Introduktion

Ljus spelar en nyckelroll i processen för växttillväxt.Det är det bästa gödselmedlet för att främja absorptionen av växtklorofyll och absorptionen av olika växttillväxtkvaliteter som karoten.Den avgörande faktorn som bestämmer växternas tillväxt är dock en heltäckande 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 oändliga rapporter om tillämpningen av halvledarbelysningsteknik när det gäller tredimensionella växtfabriker eller växttillväxt.Men efter att ha läst den noggrant finns det alltid någon orolig känsla.Generellt sett finns det ingen verklig förståelse för vilken roll ljus bör spela i växternas tillväxt.

Låt oss först förstå solens spektrum, som visas i figur 1. Det kan ses att solspektrumet är ett kontinuerligt spektrum, där det blå och gröna spektrumet är starkare än det röda spektrumet, och det synliga ljusspektrumet sträcker sig 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 väldigt snabbt, och samtidigt är storleken på deras tillväxt relativt stor.Men den höga intensiteten av solens strålning är inte alltid bättre, och det finns en viss grad av selektivitet för tillväxten av djur och växter.

Figur 1, Karakteristiken för solspektrumet och dess spektrum av synligt ljus

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

Figur 2, Absorptionsspektra för flera auxiner i växttillväxt

Det kan ses från figur 2 att ljusabsorptionsspektra för flera viktiga auxiner som påverkar växttillväxten är signifikant olika.Därför är tillämpningen av LED-växtljus inte en enkel sak, utan mycket målinriktad.Här är det nödvändigt att introducera begreppen 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 främst 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 absorptioner av 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 intag av mat.Hos alger, växter och mikroorganismer är dess färg täckt av klorofyll och kan inte visas.I växtceller absorberar och överför de producerade karotenoiderna inte bara energi för att hjälpa fotosyntesen, utan har också funktionen att skydda celler från att förstöras av exciterade enelektronbindningssyremolekyler.

Några begreppsmässiga missförstånd

Oavsett den energibesparande effekten, ljusets selektivitet och ljusets koordination har halvledarbelysning visat stora fördelar.Men från den snabba utvecklingen under de senaste två åren har vi också sett en hel del missförstånd i design och applicering av ljus, vilket främst återspeglas i följande aspekter.

①Så länge de röda och blå markerna 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 på.

②Så länge det är vitt ljus kan det ersätta solens ljus, såsom det tre-primära vita ljusröret som används allmänt i Japan, etc. Användningen av dessa spektrum har en viss effekt på växternas tillväxt, men effekten är inte lika bra som ljuskällan gjord av LED.

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

När det gäller den första aspekten, som infördes 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 primära färger som vanligen använts tidigare år, även om vitt syntetiseras, separeras de röda, gröna och blåa spektra (som visas i figur 3(b)), och bredden på spektrumet är mycket smal.Den spektrala intensiteten för följande kontinuerliga del 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 chip LED-växtljus och tre-primärfärgs fluorescerande ljusspektrum

PPFD är ljuskvantflödestätheten, som hänvisar till ljusets effektiva strålningsljusflödestäthet i fotosyntesen, vilket representerar det totala antalet ljuskvanter som faller in på växtbladstamlar i våglängdsområdet 400 till 700 nm per tidsenhet och enhetsarea. .Dess enhet är μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).Den fotosyntetiskt aktiva strålningen (PAR) avser den totala solstrålningen med en våglängd i intervallet 400 till 700 nm.Det kan uttryckas antingen genom ljuskvanta eller genom strålningsenergi.

Tidigare var ljusintensiteten som reflekterades av illuminometern ljusstyrka, men spektrumet av växttillväxt förändras på grund av höjden på armaturen från växten, ljustäckningen och om ljuset kan passera genom löven.Därför är det inte korrekt att använda par som en indikator på ljusintensitet i studiet av fotosyntes.

I allmänhet kan fotosyntesmekanismen initieras när PPFD för den solälskande växten är större än 50 μmol·m-2·s-1, medan PPFD för den skuggiga växten bara behöver 20 μmol·m-2·s-1 .När du köper LED-odlingslampor kan du därför välja antalet LED-odlingslampor baserat på detta referensvärde och vilken typ av växter du planterar.Till exempel, om PPFD för en enda LED-ljus är 20 μmol·m-2·s-1, krävs mer än 3 LED-växtlampor för att odla solälskande växter.

Flera designlösningar av halvledarbelysning

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

• För närvarande är inomhusplanteringsmodellen väldigt het i Kina.Denna modell har flera egenskaper:

① LED-lampornas roll är att tillhandahålla hela spektrat av växtbelysning, och belysningssystemet krävs för att tillhandahålla all belysningsenergi, och produktionskostnaden är relativt hög;
②Utformningen av LED-odlingslampor måste beakta kontinuiteten och integriteten hos spektrumet;
③Det är nödvändigt att effektivt kontrollera belysningstiden och ljusintensiteten, som att låta växterna vila i några timmar, intensiteten på bestrålningen är inte 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 växthusplanteringsgrund utomhus.Egenskaperna för denna modell är:

① LED-lampornas roll är att komplettera ljuset.Den ena är att öka ljusintensiteten i de blå och röda områdena under bestrålning av solljus under dagen för att främja fotosyntes av växter, och den andra är att kompensera när det inte finns något solljus på natten för att främja växternas tillväxthastighet
②Det kompletterande ljuset måste överväga vilket tillväxtstadium växten befinner sig i, såsom planteringsperioden eller blomnings- och fruktperioden.

Därför bör designen av LED-växtlampor först ha två grundläggande designlägen, nämligen 24-timmarsbelysning (inomhus) och växttillväxtbelysning (utomhus).För inomhusodling av växter måste designen av LED-odlingslampor ta hänsyn till tre aspekter, som visas i figur 4. Det är inte möjligt att förpacka chipsen med tre primärfärger i en viss proportion.

Figur 4, Designidén med att använda LED-växtförstärkningslampor inomhus för 24-timmarsbelysning

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

Figur 5, Spektralstrukturer lämpliga för LED inomhusperioder

För utformningen av den andra typen av LED-odlingsljus syftar den främst till designlösningen för att komplettera ljus för att främja plantering i basen av utomhusväxthuset.Designidén visas i figur 6.

Figur 6, Designidéer för odlingslampor utomhus 

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

Först och främst har Kinas växthusodling utomhus årtionden en stor mängd och ett brett utbud av erfarenhet, både i söder och norr.Den har en bra grund för växthusodlingsteknik och tillhandahåller ett stort antal färska frukter och grönsaker på marknaden för omgivande städer.Särskilt inom området jord och vatten och gödselplantering har rika forskningsresultat gjorts.

För det andra kan denna typ av kompletterande ljuslösning avsevärt minska onödig förbrukning av energi och samtidigt effektivt öka utbytet av frukt och grönsaker.Dessutom är Kinas stora geografiska område mycket bekvämt för marknadsföring.

Som den vetenskapliga forskningen av LED-växtbelysning ger den också en bredare experimentell bas för den.Fig. 7 är ett slags LED-odlingsljus utvecklat av detta forskarteam, som är lämpligt för odling i växthus, och dess spektrum visas i Fig. 8.

Figur 7, Ett slags LED-växtljus

Figur 8, spektrum av ett slags LED-växtljus

Enligt ovanstående designidéer genomförde forskargruppen en serie experiment, och de experimentella resultaten är mycket betydande.Till exempel, för odlingsljus under barnrummet, är den ursprungliga lampan som används en lysrör med en effekt på 32 W och en plantskola på 40 dagar.Vi tillhandahåller ett 12 W LED-ljus, som förkortar planteringscykeln till 30 dagar, minskar effektivt inverkan av lampornas temperatur i planteringsverkstaden och sparar strömförbrukningen för luftkonditioneringen.Tjockleken, längden och färgen på plantorna är bättre än den ursprungliga lösningen för plantuppfödning.För plantorna 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 röd-blått: 0,6-0,7.Intervallet för PPFD-värdet på 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 för naturligt odlade plantor.

Slutsats

Den här artikeln introducerar den senaste utvecklingen inom tillämpningen av LED-odlingslampor i växtodling, och påpekar några missförstånd i tillämpningen av LED-odlingsljus i växtodling.Slutligen introduceras de tekniska idéerna och systemen för utveckling av LED-odlingslampor som används för växtodling.Det bör påpekas att det också finns några faktorer som måste beaktas vid installation och användning av ljuset, såsom avståndet mellan ljuset och växten, lampans strålningsområde och hur man applicerar ljuset med normalt vatten, gödningsmedel och jord.

Författare: Yi Wang et al.Källa: CNKI