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 καθοριστικός παράγοντας που καθορίζει την ανάπτυξη των φυτών είναι ένας περιεκτικός παράγοντας, που δεν σχετίζεται μόνο με το φως, αλλά και αναπόσπαστο από 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, υπήρξαν άπειρες αναφορές σχετικά με την εφαρμογή της τεχνολογίας φωτισμού ημιαγωγών σχετικά με εργοστάσια τρισδιάστατων φυτών ή ανάπτυξη φυτών.Αλλά αφού το διαβάσετε προσεκτικά, υπάρχει πάντα κάποια ανησυχία.Σε γενικές γραμμές, 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 ακτινοβολίας του ήλιου δεν είναι πάντα η καλύτερη, και υπάρχει ένας ορισμένος βαθμός επιλεκτικότητας για την ανάπτυξη ζώων και φυτών.

Εικόνα 1, Τα χαρακτηριστικά του ηλιακού φάσματος και το φάσμα του ορατού φωτός του

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

Εικόνα 2, Φάσματα απορρόφησης αρκετών αυξινών στην ανάπτυξη των φυτών

Μπορεί να φανεί από το Σχήμα 2 ότι τα φάσματα απορρόφησης φωτός αρκετών βασικών αυξινών που επηρεάζουν την ανάπτυξη των φυτών είναι σημαντικά διαφορετικά.Επομένως, η εφαρμογή φώτων ανάπτυξης φυτών LED δεν είναι απλή υπόθεση, αλλά πολύ στοχευμένη.Εδώ είναι απαραίτητο να εισαχθούν οι έννοιες των δύο σημαντικότερων φωτοσυνθετικών στοιχείων ανάπτυξης των φυτών.

• Χλωροφύλλη

Η χλωροφύλλη είναι μια από τις πιο σημαντικές χρωστικές που σχετίζονται με τη φωτοσύνθεση.Υπάρχει σε όλους τους οργανισμούς που μπορούν να δημιουργήσουν φωτοσύνθεση, συμπεριλαμβανομένων των πράσινων φυτών, των προκαρυωτικών γαλαζοπράσινων φυκών (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 σκιερά φυτά από τα φυτά του ήλιου.Η αναλογία της χλωροφύλλης b προς τη χλωροφύλλη α των φυτών σκιάς είναι μικρή, επομένως τα σκιερά φυτά μπορούν να χρησιμοποιήσουν έντονα το μπλε φως και να προσαρμοστούν στην ανάπτυξη στη σκιά.Η χλωροφύλλη α είναι μπλε-πράσινη και η χλωροφύλλη β είναι κιτρινοπράσινη.Υπάρχουν δύο ισχυρές απορροφήσεις της χλωροφύλλης a και της χλωροφύλλης b, η μία στην κόκκινη περιοχή με μήκος κύματος 630-680 nm και η άλλη στην μπλε-ιώδες 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 των OD303~505 nm, το οποίο παρέχει το χρώμα της τροφής και επηρεάζει την πρόσληψη τροφής από τον οργανισμό.Στα φύκια, τα φυτά και τους μικροοργανισμούς, το χρώμα του 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 να προστατεύουν τα κύτταρα από την καταστροφή τους από διεγερμένα μόρια οξυγόνου δεσμού ενός ηλεκτρονίου.

Μερικές εννοιολογικές παρεξηγήσεις

Ανεξάρτητα από το αποτέλεσμα εξοικονόμησης ενέργειας, η επιλεκτικότητα του φωτός και ο συντονισμός του φωτός, ο φωτισμός ημιαγωγών έχει δείξει μεγάλα πλεονεκτήματα.Ωστόσο, από την ταχεία εξέλιξη των δύο τελευταίων ετών, έχουμε δει επίσης πολλές παρεξηγήσεις στον 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 κ.λπ. επί.

②Εφόσον είναι λευκό φως, μπορεί να αντικαταστήσει το φως του ήλιου, όπως ο τριπρωτικός λευκός σωλήνας φωτός που χρησιμοποιείται ευρέως στην Ιαπωνία κ.λπ. Η χρήση αυτών των φασμάτων έχει κάποια επίδραση στην ανάπτυξη των φυτών, αλλά το αποτέλεσμα είναι όχι τόσο καλή όσο η πηγή φωτός που κατασκευάζεται από LED.

③Όσο η PPFD (πυκνότητα κβαντικής ροής φωτός), μια σημαντική παράμετρος του φωτισμού, φτάνει 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 προσέχετε εάν πρόκειται για σκιερό φυτό ή για ηλιακό φυτό.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 σχεδιαστεί σύμφωνα με το είδος του φυτού, το περιβάλλον ανάπτυξης και τις συνθήκες.

Όσον αφορά την πρώτη πτυχή, όπως εισήχθη 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 ακατάλληλη η χρήση μιας φωτεινής πηγής που αποτελείται από δύο τσιπ συγκεκριμένου μήκους κύματος κόκκινου και μπλε χρώματος με πολύ στενό φάσμα (όπως φαίνεται στο Σχήμα 3(α)).Σε πειράματα, διαπιστώθηκε ότι τα φυτά τείνουν να είναι κιτρινωπά, οι μίσχοι των φύλλων είναι πολύ ανοιχτόχρωμοι και οι μίσχοι των φύλλων είναι πολύ λεπτοί.

Για σωλήνες φθορισμού με τρία βασικά χρώματα που χρησιμοποιούνται συνήθως τα προηγούμενα χρόνια, αν και συντίθεται το λευκό, τα φάσματα κόκκινου, πράσινου και μπλε διαχωρίζονται (όπως φαίνεται στο Σχήμα 3(β)) και το πλάτος του φάσματος είναι πολύ στενό.Η φασματική ένταση του ακόλουθου συνεχούς τμήματος 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 εφέ χρήσης δεν είναι τόσο καλό όσο τα φώτα LED.

Εικόνα 3, Κόκκινο και μπλε τσιπ LED φυτικό φως και φάσμα τριών βασικών χρωμάτων φθορίζοντος φωτός

Το PPFD είναι η πυκνότητα κβαντικής ροής φωτός, η οποία αναφέρεται στην αποτελεσματική πυκνότητα φωτεινής ροής ακτινοβολίας του φωτός στη φωτοσύνθεση, η οποία αντιπροσωπεύει τον συνολικό αριθμό κβαντών φωτός που προσπίπτουν σε στελέχη φύλλων φυτών στην περιοχή μήκους κύματος από 400 έως 700 nm ανά μονάδα χρόνου και μονάδα επιφάνειας .Η μονάδα του είναι μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).Η φωτοσυνθετικά ενεργή 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 φωτός που αντανακλούσε το φωτόμετρο ήταν φωτεινότητα, αλλά το φάσμα ανάπτυξης των φυτών αλλάζει λόγω του ύψους του φωτιστικού από το φυτό, της κάλυψης φωτός και του αν το φως μπορεί να περάσει μέσα από τα φύλλα.Επομένως, δεν είναι ακριβές να χρησιμοποιείται το par ως δείκτης της έντασης του φωτός στη μελέτη της φωτοσύνθεσης.

Γενικά, ο μηχανισμός της 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 σκιερού φυτού 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 το PPFD ενός μεμονωμένου φωτός LED είναι 20 μmol·m-2·s-1, απαιτούνται περισσότεροι από 3 λαμπτήρες φυτών LED για την ανάπτυξη φυτών που αγαπούν τον ήλιο.

Αρκετές σχεδιαστικές λύσεις φωτισμού ημιαγωγών

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

• Προς το παρόν, το μοντέλο φύτευσης σε εσωτερικούς χώρους είναι πολύ ζεστό στην Κίνα.Αυτό το μοντέλο έχει πολλά χαρακτηριστικά:

①Ο ρόλος των φώτων LED είναι να παρέχουν το πλήρες φάσμα του φωτισμού των φυτών 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 απαραίτητος ο αποτελεσματικός έλεγχος του χρόνου φωτισμού και της έντασης φωτισμού, όπως αφήστε τα φυτά να ξεκουραστούν για λίγες ώρες, η ένταση της ακτινοβολίας δεν είναι αρκετή ή πολύ ισχυρή, κ.λπ.
④Η όλη 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 εξωτερικής φύτευσης με καλή βάση φύτευσης θερμοκηπίου εξωτερικού χώρου.Τα χαρακτηριστικά αυτού του μοντέλου είναι:

①Ο ρόλος των φώτων LED είναι να συμπληρώνουν το φως.Το ένα είναι να ενισχύσει την ένταση του φωτός στις μπλε και κόκκινες περιοχές κάτω από την ακτινοβολία του ηλιακού φωτός κατά τη διάρκεια της ημέρας για να προωθήσει τη φωτοσύνθεση των φυτών και το άλλο είναι να αντισταθμίσει όταν δεν υπάρχει ηλιακό φως τη νύχτα για να προωθήσει τον ρυθμό ανάπτυξης των φυτών
②Το συμπληρωματικό φως πρέπει να λαμβάνει υπόψη σε ποιο στάδιο ανάπτυξης βρίσκεται το φυτό, όπως η περίοδος σποράς ή η περίοδος ανθοφορίας και καρποφορίας.

Επομένως, ο σχεδιασμός των φώτων ανάπτυξης φυτών LED θα πρέπει πρώτα να έχει δύο βασικούς τρόπους σχεδίασης, δηλαδή, φωτισμό 24 ωρών (εσωτερικός χώρος) και φωτισμός συμπληρωμάτων 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 δυνατό να συσκευαστούν τα τσιπ με τρία βασικά χρώματα σε μια συγκεκριμένη αναλογία.

Εικόνα 4, Η ιδέα του σχεδιασμού της χρήσης φώτων LED εσωτερικού χώρου για φωτισμό 24 ωρών

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 να χρησιμοποιείται σε εσωτερικούς χώρους, το φάσμα μπορεί να σχεδιαστεί όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.

Σχήμα 5, Φασματικές κατασκευές κατάλληλες για περίοδο LED εσωτερικού χώρου

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

Εικόνα 6, Ιδέες σχεδίασης φωτιστικών εξωτερικού χώρου 

Ο συγγραφέας προτείνει σε περισσότερες εταιρείες φύτευσης να υιοθετήσουν τη δεύτερη επιλογή χρήσης φώτων LED για την προώθηση της ανάπτυξης των φυτών.

Πρώτα απ 'όλα, η υπαίθρια καλλιέργεια θερμοκηπίου της Κίνας έχει δεκαετίες μεγάλη ποσότητα και ένα ευρύ φάσμα εμπειρίας, τόσο στο νότο όσο και στο βορρά.Έχει μια καλή βάση της τεχνολογίας καλλιέργειας θερμοκηπίου και παρέχει μεγάλο αριθμό φρέσκων φρούτων και λαχανικών στην αγορά για τις γύρω πόλεις.Ειδικά στον τομέα της φύτευσης εδάφους και νερού και λιπασμάτων, έχουν γίνει πλούσια ερευνητικά αποτελέσματα.

Δεύτερον, αυτού του είδους η συμπληρωματική ελαφριά λύση μπορεί να μειώσει σημαντικά την περιττή κατανάλωση ενέργειας και ταυτόχρονα μπορεί να αυξήσει αποτελεσματικά την απόδοση των φρούτων και των λαχανικών.Επιπλέον, η τεράστια γεωγραφική περιοχή της Κίνας είναι πολύ βολική για προβολή.

Ως επιστημονική έρευνα του φωτισμού φυτών LED, παρέχει επίσης μια ευρύτερη πειραματική βάση γι 'αυτό.Το Σχ. 7 είναι ένα είδος λαμπτήρα LED που αναπτύχθηκε από αυτήν την ερευνητική ομάδα, το οποίο είναι κατάλληλο για καλλιέργεια σε θερμοκήπια και το φάσμα του φαίνεται στο Σχ. 8.

Εικόνα 7, Ένα είδος LED αυξανόμενου φωτός

Εικόνα 8, φάσμα ενός είδους LED αυξανόμενου φωτός

Σύμφωνα με τις παραπάνω ιδέες σχεδιασμού, η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε μια σειρά πειραμάτων και τα πειραματικά αποτελέσματα είναι πολύ σημαντικά.Για παράδειγμα, για την ανάπτυξη φωτός κατά τη διάρκεια του νηπιαγωγείου, ο αρχικός λαμπτήρας που χρησιμοποιείται είναι ένας λαμπτήρας φθορισμού με ισχύ 32 W και κύκλος φυτωρίου 40 ημερών.Παρέχουμε φως LED 12 W, που συντομεύει τον κύκλο του δενδρυλλίου σε 30 ημέρες, μειώνει αποτελεσματικά την επίδραση της θερμοκρασίας των λαμπτήρων στο εργαστήριο δενδρυλλίων και εξοικονομεί την κατανάλωση ρεύματος του κλιματιστικού.Το πάχος, το μήκος και το χρώμα των δενδρυλλίων είναι καλύτερα από το αρχικό διάλυμα εκτροφής δενδρυλλίων.Για τα σπορόφυτα κοινών λαχανικών, έχουν προκύψει επίσης καλά συμπεράσματα επαλήθευσης, τα οποία συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα.

Μεταξύ αυτών, η συμπληρωματική ελαφριά ομάδα PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, και η αναλογία κόκκινου-μπλε: 0,6-0,7.Το εύρος της τιμής PPFD κατά τη διάρκεια της ημέρας 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 φυτών που καλλιεργούνται φυσικά.

συμπέρασμα

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

Συγγραφέας: Yi Wang et al.Πηγή: CNKI