Indledning

Lys spiller en nøglerolle i processen med plantevækst. Det er den bedste gødning til at fremme absorptionen af ​​planteklorofyl og absorptionen af ​​forskellige plantevækstkvaliteter såsom caroten. Den afgørende faktor, der bestemmer væksten af ​​planter, er imidlertid en omfattende faktor, ikke kun relateret til lys, men også uadskillelig fra konfigurationen af ​​vand, jord og gødning, vækstmiljøforhold og omfattende teknisk kontrol.

I de sidste to eller tre år har der været uendelige rapporter om anvendelsen af ​​halvlederbelysningsteknologi vedrørende tredimensionelle plantefabrikker eller plantevækst. Men efter at have læst det omhyggeligt, er der altid en urolig følelse. Generelt set er der ingen reel forståelse af, hvilken rolle lys skal spille i plantevækst.

Lad os først forstå solens spektrum, som vist i figur 1. Det kan ses, at solspektret er et kontinuerligt spektrum, hvor det blå og grønne spektrum er stærkere end det røde spektrum, og det synlige lys spektrum spænder fra 380 til 780 nm. Væksten af ​​organismer i naturen er relateret til intensiteten af ​​spektret. For eksempel vokser de fleste planter i området nær ækvator meget hurtigt, og samtidig er størrelsen af ​​deres vækst relativt stor. Men den høje intensitet af solens bestråling er ikke altid desto bedre, og der er en vis grad af selektivitet for dyrs og planters vækst.

Figur 1, Karakteristika for solspektret og dets synlige lysspektrum

For det andet er det andet spektrumdiagram over flere vigtige absorptionselementer i plantevækst vist i figur 2.

Figur 2, Absorptionsspektre af flere auxiner i plantevækst

Det kan ses af figur 2, at lysabsorptionsspektrene for flere nøgle-auxiner, der påvirker plantevæksten, er væsentligt forskellige. Derfor er anvendelsen af ​​LED plantevækstlys ikke en enkel sag, men meget målrettet. Her er det nødvendigt at introducere begreberne for de to vigtigste fotosyntetiske plantevækstelementer.

• Klorofyl

Klorofyl er et af de vigtigste pigmenter relateret til fotosyntese. Det findes i alle organismer, der kan skabe fotosyntese, herunder grønne planter, prokaryote blågrønalger (cyanobakterier) og eukaryote alger. Klorofyl absorberer energi fra lys, som derefter bruges til at omdanne kuldioxid til kulhydrater.

Klorofyl a absorberer hovedsageligt rødt lys, og klorofyl b absorberer hovedsageligt blåviolet lys, hovedsageligt for at skelne skyggeplanter fra solplanter. Forholdet mellem klorofyl b og klorofyl a for skyggeplanter er lille, så skyggeplanter kan bruge blåt lys kraftigt og tilpasse sig at vokse i skygge. Klorofyl a er blågrønt, og klorofyl b er gulgrønt. Der er to stærke absorptioner af klorofyl a og klorofyl b, den ene i det røde område med en bølgelængde på 630-680 nm, og den anden i det blåviolette område med en bølgelængde på 400-460 nm.

• Carotenoider

Carotenoider er den generelle betegnelse for en klasse af vigtige naturlige pigmenter, som almindeligvis findes i gule, orange-røde eller røde pigmenter hos dyr, højere planter, svampe og alger. Indtil videre er mere end 600 naturlige carotenoider blevet opdaget.

Lysabsorptionen af ​​carotenoider dækker intervallet OD303~505 nm, som giver farven på maden og påvirker kroppens indtag af mad. I alger, planter og mikroorganismer er dens farve dækket af klorofyl og kan ikke optræde. I planteceller absorberer og overfører de producerede carotenoider ikke kun energi for at hjælpe fotosyntesen, men har også den funktion at beskytte cellerne mod at blive ødelagt af exciterede enkeltelektronbindingsoxygenmolekyler.

Nogle begrebsmæssige misforståelser

Uanset den energibesparende effekt, lysets selektivitet og koordineringen af ​​lys, har halvlederbelysning vist store fordele. Men fra de seneste to års rivende udvikling har vi også set en masse misforståelser i design og anvendelse af lys, som hovedsageligt afspejles i følgende aspekter.

①Så længe de røde og blå chips af en bestemt bølgelængde kombineres i et bestemt forhold, kan de bruges i plantedyrkning, for eksempel er forholdet mellem rød og blå 4:1, 6:1, 9:1 og så på.

②Så længe det er hvidt lys, kan det erstatte solens lys, såsom det tre-primære hvide lysrør, der er meget udbredt i Japan osv. Brugen af ​​disse spektrum har en vis effekt på planternes vækst, men effekten er ikke så god som lyskilden lavet af LED.

③Så længe PPFD (light quantum flux density), en vigtig parameter for belysning, når et bestemt indeks, for eksempel er PPFD større end 200 μmol·m-2·s-1. Men når du bruger denne indikator, skal du være opmærksom på, om det er en skyggeplante eller en solplante. Du skal forespørge eller finde lyskompensationsmætningspunktet for disse planter, som også kaldes lyskompensationspunktet. Ved faktiske anvendelser bliver frøplanter ofte brændt eller visnet. Derfor skal designet af denne parameter designes efter planteart, vækstmiljø og betingelser.

Med hensyn til det første aspekt, som introduceret i indledningen, bør det spektrum, der kræves til plantevækst, være et kontinuerligt spektrum med en vis fordelingsbredde. Det er naturligvis uhensigtsmæssigt at bruge en lyskilde lavet af to specifikke bølgelængdechips af rød og blå med et meget smalt spektrum (som vist i figur 3(a)). I forsøg har man fundet ud af, at planter har en tendens til at være gullige, bladstænglerne er meget lette, og bladstænglerne er meget tynde.

For lysstofrør med tre primære farver, der er almindeligt anvendt i tidligere år, er hvidt syntetiseret, de røde, grønne og blå spektre adskilt (som vist i figur 3(b)), og bredden af ​​spektret er meget smal. Den spektrale intensitet af den efterfølgende kontinuerlige del er relativt svag, og effekten er stadig relativt stor sammenlignet med LED'er, 1,5 til 3 gange energiforbruget. Derfor er brugseffekten ikke så god som LED-lys.

Figur 3, Rød og blå chip LED-plantelys og tre-primært farve fluorescerende lysspektrum

PPFD er lyskvantefluxtætheden, som refererer til lysets effektive strålingslysfluxtæthed i fotosyntese, som repræsenterer det samlede antal lyskvanter, der falder ind på plantebladstængler i bølgelængdeområdet fra 400 til 700 nm pr. tidsenhed og arealenhed. . Dens enhed er μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Den fotosyntetisk aktive stråling (PAR) refererer til den samlede solstråling med en bølgelængde i området 400 til 700 nm. Det kan udtrykkes enten ved lyskvanter eller ved strålingsenergi.

Tidligere var lysintensiteten, der reflekteredes af illuminometeret, lysstyrke, men plantevækstspektret ændrer sig på grund af højden af ​​lysarmaturen fra planten, lysdækningen og om lyset kan passere gennem bladene. Derfor er det ikke nøjagtigt at bruge par som en indikator for lysintensitet i studiet af fotosyntese.

Generelt kan fotosyntesemekanismen initieres, når den solelskende plantes PPFD er større end 50 μmol·m-2·s-1, mens den skyggefulde plantes PPFD kun behøver 20 μmol·m-2·s-1 . Derfor kan du, når du køber LED-dyrelys, vælge antallet af LED-dyrelys baseret på denne referenceværdi og den type planter, du planter. For eksempel, hvis PPFD for en enkelt LED-lyskilde er 20 μmol·m-2·s-1, kræves der mere end 3 LED-planteløg for at dyrke solelskende planter.

Flere designløsninger af halvlederbelysning

Halvlederbelysning bruges til plantevækst eller plantning, og der er to grundlæggende referencemetoder.

• På nuværende tidspunkt er indendørs plantningsmodellen meget varm i Kina. Denne model har flere egenskaber:

① LED-lysets rolle er at levere hele spektret af plantebelysning, og belysningssystemet er påkrævet for at levere al belysningsenergi, og produktionsomkostningerne er relativt høje;
② Designet af LED-vokselys skal tage højde for kontinuiteten og integriteten af ​​spektret;
③Det er nødvendigt effektivt at kontrollere belysningstiden og belysningsintensiteten, såsom at lade planterne hvile i et par timer, intensiteten af ​​bestrålingen er ikke nok eller for stærk osv.;
④Hele processen skal efterligne de forhold, der kræves af det faktiske optimale vækstmiljø for planter udendørs, såsom fugtighed, temperatur og CO2-koncentration.

• Udendørs plantetilstand med godt udendørs drivhusplantningsgrundlag. Egenskaberne ved denne model er:

① LED-lysets rolle er at supplere lyset. Den ene er at øge lysintensiteten i de blå og røde områder under bestråling af sollys i løbet af dagen for at fremme fotosyntesen af ​​planter, og den anden er at kompensere, når der ikke er sollys om natten for at fremme plantevæksthastigheden
②Det supplerende lys skal overveje, hvilket vækststadium planten er i, såsom frøplanteperioden eller blomstrings- og frugtperioden.

Derfor bør designet af LED-plantevækstlys først have to grundlæggende designtilstande, nemlig 24-timers belysning (indendørs) og plantevæksttilskudsbelysning (udendørs). Til indendørs plantedyrkning skal designet af LED-vokselys tage hensyn til tre aspekter, som vist i figur 4. Det er ikke muligt at pakke chipsene med tre primærfarver i et bestemt forhold.

Figur 4, Designideen med at bruge indendørs LED planteforstærkerlys til 24 timers belysning

For eksempel, for et spektrum i planteskolestadiet, i betragtning af at det skal styrke væksten af ​​rødder og stængler, styrke forgrening af blade, og lyskilden bruges indendørs, kan spektret designes som vist i figur 5.

Figur 5, Spektralstrukturer egnet til LED indendørs børnehaveperiode

Til design af den anden type LED-vækstlys er det hovedsageligt rettet mod designløsningen med at supplere lys for at fremme plantningen i bunden af ​​udendørs drivhus. Designideen er vist i figur 6.

Figur 6, Designideer til udendørs vækstlys 

Forfatteren foreslår, at flere plantningsvirksomheder anvender den anden mulighed for at bruge LED-lys til at fremme plantevækst.

Først og fremmest har Kinas udendørs drivhusdyrkning årtier en stor mængde og en bred vifte af erfaringer, både i syd og nord. Det har et godt grundlag for drivhusdyrkningsteknologi og giver et stort antal friske frugter og grøntsager på markedet til omkringliggende byer. Især inden for jord- og vand- og gødningsplantning er der lavet rige forskningsresultater.

For det andet kan denne form for supplerende lysløsning i høj grad reducere unødvendigt forbrug af energi, og kan samtidig effektivt øge udbyttet af frugt og grønt. Derudover er Kinas store geografiske område meget bekvemt til forfremmelse.

Som den videnskabelige forskning af LED-plantebelysning giver det også en bredere eksperimentel base for det. Fig. 7 er en slags LED-vokselys udviklet af dette forskerhold, som er velegnet til dyrkning i drivhuse, og dets spektrum er vist i fig. 8.

Figur 7, En slags LED vækstlys

Figur 8, spektrum af en slags LED-vækstlys

Ifølge ovenstående designideer gennemførte forskerholdet en række eksperimenter, og de eksperimentelle resultater er meget betydningsfulde. For eksempel, til vækstlys i børnehaven, er den originale lampe, der anvendes, en lysstofrør med en effekt på 32 W og en børnehavecyklus på 40 dage. Vi leverer et 12 W LED-lys, som forkorter frøplantecyklussen til 30 dage, effektivt reducerer indflydelsen af ​​temperaturen på lamperne i frøplanteværkstedet og sparer klimaanlæggets strømforbrug. Tykkelsen, længden og farven af ​​frøplanterne er bedre end den oprindelige kimplantehævningsopløsning. For frøplanter af almindelige grøntsager er der også opnået gode verifikationskonklusioner, som er opsummeret i følgende tabel.

Blandt dem er den supplerende lysgruppe PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, og det rød-blå forhold: 0,6-0,7. Området for PPFD-værdien i dagtimerne for den naturlige gruppe var 40~800 μmol·m-2·s-1, og forholdet mellem rød og blå var 0,6~1,2. Det kan ses, at ovenstående indikatorer er bedre end dem for naturligt dyrkede frøplanter.

Konklusion

Denne artikel introducerer den seneste udvikling inden for anvendelse af LED-vekstlys i plantedyrkning, og påpeger nogle misforståelser i anvendelsen af ​​LED-vekstlys i plantedyrkning. Til sidst introduceres de tekniske ideer og skemaer til udvikling af LED-vokselys, der bruges til plantedyrkning. Det skal pointeres, at der også er nogle faktorer, der skal tages i betragtning ved installation og brug af lyset, såsom afstanden mellem lyset og planten, lampens bestrålingsområde, og hvordan man påfører lyset med normalt vand, gødning og jord.

Forfatter: Yi Wang et al. Kilde: CNKI