Pengenalan

Cahaya memainkan peranan penting dalam proses pertumbuhan tumbuhan. Ia merupakan baja terbaik untuk menggalakkan penyerapan klorofil tumbuhan dan penyerapan pelbagai kualiti pertumbuhan tumbuhan seperti karotena. Walau bagaimanapun, faktor penentu yang menentukan pertumbuhan tumbuhan adalah faktor menyeluruh, bukan sahaja berkaitan dengan cahaya, tetapi juga tidak dapat dipisahkan daripada konfigurasi air, tanah dan baja, keadaan persekitaran pertumbuhan dan kawalan teknikal yang komprehensif.

Dalam tempoh dua atau tiga tahun yang lalu, terdapat laporan yang tidak berkesudahan tentang aplikasi teknologi pencahayaan semikonduktor mengenai kilang tumbuhan tiga dimensi atau pertumbuhan tumbuhan. Tetapi selepas membacanya dengan teliti, sentiasa ada perasaan tidak selesa. Secara amnya, tiada pemahaman sebenar tentang peranan cahaya dalam pertumbuhan tumbuhan.

Pertama sekali, mari kita fahami spektrum matahari, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Dapat dilihat bahawa spektrum suria adalah spektrum berterusan, di mana spektrum biru dan hijau lebih kuat daripada spektrum merah, dan spektrum cahaya yang boleh dilihat berada dalam julat dari 380 hingga 780 nm. Pertumbuhan organisma dalam alam semula jadi berkaitan dengan keamatan spektrum. Contohnya, kebanyakan tumbuhan di kawasan berhampiran khatulistiwa tumbuh dengan sangat cepat, dan pada masa yang sama, saiz pertumbuhannya agak besar. Tetapi keamatan penyinaran matahari yang tinggi tidak selalunya lebih baik, dan terdapat tahap selektiviti tertentu untuk pertumbuhan haiwan dan tumbuhan.

Rajah 1, Ciri-ciri spektrum suria dan spektrum cahaya nampaknya

Kedua, gambarajah spektrum kedua bagi beberapa elemen penyerapan utama pertumbuhan tumbuhan ditunjukkan dalam Rajah 2.

Rajah 2, Spektrum penyerapan beberapa auksin dalam pertumbuhan tumbuhan

Dapat dilihat daripada Rajah 2 bahawa spektrum penyerapan cahaya bagi beberapa auksin utama yang mempengaruhi pertumbuhan tumbuhan adalah berbeza dengan ketara. Oleh itu, penggunaan lampu pertumbuhan tumbuhan LED bukanlah perkara yang mudah, tetapi sangat disasarkan. Di sini adalah perlu untuk memperkenalkan konsep dua elemen pertumbuhan tumbuhan fotosintesis yang paling penting.

• Klorofil

Klorofil merupakan salah satu pigmen terpenting yang berkaitan dengan fotosintesis. Ia wujud dalam semua organisma yang boleh menghasilkan fotosintesis, termasuk tumbuhan hijau, alga biru-hijau prokariotik (sianobakteria) dan alga eukariotik. Klorofil menyerap tenaga daripada cahaya, yang kemudiannya digunakan untuk menukar karbon dioksida kepada karbohidrat.

Klorofil a terutamanya menyerap cahaya merah, dan klorofil b terutamanya menyerap cahaya biru-ungu, terutamanya untuk membezakan tumbuhan teduh daripada tumbuhan matahari. Nisbah klorofil b kepada klorofil a tumbuhan teduh adalah kecil, jadi tumbuhan teduh boleh menggunakan cahaya biru dengan kuat dan menyesuaikan diri untuk tumbuh di tempat teduh. Klorofil a berwarna biru-hijau, dan klorofil b berwarna kuning-hijau. Terdapat dua penyerapan kuat klorofil a dan klorofil b, satu di kawasan merah dengan panjang gelombang 630-680 nm, dan satu lagi di kawasan biru-ungu dengan panjang gelombang 400-460 nm.

• Karotenoid

Karotenoid ialah istilah umum untuk kelas pigmen semula jadi yang penting, yang biasanya terdapat dalam pigmen kuning, jingga-merah atau merah pada haiwan, tumbuhan tingkat tinggi, kulat dan alga. Setakat ini, lebih daripada 600 karotenoid semula jadi telah ditemui.

Penyerapan cahaya karotenoid meliputi julat OD303~505 nm, yang memberikan warna makanan dan mempengaruhi pengambilan makanan oleh badan. Dalam alga, tumbuhan, dan mikroorganisma, warnanya diliputi oleh klorofil dan tidak dapat muncul. Dalam sel tumbuhan, karotenoid yang dihasilkan bukan sahaja menyerap dan memindahkan tenaga untuk membantu fotosintesis, tetapi juga berfungsi melindungi sel daripada dimusnahkan oleh molekul oksigen ikatan elektron tunggal yang teruja.

Beberapa salah faham konseptual

Terlepas dari kesan penjimatan tenaga, pemilihan cahaya dan koordinasi cahaya, pencahayaan semikonduktor telah menunjukkan kelebihan yang besar. Walau bagaimanapun, daripada perkembangan pesat dua tahun yang lalu, kita juga telah melihat banyak salah faham dalam reka bentuk dan aplikasi cahaya, yang kebanyakannya tercermin dalam aspek berikut.

①Selagi cip merah dan biru dengan panjang gelombang tertentu digabungkan dalam nisbah tertentu, ia boleh digunakan dalam penanaman tumbuhan, contohnya, nisbah merah kepada biru ialah 4:1, 6:1, 9:1 dan sebagainya.

②Selagi ia merupakan cahaya putih, ia boleh menggantikan cahaya matahari, seperti tiub cahaya putih tiga utama yang digunakan secara meluas di Jepun, dan sebagainya. Penggunaan spektrum ini mempunyai kesan tertentu terhadap pertumbuhan tumbuhan, tetapi kesannya tidak sebaik sumber cahaya yang dihasilkan oleh LED.

③Selagi PPFD (ketumpatan fluks kuantum cahaya), parameter penting pencahayaan, mencapai indeks tertentu, contohnya, PPFD lebih besar daripada 200 μmol·m-2·s-1. Walau bagaimanapun, apabila menggunakan penunjuk ini, anda mesti memberi perhatian sama ada ia tumbuhan teduh atau tumbuhan matahari. Anda perlu bertanya atau mencari titik tepu pampasan cahaya tumbuhan ini, yang juga dipanggil titik pampasan cahaya. Dalam aplikasi sebenar, anak benih sering terbakar atau layu. Oleh itu, reka bentuk parameter ini mesti direka bentuk mengikut spesies tumbuhan, persekitaran pertumbuhan dan keadaan.

Berkenaan aspek pertama, seperti yang diperkenalkan dalam pengenalan, spektrum yang diperlukan untuk pertumbuhan tumbuhan haruslah spektrum berterusan dengan lebar taburan tertentu. Jelas sekali tidak sesuai untuk menggunakan sumber cahaya yang diperbuat daripada dua cip panjang gelombang tertentu berwarna merah dan biru dengan spektrum yang sangat sempit (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3(a)). Dalam eksperimen, didapati bahawa tumbuhan cenderung berwarna kekuningan, batang daun sangat ringan, dan batang daun sangat nipis.

Bagi tiub pendarfluor dengan tiga warna primer yang biasa digunakan pada tahun-tahun sebelumnya, walaupun putih disintesis, spektrum merah, hijau, dan biru dipisahkan (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3(b)), dan lebar spektrum adalah sangat sempit. Keamatan spektrum bahagian berterusan berikut agak lemah, dan kuasa masih agak besar berbanding LED, 1.5 hingga 3 kali ganda penggunaan tenaga. Oleh itu, kesan penggunaannya tidak sebaik lampu LED.

Rajah 3, Lampu tumbuhan LED cip merah dan biru dan spektrum cahaya pendarfluor tiga warna utama

PPFD ialah ketumpatan fluks kuantum cahaya, yang merujuk kepada ketumpatan fluks cahaya sinaran berkesan cahaya dalam fotosintesis, yang mewakili jumlah kuanta cahaya yang berlaku pada batang daun tumbuhan dalam julat panjang gelombang 400 hingga 700 nm setiap unit masa dan unit luas. Unitnya ialah μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Sinaran aktif fotosintesis (PAR) merujuk kepada jumlah sinaran suria dengan panjang gelombang dalam julat 400 hingga 700 nm. Ia boleh dinyatakan sama ada melalui kuanta cahaya atau tenaga sinaran.

Pada masa lalu, keamatan cahaya yang dipantulkan oleh illuminometer adalah kecerahan, tetapi spektrum pertumbuhan tumbuhan berubah kerana ketinggian lampu dari tumbuhan, liputan cahaya dan sama ada cahaya boleh menembusi daun. Oleh itu, adalah tidak tepat untuk menggunakan par sebagai penunjuk keamatan cahaya dalam kajian fotosintesis.

Secara amnya, mekanisme fotosintesis boleh dimulakan apabila PPFD tumbuhan yang menyukai cahaya matahari lebih besar daripada 50 μmol·m-2·s-1, manakala PPFD tumbuhan yang teduh hanya memerlukan 20 μmol·m-2·s-1. Oleh itu, apabila membeli lampu tanam LED, anda boleh memilih bilangan lampu tanam LED berdasarkan nilai rujukan ini dan jenis tumbuhan yang anda tanam. Contohnya, jika PPFD bagi satu lampu LED ialah 20 μmol·m-2·s-1, lebih daripada 3 mentol tumbuhan LED diperlukan untuk menanam tumbuhan yang menyukai cahaya matahari.

Beberapa penyelesaian reka bentuk pencahayaan semikonduktor

Pencahayaan semikonduktor digunakan untuk pertumbuhan atau penanaman tumbuhan, dan terdapat dua kaedah rujukan asas.

• Pada masa ini, model penanaman dalaman sangat popular di China. Model ini mempunyai beberapa ciri:

①Peranan lampu LED adalah untuk menyediakan spektrum penuh pencahayaan tumbuhan, dan sistem pencahayaan diperlukan untuk menyediakan semua tenaga pencahayaan, dan kos pengeluarannya agak tinggi;
Reka bentuk lampu pertumbuhan LED perlu mempertimbangkan kesinambungan dan integriti spektrum;
③ Adalah perlu untuk mengawal masa pencahayaan dan keamatan pencahayaan secara berkesan, seperti membiarkan tumbuhan berehat selama beberapa jam, keamatan penyinaran tidak mencukupi atau terlalu kuat, dsb.;
④ Keseluruhan proses perlu meniru keadaan yang diperlukan oleh persekitaran pertumbuhan optimum sebenar tumbuhan di luar, seperti kelembapan, suhu dan kepekatan CO2.

• Mod penanaman luar dengan asas penanaman rumah hijau luar yang baik. Ciri-ciri model ini ialah:

①Peranan lampu LED adalah untuk menambah cahaya. Satu adalah untuk meningkatkan keamatan cahaya di kawasan biru dan merah di bawah sinaran cahaya matahari pada siang hari untuk menggalakkan fotosintesis tumbuhan, dan satu lagi adalah untuk mengimbangi apabila tiada cahaya matahari pada waktu malam untuk menggalakkan kadar pertumbuhan tumbuhan.
②Cahaya tambahan perlu mempertimbangkan peringkat pertumbuhan tumbuhan, seperti tempoh anak benih atau tempoh berbunga dan berbuah.

Oleh itu, reka bentuk lampu tanam tumbuhan LED harus mempunyai dua mod reka bentuk asas terlebih dahulu, iaitu pencahayaan 24 jam (dalaman) dan pencahayaan tambahan pertumbuhan tumbuhan (luaran). Untuk penanaman tumbuhan dalaman, reka bentuk lampu tanam LED perlu mempertimbangkan tiga aspek, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. Tidak mungkin untuk membungkus cip dengan tiga warna utama dalam perkadaran tertentu.

Rajah 4, Idea reka bentuk penggunaan lampu penggalak tumbuhan LED dalaman untuk pencahayaan 24 jam

Contohnya, untuk spektrum di peringkat nurseri, memandangkan ia perlu menguatkan pertumbuhan akar dan batang, menguatkan percabangan daun, dan sumber cahaya digunakan di dalam rumah, spektrum tersebut boleh direka bentuk seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5.

Rajah 5, Struktur spektrum yang sesuai untuk tempoh nurseri dalaman LED

Bagi reka bentuk lampu pertumbuhan LED jenis kedua, ia terutamanya bertujuan untuk penyelesaian reka bentuk penambahan cahaya bagi menggalakkan penanaman di dasar rumah hijau luar. Idea reka bentuk ditunjukkan dalam Rajah 6.

Rajah 6, Idea reka bentuk lampu tanaman luar 

Penulis mencadangkan agar lebih banyak syarikat penanaman menggunakan pilihan kedua untuk menggunakan lampu LED bagi menggalakkan pertumbuhan tumbuhan.

Pertama sekali, penanaman rumah hijau luar China mempunyai pengalaman yang luas selama beberapa dekad, baik di selatan mahupun utara. Ia mempunyai asas teknologi penanaman rumah hijau yang baik dan menyediakan sejumlah besar buah-buahan dan sayur-sayuran segar di pasaran untuk bandar-bandar sekitar. Terutamanya dalam bidang penanaman tanah, air dan baja, hasil penyelidikan yang kaya telah dibuat.

Kedua, penyelesaian cahaya tambahan seperti ini dapat mengurangkan penggunaan tenaga yang tidak perlu dengan ketara, dan pada masa yang sama dapat meningkatkan hasil buah-buahan dan sayur-sayuran dengan berkesan. Di samping itu, kawasan geografi China yang luas sangat sesuai untuk promosi.

Sebagai penyelidikan saintifik pencahayaan tumbuhan LED, ia juga menyediakan asas eksperimen yang lebih luas untuknya. Rajah 7 ialah sejenis lampu pertumbuhan LED yang dibangunkan oleh pasukan penyelidikan ini, yang sesuai untuk ditanam di rumah hijau, dan spektrumnya ditunjukkan dalam Rajah 8.

Rajah 7, Sejenis lampu pertumbuhan LED

Rajah 8, spektrum sejenis lampu pertumbuhan LED

Menurut idea reka bentuk di atas, pasukan penyelidikan telah menjalankan beberapa siri eksperimen, dan keputusan eksperimen tersebut sangat ketara. Contohnya, untuk lampu penanaman semasa nurseri, lampu asal yang digunakan ialah lampu pendarfluor dengan kuasa 32 W dan kitaran nurseri selama 40 hari. Kami menyediakan lampu LED 12 W, yang memendekkan kitaran anak benih kepada 30 hari, berkesan mengurangkan pengaruh suhu lampu di bengkel anak benih, dan menjimatkan penggunaan kuasa penghawa dingin. Ketebalan, panjang dan warna anak benih adalah lebih baik daripada penyelesaian pemeliharaan anak benih asal. Bagi anak benih sayur-sayuran biasa, kesimpulan pengesahan yang baik juga telah diperolehi, yang diringkaskan dalam jadual berikut.

Antaranya, kumpulan cahaya tambahan PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, dan nisbah merah-biru: 0.6-0.7. Julat nilai PPFD siang hari bagi kumpulan semula jadi ialah 40~800 μmol·m-2·s-1, dan nisbah merah kepada biru ialah 0.6~1.2. Dapat dilihat bahawa penunjuk di atas adalah lebih baik daripada anak benih yang tumbuh secara semula jadi.

Kesimpulan

Artikel ini memperkenalkan perkembangan terkini dalam aplikasi lampu tanam LED dalam penanaman tanaman, dan menunjukkan beberapa salah faham dalam aplikasi lampu tanam LED dalam penanaman tanaman. Akhir sekali, idea dan skema teknikal untuk pembangunan lampu tanam LED yang digunakan untuk penanaman tanaman diperkenalkan. Perlu ditekankan bahawa terdapat juga beberapa faktor yang perlu dipertimbangkan dalam pemasangan dan penggunaan lampu, seperti jarak antara cahaya dan tanaman, julat penyinaran lampu, dan cara menggunakan cahaya dengan air, baja, dan tanah biasa.

Pengarang: Yi Wang et al. Sumber: CNKI