6.

Σχήμα 6, Ιδέες σχεδιασμού για εξωτερικούς φωτισμούς καλλιέργειας 

Ο συγγραφέας προτείνει περισσότερες εταιρείες φύτευσης να υιοθετήσουν τη δεύτερη επιλογή, δηλαδή να χρησιμοποιούν φώτα LED για την προώθηση της ανάπτυξης των φυτών.

Καταρχάς, η καλλιέργεια σε εξωτερικούς χώρους θερμοκηπίων στην Κίνα έχει δεκαετίες εμπειρίας και μεγάλη ποικιλία, τόσο στο νότο όσο και στο βορρά. Διαθέτει μια καλή βάση στην τεχνολογία καλλιέργειας θερμοκηπίων και παρέχει μεγάλο αριθμό φρέσκων φρούτων και λαχανικών στην αγορά για τις γύρω πόλεις. Ειδικά στον τομέα του εδάφους, του νερού και της λίπανσης, έχουν επιτευχθεί πλούσια ερευνητικά αποτελέσματα.

Δεύτερον, αυτό το είδος συμπληρωματικής λύσης φωτισμού μπορεί να μειώσει σημαντικά την περιττή κατανάλωση ενέργειας και ταυτόχρονα να αυξήσει αποτελεσματικά την απόδοση των φρούτων και λαχανικών. Επιπλέον, η τεράστια γεωγραφική περιοχή της Κίνας είναι πολύ βολική για προώθηση.

Καθώς η επιστημονική έρευνα για τον φωτισμό φυτών LED, παρέχει επίσης μια ευρύτερη πειραματική βάση για αυτόν. Το Σχήμα 7 είναι ένα είδος φωτιστικού ανάπτυξης LED που αναπτύχθηκε από αυτήν την ερευνητική ομάδα, το οποίο είναι κατάλληλο για καλλιέργεια σε θερμοκήπια, και το φάσμα του φαίνεται στο Σχήμα 8.

Σχήμα 7, Ένα είδος φωτιστικού LED για ανάπτυξη φυτών

Σχήμα 8, φάσμα ενός είδους φωτιστικού LED που αναπτύσσεται

Σύμφωνα με τις παραπάνω σχεδιαστικές ιδέες, η ερευνητική ομάδα διεξήγαγε μια σειρά πειραμάτων και τα πειραματικά αποτελέσματα είναι πολύ σημαντικά. Για παράδειγμα, για το φωτισμό ανάπτυξης κατά τη διάρκεια του φυτωρίου, η αρχική λάμπα που χρησιμοποιήθηκε είναι μια λάμπα φθορισμού ισχύος 32 W και κύκλου φυτωρίου 40 ημερών. Παρέχουμε ένα φως LED 12 W, το οποίο μειώνει τον κύκλο σποράς σε 30 ημέρες, μειώνει αποτελεσματικά την επίδραση της θερμοκρασίας των λαμπτήρων στο εργαστήριο σποράς και εξοικονομεί ενέργεια από το κλιματιστικό. Το πάχος, το μήκος και το χρώμα των σπορόφυτων είναι καλύτερα από την αρχική λύση ανάπτυξης σπορόφυτων. Για τα σπορόφυτα των κοινών λαχανικών, έχουν επίσης ληφθεί καλά συμπεράσματα επαλήθευσης, τα οποία συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα.

Μεταξύ αυτών, η συμπληρωματική ομάδα φωτός PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, και η αναλογία κόκκινου-μπλε: 0,6-0,7. Το εύρος της ημερήσιας τιμής PPFD της φυσικής ομάδας ήταν 40~800 μmol·m-2·s-1, και η αναλογία κόκκινου προς μπλε ήταν 0,6~1,2. Μπορεί να φανεί ότι οι παραπάνω δείκτες είναι καλύτεροι από εκείνους των φυσικά καλλιεργημένων σπορόφυτων.

Σύναψη

Αυτό το άρθρο παρουσιάζει τις τελευταίες εξελίξεις στην εφαρμογή των φώτων ανάπτυξης LED στην καλλιέργεια φυτών και επισημαίνει ορισμένες παρανοήσεις στην εφαρμογή τους. Τέλος, παρουσιάζονται οι τεχνικές ιδέες και τα σχέδια για την ανάπτυξη φώτων ανάπτυξης LED που χρησιμοποιούνται στην καλλιέργεια φυτών. Πρέπει να επισημανθεί ότι υπάρχουν επίσης ορισμένοι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την εγκατάσταση και τη χρήση του φωτός, όπως η απόσταση μεταξύ του φωτός και του φυτού, το εύρος ακτινοβολίας της λάμπας και ο τρόπος εφαρμογής του φωτός με κανονικό νερό, λίπασμα και χώμα.

Συγγραφέας: Yi Wang et al. Πηγή: CNKI