Bevezetés

A fény kulcsszerepet játszik a növények növekedésében. Ez a legjobb műtrágya a növények klorofilljának és a különböző növekedési tulajdonságok, például a karotin felszívódásának elősegítésére. A növények növekedését meghatározó döntő tényező azonban egy átfogó tényező, amely nemcsak a fénnyel kapcsolatos, hanem elválaszthatatlan a víz, a talaj és a műtrágya konfigurációjától, a növekedési környezeti feltételektől és az átfogó műszaki ellenőrzéstől is.

Az elmúlt két-három évben számtalan beszámoló látott napvilágot a félvezető világítástechnológia háromdimenziós növénygyárakban vagy növénynövekedésben való alkalmazásáról. De miután alaposan elolvastuk őket, mindig marad némi kellemetlen érzés. Általánosságban elmondható, hogy nincs igazi megértés arról, hogy milyen szerepet kellene játszania a fénynek a növények növekedésében.

Először is, értsük meg a Nap spektrumát, ahogy az az 1. ábrán látható. Látható, hogy a napspektrum egy folytonos spektrum, amelyben a kék és zöld spektrum erősebb, mint a vörös spektrum, a látható fény spektruma pedig 380 és 780 nm között mozog. A természetben élő élőlények növekedése a spektrum intenzitásával függ össze. Például az Egyenlítő közelében található területen a legtöbb növény nagyon gyorsan növekszik, ugyanakkor a növekedésük mérete viszonylag nagy. A napsugárzás nagy intenzitása azonban nem mindig jobb, és bizonyos fokú szelektivitás érvényesül az állatok és növények növekedésében.

1. ábra: A napspektrum és a látható fény spektrumának jellemzői

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

2. ábra: Több auxin abszorpciós spektruma növényi növekedésben

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

• Klorofill

A klorofill az egyik legfontosabb fotoszintézissel kapcsolatos pigment. Minden olyan élőlényben megtalálható, amely képes fotoszintézisre, beleértve a zöld növényeket, a prokarióta kék-zöld algákat (cianobaktériumokat) és az eukarióta algákat is. A klorofill elnyeli a fény energiáját, amelyet aztán a szén-dioxid szénhidrátokká alakítására használ fel.

A klorofill-a főként a vörös fényt, a klorofill-b pedig főként a kékes-ibolya fényt nyeli el, ami főként az árnyékban élő növények és a napfényben élő növények megkülönböztetésére szolgál. Az árnyékban élő növények klorofill-b és klorofill-a aránya kicsi, így az árnyékban élő növények erősen tudják használni a kék fényt, és alkalmazkodnak az árnyékban való növekedéshez. A klorofill-a kékeszöld, a klorofill-b pedig sárgászöld. A klorofill-a és a klorofill-b két erős abszorpciós típust mutat, az egyik a vörös tartományban, 630-680 nm hullámhosszon, a másik pedig a kékes-ibolya tartományban, 400-460 nm hullámhosszon.

• Karotinoidok

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

A karotinoidok fényelnyelése az OD303~505 nm tartományt fedi le, ami az élelmiszerek színét adja, és befolyásolja a szervezet táplálékfelvételét. Algákban, növényekben és mikroorganizmusokban a színüket klorofill borítja, és nem jelennek meg. A növényi sejtekben a termelődő karotinoidok nemcsak energiát nyelnek el és szállítanak a fotoszintézis elősegítése érdekében, hanem a sejtek gerjesztett egyelektronkötésű oxigénmolekulák általi pusztulásától való védelmének funkcióját is betöltik.

Néhány fogalmi félreértés

Az energiatakarékos hatástól, a fény szelektivitásától és a fény koordinációjától függetlenül a félvezető világítás nagy előnyöket mutatott. Az elmúlt két év gyors fejlődése során azonban számos félreértést is láttunk a világítás tervezése és alkalmazása terén, amelyek főként a következő szempontokban tükröződnek.

①Amíg egy bizonyos hullámhosszúságú piros és kék chipeket egy bizonyos arányban kombinálnak, növénytermesztésben is felhasználhatók, például a piros és a kék aránya 4:1, 6:1, 9:1 és így tovább.

②Amíg fehér fényről van szó, helyettesítheti a nap fényét, például a Japánban széles körben használt három primer fehér fénycső stb. Ezen spektrumok használata bizonyos hatással van a növények növekedésére, de a hatás nem olyan jó, mint a LED által gyártott fényforrás esetében.

③Amíg a PPFD (fénykvantum-fluxussűrűség), a megvilágítás fontos paramétere, elér egy bizonyos indexet, például a PPFD nagyobb, mint 200 μmol·m-2·s-1. Ennek a mutatónak a használatakor azonban figyelni kell arra, hogy árnyékos vagy napfényes növényről van-e szó. Le kell kérdezni vagy meg kell találni ezeknek a növényeknek a fénykompenzációs telítési pontját, amelyet fénykompenzációs pontnak is neveznek. A gyakorlatban a palánták gyakran megégnek vagy elszáradnak. Ezért ennek a paraméternek a kialakítását a növényfajnak, a növekedési környezetnek és a körülményeknek megfelelően kell megtervezni.

Az első szempontot illetően, ahogy a bevezetőben is bemutattuk, a növények növekedéséhez szükséges spektrumnak egy folytonos spektrumnak kell lennie, egy bizonyos eloszlási szélességgel. Nyilvánvalóan nem helyénvaló olyan fényforrást használni, amely két meghatározott hullámhosszúságú, vörös és kék színű, nagyon keskeny spektrumú chipből áll (ahogy a 3(a) ábra mutatja). Kísérletekben azt találták, hogy a növények hajlamosak sárgás színre, a levélnyél nagyon világos, a levélnyél pedig nagyon vékony.

A korábbi években általánosan használt három alapszínt tartalmazó fénycsövek esetében a fehér szintetizálása ellenére a vörös, zöld és kék spektrumok elkülönülnek (ahogy a 3(b) ábra mutatja), és a spektrum szélessége nagyon keskeny. A következő folytonos rész spektrális intenzitása viszonylag gyenge, és a teljesítmény továbbra is 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 színű LED növényi lámpák és három alapszínű fénycsöves fény spektruma

A PPFD a fénykvantum-fluxussűrűség, amely a fotoszintézis során a fény effektív sugárzási fényfluxussűrűségére utal, és a növények levélszárára eső fénykvantumok teljes számát jelenti 400-700 nm hullámhossztartományban, időegységenként és területegységenként. Mértékegysége μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). A fotoszintetikusan aktív sugárzás (PAR) a teljes napsugárzásra utal, amelynek hullámhossza 400-700 nm. Fénykvantumokkal vagy sugárzó energiával fejezhető ki.

Régebben az illuminometer által visszavert fényintenzitás volt a fényesség, de a növény növekedésének spektruma a lámpatest növénytől való magassága, a fény lefedettsége és a fény leveleken való áthaladása miatt változott. Ezért a fotoszintézis vizsgálatában a par érték használata a fényintenzitás indikátoraként nem pontos.

A fotoszintézis mechanizmusa általában akkor indul be, amikor a napfénykedvelő növény PPFD-je nagyobb, mint 50 μmol·m-2·s-1, míg az árnyékos növény PPFD-je csak 20 μmol·m-2·s-1-re van szüksége. Ezért LED-es növénytermesztő lámpák vásárlásakor a LED-es növénytermesztő lámpák számát ezen referenciaérték és az ültetett növények típusa alapján választhatja ki. Például, ha egyetlen LED-lámpa PPFD-je 20 μmol·m-2·s-1, akkor több mint 3 LED-es növényi izzóra van szükség a napfénykedvelő növények termesztéséhez.

A félvezető világítás számos tervezési megoldása

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

• Jelenleg a beltéri növénytermesztési modell nagyon népszerű Kínában. Ennek a modellnek számos jellemzője van:

①A LED-lámpák szerepe a növényi világítás teljes spektrumának biztosítása, és a világítási rendszernek biztosítania kell az összes világítási energiát, és az előállítási költség viszonylag magas;
②A LED-es növénytermesztő lámpák tervezésénél figyelembe kell venni a spektrum folytonosságát és integritását;
③Hatékonyan kell szabályozni a világítási időt és a világítás intenzitását, például hagyni kell a növényeket néhány órára pihenni, a besugárzás intenzitása nem elegendő vagy túl erős stb.;
④A teljes folyamatnak utánoznia kell a növények kültéri optimális növekedési környezetéhez szükséges feltételeket, például a páratartalmat, a hőmérsékletet és a CO2-koncentrációt.

• Kültéri ültetési mód jó kültéri üvegházi ültetési alapokkal. A modell jellemzői:

① A LED-lámpák szerepe a fény kiegészítése. Az egyik a nappali napfény hatására megvilágított kék és piros területek fényintenzitásának növelése, ezáltal a növények fotoszintézisének elősegítése, a másik pedig az éjszakai napfényhiány kompenzálása, ezáltal a növények növekedési ütemének elősegítése.
②A kiegészítő fénynek figyelembe kell vennie, hogy a növény melyik növekedési szakaszban van, például a palántanevelési időszakban vagy a virágzási és terméshozási időszakban.

Ezért a LED-es növénytermesztő lámpák tervezésénél először két alapvető tervezési módot kell figyelembe venni, nevezetesen a 24 órás világítást (beltéri) és a növénynövekedést kiegészítő világítást (kültéri). Beltéri növénytermesztés esetén a LED-es növénytermesztő lámpák tervezésénél három szempontot kell figyelembe venni, amint az a 4. ábrán is látható. Nem lehetséges a chipeket három alapszínnel egy bizonyos arányban becsomagolni.

4. ábra: A beltéri LED növényi erősítő lámpák 24 órás világításának tervezési ötlete

Például egy faiskolai stádiumban lévő spektrum esetében, figyelembe véve, hogy erősítenie kell a gyökerek és szárak növekedését, erősítenie kell a levelek elágazását, és a fényforrást beltérben használják, a spektrum az 5. ábrán látható módon tervezhető.

5. ábra: LED beltéri bölcsődei időszakhoz alkalmas spektrális struktúrák

A második típusú LED-es növénytermesztő lámpák tervezésénél főként a kültéri üvegház alapjában elhelyezett növények ültetését elősegítő kiegészítő fényre volt szükség. 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, és LED-lámpákat használjon a növények növekedésének elősegítésére.

Először is, Kína kültéri üvegházi termesztése évtizedek óta nagy mennyiségű és széleskörű tapasztalattal rendelkezik, mind délen, mind északon. Jó alapokkal rendelkezik az üvegházi termesztési technológiában, és nagyszámú friss gyümölcsöt és zöldséget kínál a környező városok piacán. Különösen a talaj-, víz- és műtrágyavetés területén születtek gazdag kutatási eredmények.

Másodszor, ez a fajta kiegészítő világítási megoldás nagymértékben csökkentheti a felesleges energiafogyasztást, és egyúttal hatékonyan növelheti a gyümölcsök és zöldségek terméshozamát. Ráadásul Kína hatalmas földrajzi területe nagyon kedvező a promóció szempontjából.

A LED-es növényvilágítás tudományos kutatásaként szélesebb körű kísérleti alapot is biztosít hozzá. A 7. ábra egy, a kutatócsoport által kifejlesztett, üvegházakban való termesztésre alkalmas LED-es növénytermesztő lámpatípust mutat be, spektrumát pedig a 8. ábra mutatja.

7. ábra, Egyfajta LED-es növénytermesztő lámpa

8. ábra, egy LED-es növénytermesztő lámpa spektruma

A fenti tervezési ötletek szerint a kutatócsoport kísérletsorozatot végzett, és a kísérleti eredmények igen jelentősek. Például a palántanevelés során használt növekedési világításhoz eredetileg egy 32 W teljesítményű fénycsövet használtak, 40 napos palántanevelési ciklussal. Egy 12 W-os LED-lámpát biztosítunk, amely 30 napra lerövidíti a palántanevelési ciklust, hatékonyan csökkenti a palántanevelő műhely lámpáinak hőmérsékletének hatását, és megtakarítja a légkondicionáló energiafogyasztását. A palánták vastagsága, hossza és színe jobb, mint az eredeti palántanevelési megoldással. A közönséges zöldségfélék palántái esetében is jó ellenőrző következtetésekre jutottak, amelyeket az alábbi táblázat foglal össze.

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

Következtetés

Ez a cikk bemutatja a LED-es növénytermesztő lámpák növénytermesztésben való alkalmazásának legújabb fejleményeit, és rámutat néhány félreértésre a LED-es növénytermesztő lámpák növénytermesztési alkalmazásával kapcsolatban. Végül bemutatja a növénytermesztésben használt LED-es növénytermesztő lámpák fejlesztésének műszaki elképzeléseit és sémáit. Ki kell emelni, hogy a lámpa telepítésekor és használatakor néhány tényezőt is figyelembe kell venni, például a lámpa és a növény közötti távolságot, a lámpa besugárzási tartományát, valamint azt, hogyan kell a lámpát normál vízzel, műtrágyával és talajjal alkalmazni.

Szerző: Yi Wang et al. Forrás: CNKI