Sissejuhatus

Valgus mängib taimede kasvuprotsessis võtmerolli.See on parim väetis, mis soodustab taimede klorofülli imendumist ja erinevate taimede kasvuomaduste, näiteks karoteeni, imendumist.Otsustavaks teguriks, mis määrab taimede kasvu, on aga kõikehõlmav tegur, mis ei ole seotud ainult valgusega, vaid on lahutamatu ka vee, mulla ja väetise konfiguratsioonist, kasvukeskkonna tingimustest ja igakülgsest tehnilisest kontrollist.

Viimase kahe või kolme aasta jooksul on pooljuhtvalgustustehnoloogia rakendamise kohta kolmemõõtmeliste taimetehaste või taimede kasvu kohta avaldatud lõputult aruandeid.Kuid pärast selle hoolikat lugemist on alati mingi ebamugav tunne.Üldiselt puudub tegelik arusaam sellest, millist rolli peaks valgus taimede kasvus mängima.

Esiteks 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 ulatub 380 kuni 780 nm.Organismide kasv looduses on seotud spektri intensiivsusega.Näiteks enamik taimi ekvaatori lähedal kasvavad väga kiiresti ja samas on nende kasvu suurus suhteliselt suur.Kuid päikesekiirguse kõrge intensiivsus ei ole alati parem ning loomade ja taimede kasvu suhtes on teatud selektiivsus.

Joonis 1, Päikese spektri ja selle nähtava valguse spektri omadused

Teiseks on joonisel 2 näidatud taimede kasvu mitme peamise neeldumiselemendi teine ​​spektridiagramm.

Joonis 2. Mitmete auksiinide neeldumisspektrid taimekasvus

Jooniselt 2 on näha, et mitmete taimekasvu mõjutavate võtmeauksiinide valguse neeldumisspektrid on oluliselt erinevad.Seetõttu pole LED-taimede kasvutulede kasutamine lihtne, vaid väga sihipärane.Siin on vaja tutvustada kahe kõige olulisema fotosünteetilise taimekasvu elemendi mõistet.

• Klorofüll

Klorofüll on üks olulisemaid fotosünteesiga seotud pigmente.Seda leidub kõigis organismides, mis võivad luua fotosünteesi, 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 varjus kasvamisega kohaneda.Klorofüll a on sinakasroheline ja klorofüll b kollakasroheline.Klorofülli a ja klorofüll b tugevat neeldumist on kaks, 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.Siiani on avastatud üle 600 loodusliku karotenoidi.

Karotenoidide valguse neeldumine hõlmab vahemikku OD303–505 nm, mis annab toidule värvi ja mõjutab keha toidutarbimist.Vetikates, taimedes ja mikroorganismides on selle värvus kaetud klorofülliga ja ei saa ilmuda.Taimerakkudes toodetud karotenoidid mitte ainult neelavad ja edastavad energiat, et aidata kaasa fotosünteesile, vaid neil on ka funktsioon, mis kaitseb rakke ergastatud üheelektronilise sideme hapnikumolekulide poolt hävitamise eest.

Mõned kontseptuaalsed arusaamatused

Olenemata energiasäästuefektist, valguse selektiivsusest ja valguse koordineerimisest on pooljuhtvalgustus näidanud suuri eeliseid.Viimase kahe aasta kiirest arengust oleme aga näinud ka palju arusaamatusi valguse kujundamisel ja rakendamisel, mis peegelduvad peamiselt järgmistes aspektides.

①Kuni teatud lainepikkusega punased ja sinised laastud on kombineeritud teatud vahekorras, saab neid kasutada taimekasvatuses, näiteks punase ja sinise suhe on 4:1, 6:1, 9:1 jne. peal.

②Seni, kuni see on valge valgus, võib see asendada päikesevalgust, näiteks Jaapanis laialdaselt kasutatav kolme peamise valge valguse toru jne. Nende spektrite kasutamisel on taimede kasvule teatav mõju, kuid mõju on mitte nii hea kui LED-i valgusallikas.

③Seni, kuni PPFD (valguse kvantvoo tihedus), mis on oluline valgustuse parameeter, saavutab teatud indeksi, näiteks on PPFD suurem kui 200 μmol·m-2·s-1.Seda indikaatorit kasutades tuleb aga tähelepanu pöörata sellele, kas tegemist on varju- või päikesetaimega.Peate küsima või leidma nende taimede valguskompensatsiooni küllastuspunkti, mida nimetatakse ka valguse kompensatsioonipunktiks.Tegelike rakenduste korral on seemikud sageli põletatud või närbunud.Seetõttu tuleb selle parameetri kujundus kujundada vastavalt taimeliigile, kasvukeskkonnale ja tingimustele.

Seoses esimese aspektiga, nagu sissejuhatuses tutvustati, peaks taimede kasvuks vajalik spekter olema pidev spekter, millel on kindel jaotuslaius.Ilmselgelt on kohatu kasutada valgusallikat, mis on valmistatud kahest kindlast lainepikkusega punasest ja sinisest väga kitsa spektriga kiibist (nagu on näidatud joonisel 3(a).Katsetes selgus, et taimed kipuvad olema kollakad, lehevarred väga heledad ja lehevarred väga peenikesed.

Varasematel aastatel tavaliselt kasutatud kolme põhivärviga luminofoorlampide puhul, kuigi sünteesitakse valget, on punane, roheline ja sinine spektrid eraldatud (nagu on näidatud joonisel 3(b)) ning spektri laius on väga kitsas.Järgneva pideva osa spektraalne intensiivsus on suhteliselt nõrk ja võimsus on võrreldes LED-idega siiski suhteliselt suur, 1,5-3 korda suurem energiakulu.Seetõttu pole kasutusefekt nii hea kui LED-tuledel.

Joonis 3, punase ja sinise kiibiga LED taimevalgus ja kolme põhivärvi fluorestsentsvalgusspekter

PPFD on valguse kvantvoo tihedus, mis viitab valguse efektiivsele kiirguse valgusvoo tihedusele fotosünteesis, mis tähistab taimede lehtede vartele langevate valguskvantide koguarvu lainepikkuste vahemikus 400–700 nm aja- ja pindalaühiku kohta. .Selle ühik on μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).Fotosünteetiliselt aktiivne kiirgus (PAR) viitab kogu päikesekiirgusele, mille lainepikkus jääb vahemikku 400–700 nm.Seda saab väljendada kas valguskvantide või kiirgusenergiaga.

Varem oli illuminomeetri peegeldatud valguse intensiivsus heledus, kuid taimede kasvuspekter muutub, kuna valgusti kõrgus taimest, valguse katvus ja kas valgus läbib lehti.Seetõttu ei ole fotosünteesi uurimisel täpne kasutada valgustugevuse indikaatorina par-i.

Üldiselt saab fotosünteesi mehhanismi käivitada, kui päikest armastava taime PPFD on suurem kui 50 μmol·m-2·s-1, samas kui varjulise taime PPFD vajab ainult 20 μmol·m-2·s-1 .Seetõttu saate LED-kasvuvalgustite ostmisel valida LED-kasvuvalgustite arvu selle kontrollväärtuse ja istutatavate taimede tüübi järgi.Näiteks kui ühe LED-i lght PPFD on 20 μmol·m-2·s-1, on päikest armastavate taimede kasvatamiseks vaja rohkem kui 3 LED taimesibulat.

Mitmed pooljuhtvalgustuse disainilahendused

Taimede kasvatamiseks või istutamiseks kasutatakse pooljuhtvalgustust ning põhilisi võrdlusmeetodeid on kaks.

• Praegu on Hiinas siseruumides istutamise mudel väga kuum.Sellel mudelil on mitmeid omadusi:

①LED-tulede roll on pakkuda kogu taimevalgustuse spektrit ja valgustussüsteem peab tagama kogu valgustusenergia ning tootmiskulud on suhteliselt kõrged;
② LED-kasvutulede projekteerimisel tuleb arvestada spektri järjepidevust ja terviklikkust;
③Tuleb tõhusalt kontrollida valgustusaega ja valgustuse intensiivsust, näiteks lasta taimedel paar tundi puhata, kiirituse intensiivsus ei ole piisav või liiga tugev jne;
④Kogu protsess peab jäljendama tingimusi, mida nõuab taimede tegelik optimaalne kasvukeskkond õues, nagu niiskus, temperatuur ja CO2 kontsentratsioon.

• Õues istutusrežiim hea välikasvuhoone istutusvundamendiga.Selle mudeli omadused on järgmised:

①LED-tulede roll on valgust täiendada.Üks on valguse intensiivsuse suurendamine sinistes ja punastes piirkondades päikesevalguse kiiritamise ajal päevasel ajal, et soodustada taimede fotosünteesi, ja teine ​​on taimede kasvukiiruse soodustamiseks kompenseerida öösel päikesevalguse puudumist.
② Täiendav valgus peab arvestama, millises kasvufaasis taim on, näiteks seemikute perioodil või õitsemis- ja viljaperiood.

Seetõttu peaks LED-taimede kasvuvalgustite disainil esmalt olema kaks põhilist disainirežiimi, nimelt 24h valgustus (siseruumides) ja taimekasvu lisavalgustus (väljas).Toataimede kasvatamiseks tuleb LED-valgustite projekteerimisel arvestada kolme aspektiga, nagu on näidatud joonisel 4. Laastud ei ole võimalik pakendada kindlas vahekorras kolme põhivärviga.

Joonis 4, siseruumides kasutatavate LED-taimede valgustustulede kujundusidee ööpäevaringseks valgustuseks

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

Joonis 5, LED-siselasteaia perioodiks sobivad spektraalstruktuurid

Teist tüüpi LED-kasvuvalgustite disainimisel on see suunatud peamiselt valguse lisamise disainilahendusele, et soodustada välikasvuhoone aluse istutamist.Disainiidee on näidatud joonisel 6.

Joonis 6. Õues kasvavate valgustite disainiideed 

Autor soovitab, et rohkem istutusettevõtteid võtaks kasutusele teise võimaluse kasutada taimede kasvu soodustamiseks LED-tulesid.

Esiteks on Hiina välikasvuhoonekasvatusel aastakümneid suur hulk ja laialdased kogemused nii lõunas kui ka põhjas.Sellel on hea alus kasvuhoonekasvatustehnoloogiale ning see pakub ümbritsevatele linnadele turul palju värskeid puu- ja köögivilju.Eriti mulla- ja vee- ning väetise külvamise vallas on tehtud rikkalikke uurimistulemusi.

Teiseks võib selline lisavalgustuslahendus oluliselt vähendada tarbetut energiatarbimist ning samal ajal tõhusalt suurendada puu- ja juurviljade saaki.Lisaks on Hiina suur geograafiline piirkond reklaamimiseks väga mugav.

LED-taimevalgustuse teadusliku uurimistööna annab see ka laiema eksperimentaalse baasi.Joonis 7 on selle uurimisrühma poolt välja töötatud LED-kasvuvalgusti, mis sobib kasvuhoones kasvatamiseks ja mille spekter on näidatud joonisel 8.

Joonis 7, omamoodi LED kasvuvalgus

Joonis 8, LED-i kasvuvalguse spekter

Ülaltoodud disainiideede kohaselt viis uurimisrühm läbi mitmeid katseid ja katsetulemused on väga märkimisväärsed.Näiteks lasteaia ajal kasvuvalguse jaoks on algselt kasutatud luminofoorlampi, mille võimsus on 32 W ja lasteaiatsükkel 40 päeva.Pakume 12 W LED-valgustit, mis lühendab seemikute tsüklit 30 päevani, vähendab tõhusalt seemikute töökoja lampide temperatuuri mõju ja säästab konditsioneeri energiatarbimist.Seemikute paksus, pikkus ja värvus on paremad kui algne istikute kasvatamise lahendus.Tavaliste köögiviljade seemikute kohta on tehtud ka head kontrollijäreldused, mis on kokku võetud järgmises tabelis.

Nende hulgas on lisavalgusrühm 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 istikutel.

Järeldus

See artikkel tutvustab uusimaid arenguid LED-valgustite rakendamisel taimekasvatuses ja toob välja mõned arusaamatused LED-valgustite kasutamisel taimekasvatuses.Lõpetuseks tutvustatakse tehnilisi ideid ja skeeme taimekasvatuses kasutatavate LED-kasvuvalgustite arendamiseks.Tuleb märkida, et valguse paigaldamisel ja kasutamisel tuleb arvesse võtta ka mõningaid tegureid, näiteks valguse ja taime vaheline kaugus, lambi kiirgusulatus ja valguse kasutamine. tavaline vesi, väetis ja muld.

Autor: Yi Wang et al.Allikas: CNKI