Bevezetés

A fény kulcsszerepet játszik a növények növekedésének folyamatában.Ez a legjobb műtrágya, amely elősegíti a növényi klorofill felszívódását és a különböző növényi növekedési tulajdonságok, például a karotin felszívódását.A növények növekedését meghatározó döntő tényező azonban egy átfogó tényező, amely nemcsak a fényhez kapcsolódik, hanem elválaszthatatlan a víz, a talaj és a műtrágya konfigurációjától, a növekedési környezeti feltételektől és az átfogó műszaki ellenőrzéstől.

Az elmúlt két-három évben számtalan beszámoló érkezett a félvezető világítástechnika alkalmazásáról a háromdimenziós növénygyárakkal vagy növénynövekedéssel kapcsolatban.De miután figyelmesen elolvasta, mindig van valami kellemetlen érzés.Általánosságban elmondható, hogy nem igazán értjük, milyen szerepet kell játszania a fénynek a növények növekedésében.

Először is értsük meg a nap spektrumát, ahogy az 1. ábrán látható. Látható, hogy a nap spektruma egy folytonos spektrum, amelyben a kék és zöld spektrum erősebb, mint a vörös, a látható fény spektruma pedig 380-780 nm.Az élőlények növekedése a természetben összefügg a spektrum intenzitásával.Például az Egyenlítő közelében lévő területen a legtöbb növény nagyon gyorsan növekszik, ugyanakkor növekedésük mérete viszonylag nagy.De a napsugárzás nagy intenzitása nem mindig jobb, és van bizonyos fokú szelektivitás az állatok és növények növekedése szempontjából.

1. ábra, A napspektrum és látható fényspektrumának jellemzői

Másodszor, a növénynövekedés számos kulcsfontosságú abszorpciós elemének második spektrumdiagramja a 2. ábrán látható.

2. ábra: Számos auxin abszorpciós spektruma a növények növekedésében

A 2. ábrán látható, hogy számos, a növények növekedését befolyásoló kulcsfontosságú auxin fényelnyelési spektruma jelentősen eltér.Ezért a LED növénynövesztő lámpák alkalmazása nem egyszerű dolog, hanem nagyon célzott.Itt szükséges bemutatni a két legfontosabb fotoszintetikus növénynövekedési elem fogalmát.

• Klorofil

A klorofill a fotoszintézishez kapcsolódó egyik legfontosabb pigment.Minden olyan organizmusban megtalálható, amely képes fotoszintézist létrehozni, beleértve a zöld növényeket, a prokarióta kék-zöld algákat (cianobaktériumokat) és az eukarióta algákat.A klorofill energiát nyel el a fényből, amelyet aztán a szén-dioxid szénhidráttá alakítására használnak fel.

Az a klorofill főként a vörös fényt, a b klorofill pedig főleg a kék-ibolya fényt nyeli el, főként az árnyékos növények és a napsütéses növények megkülönböztetésére.Az árnyékos növények klorofill b és klorofil a aránya kicsi, így az árnyékos növények erősen tudják használni a kék fényt, és alkalmazkodni tudnak az árnyékban történő növekedéshez.Az a klorofill kék-zöld, a klorofill b sárgászöld.A klorofill a és klorofill b két erős abszorpciója van, az egyik a vörös tartományban 630-680 nm hullámhosszal, a másik a kék-ibolya tartományban 400-460 nm hullámhosszal.

• Karotinoidok

A karotinoidok a fontos természetes pigmentek egy osztályának általános elnevezése, amelyek általában sárga, narancsvörös vagy vörös pigmentekben találhatók meg állatokban, magasabbrendű növényekben, gombákban és algákban.Eddig több mint 600 természetes karotinoidot fedeztek fel.

A karotinoidok fényelnyelése az OD303-505 nm tartományt fedi le, ami biztosítja az élelmiszerek színét és befolyásolja a szervezet táplálékfelvételét.Az algákban, növényekben és mikroorganizmusokban színét klorofill borítja, és nem tud megjelenni.A növényi sejtekben az előállított karotinoidok nemcsak elnyelik és átadják az energiát a fotoszintézis elősegítése érdekében, hanem az is, hogy megvédjék a sejteket a gerjesztett egyelektronkötésű oxigénmolekulák általi elpusztulástól.

Néhány fogalmi félreértés

Az energiatakarékos hatástól, a fény szelektivitásától és a fény koordinációjától függetlenül a félvezető világítás nagy előnyöket mutatott.Az elmúlt két év rohamos fejlődéséből azonban a fény tervezésénél és alkalmazásánál is sok félreértést láthattunk, melyek elsősorban a következő szempontokban mutatkoznak meg.

①Amíg egy bizonyos hullámhosszú vörös és kék chipek egy bizonyos arányban vannak kombinálva, addig felhasználhatók a növénytermesztésben, például a vörös és a kék aránya 4:1, 6:1, 9:1 stb. tovább.

②Amíg fehér fény, helyettesítheti a napfényt, mint például a Japánban széles körben használt három elsődleges fehér fénycső stb. Ezeknek a spektrumoknak a használata bizonyos hatással van a növények növekedésére, de a hatás nem olyan jó, mint a LED által készített fényforrás.

③Amíg a megvilágítás egyik fontos paramétere, a PPFD (fénykvantum fluxussűrűség) elér egy bizonyos indexet, például a PPFD nagyobb, mint 200 μmol·m-2·s-1.Ennek az indikátornak a használatakor azonban figyelnie kell, hogy árnyékos növényről vagy napnövényről van-e szó.Ezeknek a növényeknek a fénykompenzációs telítési pontját kell lekérdezni vagy megkeresni, amit fénykompenzációs pontnak is neveznek.A tényleges alkalmazások során a palánták gyakran megégnek vagy elszáradnak.Ezért ennek a paraméternek a kialakítását a növényfajnak, a növekedési környezetnek és a feltételeknek megfelelően kell megtervezni.

Az első szempontot tekintve, a bevezetőben bemutatott módon, a növények növekedéséhez szükséges spektrum egy folytonos, meghatározott eloszlási szélességű spektrum legyen.Nyilvánvalóan nem helyénvaló olyan fényforrást használni, amely két meghatározott hullámhosszú vörös és kék chipből áll, nagyon szűk spektrummal (amint a 3(a) ábrán látható).A kísérletek során azt találták, hogy a növények hajlamosak sárgás színűek, a levélszárak nagyon világosak, a levélszárak pedig nagyon vékonyak.

A korábbi években általánosan használt három alapszínû fénycsövek esetében bár fehéret szintetizálnak, a vörös, zöld és kék színképek elkülönülnek (a 3. b) ábrán látható módon), és a spektrum szélessége nagyon keskeny.A következő folytonos rész spektrális intenzitása viszonylag gyenge, a teljesítmény pedig még mindig viszonylag nagy a LED-ekhez képest, 1,5-3-szorosa az energiafogyasztásnak.Ezért a használati hatás nem olyan jó, mint a LED-lámpáké.

3. ábra: Piros és kék chipes LED növényi fény és három elsődleges színű fluoreszcens fényspektrum

A PPFD a fénykvantum fluxussűrűsége, amely a fény effektív sugárzási fényáram-sűrűségére utal a fotoszintézis során, amely a növényi levelek száraira eső fénykvantumok teljes számát jelenti a 400-700 nm hullámhossz-tartományban egységnyi idő- és területegységenként. .Mértékegysége μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).A fotoszintetikusan aktív sugárzás (PAR) a teljes napsugárzást jelenti, amelynek hullámhossza 400-700 nm.Ez kifejezhető fénykvantumokkal vagy sugárzási energiával.

Régebben az illuminométer által visszavert fényintenzitás a fényerő volt, de a növény növekedési spektruma megváltozik a lámpatest magassága a növénytől, a fénylefedettség és az, hogy a fény áthatol-e a leveleken.Ezért nem pontos a par-t a fényintenzitás mutatójaként használni a fotoszintézis tanulmányozása során.

A fotoszintézis mechanizmus általában akkor indítható be, ha a naprajongó növény PPFD-je nagyobb, mint 50 μmol·m-2·s-1, míg az árnyékos növény PPFD-jének csak 20 μmol·m-2·s-1-re van szüksége. .Ezért a LED-es termesztőlámpák vásárlásakor e referenciaérték és az elültetett növények típusa alapján választhatja ki a LED-es lámpák számát.Például, ha egyetlen LED lght PPFD-je 20 μmol·m-2·s-1, akkor több mint 3 LED-es növényi izzó szükséges a napfényt kedvelő növények termesztéséhez.

A félvezető világítás többféle tervezési megoldása

A félvezető világítást növények növekedésére vagy ültetésére használják, és két alapvető referenciamódszer létezik.

• Jelenleg a beltéri ültetési modell nagyon meleg Kínában.Ennek a modellnek számos jellemzője van:

① A LED-lámpák szerepe a növényvilágítás teljes spektrumának biztosítása, és a világítási rendszernek biztosítania kell az összes világítási energiát, és a gyártási költség viszonylag magas;
② A LED növekedési lámpák tervezésénél figyelembe kell venni a spektrum folytonosságát és integritását;
③ Hatékonyan szabályozni kell a világítási időt és a világítás intenzitását, például hagyni kell a növényeket néhány órán át pihenni, a besugárzás intenzitása nem elég vagy túl erős stb.;
④Az egész folyamatnak utánoznia kell azokat a feltételeket, amelyeket a növények tényleges optimális növekedési környezete megkövetel a szabadban, mint például a páratartalom, a hőmérséklet és a CO2-koncentráció.

• Szabadtéri ültetési mód jó kültéri üvegházi ültetési alappal.Ennek a modellnek a jellemzői a következők:

①A LED-lámpák szerepe a fény kiegészítése.Az egyik a fény intenzitásának fokozása a kék és piros területeken a napfény besugárzása alatt a nap folyamán, hogy elősegítse a növények fotoszintézisét, a másik pedig az éjszakai napfény hiányának kompenzálása, hogy elősegítse a növények növekedési ütemét.
②A kiegészítő világításnak figyelembe kell vennie, hogy a növény melyik növekedési szakaszban van, például a palántázási időszakban vagy a virágzási és termőidőszakban.

Ezért a LED-es növénytermesztő lámpák tervezésénél először két alapvető tervezési módot kell alkalmazni, nevezetesen a 24 órás világítást (beltéri) és a növénynövekedést kiegészítő világítást (kültéri).A beltéri növénytermesztéshez a LED-es termesztőlámpák tervezésénél három szempontot kell figyelembe venni, amint az a 4. ábrán látható. A chipeket nem lehet meghatározott arányban három alapszínnel becsomagolni.

4. ábra: Beltéri LED-es üzemi emlékeztető lámpák 24 órás világításhoz való használatának tervezési ötlete

Például egy óvodai szakaszban lévő spektrum esetében, figyelembe véve, hogy erősíteni kell a gyökerek és a szárak növekedését, erősíteni kell a levelek elágazását, és a fényforrást beltérben használják, a spektrum az 5. ábrán látható módon alakítható ki.

5. ábra, LED-es beltéri bölcsődei időszakra alkalmas spektrális szerkezetek

A második típusú LED-es növekedési lámpa tervezésénél elsősorban a kültéri üvegház alapjába történő telepítést elősegítő kiegészítő fény tervezési megoldására irányul.A tervezési ötlet a 6. ábrán látható.

6. ábra: Kültéri termesztőlámpák tervezési ötletei 

A szerző azt javasolja, hogy több ültető cég alkalmazza a második lehetőséget a LED-lámpák használatára a növények növekedésének elősegítésére.

Először is, Kína kültéri üvegházi termesztése több évtizedes nagy tapasztalattal és széleskörű tapasztalattal rendelkezik, mind délen, mind északon.Jó alapjai vannak az üvegházi termesztéstechnológiának, és nagyszámú friss gyümölcsöt és zöldséget biztosít a piacon a környező városok számára.Különösen a talaj- és víz- és műtrágyatelepítés területén születtek gazdag kutatási eredmények.

Másodszor, ez a fajta kiegészítő fénymegoldás nagymértékben csökkentheti a felesleges energiafogyasztást, ugyanakkor hatékonyan növelheti a gyümölcsök és zöldségek hozamát.Ezenkívül Kína hatalmas földrajzi területe nagyon kényelmes a promócióhoz.

A LED-es növényvilágítás tudományos kutatásaként szélesebb kísérleti alapot is biztosít hozzá.A 7. ábra egy e kutatócsoport által kifejlesztett, üvegházi termesztésre alkalmas LED-es növekedési lámpa, melynek spektruma a 8. ábrán látható.

7. ábra: Egyfajta LED növekedési fény

8. ábra: egyfajta LED növekedési fény spektruma

A fenti tervezési elképzelések szerint a kutatócsoport kísérletsorozatot végzett, és a kísérleti eredmények igen jelentősek.Például az óvodai növekedéshez az eredeti lámpa 32 W teljesítményű, 40 napos bölcsődei ciklusú fénycső.12 W-os LED lámpát biztosítunk, amely 30 napra lerövidíti a palántázási ciklust, hatékonyan csökkenti a lámpák hőmérsékletének hatását a palántaműhelyben, és megtakarítja a klímaberendezés energiafogyasztását.A palánták vastagsága, hossza és színe jobb, mint az eredeti palántanevelési megoldás.A közönséges zöldségek palántáira vonatkozóan is jó verifikációs következtetések születtek, amelyeket az alábbi táblázatban foglalunk össze.

Közülük a kiegészítő fénycsoport PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, és a vörös-kék arány: 0,6-0,7.A természetes csoport nappali PPFD értékének tartománya 40-800 μmol·m-2·s-1, a vörös és a kék aránya 0,6-1,2 volt.Látható, hogy a fenti mutatók jobbak, mint a természetes termesztésű palántáké.

Következtetés

Ez a cikk bemutatja a LED-es lámpák növénytermesztésben történő alkalmazásának legújabb fejlesztéseit, és rámutat néhány félreértésre a LED-es lámpák növénytermesztésben való alkalmazása során.Végül bemutatásra kerülnek a növénytermesztéshez használt LED-es lámpák fejlesztésének műszaki ötletei és sémái.Ki kell emelni, hogy a lámpa telepítése és használata során néhány tényezőt is figyelembe kell venni, mint például a fény és a növény távolsága, a lámpa besugárzási tartománya, valamint a fény alkalmazása. normál víz, műtrágya és talaj.

Szerző: Yi Wang et al.Forrás: CNKI