pengenalan

Cahaya memainkan peranan penting dalam proses pertumbuhan tumbuhan.Ia adalah 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 komprehensif, 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 dua atau tiga tahun yang lalu, terdapat laporan yang tidak berkesudahan mengenai aplikasi teknologi pencahayaan semikonduktor mengenai kilang tumbuhan tiga dimensi atau pertumbuhan tumbuhan.Tetapi selepas membacanya dengan teliti, selalu ada perasaan tidak senang.Secara umumnya, tidak ada pemahaman sebenar tentang peranan cahaya yang harus dimainkan dalam pertumbuhan tumbuhan.

Mula-mula, 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 kelihatan berjulat dari 380 hingga 780 nm.Pertumbuhan organisma di alam semula jadi adalah berkaitan dengan keamatan spektrum.Sebagai contoh, kebanyakan tumbuhan di kawasan berhampiran khatulistiwa tumbuh dengan sangat cepat, dan pada masa yang sama, saiz pertumbuhannya agak besar.Tetapi intensiti tinggi penyinaran matahari tidak selalunya lebih baik, dan terdapat tahap selektiviti tertentu untuk pertumbuhan haiwan dan tumbuhan.

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

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

Rajah 2, Spektrum penyerapan beberapa auksin dalam pertumbuhan tumbuhan

Ia boleh dilihat daripada Rajah 2 bahawa spektrum penyerapan cahaya 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 unsur pertumbuhan tumbuhan fotosintesis yang paling penting.

• Klorofil

Klorofil adalah salah satu pigmen terpenting yang berkaitan dengan fotosintesis.Ia wujud dalam semua organisma yang boleh mencipta fotosintesis, termasuk tumbuhan hijau, alga biru-hijau prokariotik (cyanobacteria) 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 dengan 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 ditemui dalam pigmen kuning, oren-merah atau merah pada haiwan, tumbuhan tinggi, kulat dan alga.Setakat ini, lebih daripada 600 karotenoid semulajadi telah ditemui.

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

Beberapa salah faham konsep

Tanpa mengira kesan penjimatan tenaga, selektiviti cahaya dan penyelarasan cahaya, pencahayaan semikonduktor telah menunjukkan kelebihan yang besar.Walau bagaimanapun, daripada perkembangan pesat dua tahun yang lalu, kami juga telah melihat banyak salah faham dalam reka bentuk dan aplikasi cahaya, yang terutamanya ditunjukkan dalam aspek berikut.

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

②Selagi ia adalah cahaya putih, ia boleh menggantikan cahaya matahari, seperti tiub cahaya putih tiga utama yang digunakan secara meluas di Jepun, dll. Penggunaan spektrum ini mempunyai kesan tertentu ke atas pertumbuhan tumbuhan, tetapi kesannya adalah tidak sebaik sumber cahaya yang dibuat 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 adalah 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 dibakar atau layu.Oleh itu, reka bentuk parameter ini mesti direka mengikut spesies tumbuhan, persekitaran pertumbuhan dan keadaan.

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

Untuk tiub pendarfluor dengan tiga warna utama yang biasa digunakan pada tahun-tahun sebelumnya, walaupun putih disintesis, spektrum merah, hijau dan biru diasingkan (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 dengan LED, 1.5 hingga 3 kali penggunaan tenaga.Oleh itu, kesan penggunaan 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 bilangan kejadian kuanta cahaya pada batang daun tumbuhan dalam julat panjang gelombang 400 hingga 700 nm seunit masa dan luas unit. .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 dengan kuanta cahaya atau oleh tenaga pancaran.

Pada masa lalu, keamatan cahaya yang dipantulkan oleh illuminometer adalah kecerahan, tetapi spektrum pertumbuhan tumbuhan berubah kerana ketinggian lekapan cahaya dari tumbuhan, liputan cahaya dan sama ada cahaya boleh melalui 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 matahari adalah lebih besar daripada 50 μmol·m-2·s-1, manakala PPFD tumbuhan rendang hanya memerlukan 20 μmol·m-2·s-1 .Oleh itu, apabila membeli lampu tumbuh LED, anda boleh memilih bilangan lampu tumbuh LED berdasarkan nilai rujukan ini dan jenis tumbuhan yang anda tanam.Sebagai contoh, jika PPFD bagi satu lght LED ialah 20 μmol·m-2·s-1, lebih daripada 3 mentol tumbuhan LED diperlukan untuk menanam tumbuhan yang menyukai 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 panas 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 pengeluaran agak tinggi;
②Reka bentuk lampu tumbuh LED perlu mengambil kira kesinambungan dan integriti spektrum;
③Ia adalah perlu untuk mengawal masa pencahayaan dan keamatan pencahayaan dengan berkesan, seperti membiarkan tumbuhan berehat selama beberapa jam, keamatan penyinaran tidak mencukupi atau terlalu kuat, dsb.;
④Seluruh proses perlu meniru keadaan yang diperlukan oleh persekitaran pertumbuhan optimum sebenar tumbuhan di luar rumah, 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 penyinaran cahaya matahari pada waktu siang untuk menggalakkan fotosintesis tumbuhan, dan yang lain adalah untuk mengimbangi apabila tiada cahaya matahari pada waktu malam untuk menggalakkan kadar pertumbuhan tumbuhan
②Cahaya tambahan perlu mempertimbangkan peringkat pertumbuhan mana tumbuhan itu berada, seperti tempoh anak benih atau tempoh berbunga dan berbuah.

Oleh itu, reka bentuk lampu tumbuh tumbuhan LED harus terlebih dahulu mempunyai dua mod reka bentuk asas, iaitu, pencahayaan 24j (dalaman) dan pencahayaan tambahan pertumbuhan tumbuhan (luar).Untuk penanaman tumbuhan dalaman, reka bentuk lampu tumbuh LED perlu mengambil kira 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 menggunakan lampu penggalak tumbuhan LED dalaman untuk pencahayaan 24j

Sebagai contoh, untuk spektrum di peringkat semaian, memandangkan ia perlu menguatkan pertumbuhan akar dan batang, menguatkan cawangan daun, dan sumber cahaya digunakan di dalam rumah, spektrum boleh direka bentuk seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5.

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

Untuk reka bentuk lampu tumbuh LED jenis kedua, ia terutamanya bertujuan untuk penyelesaian reka bentuk menambah cahaya untuk mempromosikan penanaman di dasar rumah hijau luar.Idea reka bentuk ditunjukkan dalam Rajah 6.

Rajah 6, Idea reka bentuk lampu tumbuh luar 

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

Pertama sekali, penanaman rumah hijau luar China mempunyai jumlah dekad yang besar dan pelbagai pengalaman, baik di selatan dan 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.Terutama dalam bidang tanah dan air dan penanaman baja, hasil penyelidikan yang kaya telah dibuat.

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

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

Rajah 7, Sejenis lampu tumbuh LED

Rajah 8, spektrum sejenis lampu tumbuh LED

Menurut idea reka bentuk di atas, pasukan penyelidik menjalankan satu siri eksperimen, dan keputusan eksperimen adalah sangat penting.Sebagai contoh, untuk cahaya tumbuh semasa semaian, lampu asal yang digunakan ialah lampu pendarfluor dengan kuasa 32 W dan kitaran semaian selama 40 hari.Kami menyediakan lampu LED 12 W, yang memendekkan kitaran anak benih kepada 30 hari, dengan 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 larutan penanaman anak benih asal.Untuk 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 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 tumbuh LED dalam penanaman tumbuhan, dan menunjukkan beberapa salah faham dalam aplikasi cahaya tumbuh LED dalam penanaman tumbuhan.Akhirnya, idea dan skema teknikal untuk pembangunan lampu tumbuh LED yang digunakan untuk penanaman tumbuhan diperkenalkan.Perlu diingatkan bahawa terdapat juga beberapa faktor yang perlu dipertimbangkan dalam pemasangan dan penggunaan cahaya, seperti jarak antara cahaya dan tumbuhan, julat penyinaran lampu, dan cara menggunakan cahaya dengan air biasa, baja, dan tanah.

Pengarang: Yi Wang et al.Sumber: CNKI