Introduktion

Ljus spelar en nyckelroll i växternas tillväxtprocess. Det är det bästa gödningsmedlet för att främja absorptionen av växtklorofyll och absorptionen av olika växtegenskaper, såsom karoten. Den avgörande faktorn som bestämmer växternas tillväxt är dock en omfattande faktor, inte bara relaterad till ljus, utan också oskiljaktig från konfigurationen av vatten, jord och gödningsmedel, tillväxtmiljöförhållanden och omfattande teknisk kontroll.

Under de senaste två eller tre åren har det kommit oändligt med rapporter om tillämpningen av halvledarbelysningsteknik för tredimensionella växtfabriker eller växttillväxt. Men efter att ha läst dem noggrant finns det alltid en viss obehagskänsla. Generellt sett finns det ingen riktig förståelse för vilken roll ljus bör spela i växttillväxt.

Låt oss först förstå solens spektrum, som visas i figur 1. Det framgår att solspektrumet är ett kontinuerligt spektrum, där det blå och gröna spektrumet är starkare än det röda spektrumet, och det synliga ljusspektrumet varierar från 380 till 780 nm. Tillväxten av organismer i naturen är relaterad till spektrumets intensitet. Till exempel växer de flesta växter i området nära ekvatorn mycket snabbt, och samtidigt är deras tillväxt relativt stor. Men den höga intensiteten av solens bestrålning är inte alltid bättre, och det finns en viss grad av selektivitet för tillväxten av djur och växter.

Figur 1, Egenskaperna hos solspektrumet och dess synliga ljusspektrum

För det andra visas det andra spektrumdiagrammet för flera viktiga absorptionselement i växttillväxt i figur 2.

Figur 2, Absorptionsspektra för flera auxiner i växttillväxt

Det framgår av figur 2 att ljusabsorptionsspektra för flera viktiga auxiner som påverkar växttillväxt skiljer sig avsevärt åt. Därför är tillämpningen av LED-växtbelysning inte en enkel sak, utan mycket målinriktad. Här är det nödvändigt att introducera koncepten för de två viktigaste fotosyntetiska växttillväxtelementen.

• Klorofyll

Klorofyll är ett av de viktigaste pigmenten relaterade till fotosyntes. Det finns i alla organismer som kan skapa fotosyntes, inklusive gröna växter, prokaryota blågröna alger (cyanobakterier) och eukaryota alger. Klorofyll absorberar energi från ljus, som sedan används för att omvandla koldioxid till kolhydrater.

Klorofyll a absorberar huvudsakligen rött ljus, och klorofyll b absorberar huvudsakligen blåviolett ljus, främst för att skilja skuggväxter från solväxter. Förhållandet mellan klorofyll b och klorofyll a hos skuggväxter är litet, så skuggväxter kan använda blått ljus starkt och anpassa sig till att växa i skugga. Klorofyll a är blågrönt och klorofyll b är gulgrönt. Det finns två starka absorptionsgrader för klorofyll a och klorofyll b, en i det röda området med en våglängd på 630-680 nm, och den andra i det blåvioletta området med en våglängd på 400-460 nm.

• Karotenoider

Karotenoider är den allmänna termen för en klass av viktiga naturliga pigment, som vanligtvis finns i gula, orangeröda eller röda pigment hos djur, högre växter, svampar och alger. Hittills har mer än 600 naturliga karotenoider upptäckts.

Ljusabsorptionen av karotenoider täcker intervallet OD303~505 nm, vilket ger färgen på maten och påverkar kroppens matintag. Hos alger, växter och mikroorganismer är dess färg täckt av klorofyll och kan inte synas. I växtceller absorberar och överför de producerade karotenoiderna inte bara energi för att underlätta fotosyntesen, utan har också funktionen att skydda celler från att förstöras av exciterade syremolekyler med en enda elektronbindning.

Några konceptuella missförstånd

Oavsett energibesparande effekt, ljusets selektivitet och ljuskoordination har halvledarbelysning visat stora fördelar. Men den snabba utvecklingen under de senaste två åren har vi också sett många missförstånd i design och tillämpning av ljus, vilket främst återspeglas i följande aspekter.

①Så länge de röda och blå chipsen med en viss våglängd kombineras i ett visst förhållande kan de användas i växtodling, till exempel är förhållandet mellan rött och blått 4:1, 6:1, 9:1 och så vidare.

② Så länge det är vitt ljus kan det ersätta solljuset, såsom det trefärgade vita ljusröret som används flitigt i Japan, etc. Användningen av dessa spektrum har en viss effekt på växternas tillväxt, men effekten är inte lika bra som ljuskällor tillverkade av LED.

③ Så länge PPFD (ljuskvantflödestäthet), en viktig parameter för belysning, når ett visst index, till exempel om PPFD är större än 200 μmol·m-2·s-1. När man använder denna indikator måste man dock vara uppmärksam på om det är en skuggväxt eller en solväxt. Man måste undersöka eller hitta ljuskompensationsmättnadspunkten för dessa växter, som även kallas ljuskompensationspunkten. I faktiska tillämpningar bränns eller vissnar plantor ofta. Därför måste utformningen av denna parameter utformas efter växtart, tillväxtmiljö och förhållanden.

Beträffande den första aspekten, som presenterades i inledningen, bör det spektrum som krävs för växttillväxt vara ett kontinuerligt spektrum med en viss spridningsbredd. Det är uppenbarligen olämpligt att använda en ljuskälla gjord av två specifika våglängdschips av rött och blått med ett mycket smalt spektrum (som visas i figur 3(a)). I experiment fann man att växter tenderar att vara gulaktiga, bladstjälkarna är mycket ljusa och bladstjälkarna är mycket tunna.

För lysrör med tre primärfärger som vanligtvis använts tidigare, även om vitt syntetiseras, är de röda, gröna och blå spektra separerade (som visas i figur 3(b)), och spektrumets bredd är mycket smal. Spektralintensiteten i den följande kontinuerliga delen är relativt svag, och effekten är fortfarande relativt stor jämfört med lysdioder, 1,5 till 3 gånger energiförbrukningen. Därför är användningseffekten inte lika bra som LED-lampor.

Figur 3, Röd och blå LED-växtbelysning och fluorescerande ljusspektrum med tre primärfärger

PPFD är ljuskvantflödestätheten, vilket hänvisar till den effektiva strålningsljusflödestätheten för ljus vid fotosyntes, vilket representerar det totala antalet ljuskvanta som infaller på växtbladstjälkar i våglängdsområdet 400 till 700 nm per tidsenhet och ytenhet. Dess enhet är μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosyntetiskt aktiv strålning (PAR) avser den totala solstrålningen med en våglängd i intervallet 400 till 700 nm. Den kan uttryckas antingen som ljuskvanta eller som strålningsenergi.

Förr i tiden mättes ljusstyrkan som ljusintensiteten som reflekterades av illuminometern, men växternas tillväxtspektrum förändras på grund av ljusarmaturens höjd från växten, ljustäckningen och om ljuset kan passera genom bladen. Därför är det inte korrekt att använda par som en indikator på ljusintensitet i studier av fotosyntes.

Generellt sett kan fotosyntesmekanismen initieras när PPFD (pelletsflödeshastighet) för en solälskande växt är större än 50 μmol·m⁻²·s⁻¹, medan PPFD (pelletsflödeshastighet) för en skuggig växt bara behöver 20 μmol·m⁻²·s⁻¹. Därför kan du, när du köper LED-växtlampor, välja antalet LED-växtlampor baserat på detta referensvärde och den typ av växter du planterar. Om till exempel PPFD för en enda LED-lampa är 20 μmol·m⁻²·s⁻¹ krävs mer än 3 LED-växtlampor för att odla solälskande växter.

Flera designlösningar för halvledarbelysning

Halvledarbelysning används för växttillväxt eller plantering, och det finns två grundläggande referensmetoder.

• För närvarande är inomhusplanteringsmodellen mycket populär i Kina. Denna modell har flera egenskaper:

①LED-lampornas roll är att ge hela spektrumet av växtbelysning, och belysningssystemet krävs för att tillhandahålla all ljusenergi, och produktionskostnaden är relativt hög;
② Utformningen av LED-växtlampor måste ta hänsyn till spektrumets kontinuitet och integritet;
③Det är nödvändigt att effektivt kontrollera belysningstiden och ljusintensiteten, till exempel att låta växterna vila i några timmar, om bestrålningens intensitet inte är tillräcklig eller för stark, etc.;
④Hela processen måste imitera de förhållanden som krävs av den faktiska optimala tillväxtmiljön för växter utomhus, såsom luftfuktighet, temperatur och CO2-koncentration.

• Utomhusplanteringsläge med bra underlag för utomhusplantering i växthus. Modellens egenskaper är:

①LED-lampornas roll är att komplettera ljuset. Den ena är att öka ljusintensiteten i de blå och röda områdena under solljusbestrålning under dagen för att främja växternas fotosyntes, och den andra är att kompensera för när det inte finns något solljus på natten för att främja växternas tillväxthastighet.
②Tillskottsbelysningen måste ta hänsyn till vilket tillväxtstadium växten befinner sig i, till exempel plantperioden eller blomnings- och fruktperioden.

Därför bör designen av LED-växtlampor först ha två grundläggande designlägen, nämligen 24-timmarsbelysning (inomhus) och kompletterande belysning för växttillväxt (utomhus). För odling av inomhusväxter måste designen av LED-växtlampor beakta tre aspekter, som visas i figur 4. Det är inte möjligt att paketera chipsen med tre primärfärger i en viss proportion.

Figur 4, Designidén för att använda LED-växtboosterlampor för inomhusbruk för 24-timmarsbelysning

Till exempel, för ett spektrum i plantskolestadiet, med tanke på att det behöver stärka tillväxten av rötter och stjälkar, stärka bladens förgrening och ljuskällan används inomhus, kan spektrumet utformas som visas i figur 5.

Figur 5, Spektralstrukturer lämpliga för LED-barnrum inomhus

För designen av den andra typen av LED-växtlampa är den huvudsakligen inriktad på designlösningen att komplettera ljuset för att främja plantering i basen av ett utomhusväxthus. Designidén visas i figur 6.

Figur 6, Designidéer för utomhuslampor 

Författaren föreslår att fler planteringsföretag anammar det andra alternativet att använda LED-lampor för att främja växttillväxt.

Först och främst har Kinas utomhusodling i växthus årtionden av stor omfattning och bred erfarenhet, både i söder och norr. Landet har en god grund inom växthusodlingsteknik och tillhandahåller ett stort antal färska frukter och grönsaker på marknaden för omgivande städer. Särskilt inom områdena jord, vatten och gödselplantering har omfattande forskningsresultat uppnåtts.

För det andra kan den här typen av kompletterande belysningslösning kraftigt minska onödig energiförbrukning och samtidigt effektivt öka avkastningen av frukt och grönsaker. Dessutom är Kinas stora geografiska område mycket bekvämt för marknadsföring.

Som den vetenskapliga forskningen kring LED-växtbelysning ger den också en bredare experimentell bas för den. Figur 7 visar en typ av LED-växtlampa som utvecklats av detta forskarteam, vilken är lämplig för odling i växthus, och dess spektrum visas i figur 8.

Figur 7, En sorts LED-växtlampa

Figur 8, spektrum för en typ av LED-växtlampa

Enligt ovanstående designidéer genomförde forskargruppen en serie experiment, och de experimentella resultaten är mycket betydande. Till exempel, för odlingsbelysning under plantskolan, användes originallampan en lysrörslampa med en effekt på 32 W och en plantskolecykel på 40 dagar. Vi tillhandahåller en 12 W LED-lampa, som förkortar plantcykeln till 30 dagar, effektivt minskar temperaturpåverkan från lamporna i plantverkstaden och sparar energi från luftkonditioneringen. Plantornas tjocklek, längd och färg är bättre än den ursprungliga plantodlingslösningen. För plantor av vanliga grönsaker har också goda verifieringsslutsatser erhållits, vilka sammanfattas i följande tabell.

Bland dem, den kompletterande ljusgruppen PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, och förhållandet mellan rött och blått: 0,6-0,7. Intervallet för PPFD-värdet under dagtid för den naturliga gruppen var 40~800 μmol·m-2·s-1, och förhållandet mellan rött och blått var 0,6~1,2. Det kan ses att ovanstående indikatorer är bättre än de för naturligt odlade plantor.

Slutsats

Den här artikeln presenterar den senaste utvecklingen inom tillämpningen av LED-växtlampor i växtodling och påpekar vissa missförstånd kring tillämpningen av LED-växtlampor i växtodling. Slutligen presenteras tekniska idéer och scheman för utveckling av LED-växtlampor som används för växtodling. Det bör påpekas att det också finns vissa faktorer som måste beaktas vid installation och användning av lampan, såsom avståndet mellan lampan och växten, lampans bestrålningsområde och hur man applicerar ljuset med vanligt vatten, gödningsmedel och jord.

Författare: Yi Wang et al. Källa: CNKI