Introduksjon

Lys spiller en nøkkelrolle i prosessen med plantevekst.Det er den beste gjødselen for å fremme absorpsjonen av planteklorofyll og absorpsjonen av ulike plantevekstkvaliteter som karoten.Imidlertid er den avgjørende faktoren som bestemmer veksten av planter 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 vært uendelige rapporter om bruk av halvlederbelysningsteknologi angående tredimensjonale plantefabrikker eller plantevekst.Men etter å ha lest den nøye, er det alltid en urolig følelse.Generelt sett er det ingen reell forståelse av hvilken rolle lys bør spille i plantevekst.

La oss først forstå spekteret til solen, 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 intensiteten til spekteret.For eksempel vokser de fleste plantene i området nær ekvator veldig raskt, og samtidig er størrelsen på veksten relativt stor.Men den høye intensiteten av solens innstråling er ikke alltid bedre, og det er en viss grad av selektivitet for vekst av dyr og planter.

Figur 1, Karakteristikkene til solspekteret og dets synlige lysspekter

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

Figur 2, Absorpsjonsspektra av flere auxiner i plantevekst

Det kan ses av figur 2 at lysabsorpsjonsspektrene til flere nøkkel-auxiner som påvirker planteveksten er vesentlig forskjellige.Derfor er bruken av LED-plantevekstlys ikke en enkel sak, men veldig målrettet.Her er det nødvendig å introdusere konseptene til 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 blågrønnalger (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 av skyggeplanter er lite, så skyggeplanter kan bruke blått lys sterkt og tilpasse seg å vokse i skygge.Klorofyll a er blågrønt, og klorofyll b er gulgrønt.Det er to sterke absorpsjoner av klorofyll a og klorofyll b, en i det røde området med en bølgelengde på 630-680 nm, og det andre i det blåfiolette området med en bølgelengde på 400-460 nm.

• Karotenoider

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

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

Noen konseptuelle misforståelser

Uavhengig av energibesparende effekt, selektivitet av lys og koordinering av lys, har halvlederbelysning vist store fordeler.Men fra den raske utviklingen de siste to årene har vi også sett mange misforståelser i utformingen og bruken av lys, som hovedsakelig gjenspeiles i følgende aspekter.

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

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

③Så lenge PPFD (light quantum flux density), 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 applikasjoner blir frøplanter ofte brent eller visnet.Derfor må utformingen av denne parameteren utformes i henhold til planteart, vekstmiljø og forhold.

Når det gjelder det første aspektet, som introdusert i innledningen, bør spekteret som kreves for plantevekst være et kontinuerlig spektrum med en viss distribusjonsbredde.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 lette og bladstilkene er veldig tynne.

For lysstoffrør med tre primærfarger som er vanlig brukt i tidligere år, selv om hvitt er syntetisert, er de røde, grønne og blå spektrene atskilt (som vist i figur 3(b)), og bredden på spekteret er veldig smal.Spektralintensiteten til den påfølgende kontinuerlige delen er relativt svak, og effekten er fortsatt relativt stor sammenlignet med lysdioder, 1,5 til 3 ganger energiforbruket.Derfor er ikke brukseffekten like god som LED-lys.

Figur 3, LED-plantelys med rød og blå brikke og tre-primærfarge fluorescerende lysspektrum

PPFD er lyskvanteflukstettheten, som refererer til den effektive strålingslysflukstettheten til lys i fotosyntesen, som representerer det totale antallet lyskvanter som faller inn på plantebladstammer i bølgelengdeområdet 400 til 700 nm per tidsenhet og arealenhet .Enheten er μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).Den fotosyntetisk aktive strålingen (PAR) refererer til den totale solstrålingen med en bølgelengde i området 400 til 700 nm.Det kan uttrykkes enten ved lyskvanter eller ved strålingsenergi.

Tidligere var lysintensiteten som ble reflektert av illuminometeret lysstyrke, men spekteret av plantevekst 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 til den solelskende planten er større enn 50 μmol·m-2·s-1, mens PPFD til den skyggefulle planten bare trenger 20 μmol·m-2·s-1 .Derfor, når du kjøper LED-vekstlys, kan du velge antall LED-vekstlys basert på denne referanseverdien og typen planter du planter.For eksempel, hvis PPFD for en enkelt LED-lys er 20 μmol·m-2·s-1, kreves det mer enn 3 LED-planteløker for å dyrke solelskende planter.

Flere designløsninger av halvlederbelysning

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

• For tiden er innendørsplantingsmodellen veldig varm i Kina.Denne modellen har flere egenskaper:

① Rollen til LED-lys er å gi hele spekteret av plantebelysning, og belysningssystemet er nødvendig for å gi all lysenergi, og produksjonskostnadene er relativt høye;
②Utformingen av LED-vekstlys må vurdere kontinuiteten og integriteten til spekteret;
③Det er nødvendig å effektivt kontrollere belysningstiden og lysintensiteten, for eksempel å la plantene hvile i noen timer, intensiteten av bestrålingen er ikke nok eller for sterk, etc.;
④Hele prosessen må etterligne forholdene som kreves av det faktiske optimale vekstmiljøet for planter utendørs, slik som fuktighet, temperatur og CO2-konsentrasjon.

• Utendørs plantemodus med godt utendørs drivhusplantingsgrunnlag.Egenskapene til denne modellen er:

① Rollen til LED-lys er å supplere lyset.Den ene er å øke lysintensiteten i de blå og røde områdene under bestråling av sollys i løpet av dagen for å fremme fotosyntese av planter, og den andre er å kompensere når det ikke er sollys om natten for å fremme planteveksthastigheten
②Det supplerende lyset må vurdere hvilket vekststadium planten er i, for eksempel frøplanteperioden eller blomstrings- og fruktperioden.

Derfor bør utformingen av LED-plantevekstlys først ha to grunnleggende designmoduser, nemlig 24-timers belysning (innendørs) og planteveksttilskuddsbelysning (utendørs).For innendørs plantedyrking må utformingen av LED-vekstlys vurdere tre aspekter, som vist i figur 4. Det er ikke mulig å pakke brikkene med tre primærfarger i en viss andel.

Figur 4, Designideen med å bruke innendørs LED-planteforsterkerlys for 24-timers belysning

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

Figur 5, Spektralstrukturer egnet for LED innendørs barnehageperiode

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

Figur 6, Designideer for utendørs vokselys 

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

Først av alt, Kinas utendørs drivhusdyrking har flere tiår en stor mengde og et bredt spekter av erfaring, både i sør og nord.Den har et godt grunnlag for drivhusdyrkingsteknologi og gir et stort antall frisk frukt og grønnsaker på markedet for omkringliggende byer.Spesielt innen jord- og vann- og gjødselplanting er det laget rike forskningsresultater.

For det andre kan denne typen supplerende lysløsning i stor grad redusere unødvendig forbruk av energi, og kan samtidig effektivt øke utbyttet av frukt og grønnsaker.I tillegg er Kinas enorme geografiske område veldig praktisk for promotering.

Som den vitenskapelige forskningen av LED-plantebelysning, gir den også en bredere eksperimentell base for den.Fig. 7 er et slags LED-vekstlys utviklet av dette forskerteamet, som er egnet for dyrking i drivhus, og spekteret er vist i Fig. 8.

Figur 7, En slags LED-vekstlys

Figur 8, spekteret av en slags LED-vekstlys

I henhold til designideene ovenfor, gjennomførte forskerteamet en serie eksperimenter, og de eksperimentelle resultatene er svært betydningsfulle.For eksempel, for vekstlys i barnehagen, er den originale lampen som brukes en fluorescerende lampe med en effekt på 32 W og en barnehagesyklus på 40 dager.Vi leverer et 12 W LED-lys, som forkorter frøplantesyklusen til 30 dager, effektivt reduserer påvirkningen av temperaturen på lampene i frøplanteverkstedet, og sparer strømforbruket til klimaanlegget.Tykkelsen, lengden og fargen på frøplantene er bedre enn den opprinnelige frøplanteoppløsningen.For frøplanter av vanlige grønnsaker er det også oppnådd gode verifikasjonskonklusjoner, som er oppsummert i følgende tabell.

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

Konklusjon

Denne artikkelen introduserer den siste 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 skal påpekes at det også er noen faktorer som må vurderes ved installasjon og bruk av lyset, som avstanden mellom lyset og anlegget, bestrålingsområdet til lampen, og hvordan man påfører lyset med vanlig vann, gjødsel og jord.

Forfatter: Yi Wang et al.Kilde: CNKI