Sissejuhatus

Valgusel on taimede kasvuprotsessis võtmeroll. See on parim väetis taimeklorofülli ja mitmesuguste taimekasvuomaduste, näiteks karoteeni, imendumise soodustamiseks. Taimede kasvu määrav tegur on aga terviklik tegur, mis ei ole seotud ainult valgusega, vaid on lahutamatult seotud ka vee, pinnase ja väetise konfiguratsiooniga, kasvukeskkonna tingimustega ja põhjaliku tehnilise kontrolliga.

Viimase kahe või kolme aasta jooksul on lõputult avaldatud teateid pooljuhtvalgustustehnoloogia rakendamisest kolmemõõtmelistes taimevabrikutes või taimede kasvus. Kuid pärast hoolikat lugemist jääb alati ebamugav tunne. Üldiselt puudub tegelik arusaam sellest, millist rolli peaks valgus taimede kasvus mängima.

Kõigepealt mõistame päikese spektrit, nagu on näidatud joonisel 1. On näha, et päikese spekter on pidev spekter, milles sinine ja roheline spekter on tugevamad kui punane spekter ning nähtava valguse spekter jääb vahemikku 380–780 nm. Organismide kasv looduses on seotud spektri intensiivsusega. Näiteks enamik ekvaatori lähedal asuvaid taimi kasvab väga kiiresti ja samal ajal on nende kasv suhteliselt suur. Kuid päikesekiirguse kõrge intensiivsus ei ole alati parem ning loomade ja taimede kasvuks on teatav selektiivsus.

Joonis 1. Päikesespektri ja selle nähtava valguse spektri omadused

Teiseks on joonisel 2 näidatud taimekasvu mitme peamise neeldumiselemendi teine ​​spektraagramm.

Joonis 2. Mitme auksiini neeldumisspektrid taimekasvus

Jooniselt 2 on näha, et mitmete taimede kasvu mõjutavate võtmetähtsusega auksiinide valguse neeldumisspektrid on oluliselt erinevad. Seetõttu pole LED-taimekasvulampide rakendamine lihtne, vaid väga sihipärane. Siinkohal on vaja tutvustada kahe kõige olulisema fotosünteesiva taimekasvuelemendi mõisteid.

• Klorofüll

Klorofüll on üks olulisemaid fotosünteesiga seotud pigmente. Seda leidub kõigis organismides, mis on võimelised fotosünteesi tegema, sealhulgas rohelistes taimedes, prokarüootsetes sinivetikates (tsüanobakterites) ja eukarüootsetes vetikates. Klorofüll neelab valgusest energiat, mida seejärel kasutatakse süsinikdioksiidi muundamiseks süsivesikuteks.

Klorofüll a neelab peamiselt punast valgust ja klorofüll b peamiselt sinivioletset valgust, peamiselt selleks, et eristada varjutaimi päikesetaimedest. Varjutaimede klorofüll b ja klorofüll a suhe on väike, seega saavad varjutaimed sinist valgust tugevalt kasutada ja kohaneda varjus kasvamisega. Klorofüll a on sinakasroheline ja klorofüll b kollakasroheline. Klorofüll a ja klorofüll b neelduvad tugevalt kahel viisil: üks punases piirkonnas lainepikkusega 630–680 nm ja teine ​​sinakasvioletses piirkonnas lainepikkusega 400–460 nm.

• Karotenoidid

Karotenoidid on üldnimetus oluliste looduslike pigmentide klassi kohta, mida leidub tavaliselt loomade, kõrgemate taimede, seente ja vetikate kollastes, oranžikaspunastes või punastes pigmentides. Praeguseks on avastatud üle 600 loodusliku karotenoidi.

Karotenoidide valguse neeldumine hõlmab vahemikku OD303–505 nm, mis annab toidule värvi ja mõjutab organismi toidu omastamist. Vetikates, taimedes ja mikroorganismides on selle värvus kaetud klorofülliga ja ei pruugi ilmneda. Taimerakkudes toodetud karotenoidid mitte ainult ei neela ja kanna energiat fotosünteesi abistamiseks, vaid neil on ka ülesanne kaitsta rakke ergastatud üheelektronsidemega hapnikumolekulide hävimise eest.

Mõned kontseptuaalsed arusaamatused

Vaatamata energiasäästuefektile, valguse selektiivsusele ja valguse koordineerimisele on pooljuhtvalgustus näidanud suuri eeliseid. Viimase kahe aasta kiire arenguga oleme aga näinud ka palju arusaamatusi valguse disainis ja rakendamises, mis kajastuvad peamiselt järgmistes aspektides.

①Niikaua kui teatud lainepikkusega punased ja sinised kiibid on ühendatud teatud vahekorras, saab neid kasutada taimekasvatuses, näiteks punase ja sinise suhe on 4:1, 6:1, 9:1 jne.

2. Niikaua kui see on valge valgus, võib see asendada päikesevalgust, näiteks Jaapanis laialdaselt kasutatavat kolme primaarset valget valgustoru jne. Nende spektrite kasutamisel on teatav mõju taimede kasvule, kuid mõju pole nii hea kui LED-valgusallikal.

③Niikaua kui PPFD (valguse kvantvoo tihedus), mis on oluline valgustuse parameeter, saavutab teatud indeksi, näiteks PPFD on suurem kui 200 μmol·m-2·s-1. Selle indikaatori kasutamisel tuleb aga pöörata tähelepanu sellele, kas tegemist on varju- või päikesetaimega. On vaja pärida või leida nende taimede valguse kompenseerimise küllastuspunkt, mida nimetatakse ka valguse kompenseerimise punktiks. Tegelikkuses seemikud sageli kõrbevad või närbuvad. Seetõttu tuleb selle parameetri disain kujundada vastavalt taimeliigile, kasvukeskkonnale ja tingimustele.

Mis puutub esimesse aspekti, siis nagu sissejuhatuses mainitud, peaks taimede kasvuks vajalik spekter olema pidev spekter teatud jaotuslaiusega. Ilmselgelt on sobimatu kasutada valgusallikat, mis koosneb kahest kindla lainepikkusega punasest ja sinisest kiibist, millel on väga kitsas spekter (nagu on näidatud joonisel 3(a)). Katsetes leiti, et taimed kipuvad olema kollakad, lehtede varred on väga heledad ja lehtede varred on väga õhukesed.

Varasematel aastatel tavaliselt kasutatud kolme põhivärviga luminofoorlampide puhul on küll sünteesitud valge värv, kuid punase, rohelise ja sinise spektri eraldamine on keeruline (nagu on näidatud joonisel 3(b)) ja spektri laius on väga kitsas. Järgneva pideva osa spektraalne intensiivsus on suhteliselt nõrk ja energiatarve on LED-idega võrreldes siiski suhteliselt suur, 1,5–3 korda suurem. Seetõttu pole kasutusefekt nii hea kui LED-lampidel.

Joonis 3. Punase ja sinise kiibiga LED-taimevalgusti ja kolme põhivärvi luminofoorlambi spekter

PPFD on valguskvantvoo tihedus, mis viitab fotosünteesi käigus tekkivale efektiivsele valgusvoo tihedusele, mis esindab taime lehevartele langevate valguskvantide koguarvu lainepikkuste vahemikus 400–700 nm ajaühiku ja pindalaühiku kohta. Selle ühik on μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosünteetiliselt aktiivne kiirgus (PAR) viitab päikesekiirguse koguhulgale lainepikkuste vahemikus 400–700 nm. Seda saab väljendada kas valguskvantide või kiirgusenergia abil.

Varem oli illuminomeetri peegelduva valguse intensiivsus heledus, kuid taime kasvuspekter muutub taimest lambi kõrguse, valgusulatuse ja lehtede läbilaskvuse tõttu. Seetõttu ei ole fotosünteesi uurimisel valguse intensiivsuse indikaatorina par-i kasutamine täpne.

Üldiselt saab fotosünteesi mehhanismi käivitada siis, kui päikest armastava taime PPFD on suurem kui 50 μmol·m-2·s-1, samas kui varjulise taime PPFD vajab vaid 20 μmol·m-2·s-1. Seega saate LED-kasvulampide ostmisel valida LED-kasvulampide arvu selle kontrollväärtuse ja istutatavate taimede tüübi põhjal. Näiteks kui ühe LED-lambi PPFD on 20 μmol·m-2·s-1, on päikest armastavate taimede kasvatamiseks vaja rohkem kui 3 LED-taimepirni.

Mitmed pooljuhtvalgustuse disainilahendused

Pooljuhtvalgustust kasutatakse taimede kasvatamiseks või istutamiseks ning selleks on kaks peamist võrdlusmeetodit.

• Praegu on Hiinas siseruumides istutamise mudel väga populaarne. Sellel mudelil on mitu omadust:

1. LED-tulede roll on pakkuda kogu taimevalgustuse spektrit ning valgustussüsteem peab tagama kogu valgustusenergia ja tootmiskulud on suhteliselt kõrged;
②LED-kasvulampide disainimisel tuleb arvestada spektri järjepidevuse ja terviklikkusega;
③Valgustusaega ja -intensiivsust on vaja tõhusalt kontrollida, näiteks lastes taimedel paar tundi puhata, kiirguse intensiivsus ei ole piisav või on liiga tugev jne.;
④Kogu protsess peab jäljendama taimede optimaalse kasvukeskkonna tingimusi õues, näiteks niiskust, temperatuuri ja CO2 kontsentratsiooni.

• Välistingimustes istutamise režiim hea välistingimustes kasvuhoones istutamise vundamendiga. Selle mudeli omadused on järgmised:

①LED-tulede ülesanne on valgust täiendada. Üks on suurendada valguse intensiivsust sinistes ja punastes piirkondades päevase päikesevalguse käes, et soodustada taimede fotosünteesi, ja teine ​​on kompenseerida öist päikesevalguse puudumist, et soodustada taimede kasvukiirust.
②Lisavalguse valimisel tuleb arvestada taime kasvufaasiga, näiteks seemikute kasvuperioodi või õitsemis- ja viljakandeperioodiga.

Seetõttu peaks LED-taimekasvulampide disainimisel esmalt olema kaks peamist disainirežiimi: 24-tunnine valgustus (siseruumides) ja taimekasvu toetav valgustus (õues). Toataimede kasvatamiseks tuleb LED-kasvulampide disainimisel arvestada kolme aspektiga, nagu on näidatud joonisel 4. Kolme põhivärvi kiipe ei ole võimalik teatud proportsioonis pakendada.

Joonis 4. Siseruumides kasutatavate LED-taimede võimendusvalgustite disainiidee 24-tunniseks valgustuseks

Näiteks lasteaia staadiumis oleva spektri puhul, arvestades, et see peab tugevdama juurte ja varte kasvu, tugevdama lehtede hargnemist ja valgusallikat kasutatakse siseruumides, saab spektri kujundada nii, nagu on näidatud joonisel 5.

Joonis 5. LED-valgustusega siseruumides lasteaiaperioodiks sobivad spektraalstruktuurid

Teist tüüpi LED-kasvulampide disainimisel on peamine eesmärk pakkuda lisavalgust, et soodustada taimede kasvuhoone aluses. Disainiidee on näidatud joonisel 6.

Joonis 6. Välistingimustes kasutatavate kasvulampide disainiideed 

Autor soovitab, et rohkem istutusfirmasid valiksid teise variandi, kasutades taimede kasvu soodustamiseks LED-tulesid.

Esiteks on Hiinal nii lõunas kui ka põhjas aastakümnete pikkune ja laialdane kogemus kasvuhoonekasvatuses. Riigil on hea kasvuhoonekasvatustehnoloogia alus ning see pakub ümbritsevatele linnadele turule suurt hulka värskeid puu- ja köögivilju. Eriti mulla, vee ja väetise istutamise valdkonnas on tehtud rikkalikke uurimistulemusi.

Teiseks, selline lisavalgustuslahendus võib oluliselt vähendada ebavajalikku energiatarbimist ja samal ajal tõhusalt suurendada puu- ja köögiviljade saagikust. Lisaks on Hiina ulatuslik geograafiline piirkond reklaamimiseks väga mugav.

LED-taimevalgustuse teadusliku uurimistööna pakub see ka laiemat eksperimentaalset baasi. Joonisel 7 on kujutatud selle uurimisrühma poolt välja töötatud LED-kasvulampi, mis sobib kasvuhoonetes kasvatamiseks, ja selle spekter on näidatud joonisel 8.

Joonis 7. LED-kasvulampide tüüp

Joonis 8, teatud tüüpi LED-kasvulambi spekter

Ülaltoodud disainiideede kohaselt viis uurimisrühm läbi rea katseid ja katsetulemused on väga märkimisväärsed. Näiteks puukooli kasvuvalgustuseks kasutati algselt 32 W luminofoorlampi, mille tsükkel oli 40 päeva. Meie pakume 12 W LED-lampi, mis lühendab seemikute tsüklit 30 päevani, vähendab tõhusalt seemikute töökoja lampide temperatuuri mõju ja säästab kliimaseadme energiatarbimist. Seemikute paksus, pikkus ja värvus on paremad kui algsel seemikute kasvatuslahendusel. Harilike köögiviljade seemikute puhul on saadud ka häid kontrollitulemusi, mis on kokku võetud järgmises tabelis.

Nende hulgas oli täiendava valgusrühma PPFD: 70–80 μmol·m-2·s-1 ja punase-sinise suhe: 0,6–0,7. Loodusliku rühma päevase PPFD väärtuse vahemik oli 40–800 μmol·m-2·s-1 ning punase ja sinise suhe oli 0,6–1,2. On näha, et ülaltoodud näitajad on paremad kui looduslikult kasvanud seemikutel.

Kokkuvõte

See artikkel tutvustab uusimaid arenguid LED-kasvulampide kasutamisel taimekasvatuses ja juhib tähelepanu mõnele arusaamatusele LED-kasvulampide kasutamisel taimekasvatuses. Lõpuks tutvustatakse taimekasvatuses kasutatavate LED-kasvulampide arendamise tehnilisi ideid ja skeeme. Tuleb märkida, et lampide paigaldamisel ja kasutamisel tuleb arvestada ka mõningate teguritega, näiteks lampide ja taime vaheline kaugus, lambi kiirgusulatus ning see, kuidas valgustit tavalise vee, väetise ja mullaga kasutada.

Autor: Yi Wang et al. Allikas: CNKI