Įvadas

Šviesa vaidina pagrindinį vaidmenį augalų augimo procese. Tai geriausia trąša, skatinanti augalų chlorofilo ir įvairių augalų augimo savybių, tokių kaip karotinas, įsisavinimą. Tačiau lemiamas veiksnys, lemiantis augalų augimą, yra kompleksinis veiksnys, susijęs ne tik su šviesa, bet ir neatsiejamas nuo vandens, dirvožemio ir trąšų konfigūracijos, augimo aplinkos sąlygų ir visapusiškos techninės kontrolės.

Per pastaruosius dvejus ar trejus metus pasirodė begalė pranešimų apie puslaidininkinio apšvietimo technologijos taikymą trimatėse augalų gamyklose ar augalų augime. Tačiau atidžiai perskaičius visada kyla tam tikras neramumas. Apskritai kalbant, nėra tikro supratimo, kokį vaidmenį šviesa turėtų atlikti augalų augime.

Pirmiausia supraskime Saulės spektrą, kaip parodyta 1 paveiksle. Matyti, kad Saulės spektras yra ištisinis spektras, kuriame mėlyna ir žalia spalvos yra stipresnės nei raudona, o matomos šviesos spektras svyruoja nuo 380 iki 780 nm. Gamtoje organizmų augimas yra susijęs su spektro intensyvumu. Pavyzdžiui, dauguma augalų netoli pusiaujo auga labai greitai, ir tuo pačiu metu jų augimo mastas yra gana didelis. Tačiau didelis saulės spinduliuotės intensyvumas ne visada yra geresnis, ir yra tam tikras selektyvumo laipsnis gyvūnų ir augalų augimui.

1 pav. Saulės spektro ir jo matomos šviesos spektro charakteristikos

Antra, 2 paveiksle parodyta antroji kelių pagrindinių augalų augimo absorbcijos elementų spektro diagrama.

2 pav. Kelių auksinų absorbcijos spektrai augalų augime

Iš 2 paveikslo matyti, kad kelių pagrindinių auksinų, turinčių įtakos augalų augimui, šviesos sugerties spektrai labai skiriasi. Todėl LED augalų augimo lempų pritaikymas nėra paprastas, o labai tikslingas. Čia būtina pristatyti dviejų svarbiausių fotosintetinančių augalų augimo elementų sąvokas.

• Chlorofilas

Chlorofilas yra vienas svarbiausių su fotosinteze susijusių pigmentų. Jis yra visuose organizmuose, kurie gali vykdyti fotosintezę, įskaitant žaliuosius augalus, prokariotinius melsvadumblius (cianobakterijas) ir eukariotinius dumblius. Chlorofilas sugeria šviesos energiją, kuri vėliau naudojama anglies dioksidui paversti angliavandeniais.

Chlorofilas a daugiausia sugeria raudoną šviesą, o chlorofilas b – mėlynai violetinę šviesą, daugiausia tam, kad atskirtų pavėsyje augančius augalus nuo saulės augalų. Pavėsyje augančių augalų chlorofilo b ir chlorofilo a santykis yra mažas, todėl pavėsyje augantys augalai gali stipriai naudoti mėlyną šviesą ir prisitaikyti prie augimo pavėsyje. Chlorofilas a yra melsvai žalios spalvos, o chlorofilas b – gelsvai žalios spalvos. Yra dvi stiprios chlorofilo a ir chlorofilo b sugertys: viena raudonojoje srityje, kurios bangos ilgis yra 630–680 nm, o kita – mėlynai violetinėje srityje, kurios bangos ilgis yra 400–460 nm.

• Karotenoidai

Karotenoidai yra bendrinis terminas, apibūdinantis svarbių natūralių pigmentų klasę, kurie dažniausiai randami geltonuose, oranžinės-raudonos arba raudonos spalvos pigmentuose gyvūnuose, aukštesniuosiuose augaluose, grybuose ir dumbliuose. Iki šiol atrasta daugiau nei 600 natūralių karotinoidų.

Karotenoidų šviesos absorbcija apima OD303–505 nm diapazoną, kuris suteikia maistui spalvą ir veikia organizmo maisto suvartojimą. Dumbliuose, augaluose ir mikroorganizmuose jų spalvą dengia chlorofilas ir ji negali pasireikšti. Augalų ląstelėse susidarę karotenoidai ne tik sugeria ir perduoda energiją, kad padėtų fotosintezei, bet ir atlieka ląstelių apsaugos nuo sužadintų vieno elektrono jungties deguonies molekulių sunaikinimo funkciją.

Kai kurie konceptualūs nesusipratimai

Nepaisant energijos taupymo efekto, šviesos selektyvumo ir šviesos koordinavimo, puslaidininkinis apšvietimas parodė didelius pranašumus. Tačiau per pastaruosius dvejus metus sparčiai vystantis, taip pat matėme daug nesusipratimų dėl šviesos projektavimo ir taikymo, kurie daugiausia atsispindi šiuose aspektuose.

① Jei tam tikro bangos ilgio raudonos ir mėlynos spalvos lustai yra sujungti tam tikru santykiu, juos galima naudoti augalų auginime, pavyzdžiui, raudonos ir mėlynos spalvos santykis yra 4:1, 6:1, 9:1 ir pan.

2. Kol tai balta šviesa, ji gali pakeisti saulės šviesą, pavyzdžiui, Japonijoje plačiai naudojamas trijų pirminių baltos šviesos vamzdelis ir kt. Šių spektrų naudojimas turi tam tikrą poveikį augalų augimui, tačiau poveikis nėra toks geras kaip LED šviesos šaltinio.

③Kol PPFD (šviesos kvantinio srauto tankis), svarbus apšvietimo parametras, pasiekia tam tikrą indeksą, pavyzdžiui, PPFD yra didesnis nei 200 μmol·m-2·s-1. Tačiau naudojant šį rodiklį reikia atkreipti dėmesį į tai, ar tai pavėsio, ar saulės augalas. Reikia sužinoti arba rasti šių augalų šviesos kompensavimo sodrumo tašką, kuris dar vadinamas šviesos kompensavimo tašku. Praktiškai daigai dažnai nudega arba nuvysta. Todėl šio parametro projektavimas turi būti atliekamas atsižvelgiant į augalo rūšį, augimo aplinką ir sąlygas.

Kalbant apie pirmąjį aspektą, kaip minėta įvade, augalų augimui reikalingas spektras turėtų būti ištisinis spektras su tam tikru pasiskirstymo pločiu. Akivaizdu, kad netinkama naudoti šviesos šaltinį, sudarytą iš dviejų specifinių raudonos ir mėlynos spalvos bangos ilgio lustų su labai siauru spektru (kaip parodyta 3(a) paveiksle). Eksperimentų metu nustatyta, kad augalai linkę į gelsvą atspalvį, lapų stiebai yra labai šviesūs, o lapų stiebai yra labai ploni.

Ankstesniais metais dažniausiai naudotose trijų pagrindinių spalvų fluorescencinėse lempose, nors ir sintetinama balta spalva, raudonos, žalios ir mėlynos spektrai yra atskirti (kaip parodyta 3(b) paveiksle), o spektro plotis yra labai siauras. Kitos ištisinės dalies spektrinis intensyvumas yra santykinai silpnas, o galia vis dar santykinai didelė, palyginti su LED, 1,5–3 kartus didesnė už energijos suvartojimą. Todėl naudojimo efektas nėra toks geras kaip LED lempų.

3 pav. Raudonos ir mėlynos spalvos LED augalų šviesos ir trijų pagrindinių spalvų fluorescencinės šviesos spektras

PPFD yra šviesos kvantinis srauto tankis, kuris nurodo efektyvųjį šviesos spinduliuotės šviesos srauto tankį fotosintezės metu, kuris parodo bendrą šviesos kvantų, krintančių ant augalų lapų stiebų 400–700 nm bangos ilgio diapazone per laiko vienetą ir ploto vienetą, skaičių. Jo matavimo vienetas yra μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosintetiškai aktyvi spinduliuotė (PAR) – tai bendra saulės spinduliuotė, kurios bangos ilgio diapazonas yra 400–700 nm. Ją galima išreikšti šviesos kvantais arba spinduliavimo energija.

Anksčiau liuminometro atspindėtas šviesos intensyvumas buvo ryškumas, tačiau augalo augimo spektras kinta dėl šviestuvo aukščio nuo augalo, šviesos aprėpties ir to, ar šviesa gali prasiskverbti pro lapus. Todėl tiriant fotosintezę, netikslu naudoti „pAR“ kaip šviesos intensyvumo indikatorių.

Paprastai fotosintezės mechanizmas gali prasidėti, kai saulę mėgstančio augalo PPFD yra didesnis nei 50 μmol·m-2·s-1, o šešėlio mėgstančio augalo PPFD tereikia 20 μmol·m-2·s-1. Todėl pirkdami LED auginimo lempas, galite pasirinkti LED auginimo lempų skaičių pagal šią etaloninę vertę ir sodinamų augalų tipą. Pavyzdžiui, jei vienos LED lempos PPFD yra 20 μmol·m-2·s-1, saulę mėgstantiems augalams augti reikia daugiau nei 3 LED augalų lempučių.

Keletas puslaidininkinio apšvietimo dizaino sprendimų

Puslaidininkinis apšvietimas naudojamas augalų auginimui ar sodinimui, ir yra du pagrindiniai etaloniniai metodai.

• Šiuo metu Kinijoje labai populiarus uždarų patalpų auginimo modelis. Šis modelis turi keletą savybių:

1. LED lempučių vaidmuo – užtikrinti visą augalų apšvietimo spektrą, o apšvietimo sistema turi tiekti visą apšvietimo energiją, todėl gamybos sąnaudos yra gana didelės;
② LED auginimo lempų projektavimas turi atsižvelgti į spektro tęstinumą ir vientisumą;
③Būtina efektyviai kontroliuoti apšvietimo laiką ir intensyvumą, pavyzdžiui, leisti augalams kelias valandas pailsėti, nepakankamą arba per stiprų apšvitos intensyvumą ir pan.;
④Visas procesas turi imituoti sąlygas, reikalingas optimaliai augalų augimo aplinkai lauke, tokias kaip drėgmė, temperatūra ir CO2 koncentracija.

• Lauko sodinimo režimas su geru lauko šiltnamio sodinimo pagrindu. Šio modelio charakteristikos:

① LED lempučių paskirtis – papildyti apšvietimą. Viena – padidinti šviesos intensyvumą mėlynose ir raudonose srityse, kai dienos metu saulės spinduliai šviečia, siekiant skatinti augalų fotosintezę, kita – kompensuoti šviesos trūkumą naktį, siekiant skatinti augalų augimo greitį.
②Papildomas apšvietimas turi atsižvelgti į tai, kuriame augimo etape yra augalas, pavyzdžiui, daigų augimo ar žydėjimo ir vaisiaus augimo laikotarpiu.

Todėl LED augalų auginimo lempų dizainas pirmiausia turėtų apimti du pagrindinius projektavimo režimus: 24 valandų apšvietimą (viduje) ir augalų augimą skatinantį apšvietimą (lauke). Auginant patalpų augalus, projektuojant LED auginimo lempas reikia atsižvelgti į tris aspektus, kaip parodyta 4 paveiksle. Neįmanoma supakuoti lustų su trimis pagrindinėmis spalvomis tam tikroje proporcijoje.

4 pav. Dizaino idėja, kaip naudoti patalpų LED augalų stiprintuvų šviestuvus 24 valandų apšvietimui

Pavyzdžiui, medelyno stadijoje esančiam spektrui, atsižvelgiant į tai, kad jam reikia sustiprinti šaknų ir stiebų augimą, sustiprinti lapų šakojimąsi, o šviesos šaltinis naudojamas patalpose, spektrą galima suprojektuoti taip, kaip parodyta 5 paveiksle.

5 pav. Spektrinės struktūros, tinkamos LED patalpų vaikų darželio laikotarpiui

Projektuojant antrojo tipo LED auginimo lempas, daugiausia dėmesio skirta dizaino sprendimui, kaip papildyti šviesą, siekiant skatinti sodinimą lauko šiltnamio apačioje. Dizaino idėja parodyta 6 paveiksle.

6 pav. Lauko auginimo lempų dizaino idėjos 

Autorius siūlo daugiau sodinimo įmonių pasirinkti antrąjį variantą – naudoti LED lempas augalų augimui skatinti.

Visų pirma, Kinijos lauko šiltnamių auginimas turi dešimtmečius trukusią ir plačią patirtį tiek pietuose, tiek šiaurėje. Šalis turi gerą šiltnamių auginimo technologijos pagrindą ir tiekia daug šviežių vaisių ir daržovių aplinkinių miestų rinkai. Ypač daug tyrimų gauta dirvožemio, vandens ir trąšų sodinimo srityje.

Antra, toks papildomo apšvietimo sprendimas gali gerokai sumažinti nereikalingą energijos suvartojimą ir tuo pačiu metu efektyviai padidinti vaisių ir daržovių derlių. Be to, plati Kinijos geografinė vietovė yra labai patogi reklamai.

Kaip ir moksliniai LED augalų apšvietimo tyrimai, jie taip pat suteikia platesnį eksperimentinį pagrindą. 7 pav. parodytas šios tyrėjų komandos sukurtas LED auginimo šviesos tipas, tinkamas auginti šiltnamiuose, o jo spektras parodytas 8 pav.

7 pav., LED auginimo lempos rūšis

8 pav., LED auginimo lempos spektras

Remdamasi aukščiau pateiktomis projektavimo idėjomis, tyrėjų komanda atliko eksperimentų seriją, ir eksperimentiniai rezultatai yra labai reikšmingi. Pavyzdžiui, daigynų apšvietimui originaliai buvo naudojama 32 W galios fluorescencinė lempa, kurios daigyno ciklas buvo 40 dienų. Mes tiekiame 12 W LED lemputę, kuri sutrumpina daigų ciklą iki 30 dienų, efektyviai sumažina lempų temperatūros įtaką daigų dirbtuvėse ir taupo oro kondicionieriaus energijos suvartojimą. Daigų storis, ilgis ir spalva yra geresni nei originalaus daigų auginimo sprendimo. Dėl paprastųjų daržovių daigų taip pat gautos geros patikros išvados, kurios apibendrintos šioje lentelėje.

Tarp jų papildomos šviesos grupės PPFD: 70–80 μmol·m-2·s-1, o raudonos ir mėlynos spalvų santykis: 0,6–0,7. Natūralios grupės dienos metu išmatuota PPFD vertė svyravo nuo 40 iki 800 μmol·m-2·s-1, o raudonos ir mėlynos spalvų santykis – nuo ​​0,6 iki 1,2. Matyti, kad minėti rodikliai yra geresni nei natūraliai augančių daigų.

Išvada

Šiame straipsnyje pristatomi naujausi LED auginimo lempų taikymo augalų auginime pokyčiai ir atkreipiamas dėmesys į kai kuriuos LED auginimo lempų taikymo augalų auginime nesusipratimus. Galiausiai pateikiamos techninės idėjos ir schemos, skirtos LED auginimo lempų, skirtų augalų auginimui, kūrimui. Reikėtų atkreipti dėmesį į tai, kad montuojant ir naudojant lemputę reikia atsižvelgti ir į kai kuriuos veiksnius, tokius kaip atstumas tarp lempos ir augalo, lempos apšvitos diapazonas ir kaip šviesą naudoti su įprastu vandeniu, trąšomis ir dirvožemiu.

Autorius: Yi Wang ir kt. Šaltinis: CNKI