Įvadas

Šviesa vaidina pagrindinį vaidmenį augalų augimo procese.Tai geriausia trąša, skatinanti augalų chlorofilo pasisavinimą ir įvairių augalų augimo savybių, tokių kaip karotinas, pasisavinimą.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 visapusės techninės kontrolės.

Per pastaruosius dvejus ar trejus metus buvo gauta begalė pranešimų apie puslaidininkinio apšvietimo technologijos taikymą trimatėms augalų gamykloms ar augalų augimui.Tačiau įdėmiai perskaičius visada apninka kažkoks nemalonus jausmas.Apskritai, nėra tikro supratimo, kokį vaidmenį šviesa turėtų atlikti augalų augime.

Pirma, supraskime saulės spektrą, kaip parodyta 1 paveiksle. Matyti, kad saulės spektras yra ištisinis spektras, kuriame mėlynas ir žalias spektras yra stipresnis už raudonąjį, o matomos šviesos spektras svyruoja nuo nuo 380 iki 780 nm.Organizmų augimas gamtoje yra susijęs su spektro intensyvumu.Pavyzdžiui, dauguma augalų šalia pusiaujo auga labai greitai, o tuo pačiu metu jų augimo dydis yra gana didelis.Tačiau didelis saulės spinduliavimo intensyvumas ne visada yra geresnis, be to, yra tam tikras selektyvumo laipsnis gyvūnų ir augalų augimui.

1 pav. Saulės spektro ir jo matomos šviesos spektro charakteristikos

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

2 pav. Kelių auksinų absorbcijos spektrai augalų augimo metu

Iš 2 paveikslo matyti, kad kelių pagrindinių auksinų, turinčių įtakos augalų augimui, šviesos sugerties spektrai labai skiriasi.Todėl LED augalų augimo žibintų pritaikymas nėra paprastas dalykas, o labai tikslingas.Čia būtina supažindinti su dviejų svarbiausių fotosintetinių augalų augimo elementų sąvokomis.

• Chlorofilas

Chlorofilas yra vienas iš svarbiausių pigmentų, susijusių su fotosinteze.Jis egzistuoja visuose organizmuose, galinčiuose sukurti fotosintezę, įskaitant žaliuosius augalus, prokariotinius melsvadumblius (cianobakterijas) ir eukariotus.Chlorofilas sugeria energiją iš šviesos, kuri vėliau naudojama anglies dioksidui paversti angliavandeniais.

Chlorofilas a daugiausia sugeria raudoną šviesą, o chlorofilas b daugiausia sugeria mėlynai violetinę šviesą, daugiausia tam, kad atskirtų šešėlinius augalus nuo saulės augalų.Pavėsyje esančių augalų chlorofilo b ir chlorofilo a santykis yra mažas, todėl pavėsyje esantys augalai gali stipriai panaudoti mėlyną šviesą ir prisitaikyti prie auginimo pavėsyje.Chlorofilas a yra mėlynai žalios spalvos, o chlorofilas b yra geltonai žalios spalvos.Yra dvi stiprios chlorofilo a ir chlorofilo b absorbcijos: viena raudonojoje srityje, kurios bangos ilgis yra 630–680 nm, o kita - mėlynai violetinėje srityje, kurios bangos ilgis yra 400–460 nm.

• Karotinoidai

Karotinoidai yra bendras terminas, apibūdinantis svarbių natūralių pigmentų, kurie dažniausiai randami geltonuose, oranžinės raudonos arba raudonos spalvos gyvūnų, aukštesniųjų augalų, grybų ir dumblių pigmentuose.Iki šiol buvo atrasta daugiau nei 600 natūralių karotinoidų.

Karotinoidų šviesos sugertis apima OD303–505 nm diapazoną, o tai suteikia maisto spalvą ir turi įtakos organizmo suvartojamo maisto kiekiui.Dumbliuose, augaluose ir mikroorganizmuose jo spalva yra padengta chlorofilu ir negali atsirasti.Augalų ląstelėse gaminami karotinoidai ne tik sugeria ir perduoda energiją, kad padėtų fotosintezei, bet ir apsaugo ląsteles nuo sužadintos vieno elektrono jungties deguonies molekulių sunaikinimo.

Kai kurie konceptualūs nesusipratimai

Nepriklausomai nuo energijos taupymo efekto, šviesos selektyvumo ir šviesos koordinavimo, puslaidininkinis apšvietimas parodė didelius pranašumus.Tačiau dėl spartaus pastarųjų dvejų metų vystymosi pastebėjome ir daug nesusipratimų projektuojant ir taikant šviesą, kurie daugiausia atsispindi šiuose aspektuose.

①Kol tam tikro bangos ilgio raudonos ir mėlynos spalvos lustai yra sujungti tam tikru santykiu, jie gali būti naudojami augalininkystėje, pavyzdžiui, raudonos ir mėlynos spalvos santykis yra 4:1, 6:1, 9:1 ir pan. įjungta.

②Kol tai yra balta šviesa, ji gali pakeisti saulės šviesą, pvz., Japonijoje plačiai naudojamą trijų pagrindinių baltos šviesos vamzdį ir kt. Šių spektrų naudojimas daro tam tikrą poveikį augalų augimui, tačiau poveikis yra ne toks geras kaip šviesos šaltinis, pagamintas iš LED.

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 indikatorių reikia atkreipti dėmesį, ar tai pavėsis, ar saulės augalas.Turite paklausti arba rasti šių augalų šviesos kompensavimo prisotinimo tašką, kuris dar vadinamas šviesos kompensavimo tašku.Faktiškai naudojant, daigai dažnai sudegina arba nudžiūsta.Todėl šio parametro projektavimas turi būti projektuojamas atsižvelgiant į augalų rūšį, augimo aplinką ir sąlygas.

Kalbant apie pirmąjį aspektą, kaip nurodyta įžangoje, augalų augimui reikalingas spektras turėtų būti ištisinis spektras su tam tikru pasiskirstymo plotiu.Akivaizdu, kad netikslinga naudoti šviesos šaltinį, pagamintą iš dviejų tam tikro bangos ilgio raudonos ir mėlynos spalvos lustų, turinčių labai siaurą spektrą (kaip parodyta 3 paveiksle a)).Eksperimentų metu buvo nustatyta, kad augalai būna gelsvi, lapų stiebai labai šviesūs, o lapų stiebai labai ploni.

Liuminescencinėms lempoms su trimis pagrindinėmis spalvomis, paprastai naudojamomis ankstesniais metais, nors ir sintetinama balta spalva, raudonos, žalios ir mėlynos spalvos spektrai yra atskirti (kaip parodyta 3 paveiksle (b)), o spektro plotis yra labai siauras.Sekančios ištisinės dalies spektrinis intensyvumas yra palyginti silpnas, o galia vis dar yra gana didelė, palyginti su šviesos diodais, 1,5–3 kartus daugiau nei energijos suvartojimas.Todėl naudojimo efektas nėra toks geras kaip LED lemputės.

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

PPFD yra šviesos kvantinio srauto tankis, nurodantis efektyvų šviesos spinduliuotės šviesos srauto tankį fotosintezės metu, kuris parodo bendrą šviesos kvantų, patenkančių į augalų lapų stiebus bangos ilgių diapazone nuo 400 iki 700 nm per laiko ir ploto vienetą, skaičių. .Jo vienetas yra μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).Fotosintetiškai aktyvioji spinduliuotė (PAR) reiškia bendrą saulės spinduliuotę, kurios bangos ilgis yra nuo 400 iki 700 nm.Jis gali būti išreikštas šviesos kvantais arba spinduliavimo energija.

Anksčiau iliuminometro atspindėtas šviesos intensyvumas buvo ryškumas, tačiau augalų augimo spektras kinta dėl šviestuvo aukščio nuo augalo, šviesos aprėpties ir to, ar šviesa gali prasiskverbti per lapus.Todėl tiriant fotosintezę netikslu naudoti par kaip šviesos intensyvumo rodiklį.

Paprastai fotosintezės mechanizmą galima pradėti, kai saulę mėgstančio augalo PPFD yra didesnis nei 50 μmol·m-2·s-1, o šešėlinio augalo PPFD reikia tik 20 μmol·m-2·s-1. .Todėl, pirkdami LED auginimo šviestuvus, galite pasirinkti LED lempučių skaičių pagal šią atskaitos vertę ir sodinamų augalų rūšį.Pavyzdžiui, jei vieno LED lght PPFD yra 20 μmol·m-2·s-1, norint auginti saulę mėgstančius augalus, reikia daugiau nei 3 LED augalų svogūnėlių.

Keletas puslaidininkinio apšvietimo projektavimo sprendimų

Puslaidininkinis apšvietimas naudojamas augalams augti arba sodinti, ir yra du pagrindiniai pamatiniai metodai.

• Šiuo metu Kinijoje patalpų sodinimo modelis yra labai karštas.Šis modelis turi keletą savybių:

① LED lempučių vaidmuo yra suteikti visą augalų apšvietimo spektrą, o apšvietimo sistema turi užtikrinti visą apšvietimo energiją, o gamybos sąnaudos yra gana didelės;
② Kuriant LED lemputes reikia atsižvelgti į spektro tęstinumą ir vientisumą;
③Būtina efektyviai kontroliuoti apšvietimo laiką ir apšvietimo intensyvumą, pvz., leisti augalams kelias valandas pailsėti, nepakankamas arba per stiprus švitinimo intensyvumas ir pan.;
④Visas procesas turi imituoti sąlygas, reikalingas faktinei optimaliai augalų augimo aplinkai lauke, pvz., drėgmę, temperatūrą ir CO2 koncentraciją.

• Sodinimo lauke režimas su geru lauko šiltnamio sodinimo pagrindu.Šio modelio ypatybės yra šios:

① LED lempučių vaidmuo yra papildyti šviesą.Vienas iš jų yra padidinti šviesos intensyvumą mėlynose ir raudonose srityse, švitinant saulės šviesą dienos metu, kad būtų skatinama augalų fotosintezė, o kita – kompensuoti, kai naktį nėra saulės šviesos, kad būtų skatinamas augalų augimo greitis.
②Naudojant papildomą apšvietimą reikia atsižvelgti į tai, kurioje augimo fazėje yra augalas, pvz., sėjinukų arba žydėjimo ir vaisiaus periodą.

Todėl LED augalų auginimo šviestuvų dizainas pirmiausia turėtų turėti du pagrindinius projektavimo režimus, būtent 24 val. apšvietimą (patalpoje) ir augalų augimo papildomą apšvietimą (lauke).Auginant kambarinius augalus, projektuojant LED lemputes reikia atsižvelgti į tris aspektus, kaip parodyta 4 pav. Neįmanoma supakuoti lustų su trimis pagrindinėmis spalvomis tam tikra proporcija.

4 pav. Projektavimo idėja naudoti patalpų LED augalų stiprintuvus 24 val. apšvietimui

Pavyzdžiui, spektrui darželio stadijoje, atsižvelgiant į tai, kad reikia stiprinti šaknų ir stiebų augimą, stiprinti lapų išsišakojimą, o šviesos šaltinis naudojamas patalpose, spektrą galima suprojektuoti taip, kaip parodyta 5 pav.

5 pav. Spektrinės struktūros, tinkamos LED patalpų darželiui

Kuriant antrojo tipo LED auginimo šviesą, daugiausia siekiama dizaino papildomos šviesos, skatinančios sodinimą lauko šiltnamio pagrinde.Dizaino idėja parodyta 6 pav.

6 pav. Lauko auginimo šviestuvų dizaino idėjos 

Autorius siūlo, kad daugiau sodinimo įmonių pasirinktų antrąją galimybę naudoti LED lemputes augalų augimui skatinti.

Visų pirma, Kinijos auginimas lauke šiltnamiuose turi daugybę dešimtmečių ir didelę patirtį tiek pietuose, tiek šiaurėje.Jis turi gerą šiltnamio auginimo technologijos pagrindą ir aplinkinių miestų rinkoje tiekia daug šviežių vaisių ir daržovių.Ypač dirvožemio ir vandens bei trąšų apželdinimo srityje gauti gausūs tyrimų rezultatai.

Antra, toks papildomas šviesos sprendimas gali labai sumažinti nereikalingą energijos suvartojimą ir tuo pačiu efektyviai padidinti vaisių ir daržovių derlių.Be to, didžiulė Kinijos geografinė sritis yra labai patogi reklamai.

Kaip mokslinis LED augalų apšvietimo tyrimas, tai taip pat suteikia platesnę eksperimentinę bazę.7 pav. yra šios tyrėjų komandos sukurtas LED auginimo šviesos tipas, tinkamas auginti šiltnamiuose, o jo spektras parodytas 8 pav.

7 paveikslas, tam tikra LED augimo šviesa

8 paveikslas, tam tikros LED augančios šviesos spektras

Remdamasi aukščiau pateiktomis dizaino idėjomis, tyrėjų komanda atliko daugybę eksperimentų, o eksperimentiniai rezultatai yra labai reikšmingi.Pavyzdžiui, apšvietimui darželyje originali naudojama fluorescencinė lempa, kurios galia yra 32 W, o darželio ciklas – 40 dienų.Pateikiame 12 W LED lemputę, kuri sutrumpina sodinukų ciklą iki 30 dienų, efektyviai sumažina lempų temperatūros įtaką sodinukų ceche, taupo kondicionieriaus elektros sąnaudas.Daigų storis, ilgis ir spalva geresni nei originalus sodinukų auginimo tirpalas.Paprastų daržovių daigams taip pat gautos geros patikros išvados, kurios apibendrintos toliau pateiktoje lentelėje.

Tarp jų papildomos šviesos grupės PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, o raudonos ir mėlynos spalvos santykis: 0,6-0,7.Natūralios grupės dienos PPFD vertės diapazonas buvo 40–800 μmol·m-2·s-1, o raudonos ir mėlynos spalvos santykis buvo 0,6–1,2.Matyti, kad minėti rodikliai yra geresni nei natūraliai užaugintų sodinukų.

Išvada

Šiame straipsnyje pristatomi naujausi LED šviestuvų panaudojimo augalininkystėje pasiekimai ir nurodomi kai kurie nesusipratimai, susiję su LED šviestuvų panaudojimu augalų auginimui.Galiausiai pristatomos augalų auginimui naudojamų LED šviestuvų kūrimo techninės idėjos ir schemos.Reikėtų pažymėti, kad įrengiant ir naudojant šviesą taip pat reikia atsižvelgti į kai kuriuos veiksnius, pvz., atstumą tarp šviesos ir augalo, lempos apšvitinimo diapazoną ir šviesos panaudojimą. normalus vanduo, trąšos ir žemė.

Autorius: Yi Wang ir kt.Šaltinis: CNKI