Johdanto

Valolla on keskeinen rooli kasvien kasvuprosessissa. Se on paras lannoite edistämään kasvien klorofyllin ja erilaisten kasvuominaisuuksien, kuten karoteenin, imeytymistä. Kasvien kasvua ratkaiseva tekijä on kuitenkin kokonaisvaltainen tekijä, joka ei liity ainoastaan ​​valoon, vaan myös erottamattomasti veden, maaperän ja lannoitteen kokoonpanoon, kasvuympäristön olosuhteisiin ja kattavaan tekniseen hallintaan.

Viimeisten kahden tai kolmen vuoden aikana on julkaistu loputtomasti raportteja puolijohdevalaistustekniikan soveltamisesta kolmiulotteisiin kasvitehtaisiin tai kasvien kasvuun. Mutta huolellisen lukemisen jälkeen jää aina jonkinlainen levoton tunne. Yleisesti ottaen ei ole todellista ymmärrystä siitä, mikä rooli valolla tulisi olla kasvien kasvussa.

Ymmärretään ensin auringon spektri, kuten kuvassa 1 on esitetty. Voidaan nähdä, että auringon spektri on jatkuva spektri, jossa sininen ja vihreä spektri ovat voimakkaampia kuin punainen spektri ja näkyvän valon spektri vaihtelee 380:sta 780 nm:iin. Luonnossa elävien organismien kasvu liittyy spektrin intensiteettiin. Esimerkiksi useimmat päiväntasaajan lähellä olevat kasvit kasvavat erittäin nopeasti, ja samaan aikaan niiden kasvu on suhteellisen suurta. Mutta auringon säteilyn korkea intensiteetti ei ole aina parempi, ja eläinten ja kasvien kasvulle on tietty selektiivisyys.

Kuva 1, Auringon spektrin ja sen näkyvän valon spektrin ominaisuudet

Toiseksi, kuvassa 2 on esitetty toinen spektrikaavio useista kasvien kasvun keskeisistä absorptioelementeistä.

Kuva 2, Useiden auksiinien absorptiospektrit kasvien kasvussa

Kuvasta 2 voidaan nähdä, että useiden kasvien kasvuun vaikuttavien keskeisten auksiinien valonabsorptiospektrit eroavat merkittävästi toisistaan. Siksi LED-kasvikasvuvalojen käyttö ei ole yksinkertaista, vaan erittäin kohdennettua. Tässä on tarpeen esitellä kahden tärkeimmän fotosynteettisen kasvien kasvuelementin käsitteet.

• Klorofylli

Klorofylli on yksi tärkeimmistä fotosynteesiin liittyvistä pigmenteistä. Sitä esiintyy kaikissa fotosynteesiin kykenevissä organismeissa, mukaan lukien vihreät kasvit, prokaryoottiset sinilevät (syanobakteerit) ja eukaryoottiset levät. Klorofylli absorboi valosta energiaa, jota sitten käytetään hiilidioksidin muuntamiseen hiilihydraateiksi.

Klorofylli a absorboi pääasiassa punaista valoa ja klorofylli b pääasiassa siniviolettia valoa, pääasiassa erottaakseen varjokasvit aurinkokasveista. Varjokasvien klorofylli b:n ja klorofylli a:n suhde on pieni, joten varjokasvit voivat käyttää sinistä valoa voimakkaasti ja sopeutua kasvamaan varjossa. Klorofylli a on sinivihreää ja klorofylli b kellanvihreää. Klorofylli a:lla ja klorofylli b:llä on kaksi voimakasta absorptiota, toinen punaisella alueella aallonpituudella 630–680 nm ja toinen sinivioletilla alueella aallonpituudella 400–460 nm.

• Karotenoidit

Karotenoidit ovat yleisnimitys tärkeille luonnollisille pigmenteille, joita esiintyy yleisesti keltaisissa, oranssinpunaisissa tai punaisissa pigmenteissä eläimissä, korkeammissa kasveissa, sienissä ja levissä. Tähän mennessä on löydetty yli 600 luonnollista karotenoidia.

Karotenoidien valonabsorptio kattaa OD303–505 nm:n alueen, mikä antaa elintarvikkeille värin ja vaikuttaa elimistön ravinnonsaantiin. Levissä, kasveissa ja mikro-organismeissa niiden väri on klorofyllin peitossa, eikä se pääse näkymään. Kasvisoluissa tuotetut karotenoidit eivät ainoastaan ​​absorboi ja siirrä energiaa fotosynteesin edistämiseksi, vaan niiden tehtävänä on myös suojata soluja tuhoutumiselta virittyneiden yksielektronisidoshappimolekyylien vaikutuksesta.

Joitakin käsitteellisiä väärinkäsityksiä

Energiansäästövaikutuksesta, valon selektiivisyydestä ja valon koordinoinnista huolimatta puolijohdevalaistus on osoittanut suuria etuja. Viimeisten kahden vuoden nopean kehityksen myötä olemme kuitenkin nähneet myös paljon väärinkäsityksiä valon suunnittelussa ja soveltamisessa, jotka heijastuvat pääasiassa seuraaviin näkökohtiin.

①Niin kauan kuin tietyn aallonpituuden punaiset ja siniset sirut yhdistetään tietyssä suhteessa, niitä voidaan käyttää kasvinviljelyssä, esimerkiksi punaisen ja sinisen suhde on 4:1, 6:1, 9:1 ja niin edelleen.

②Niin kauan kuin se on valkoista valoa, se voi korvata auringon valon, kuten Japanissa laajalti käytetyn kolmen ensisijaisen valkoisen valoputken jne. Näiden spektrien käytöllä on tietty vaikutus kasvien kasvuun, mutta vaikutus ei ole yhtä hyvä kuin LEDin valmistamalla valonlähteellä.

③Niin kauan kuin PPFD (valon kvanttivuon tiheys), tärkeä valaistusparametri, saavuttaa tietyn indeksin, esimerkiksi PPFD on yli 200 μmol·m-2·s-1. Tätä indikaattoria käytettäessä on kuitenkin kiinnitettävä huomiota siihen, onko kyseessä varjo- vai aurinkokasvi. On kysyttävä tai löydettävä näiden kasvien valonkompensaatiokyllästymispiste, jota kutsutaan myös valonkompensaatiopisteeksi. Käytännössä taimet usein palavat tai kuihtuvat. Siksi tämän parametrin suunnittelussa on otettava huomioon kasvilaji, kasvuympäristö ja -olosuhteet.

Ensimmäisen näkökohdan osalta, kuten johdannossa esiteltiin, kasvien kasvulle tarvittavan spektrin tulisi olla jatkuva spektri, jolla on tietty jakaumaleveys. On ilmeisen sopimatonta käyttää valonlähdettä, joka on valmistettu kahdesta tietystä aallonpituuden omaavasta punaisesta ja sinisestä sirusta, joilla on hyvin kapea spektri (kuten kuvassa 3(a) on esitetty). Kokeissa havaittiin, että kasvit ovat usein kellertäviä, lehtien varret ovat hyvin vaaleita ja lehtien varret ovat hyvin ohuita.

Aiempina vuosina yleisesti käytetyissä loisteputkissa, joissa on kolme pääväriä, vaikka valkoinen syntetisoidaan, punaisen, vihreän ja sinisen spektrit erotetaan toisistaan ​​(kuten kuvassa 3(b) on esitetty), ja spektrin leveys on hyvin kapea. Seuraavan jatkuvan osan spektrin intensiteetti on suhteellisen heikko, ja teho on edelleen suhteellisen suuri verrattuna LEDeihin, 1,5–3 kertaa energiankulutus. Siksi käyttövaikutus ei ole yhtä hyvä kuin LED-valoilla.

Kuva 3, Punainen ja sininen sirullinen LED-kasvivalo ja kolmen päävärin loisteputkivalojen spektri

PPFD on valon kvanttivuontiheys, joka viittaa fotosynteesissä tapahtuvan valon efektiiviseen säteilyn valovuontiheyteen. Se edustaa kasvien lehtien varsiin osuvien valokvanttien kokonaismäärää aallonpituusalueella 400–700 nm aikayksikköä ja pinta-alayksikköä kohden. Sen yksikkö on μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosynteettisesti aktiivinen säteily (PAR) tarkoittaa auringon kokonaissäteilyä aallonpituusalueella 400–700 nm. Se voidaan ilmaista joko valokvantteina tai säteilyenergiana.

Ennen vanhaan illuminometrin heijastama valon intensiteetti oli kirkkaus, mutta kasvien kasvuspektri muuttuu valaisimen korkeuden kasvista, valon peittoalueen ja sen mukaan, pääseekö valo läpi lehtien. Siksi par-arvon käyttö valon intensiteetin indikaattorina fotosynteesin tutkimuksessa ei ole tarkkaa.

Yleisesti ottaen fotosynteesimekanismi voi käynnistyä, kun aurinkoa rakastavan kasvin PPFD on yli 50 μmol·m-2·s-1, kun taas varjoisan kasvin PPFD tarvitsee vain 20 μmol·m-2·s-1. Siksi LED-kasvivaloja ostaessasi voit valita LED-kasvilamppujen määrän tämän viitearvon ja istuttamiesi kasvien tyypin perusteella. Jos esimerkiksi yhden LED-valon PPFD on 20 μmol·m-2·s-1, aurinkoa rakastavien kasvien kasvattamiseen tarvitaan yli 3 LED-kasvilamppua.

Useita puolijohdevalaistuksen suunnitteluratkaisuja

Puolijohdevalaistusta käytetään kasvien kasvuun tai istutukseen, ja on olemassa kaksi perusreferenssimenetelmää.

• Tällä hetkellä sisäkasvien malli on erittäin suosittu Kiinassa. Tällä mallilla on useita ominaisuuksia:

①LED-valojen tehtävänä on tarjota koko kasvivalaistuksen kirjo, ja valaistusjärjestelmän on tuotettava kaikki valaistusenergia, ja tuotantokustannukset ovat suhteellisen korkeat;
②LED-kasvivalaisimien suunnittelussa on otettava huomioon spektrin jatkuvuus ja eheys;
③ Valaistusaikaa ja -voimakkuutta on tarpeen hallita tehokkaasti, esimerkiksi antamalla kasvien levätä muutaman tunnin, säteilytyksen voimakkuus ei ole riittävä tai liian voimakas jne.;
④Koko prosessin on jäljiteltävä kasvien todellisen optimaalisen kasvuympäristön vaatimia olosuhteita ulkona, kuten kosteutta, lämpötilaa ja CO2-pitoisuutta.

• Ulkokasvillisuustila, jossa on hyvä ulkokasvihuoneistutuksen perusta. Tämän mallin ominaisuuksia ovat:

①LED-valojen tehtävänä on täydentää valoa. Toinen on parantaa päivän aikana auringonvalon vaikutuksesta sinisten ja punaisten alueiden valon voimakkuutta kasvien fotosynteesin edistämiseksi, ja toinen on kompensoida yöllä auringonvalon puutetta kasvien kasvun edistämiseksi.
②Lisävalon on otettava huomioon kasvin kasvuvaihe, kuten taimikausi tai kukinta- ja hedelmäkausi.

Siksi LED-kasvikasvatusvalojen suunnittelussa tulisi ensin ottaa huomioon kaksi perussuunnittelutilaa: 24 tunnin valaistus (sisäkäyttöön) ja kasvien kasvua tukeva valaistus (ulkona). Sisäkasvien viljelyssä LED-kasvivalaisimien suunnittelussa on otettava huomioon kolme näkökohtaa, kuten kuvassa 4 on esitetty. Ei ole mahdollista pakata siruja, joissa on kolme pääväriä tietyssä suhteessa.

Kuva 4, Sisätilojen LED-kasvitehostevalojen suunnitteluidea 24 tunnin valaistukseen

Esimerkiksi taimitarhavaiheessa olevan spektrin osalta, ottaen huomioon, että sen on vahvistettava juurien ja varsien kasvua, vahvistettava lehtien haarautumista ja valonlähdettä käytetään sisätiloissa, spektri voidaan suunnitella kuvan 5 mukaisesti.

Kuva 5. Sisäkäyttöön tarkoitetuille LED-lastenhuoneille soveltuvat spektrirakenteet

Toisen tyyppisen LED-kasvivalon suunnittelussa on pääasiassa pyritty täydentämään valoa ulkokasvihuoneen jalustan istutusten edistämiseksi. Suunnitteluidea on esitetty kuvassa 6.

Kuva 6, Ulkokasvivalojen suunnitteluideoita 

Kirjoittaja ehdottaa, että useammat istutusyritykset omaksuisivat toisen vaihtoehdon ja käyttäisivät LED-valoja kasvien kasvun edistämiseksi.

Ensinnäkin Kiinan ulkokasvihuoneviljelyllä on vuosikymmenten mittainen ja laaja kokemus sekä etelässä että pohjoisessa. Maalla on hyvät kasvihuoneviljelyteknologian perusteet, ja se tarjoaa runsaasti tuoreita hedelmiä ja vihanneksia ympäröivien kaupunkien markkinoille. Erityisesti maaperän, kastelun ja lannoitteiden istutuksen alalla on tehty runsaasti tutkimustuloksia.

Toiseksi, tällainen lisävalaistusratkaisu voi vähentää huomattavasti tarpeetonta energiankulutusta ja samalla tehokkaasti lisätä hedelmien ja vihannesten satoa. Lisäksi Kiinan laaja maantieteellinen alue on erittäin kätevä myynninedistämisen kannalta.

LED-kasvivalaistuksen tieteellisenä tutkimuksena se tarjoaa sille myös laajemman kokeellisen pohjan. Kuva 7 esittää tutkimusryhmän kehittämää LED-kasvivaloa, joka soveltuu kasvihuonekasvatukseen, ja sen spektri on esitetty kuvassa 8.

Kuva 7, Eräänlainen LED-kasvivalo

Kuva 8, eräänlaisen LED-kasvivalon spektri

Yllä olevien suunnitteluideoiden mukaisesti tutkimusryhmä suoritti sarjan kokeita, ja kokeelliset tulokset ovat erittäin merkittäviä. Esimerkiksi taimitarhan kasvuvalona käytettiin alkuperäisenä 32 W:n loistelamppua, jonka teho oli 40 päivää taimitarhan syklissä. Tarjoamme 12 W:n LED-valon, joka lyhentää taimisyklin 30 päivään, vähentää tehokkaasti taimitarhan lamppujen lämpötilan vaikutusta ja säästää ilmastointilaitteen virrankulutusta. Taimien paksuus, pituus ja väri ovat paremmat kuin alkuperäisessä taimien kasvatusratkaisussa. Myös tavallisten vihannesten taimien osalta on saatu hyviä varmennustuloksia, jotka on esitetty seuraavassa taulukossa.

Näistä täydentävän valoryhmän PPFD: 70–80 μmol·m-2·s-1 ja punaisen ja sinisen suhde: 0,6–0,7. Luonnollisen ryhmän päiväsaikaan mitatun PPFD-arvon vaihteluväli oli 40–800 μmol·m-2·s-1 ja punaisen ja sinisen suhde oli 0,6–1,2. Voidaan nähdä, että yllä olevat indikaattorit ovat parempia kuin luonnollisesti kasvatettujen taimien.

Johtopäätös

Tässä artikkelissa esitellään LED-kasvivalaisimien uusimmat kehitysaskeleet kasvinviljelyssä ja tuodaan esiin joitakin LED-kasvivalaisimien käyttöön liittyviä väärinkäsityksiä. Lopuksi esitellään tekniset ideat ja suunnitelmat kasvinviljelyssä käytettävien LED-kasvivalaisimien kehittämiseksi. On huomattava, että valon asennuksessa ja käytössä on otettava huomioon myös joitakin tekijöitä, kuten valon ja kasvin välinen etäisyys, lampun säteilyalue sekä valon levittäminen normaalin veden, lannoitteen ja maaperän kanssa.

Kirjoittaja: Yi Wang et ai. Lähde: CNKI