Введение

Свет играет ключевую роль в процессе роста растений. Он является лучшим удобрением для стимулирования поглощения растениями хлорофилла и различных полезных веществ, таких как каротин. Однако решающим фактором, определяющим рост растений, является комплексный фактор, не только связанный со светом, но и неотделимый от состава воды, почвы и удобрений, условий окружающей среды и комплексного технического контроля.

В последние два-три года появилось множество сообщений о применении полупроводниковых технологий освещения в трехмерных фабриках по выращиванию растений или в процессе их роста. Но после внимательного прочтения всегда остается некоторое чувство беспокойства. В целом, нет реального понимания того, какую роль свет должен играть в росте растений.

Для начала давайте разберемся со спектром Солнца, как показано на рисунке 1. Видно, что солнечный спектр представляет собой непрерывный спектр, в котором синий и зеленый спектры интенсивнее красного, а видимый световой спектр простирается от 380 до 780 нм. Рост организмов в природе связан с интенсивностью спектра. Например, большинство растений в районе экватора растут очень быстро, и при этом размеры их саженцев относительно велики. Но высокая интенсивность солнечного излучения не всегда лучше, и существует определенная степень избирательности в росте животных и растений.

Рисунок 1. Характеристики солнечного спектра и его спектра видимого света.

Во-вторых, на рисунке 2 представлена ​​вторая спектральная диаграмма нескольких ключевых элементов поглощения при росте растений.

Рисунок 2. Спектры поглощения нескольких ауксинов в процессе роста растений.

Как видно из рисунка 2, спектры поглощения света нескольких ключевых ауксинов, влияющих на рост растений, значительно различаются. Поэтому применение светодиодных светильников для выращивания растений — это не простое, а очень целенаправленное дело. Здесь необходимо ввести понятия двух наиболее важных фотосинтезирующих элементов роста растений.

• Хлорофилл

Хлорофилл — один из важнейших пигментов, участвующих в фотосинтезе. Он присутствует во всех организмах, способных к фотосинтезу, включая зелёные растения, прокариотические сине-зелёные водоросли (цианобактерии) и эукариотические водоросли. Хлорофилл поглощает энергию света, которая затем используется для преобразования углекислого газа в углеводы.

Хлорофилл а в основном поглощает красный свет, а хлорофилл b — сине-фиолетовый, что позволяет отличать тенелюбивые растения от светолюбивых. Соотношение хлорофилла b и хлорофилла a у тенелюбивых растений невелико, поэтому они могут активно использовать синий свет и адаптироваться к произрастанию в тени. Хлорофилл а имеет сине-зеленый цвет, а хлорофилл b — желто-зеленый. У хлорофилла а и хлорофилла b наблюдаются два сильных поглощения: одно в красной области спектра с длиной волны 630-680 нм, а другое в сине-фиолетовой области с длиной волны 400-460 нм.

• Каротиноиды

Каротиноиды — это общее название класса важных природных пигментов, которые обычно встречаются в виде желтых, оранжево-красных или красных пигментов у животных, высших растений, грибов и водорослей. На сегодняшний день обнаружено более 600 природных каротиноидов.

Поглощение света каротиноидами охватывает диапазон OD303~505 нм, что обеспечивает цвет пищи и влияет на усвоение пищи организмом. У водорослей, растений и микроорганизмов этот цвет маскируется хлорофиллом и не проявляется. В растительных клетках вырабатываемые каротиноиды не только поглощают и передают энергию, способствуя фотосинтезу, но и выполняют функцию защиты клеток от разрушения возбужденными одноэлектронными связями молекул кислорода.

Некоторые концептуальные недоразумения

Несмотря на энергосберегающий эффект, избирательность света и координацию световых потоков, полупроводниковое освещение продемонстрировало большие преимущества. Однако за последние два года стремительное развитие привело к появлению множества недоразумений в проектировании и применении источников света, которые в основном проявляются в следующих аспектах.

①При условии, что красные и синие чипы определенной длины волны объединены в определенном соотношении, их можно использовать в растениеводстве. Например, соотношение красного и синего составляет 4:1, 6:1, 9:1 и так далее.

②Если это белый свет, он может заменить солнечный свет, например, широко используемые в Японии трехкомпонентные лампы белого света и т. д. Использование таких спектров оказывает определенное влияние на рост растений, но эффект не так хорош, как у светодиодных источников света.

③ До тех пор, пока PPFD (плотность светового квантового потока), важный параметр освещения, не достигнет определенного значения, например, PPFD превысит 200 мкмоль·м⁻²·с⁻¹. Однако при использовании этого показателя необходимо учитывать, является ли растение тенелюбивым или солнцелюбивым. Необходимо определить точку насыщения световой компенсации для таких растений, также называемую точкой световой компенсации. В реальных условиях рассада часто обгорает или увядает. Поэтому расчет этого параметра должен производиться с учетом вида растения, условий произрастания и особенностей его роста.

Что касается первого аспекта, как было отмечено во введении, спектр, необходимый для роста растений, должен быть непрерывным спектром с определенной шириной распределения. Очевидно, что использование источника света, состоящего из двух чипов с определенной длиной волны красного и синего цветов, имеет очень узкий спектр (как показано на рисунке 3(а)). В экспериментах было обнаружено, что растения имеют тенденцию к пожелтению, стебли листьев очень светлые, а сами стебли листьев очень тонкие.

В люминесцентных лампах с тремя основными цветами, широко используемых в предыдущие годы, несмотря на синтез белого цвета, красный, зеленый и синий спектры разделяются (как показано на рисунке 3(б)), а ширина спектра очень узкая. Интенсивность спектра в последующей непрерывной части относительно слабая, а потребляемая мощность все еще относительно велика по сравнению со светодиодами, в 1,5–3 раза превышая энергопотребление. Поэтому эффективность использования не так хороша, как у светодиодных ламп.

Рисунок 3. Спектр света от светодиодных ламп для растений красного и синего цвета и люминесцентных ламп трех основных цветов.

PPFD — это плотность потока световых квантов, которая обозначает эффективную плотность потока света в процессе фотосинтеза и представляет собой общее количество световых квантов, падающих на стебли листьев растений в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм в единицу времени и на единицу площади. Единица измерения — мкЭ·м⁻²·с⁻¹ (мкмоль·м⁻²·с⁻¹). Фотосинтетически активное излучение (ФАР) — это общее солнечное излучение с длиной волны в диапазоне от 400 до 700 нм. Оно может быть выражено либо в световых квантах, либо в лучистой энергии.

Раньше интенсивность света, отражаемого осветителем, представляла собой яркость, но спектр роста растений меняется из-за высоты светильника над растением, степени освещенности и способности света проходить сквозь листья. Поэтому использование PAR в качестве показателя интенсивности света при изучении фотосинтеза не является точным.

Как правило, механизм фотосинтеза запускается, когда PPFD (фотосинтетически активная плотность потока фотонов) у светолюбивых растений превышает 50 мкмоль·м⁻²·с⁻¹, в то время как для тенелюбивых растений достаточно 20 мкмоль·м⁻²·с⁻¹. Поэтому при покупке светодиодных фитоламп следует выбирать количество ламп, исходя из этого значения и типа выращиваемых растений. Например, если PPFD одной светодиодной лампы составляет 20 мкмоль·м⁻²·с⁻¹, то для выращивания светолюбивых растений потребуется более 3 светодиодных ламп.

Несколько вариантов конструкции полупроводниковых светильников

Полупроводниковое освещение используется для выращивания растений, и существует два основных метода определения освещенности.

• В настоящее время в Китае очень популярна модель выращивания растений в закрытых помещениях. Эта модель обладает рядом особенностей:

① Роль светодиодных светильников заключается в обеспечении полного спектра освещения растений, а система освещения должна обеспечивать всю необходимую энергию для освещения, что приводит к относительно высоким производственным затратам;
② При проектировании светодиодных светильников для выращивания растений необходимо учитывать непрерывность и целостность спектра;
③Необходимо эффективно контролировать время и интенсивность освещения, например, давать растениям отдых в течение нескольких часов, регулировать интенсивность освещения, если она недостаточна или слишком высока и т.д.;
④Весь процесс должен имитировать условия, необходимые для оптимального роста растений на открытом воздухе, такие как влажность, температура и концентрация CO2.

• Режим выращивания в открытом грунте с использованием качественного основания для посадки в теплице. Характеристики данной модели:

① Роль светодиодных светильников заключается в дополнительном освещении. Во-первых, они усиливают интенсивность света в синей и красной областях спектра под воздействием солнечного света в течение дня, способствуя фотосинтезу растений, а во-вторых, компенсируют недостаток солнечного света ночью, стимулируя рост растений.
② При выборе дополнительного освещения необходимо учитывать стадию роста растения, например, период прорастания или период цветения и плодоношения.

Таким образом, при проектировании светодиодных светильников для выращивания растений следует учитывать два основных режима работы: круглосуточное освещение (в помещении) и дополнительное освещение для роста растений (на открытом воздухе). Для выращивания растений в помещении необходимо учитывать три аспекта при проектировании светодиодных светильников, как показано на рисунке 4. Невозможно разместить чипы с тремя основными цветами в определенной пропорции.

Рисунок 4. Концепция использования светодиодных светильников для комнатных растений, обеспечивающих круглосуточное освещение.

Например, для спектра освещения на стадии выращивания рассады, учитывая необходимость усиления роста корней и стеблей, усиления ветвления листьев, а также использование источника света в помещении, спектр можно спроектировать, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Спектральные структуры, подходящие для использования в качестве светодиодного освещения в детском саду.

При разработке второго типа светодиодных фитоламп основное внимание уделялось решению проблемы дополнительного освещения для стимулирования роста растений в основании открытой теплицы. Идея конструкции показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Варианты дизайна уличных фитоламп. 

Автор предлагает большему числу компаний, занимающихся посадкой растений, перейти ко второму варианту — использованию светодиодных ламп для стимуляции роста растений.

Во-первых, Китай обладает многолетним опытом выращивания растений в открытых теплицах, охватывающим как юг, так и север страны. Здесь хорошо развита технология тепличного выращивания, и на рынок окрестных городов поступает большое количество свежих фруктов и овощей. Особенно богатый опыт накоплен в области почвоведения, водоподготовки и внесения удобрений.

Во-вторых, такое дополнительное освещение позволяет значительно сократить ненужное потребление энергии и одновременно эффективно увеличить урожайность фруктов и овощей. Кроме того, обширная географическая территория Китая очень удобна для его внедрения.

Научное исследование светодиодного освещения для растений также предоставляет более широкую экспериментальную базу для этой области. На рис. 7 показан разработанный данной исследовательской группой светодиодный светильник для выращивания растений, подходящий для использования в теплицах, а его спектр показан на рис. 8.

Рисунок 7. Один из видов светодиодных светильников для выращивания растений.

Рисунок 8, спектр одного из типов светодиодных светильников для выращивания растений.

В соответствии с вышеизложенными проектными идеями, исследовательская группа провела серию экспериментов, и результаты оказались весьма значимыми. Например, для освещения в рассаднике, изначально использовалась люминесцентная лампа мощностью 32 Вт, а цикл выращивания рассады составлял 40 дней. Мы установили светодиодную лампу мощностью 12 Вт, что сократило цикл выращивания рассады до 30 дней, эффективно снизило влияние температуры ламп в цехе рассады и позволило сэкономить электроэнергию, потребляемую кондиционером. Толщина, длина и цвет рассады оказались лучше, чем при использовании первоначального решения для выращивания рассады. Для рассады распространенных овощей также были получены хорошие результаты проверки, которые суммированы в следующей таблице.

Среди них группа с дополнительным освещением показала следующие значения PPFD: 70-80 мкмоль·м⁻²·с⁻¹, а соотношение красного и синего света: 0,6-0,7. Диапазон значений PPFD в дневное время для естественной группы составлял 40-800 мкмоль·м⁻²·с⁻¹, а соотношение красного и синего света — 0,6-1,2. Видно, что указанные показатели лучше, чем у естественно выращенных саженцев.

Заключение

В данной статье рассматриваются последние достижения в применении светодиодных фитоламп в растениеводстве и указываются некоторые заблуждения относительно их использования. В заключение представлены технические идеи и схемы разработки светодиодных фитоламп, применяемых в растениеводстве. Следует отметить, что при установке и использовании светильника необходимо учитывать ряд факторов, таких как расстояние между светильником и растением, диапазон облучения лампы, а также способы применения света с обычным поливом, удобрениями и почвой.

Автор: Йи Ван и др. Источник: ЦНКИ