Johdanto

Valolla on keskeinen rooli kasvien kasvuprosessissa.Se on paras lannoite, joka edistää kasvien klorofyllin imeytymistä ja erilaisten kasvien kasvuominaisuuksien, kuten karoteenin, imeytymistä.Ratkaiseva tekijä, joka määrää kasvien kasvun, on kuitenkin kokonaisvaltainen tekijä, joka ei liity pelkästään valoon, vaan on myös erottamaton veden, maaperän ja lannoitteiden kokoonpanosta, kasvuympäristön olosuhteista ja kattavasta teknisestä valvonnasta.

Viimeisen kahden tai kolmen vuoden aikana puolijohdevalaistustekniikan soveltamisesta kolmiulotteisiin kasvitehtaisiin tai kasvien kasvuun on raportoitu loputtomasti.Mutta sen huolellisesti lukemisen jälkeen tulee aina jokin levoton tunne.Yleisesti ottaen ei ole todellista ymmärrystä siitä, mikä rooli valolla pitäisi 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 380-780 nm.Organismien kasvu luonnossa liittyy spektrin intensiteettiin.Esimerkiksi suurin osa päiväntasaajan lähialueen kasveista kasvaa erittäin nopeasti, ja samalla niiden kasvun koko on suhteellisen suuri.Mutta auringon säteilyn korkea intensiteetti ei ole aina parempi, ja eläinten ja kasvien kasvussa on tietty selektiivisyys.

Kuva 1, Auringon spektrin ja sen näkyvän valon spektrin ominaisuudet

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

Kuva 2, Useiden auksiinien absorptiospektrit kasvien kasvussa

Kuvasta 2 voidaan nähdä, että useiden kasvien kasvuun vaikuttavien keskeisten auksiinien valon absorptiospektrit ovat merkittävästi erilaisia.Siksi LED-kasvien kasvuvalojen käyttö ei ole yksinkertaista, vaan hyvin kohdennettua.Tässä on tarpeen esitellä kahden tärkeimmän fotosynteettisen kasvin kasvuelementin käsitteet.

• Klorofylli

Klorofylli on yksi tärkeimmistä fotosynteesiin liittyvistä pigmenteistä.Sitä esiintyy kaikissa organismeissa, jotka voivat luoda fotosynteesiä, mukaan lukien vihreät kasvit, prokaryoottiset sinilevät (syanobakteerit) ja eukaryoottiset levät.Klorofylli imee energiaa valosta, jota sitten käytetään hiilidioksidin muuttamiseksi hiilihydraateiksi.

Klorofylli a absorboi pääasiassa punaista valoa ja klorofylli b pääasiassa siniviolettia valoa, pääasiassa erottaakseen varjokasvit aurinkokasveista.Varjokasvien klorofylli b:n suhde klorofylliin a on pieni, joten varjokasvit voivat käyttää sinistä valoa voimakkaasti ja sopeutua varjossa kasvamiseen.Klorofylli a on sinivihreä ja klorofylli b keltavihreä.Klorofylli a:n ja klorofylli b:n absorptio on kaksi voimakasta, toinen punaisella alueella, jonka aallonpituus on 630-680 nm, ja toinen sinivioletilla alueella, jonka aallonpituus on 400-460 nm.

• Karotenoidit

Karotenoidit ovat yleinen termi tärkeille luonnollisille pigmenteille, joita esiintyy yleisesti eläinten, korkeampien kasvien, sienten ja levien keltaisissa, oranssinpunaisissa tai punaisissa pigmenteissä.Tähän mennessä on löydetty yli 600 luonnollista karotenoidia.

Karotenoidien valon absorptio kattaa alueen OD303 ~ 505 nm, mikä antaa elintarvikkeiden värin ja vaikuttaa kehon ravinnon saantiin.Levissä, kasveissa ja mikro-organismeissa sen väri on klorofyllin peittämä, eikä se voi ilmaantua.Kasvisoluissa tuotetut karotenoidit eivät vain absorboi ja siirrä energiaa auttamaan fotosynteesiä, vaan niillä on myös tehtävä suojella soluja tuhoutumasta kiihtyneiden yksielektronisidoshappimolekyylien vaikutuksesta.

Joitakin käsitteellisiä väärinkäsityksiä

Energiaa säästävästä vaikutuksesta, valon selektiivisyydestä ja valon koordinoinnista huolimatta puolijohdevalaistuksella on ollut 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. päällä.

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 on ei niin hyvä kuin LED-valonlähde.

③ Niin kauan kuin PPFD (light quantum flux density), tärkeä valaistuksen parametri, saavuttaa tietyn indeksin, esimerkiksi PPFD on suurempi kuin 200 μmol·m-2·s-1.Tätä indikaattoria käytettäessä on kuitenkin kiinnitettävä huomiota siihen, onko kyseessä varjokasvi vai aurinkokasvi.Sinun on kysyttävä tai löydettävä näiden kasvien valokompensointikyllästyspiste, jota kutsutaan myös valon kompensointipisteeksi.Varsinaisissa sovelluksissa taimet usein poltetaan tai kuihtuvat.Siksi tämän parametrin suunnittelu on suunniteltava kasvilajin, kasvuympäristön ja olosuhteiden mukaan.

Mitä tulee ensimmäiseen näkökohtaan, kuten johdannossa esiteltiin, kasvien kasvuun tarvittavan spektrin tulisi olla jatkuva spektri tietyllä levinneisyysleveydellä.On ilmeisesti epäasianmukaista käyttää valonlähdettä, joka on valmistettu kahdesta tietyn aallonpituuden aallonpituudesta, punaisesta ja sinisestä, ja joilla on erittäin kapea spektri (kuten kuvassa 3(a)).Kokeissa havaittiin, että kasvit ovat yleensä kellertäviä, lehtivarret ovat erittäin vaaleita ja lehtivarret ovat hyvin ohuita.

Loisteputkissa, joissa on aiempina vuosina yleisesti käytetty kolme pääväriä, vaikka valkoista syntetisoidaan, punainen, vihreä ja sininen spektrit erotetaan (kuten kuvassa 3(b)) ja spektrin leveys on hyvin kapea.Seuraavan jatkuvan osan spektrin intensiteetti on suhteellisen heikko, ja teho on edelleen suhteellisen suuri LEDeihin verrattuna, 1,5-3 kertaa energiankulutus.Siksi käyttövaikutus ei ole yhtä hyvä kuin LED-valot.

Kuva 3, Punainen ja sininen siru LED-kasvivalo ja kolmen ensisijaisen värin loisteputkivalospektri

PPFD on valon kvanttivuon tiheys, joka viittaa valon teholliseen säteilyn valovuon tiheyteen fotosynteesissä, joka edustaa kasvin lehtien varsiin aallonpituusalueella 400-700 nm osuvien valokvanttien kokonaismäärää aika- ja pinta-alayksikköä kohti. .Sen yksikkö on μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).Fotosynteettisesti aktiivinen säteily (PAR) tarkoittaa auringon kokonaissäteilyä, jonka aallonpituus on 400-700 nm.Se voidaan ilmaista joko valokvanteilla tai säteilyenergialla.

Aikaisemmin illuminometrin heijastama valovoima oli kirkkautta, mutta kasvien kasvuspektri muuttuu johtuen valaisimen korkeudesta kasvista, valon peittävyydestä ja siitä, pääseekö valo lehtien läpi.Siksi ei ole tarkkaa käyttää paria valon voimakkuuden indikaattorina fotosynteesin tutkimuksessa.

Yleensä fotosynteesimekanismi voidaan käynnistää, kun aurinkoa rakastavan kasvin PPFD on suurempi kuin 50 μmol·m-2·s-1, kun taas varjoisen kasvin PPFD tarvitsee vain 20 μmol·m-2·s-1 .Siksi, kun ostat LED-kasvatusvalaisimia, voit valita LED-kasvatusvalojen määrän tämän viitearvon ja istuttamiesi kasvien tyypin perusteella.Jos esimerkiksi yhden LED-lampun PPFD on 20 μmol·m-2·s-1, aurinkoa rakastavien kasvien kasvattamiseen tarvitaan yli 3 LED-kasvisipulia.

Useita puolijohdevalaistuksen suunnitteluratkaisuja

Puolijohdevalaistusta käytetään kasvien kasvattamiseen tai istuttamiseen, ja perusreferenssimenetelmiä on kaksi.

• Tällä hetkellä sisäistutusmalli on erittäin kuuma Kiinassa.Tällä mallilla on useita ominaisuuksia:

①LED-valojen tehtävänä on tarjota koko kasvien valaistuksen kirjo, ja valaistusjärjestelmän on toimitettava kaikki valaistusenergia, ja tuotantokustannukset ovat suhteellisen korkeat;
②LED-kasvuvalojen suunnittelussa on otettava huomioon spektrin jatkuvuus ja eheys;
③On tarpeen valvoa tehokkaasti valaistusaikaa ja valaistuksen voimakkuutta, esimerkiksi antaa kasvien levätä muutaman tunnin, säteilyn voimakkuus ei ole riittävä tai liian voimakas jne.;
④Koko prosessin tulee jäljitellä kasvien todellisen optimaalisen kasvuympäristön vaatimia olosuhteita, kuten kosteutta, lämpötilaa ja CO2-pitoisuutta.

• Ulkoistutustila hyvällä ulkokasvihuoneistutusperustalla.Tämän mallin ominaisuudet ovat:

①LED-valojen tehtävänä on täydentää valoa.Toinen on lisätä valon intensiteettiä sinisillä ja punaisilla alueilla auringonvalon säteilytyksen alla päiväsaikaan kasvien fotosynteesin edistämiseksi, ja toinen on kompensoida auringonvaloa yöllä kasvien kasvunopeuden edistämiseksi.
②Lisävalon on otettava huomioon, missä kasvuvaiheessa kasvi on, kuten taimikausi tai kukinta- ja hedelmäkausi.

Siksi LED-kasvivalojen suunnittelussa tulisi ensin olla kaksi perussuunnittelutilaa, nimittäin 24h-valaistus (sisätiloissa) ja kasvien kasvua täydentävä valaistus (ulkona).Sisäkasvien viljelyssä LED-viljelyvalojen suunnittelussa on otettava huomioon kolme näkökohtaa, kuten kuvassa 4. Ei ole mahdollista pakata siruja kolmella päävärillä tietyssä suhteessa.

Kuva 4, Suunnitteluidea sisätilojen LED-kasvivalaisimien käytöstä 24h-valaistukseen

Esimerkiksi taimitarhavaiheessa olevalle spektrille, kun otetaan huomioon, että sen täytyy vahvistaa juurien ja varsien kasvua, vahvistaa lehtien haarautumista ja valonlähdettä käytetään sisätiloissa, spektri voidaan suunnitella kuvan 5 mukaisesti.

Kuva 5, Spektrirakenteet, jotka sopivat LED-sisäpäivähoitojaksoon

Toisen tyyppisen LED-kasvivalon suunnittelussa se on pääasiassa suunnattu suunnitteluratkaisuun täydentää valoa, joka edistää istutusta ulkokasvihuoneen pohjaan.Suunnitteluidea näkyy kuvassa 6.

Kuva 6, Ulkovalojen suunnitteluideoita 

Kirjoittaja ehdottaa, että useammat istutusyritykset ottavat käyttöön toisen vaihtoehdon käyttää LED-valoja kasvien kasvun edistämiseen.

Ensinnäkin Kiinan ulkokasvihuoneviljelyllä on vuosikymmenten mittainen määrä ja laaja kokemus sekä etelässä että pohjoisessa.Sillä on hyvä perusta kasvihuoneviljelyteknologialle ja se tarjoaa markkinoille suuren määrän tuoreita hedelmiä ja vihanneksia ympäröiville kaupungeille.Erityisesti maa- ja vesiviljelyn sekä lannoitteiden istuttamisen alalla on tehty runsaasti tutkimustuloksia.

Toiseksi, tällainen lisävaloratkaisu voi merkittävästi vähentää tarpeetonta energiankulutusta ja samalla lisätä tehokkaasti hedelmien ja vihannesten satoa.Lisäksi Kiinan laaja maantieteellinen alue on erittäin kätevä edistämiseen.

LED-kasvivalaistuksen tieteellisenä tutkimuksena se tarjoaa sille myös laajemman kokeellisen pohjan.Kuva 7 on eräänlainen tämän tutkimusryhmän kehittämä LED-kasvatusvalo, joka soveltuu kasvihuoneviljelyyn ja jonka spektri on esitetty kuvassa 8.

Kuva 7, Eräänlainen LED-kasvuvalo

Kuva 8, eräänlaisen LED-kasvuvalon spektri

Yllä olevien suunnitteluideoiden mukaan tutkimusryhmä teki sarjan kokeita, ja kokeelliset tulokset ovat erittäin merkittäviä.Esimerkiksi kasvatusvalossa taimitarhan aikana alkuperäinen lamppu on käytetty loistelamppua, jonka teho on 32 W ja lastenhoitojakso 40 päivää.Tarjoamme 12 W LED-valon, joka lyhentää taimijakson 30 päivään, vähentää tehokkaasti lamppujen lämpötilan vaikutusta taimipajassa ja säästää ilmastointilaitteen virrankulutusta.Taimien paksuus, pituus ja väri ovat parempia kuin alkuperäinen taimien kasvatusratkaisu.Myös tavallisten vihannesten taimien osalta on saatu hyviä varmennuspäätelmiä, jotka on koottu seuraavaan taulukkoon.

Niistä lisävaloryhmä PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 ja puna-sininen suhde: 0,6-0,7.Luonnollisen ryhmän päiväajan 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

Tämä artikkeli esittelee viimeisimmät kehityssuunnat LED-valojen soveltamisessa kasvinviljelyssä ja tuo esiin joitain väärinkäsityksiä LED-kasvatusvalon käytössä kasvinviljelyssä.Lopuksi esitellään tekniset ideat ja suunnitelmat kasvinviljelyyn käytettävien LED-valojen kehittämiseksi.On syytä huomauttaa, että on myös joitain tekijöitä, jotka on otettava huomioon valon asennuksessa ja käytössä, kuten valon ja kasvin välinen etäisyys, lampun säteilytysalue ja valon levittäminen normaali vesi, lannoite ja maaperä.

Kirjoittaja: Yi Wang et ai.Lähde: CNKI