Indledning

Lys spiller en nøglerolle i plantevækstprocessen. Det er den bedste gødning til at fremme optagelsen af ​​planteklorofyl og optagelsen af ​​forskellige plantevækstkvaliteter såsom caroten. Den afgørende faktor, der bestemmer planters vækst, er dog en omfattende faktor, der ikke kun er relateret til lys, men også uadskillelig fra konfigurationen af ​​vand, jord og gødning, vækstmiljøforhold og omfattende teknisk kontrol.

I de seneste to eller tre år er der kommet utallige rapporter om anvendelsen af ​​halvlederbelysningsteknologi i forbindelse med tredimensionelle plantefabrikker eller plantevækst. Men efter at have læst dem grundigt, er der altid en eller anden urolig følelse. Generelt set er der ingen reel forståelse af, hvilken rolle lys bør 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 lysspektrum spænder fra 380 til 780 nm. Væksten af ​​organismer i naturen er relateret til spektrets intensitet. 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 bedre, og der er en vis grad af selektivitet for væksten af ​​dyr og planter.

Figur 1, Solspektrets og dets synlige lysspektrums karakteristika

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

Figur 2, Absorptionsspektre af adskillige auxiner i plantevækst

Det fremgår af figur 2, at lysabsorptionsspektrene for flere vigtige auxiner, der påvirker plantevækst, er væsentligt forskellige. Derfor er anvendelsen af ​​LED-plantevækstlamper ikke en simpel sag, men meget målrettet. Her er det nødvendigt at introducere koncepterne 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 blågrønne alger (cyanobakterier) og eukaryote alger. Klorofyl absorberer energi fra lys, som derefter bruges til at omdanne kuldioxid til kulhydrater.

Klorofyl a absorberer primært rødt lys, og klorofyl b absorberer primært blåviolet lys, primært for at skelne skyggeplanter fra solplanter. Forholdet mellem klorofyl b og klorofyl a i skyggeplanter er lille, så skyggeplanter kan bruge blåt lys kraftigt og tilpasse sig til at vokse i skygge. Klorofyl a er blågrøn, og klorofyl b er gulgrøn. Der er to stærke absorptioner af klorofyl a og klorofyl b, en 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, orangerøde eller røde pigmenter hos dyr, højere planter, svampe og alger. Indtil videre er der opdaget mere end 600 naturlige carotenoider.

Carotenoiders lysabsorption dækker området OD303~505 nm, hvilket giver madens farve og påvirker kroppens fødeindtag. I alger, planter og mikroorganismer er farven dækket af klorofyl og kan ikke fremkomme. I planteceller absorberer og overfører de producerede carotenoider ikke kun energi for at hjælpe fotosyntesen, men har også den funktion at beskytte celler mod at blive ødelagt af exciterede iltmolekyler med enkelt elektronbindinger.

Nogle konceptuelle misforståelser

Uanset den energibesparende effekt, lysets selektivitet og lyskoordineringen har halvlederbelysning vist store fordele. Men den hurtige udvikling i de sidste to år har vi også set en masse misforståelser i design og anvendelse af lys, hvilket primært afspejles i følgende aspekter.

①Så længe de røde og blå chips med 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 videre.

② Så 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 spektre har en vis effekt på planters vækst, men effekten er ikke så god som lyskilder fremstillet af LED.

③Så længe PPFD (lyskvantumfluxdensitet), en vigtig parameter for belysning, når et bestemt indeks, for eksempel er PPFD større end 200 μmol·m-2·s-1. Når du bruger denne indikator, skal du dog være opmærksom på, om det er en skyggeplante eller en solplante. Du skal undersøge eller finde lyskompensationsmætningspunktet for disse planter, som også kaldes lyskompensationspunktet. I faktiske anvendelser bliver kimplanter ofte brændt eller visnet. Derfor skal designet af denne parameter designes i henhold til plantearten, vækstmiljøet og forholdene.

Med hensyn til det første aspekt, som introduceret i introduktionen, bør det spektrum, der kræves til plantevækst, være et kontinuerligt spektrum med en bestemt fordelingsbredde. Det er naturligvis upassende 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 eksperimenter blev det konstateret, at planter har tendens til at være gullige, bladstænglerne er meget lyse, og bladstænglerne er meget tynde.

For lysstofrør med tre primærfarver, der almindeligvis blev brugt i tidligere år, er hvid syntetiseret, men de røde, grønne og blå spektre er adskilte (som vist i figur 3(b)), og spektrets bredde 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 primære farver fluorescerende lysspektrum

PPFD er lyskvantumfluxdensiteten, som refererer til den effektive strålingslysfluxdensitet af lys i fotosyntese, som repræsenterer det samlede antal lyskvanter, der indfalder på plantebladstængler i bølgelængdeområdet 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. Den kan udtrykkes enten ved lyskvanter eller ved strålingsenergi.

Tidligere var lysintensiteten, der reflekteres af illuminometeret, lysstyrken, men plantens vækstspektrum ændrer sig på grund af lysarmaturets højde i forhold til 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 startes, når PPFD'en for den solelskende plante er større end 50 μmol·m-2·s-1, mens PPFD'en for den skyggefulde plante kun behøver 20 μmol·m-2·s-1. Derfor kan du, når du køber LED-vækstlamper, vælge antallet af LED-vækstlamper baseret på denne referenceværdi og den type planter, du planter. Hvis PPFD'en for en enkelt LED-lampe f.eks. er 20 μmol·m-2·s-1, kræves der mere end 3 LED-plantepærer for at dyrke solelskende planter.

Flere designløsninger til halvlederbelysning

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

• I øjeblikket er modellen for indendørs beplantning meget populær i Kina. Denne model har flere karakteristika:

①LED-lysets rolle er at levere hele spektret af plantebelysning, og belysningssystemet skal levere al lysenergien, og produktionsomkostningerne er relativt høje;
②Designet af LED-vækstlamper skal tage hensyn til spektrets kontinuitet og integritet;
③Det er nødvendigt at kontrollere belysningstiden og -intensiteten effektivt, f.eks. ved at lade planterne hvile i et par timer, hvis bestrålingsintensiteten ikke er tilstrækkelig 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 et godt fundament for udendørsplantning i drivhuset. Denne models egenskaber er:

①LED-lys har til formål at supplere lyset. Den ene er at forstærke lysintensiteten i de blå og røde områder under sollys i løbet af dagen for at fremme planters fotosyntese, og den anden er at kompensere for mangel på sollys om natten for at fremme planternes væksthastighed.
② Supplerende lys skal tage højde for, hvilket vækststadium planten er i, f.eks. kimplanteperioden eller blomstrings- og frugtperioden.

Derfor bør designet af LED-vækstlamper til planter først have to grundlæggende designtilstande, nemlig 24-timers belysning (indendørs) og supplerende belysning til planternes vækst (udendørs). Til indendørs plantedyrkning skal designet af LED-vækstlamper tage højde for tre aspekter, som vist i figur 4. Det er ikke muligt at pakke chips med tre primærfarver i et bestemt forhold.

Figur 4. Designidéen bag brug af indendørs LED-planteboosterlamper til 24-timers belysning

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

Figur 5, Spektrale strukturer egnede til LED indendørs børneværelsesperiode

Designet af den anden type LED-vækstlampe er primært rettet mod en designløsning med supplerende lys for at fremme plantning i bunden af ​​et udendørs drivhus. Designidéen er vist i figur 6.

Figur 6, Designidéer til udendørs vækstlamper 

Forfatteren foreslår, at flere plantevirksomheder anvender den anden mulighed og bruger LED-lys til at fremme plantevækst.

Først og fremmest har Kinas udendørs væksthusdyrkning årtier lang erfaring, både i syd og nord. Landet har et godt fundament inden for væksthusdyrkningsteknologi og leverer et stort antal friske frugter og grøntsager til markedet i de omkringliggende byer. Især inden for jord, vand og gødning er der opnået omfattende forskningsresultater.

For det andet kan denne form for supplerende lysløsning i høj grad reducere unødvendigt energiforbrug og samtidig effektivt øge udbyttet af frugt og grøntsager. Derudover er Kinas store geografiske område meget bekvemt til markedsføring.

Som den videnskabelige forskning i LED-plantebelysning giver det også et bredere eksperimentelt grundlag for det. Figur 7 viser en type LED-vækstlampe udviklet af dette forskerhold, som er egnet til dyrkning i drivhuse, og dens spektrum er vist i figur 8.

Figur 7, En slags LED-vækstlampe

Figur 8, spektrum af en type LED-vækstlampe

I henhold til ovenstående designidéer udførte forskerholdet en række eksperimenter, og de eksperimentelle resultater er meget betydningsfulde. For eksempel er den originale lampe, der blev brugt til vækstlys i planteskolen, en lysstofrør med en effekt på 32 W og en planteskolecyklus på 40 dage. Vi leverer en 12 W LED-lampe, som forkorter kimplantecyklussen til 30 dage, effektivt reducerer temperaturpåvirkningen af ​​lamperne i kimplanteværkstedet og sparer klimaanlæggets strømforbrug. Kimplanternes tykkelse, længde og farve er bedre end den originale løsning til kimplanteopdræt. For kimplanter af almindelige grøntsager er der også opnået gode verifikationskonklusioner, som er opsummeret i den følgende tabel.

Blandt dem er den supplerende lysgruppes PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, og rød-blå-forholdet: 0,6-0,7. Intervallet for dagtids-PPFD-værdien 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 for naturligt dyrkede kimplanter.

Konklusion

Denne artikel introducerer den seneste udvikling inden for anvendelsen af ​​LED-vækstlamper i plantedyrkning og påpeger nogle misforståelser i forbindelse med anvendelsen af ​​LED-vækstlamper i plantedyrkning. Endelig introduceres de tekniske ideer og ordninger for udvikling af LED-vækstlamper, der anvendes til plantedyrkning. Det skal påpeges, at der også er nogle faktorer, der skal overvejes ved installation og brug af lampen, såsom afstanden mellem lampen og planten, lampens bestrålingsområde og hvordan man anvender lyset med almindeligt vand, gødning og jord.

Forfatter: Yi Wang et al. Kilde: CNKI