Introduksjon

Lys spiller en nøkkelrolle i plantevekstprosessen. Det er den beste gjødselen for å fremme absorpsjonen av planteklorofyll og absorpsjonen av ulike plantevekstkvaliteter som karoten. Den avgjørende faktoren som bestemmer planters vekst er imidlertid en omfattende faktor, ikke bare relatert til lys, men også uatskillelig fra konfigurasjonen av vann, jord og gjødsel, vekstmiljøforhold og omfattende teknisk kontroll.

I løpet av de siste to eller tre årene har det kommet utallige rapporter om bruken av halvlederbelysningsteknologi i tredimensjonale plantefabrikker eller plantevekst. Men etter å ha lest nøye, er det alltid en viss uro. Generelt sett finnes det ingen reell forståelse av hvilken rolle lys bør spille i plantevekst.

La oss først forstå solens spektrum, som vist i figur 1. Det kan sees at solspekteret er et kontinuerlig spektrum, der det blå og grønne spekteret er sterkere enn det røde spekteret, og det synlige lysspekteret varierer fra 380 til 780 nm. Veksten av organismer i naturen er relatert til spekterets intensitet. For eksempel vokser de fleste planter i området nær ekvator veldig raskt, og samtidig er størrelsen på veksten deres relativt stor. Men den høye intensiteten av solbestrålingen er ikke alltid bedre, og det er en viss grad av selektivitet for veksten av dyr og planter.

Figur 1, Egenskapene til solspekteret og dets synlige lysspekter

For det andre er det andre spektrumdiagrammet for flere viktige absorpsjonselementer i plantevekst vist i figur 2.

Figur 2, Absorpsjonsspektre for flere auxiner i plantevekst

Det fremgår av figur 2 at lysabsorpsjonsspektrene til flere viktige auxiner som påvirker plantevekst er betydelig forskjellige. Derfor er bruken av LED-plantevekstlys ikke en enkel sak, men svært målrettet. Her er det nødvendig å introdusere konseptene bak de to viktigste fotosyntetiske plantevekstelementene.

• Klorofyll

Klorofyll er et av de viktigste pigmentene knyttet til fotosyntese. Det finnes i alle organismer som kan skape fotosyntese, inkludert grønne planter, prokaryote blågrønne alger (cyanobakterier) og eukaryote alger. Klorofyll absorberer energi fra lys, som deretter brukes til å omdanne karbondioksid til karbohydrater.

Klorofyll a absorberer hovedsakelig rødt lys, og klorofyll b absorberer hovedsakelig blåfiolett lys, hovedsakelig for å skille skyggeplanter fra solplanter. Forholdet mellom klorofyll b og klorofyll a i skyggeplanter er lite, så skyggeplanter kan bruke blått lys sterkt og tilpasse seg å vokse i skygge. Klorofyll a er blågrønn, og klorofyll b er gulgrønn. Det er to sterke absorpsjoner av klorofyll a og klorofyll b, en i det røde området med en bølgelengde på 630–680 nm, og den andre i det blåfiolette området med en bølgelengde på 400–460 nm.

• Karotenoider

Karotenoider er den generelle betegnelsen på en klasse viktige naturlige pigmenter, som ofte finnes i gule, oransjerøde eller røde pigmenter hos dyr, høyere planter, sopp og alger. Så langt er mer enn 600 naturlige karotenoider oppdaget.

Lysabsorpsjonen av karotenoider dekker området OD303~505 nm, noe som gir fargen på maten og påvirker kroppens matinntak. Hos alger, planter og mikroorganismer er fargen dekket av klorofyll og kan ikke vises. I planteceller absorberer og overfører de produserte karotenoidene ikke bare energi for å hjelpe fotosyntesen, men har også funksjonen å beskytte celler mot å bli ødelagt av eksiterte oksygenmolekyler med enkeltelektronbindinger.

Noen konseptuelle misforståelser

Uavhengig av energisparende effekt, lysselektivitet og lyskoordinering, har halvlederbelysning vist store fordeler. Men fra den raske utviklingen de siste to årene har vi også sett mange misforståelser i design og anvendelse av lys, noe som hovedsakelig gjenspeiles i følgende aspekter.

①Så lenge de røde og blå brikkene med en viss bølgelengde kombineres i et visst forhold, kan de brukes i plantedyrking, for eksempel er forholdet mellom rød og blå 4:1, 6:1, 9:1 og så videre.

② Så lenge det er hvitt lys, kan det erstatte solens lys, slik som det tre-primære hvite lysrøret som er mye brukt i Japan, osv. Bruken av disse spektrene har en viss effekt på planteveksten, men effekten er ikke like god som lyskilden laget av LED.

③Så lenge PPFD (lyskvantumfluksdensitet), en viktig parameter for belysning, når en viss indeks, for eksempel er PPFD større enn 200 μmol·m⁻²·s⁻¹. Når du bruker denne indikatoren, må du imidlertid være oppmerksom på om det er en skyggeplante eller en solplante. Du må spørre eller finne lyskompensasjonsmetningspunktet for disse plantene, som også kalles lyskompensasjonspunktet. I faktiske bruksområder blir frøplanter ofte brent eller visnet. Derfor må utformingen av denne parameteren utformes i henhold til plantearten, vekstmiljøet og forholdene.

Når det gjelder det første aspektet, som introdusert i innledningen, bør spekteret som kreves for plantevekst være et kontinuerlig spektrum med en viss fordelingsbredde. Det er åpenbart upassende å bruke en lyskilde laget av to spesifikke bølgelengdebrikker av rødt og blått med et veldig smalt spektrum (som vist i figur 3(a)). I eksperimenter ble det funnet at planter har en tendens til å være gulaktige, bladstilkene er veldig lyse, og bladstilkene er veldig tynne.

For lysrør med tre primærfarger som ofte ble brukt tidligere, er selv om hvitt syntetiseres, de røde, grønne og blå spektrene separert (som vist i figur 3(b)), og spekterets bredde er svært smal. Spektralintensiteten til den påfølgende kontinuerlige delen er relativt svak, og effekten er fortsatt relativt stor sammenlignet med LED-lys, 1,5 til 3 ganger energiforbruket. Derfor er brukseffekten ikke like god som LED-lys.

Figur 3, Rød og blå LED-plantelys og fluorescerende lysspektrum med tre primære farger

PPFD er lyskvantefluksdensiteten, som refererer til den effektive strålingsfluksdensiteten til lys i fotosyntesen, som representerer det totale antallet lyskvanter som faller inn på plantebladstengler i bølgelengdeområdet 400 til 700 nm per tidsenhet og arealenhet. Enheten er μE·m⁻²·s⁻¹ (μmol·m⁻²·s⁻¹). Fotosyntetisk aktiv stråling (PAR) refererer til den totale solstrålingen med en bølgelengde i området 400 til 700 nm. Den kan uttrykkes enten ved lyskvanter eller ved strålingsenergi.

Tidligere var lysintensiteten som reflekteres av illuminometeret lysstyrken, men plantevekstspekteret endres på grunn av høyden på lysarmaturen fra planten, lysdekningen og om lyset kan passere gjennom bladene. Derfor er det ikke nøyaktig å bruke par som en indikator på lysintensitet i studiet av fotosyntese.

Vanligvis kan fotosyntesemekanismen startes når PPFD-en til den solelskende planten er større enn 50 μmol·m⁻²·s⁻¹, mens PPFD-en til den skyggefulle planten bare trenger 20 μmol·m⁻²·s⁻¹. Derfor kan du, når du kjøper LED-veksellys, velge antall LED-veksellys basert på denne referanseverdien og typen planter du planter. Hvis for eksempel PPFD-en til en enkelt LED-lampe er 20 μmol·m⁻²·s⁻¹, kreves det mer enn 3 LED-plantepærer for å dyrke solelskende planter.

Flere designløsninger for halvlederbelysning

Halvlederbelysning brukes til plantevekst eller planting, og det finnes to grunnleggende referansemetoder.

• For tiden er modellen for innendørs planter veldig populær i Kina. Denne modellen har flere egenskaper:

①LED-lysenes rolle er å gi hele spekteret av plantebelysning, og belysningssystemet er nødvendig for å gi all lysenergien, og produksjonskostnadene er relativt høye;
② Utformingen av LED-vekstlys må ta hensyn til kontinuiteten og integriteten til spekteret;
③Det er nødvendig å kontrollere belysningstiden og lysintensiteten effektivt, for eksempel å la plantene hvile i noen timer, hvis bestrålingsintensiteten ikke er tilstrekkelig eller for sterk, osv.;
④Hele prosessen må imitere forholdene som kreves av det faktiske optimale vekstmiljøet for planter utendørs, som fuktighet, temperatur og CO2-konsentrasjon.

• Utendørs plantemodus med godt grunnlag for utendørsplanting i drivhus. Egenskapene til denne modellen er:

①LED-lysenes rolle er å supplere lyset. Den ene er å øke lysintensiteten i de blå og røde områdene under sollysbestråling på dagtid for å fremme fotosyntese hos planter, og den andre er å kompensere for når det ikke er sollys om natten for å fremme plantevekst.
②Tilleggslyset må ta hensyn til hvilket vekststadium planten er i, for eksempel frøplanteperioden eller blomstrings- og fruktperioden.

Derfor bør utformingen av LED-plantelys først ha to grunnleggende designmoduser, nemlig 24-timers belysning (innendørs) og supplerende belysning for plantevekst (utendørs). For innendørs plantedyrking må utformingen av LED-plantelys ta hensyn til tre aspekter, som vist i figur 4. Det er ikke mulig å pakke brikkene med tre primærfarger i en bestemt proporsjon.

Figur 4, Designideen for bruk av innendørs LED-plantelamper for 24-timers belysning

For eksempel, for et spektrum i barnehagefasen, med tanke på at det må styrke veksten av røtter og stilker, styrke forgreningen av blader, og lyskilden brukes innendørs, kan spekteret utformes som vist i figur 5.

Figur 5, Spektrale strukturer egnet for LED innendørs barnehageperiode

For design av den andre typen LED-vekstlys er det hovedsakelig rettet mot designløsningen med supplerende lys for å fremme planting i bunnen av et utendørs drivhus. Designideen er vist i figur 6.

Figur 6, Designideer for utendørs vekstlys 

Forfatteren foreslår at flere planteselskaper tar i bruk det andre alternativet med å bruke LED-lys for å fremme plantevekst.

Først og fremst har Kinas utendørs drivhusdyrking flere tiår med stor erfaring, både i sør og nord. Landet har et godt grunnlag innen drivhusdyrkingsteknologi og leverer et stort antall ferske frukter og grønnsaker til markedet for omkringliggende byer. Spesielt innen jord, vann og gjødselplanting har det blitt oppnådd rike forskningsresultater.

For det andre kan denne typen supplerende lysløsning i stor grad redusere unødvendig energiforbruk, og samtidig effektivt øke avlingen av frukt og grønnsaker. I tillegg er Kinas store geografiske område svært praktisk for markedsføring.

Som den vitenskapelige forskningen på LED-plantebelysning gir den også et bredere eksperimentelt grunnlag for den. Figur 7 viser en type LED-vekstlys utviklet av dette forskerteamet, som er egnet for dyrking i drivhus, og spekteret er vist i figur 8.

Figur 7, En type LED-vekstlampe

Figur 8, spekteret til en type LED-vekstlys

I henhold til designideene ovenfor utførte forskerteamet en serie eksperimenter, og de eksperimentelle resultatene er svært betydningsfulle. For eksempel, for vekstlys i planteskolen, er den opprinnelige lampen som ble brukt en lysrørlampe med en effekt på 32 W og en planteskolesyklus på 40 dager. Vi tilbyr en 12 W LED-lampe, som forkorter frøplantesyklusen til 30 dager, effektivt reduserer temperaturpåvirkningen til lampene i frøplanteverkstedet, og sparer strømforbruket til klimaanlegget. Tykkelsen, lengden og fargen på frøplantene er bedre enn den opprinnelige løsningen for frøplanteoppdrett. For frøplanter av vanlige grønnsaker er det også oppnådd gode verifiseringskonklusjoner, som er oppsummert i tabellen nedenfor.

Blant dem er PPFD for den supplerende lysgruppen: 70–80 μmol·m⁻²·s⁻¹, og forholdet mellom rød og blå: 0,6–0,7. Verdien for PPFD på dagtid for den naturlige gruppen var 40–800 μmol·m⁻²·s⁻¹, og forholdet mellom rød og blå var 0,6–1,2. Det kan sees at indikatorene ovenfor er bedre enn for naturlig dyrkede frøplanter.

Konklusjon

Denne artikkelen introduserer den nyeste utviklingen innen bruk av LED-vekstlys i plantedyrking, og påpeker noen misforståelser i bruken av LED-vekstlys i plantedyrking. Til slutt introduseres de tekniske ideene og ordningene for utvikling av LED-vekstlys som brukes til plantedyrking. Det bør påpekes at det også er noen faktorer som må vurderes ved installasjon og bruk av lyset, for eksempel avstanden mellom lyset og planten, lampens bestrålingsområde og hvordan man påfører lyset med vanlig vann, gjødsel og jord.

Forfatter: Yi Wang et al. Kilde: CNKI