Введение

Свет играет ключевую роль в процессе роста растений.Это лучшее удобрение, способствующее поглощению растительным хлорофиллом и поглощению различных свойств роста растений, таких как каротин.Однако решающим фактором, определяющим рост растений, является всеобъемлющий фактор, не только связанный со светом, но и неотделимый от состава воды, почвы и удобрений, условий среды роста и комплексного технического контроля.

За последние два-три года было бесконечное количество сообщений о применении технологии полупроводникового освещения в отношении трехмерных заводов или выращивания растений.Но после внимательного прочтения всегда остается какое-то тревожное чувство.Вообще говоря, нет реального понимания того, какую роль должен играть свет в росте растений.

Во-первых, давайте разберемся со спектром солнца, как показано на рисунке 1. Видно, что солнечный спектр представляет собой непрерывный спектр, в котором синий и зеленый спектр сильнее, чем красный спектр, а спектр видимого света колеблется от от 380 до 780 нм.Рост организмов в природе связан с интенсивностью спектра.Например, большинство растений в районе экватора растут очень быстро, и в то же время размер их прироста сравнительно велик.Но высокая интенсивность солнечного излучения не всегда к лучшему, и существует определенная степень селективности для роста животных и растений.

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

Во-вторых, вторая спектральная диаграмма нескольких ключевых поглощающих элементов роста растений показана на рисунке 2.

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

Из рисунка 2 видно, что спектры поглощения света некоторых ключевых ауксинов, влияющих на рост растений, существенно различаются.Таким образом, применение светодиодных светильников для выращивания растений — дело не простое, а очень целенаправленное.Здесь необходимо ввести понятия о двух важнейших фотосинтезирующих элементах роста растений.

• Хлорофилл

Хлорофилл является одним из наиболее важных пигментов, связанных с фотосинтезом.Он существует во всех организмах, способных осуществлять фотосинтез, включая зеленые растения, прокариотические сине-зеленые 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 в основном поглощает сине-фиолетовый свет, в основном для того, чтобы отличать теневые растения от солнечных.Соотношение хлорофилла b к хлорофиллу а у теневых растений невелико, поэтому теневые растения могут интенсивно использовать синий свет и адаптироваться к выращиванию в тени.Хлорофилл а сине-зеленый, а хлорофилл б желто-зеленый.Имеются два сильных поглощения хлорофилла а и хлорофилла b, одно в красной области с длиной волны 630-680 нм, а другое в сине-фиолетовой области с длиной волны 400-460 нм.

• Каротиноиды

Каротиноиды — это общий термин для 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, который обеспечивает цвет пищи и влияет на потребление пищи организмом.У водорослей, растений и микроорганизмов его цвет покрыт хлорофиллом и не может проявиться.В клетках растений образующиеся каротиноиды не только поглощают и передают энергию, помогая фотосинтезу, но также выполняют функцию защиты клеток от разрушения возбужденными молекулами кислорода с одноэлектронной связью.

Некоторые концептуальные недоразумения

Независимо от энергосберегающего эффекта, избирательности света и координации света, полупроводниковое освещение показало большие преимущества.Однако из-за быстрого развития за последние два года мы также увидели много недоразумений в дизайне и применении света, которые в основном отражаются в следующих аспектах.

① Если 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 т. д. на.

② Пока это белый свет, он может заменить солнечный свет, например, широко используемая в Японии трубка белого света с тремя первичными лучами и т. д. Использование этих спектров оказывает определенное влияние на рост растений, но эффект не так хорош, как источник света, сделанный светодиодом.

③Пока PPFD (плотность светового квантового потока), важный параметр освещения, достигает определенного показателя, например, PPFD превышает 200 мкмоль·м-2·с-1.Однако при использовании этого индикатора необходимо обращать внимание на то, является ли это теневым или солнечным растением.Вам нужно запросить или найти точку насыщения компенсации света этих растений, которая также называется точкой компенсации света.В реальных условиях саженцы часто сгорают или засыхают.Следовательно, дизайн этого параметра должен быть разработан в соответствии с видами растений, средой роста и условиями.

Что касается первого аспекта, как указано во введении, спектр, необходимый для роста растений, должен представлять собой непрерывный спектр с определенной шириной распределения.Очевидно, нецелесообразно использовать источник света, состоящий из двух чипов определенной длины волны красного и синего цветов с очень узким спектром (как показано на рис. 3(а)).В экспериментах было установлено, что растения склонны к желтоватому цвету, черешки листьев очень светлые, черешки листьев очень тонкие.

Для люминесцентных ламп с тремя основными цветами, которые обычно использовались в предыдущие годы, хотя синтезируется белый цвет, красный, зеленый и синий спектры разделены (как показано на рисунке 3(b)), а ширина спектра очень узкая.Спектральная интенсивность следующей непрерывной части относительно слабая, а мощность по-прежнему относительно велика по сравнению со светодиодами, в 1,5–3 раза превышающая энергопотребление.Поэтому эффект от использования не так хорош, как у светодиодных фонарей.

Рисунок 3. Красный и синий светодиодный свет для растений и спектр флуоресцентного света с тремя основными цветами.

PPFD — плотность светового квантового потока, которая относится к эффективной плотности светового потока излучения при фотосинтезе, которая представляет собой общее количество квантов света, падающих на стебли листьев растений в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм в единицу времени и на единицу площади. .Его единицей является мкЭ·м-2·с-1 (мкмоль·м-2·с-1).Фотосинтетически активное излучение (ФАР) относится к общему солнечному излучению с длиной волны в диапазоне от 400 до 700 нм.Она может выражаться либо световыми квантами, либо лучистой энергией.

В прошлом интенсивность света, отражаемая иллюминометром, была яркостью, но спектр роста растений меняется из-за высоты светильника от растения, охвата светом и того, может ли свет проходить через листья.Следовательно, неправильно использовать par в качестве показателя интенсивности света при изучении фотосинтеза.

Как правило, механизм фотосинтеза может быть инициирован, когда PPFD светолюбивого растения превышает 50 мкмоль·м-2·с-1, в то время как PPFD тенистого растения составляет всего 20 мкмоль·м-2·с-1. .Таким образом, при покупке светодиодных ламп для выращивания вы можете выбрать количество светодиодных ламп для выращивания на основе этого эталонного значения и типа растений, которые вы сажаете.Например, если PPFD одной светодиодной лампы составляет 20 мкмоль·м-2·с-1, для выращивания светолюбивых растений требуется более 3 светодиодных ламп.

Несколько конструктивных решений полупроводникового освещения

Полупроводниковое освещение используется для выращивания или посадки растений, и существует два основных эталонных метода.

• В настоящее время модель выращивания в помещении очень популярна в Китае.Эта модель имеет несколько характеристик:

① Роль светодиодных светильников заключается в обеспечении полного спектра освещения растений, а система освещения необходима для обеспечения всей энергии освещения, а стоимость производства относительно высока;
②Конструкция светодиодных светильников для выращивания растений должна учитывать непрерывность и целостность спектра;
③Необходимо эффективно контролировать время и интенсивность освещения, например, дать растениям отдохнуть в течение нескольких часов, интенсивность облучения недостаточна или слишком сильна и т. д.;
④Весь процесс должен имитировать условия, требуемые фактической оптимальной средой для роста растений на открытом воздухе, такие как влажность, температура и концентрация CO2.

• Режим посадки на открытом воздухе с хорошей основой для посадки теплицы на открытом воздухе.Характеристики этой модели таковы:

① Роль светодиодных фонарей заключается в том, чтобы дополнять свет.Один из них заключается в повышении интенсивности света в синих и красных областях при облучении солнечным светом в течение дня, чтобы способствовать фотосинтезу растений, а другой - в компенсации, когда ночью нет солнечного света, чтобы ускорить рост растений.
②Дополнительный свет должен учитывать, на какой стадии роста находится растение, например, в период рассады или в период цветения и плодоношения.

Таким образом, дизайн светодиодных светильников для выращивания растений должен сначала иметь два основных режима проектирования, а именно: круглосуточное освещение (в помещении) и дополнительное освещение для роста растений (на открытом воздухе).Для выращивания растений в помещении при проектировании светодиодных светильников необходимо учитывать три аспекта, как показано на рис. 4. Невозможно упаковать чипы с тремя основными цветами в определенной пропорции.

Рисунок 4. Конструктивная идея использования внутренних светодиодных ламп для круглосуточного освещения растений.

Например, для спектра на стадии рассады, учитывая, что он должен усилить рост корней и стеблей, усилить ветвление листьев, а источник света используется в помещении, спектр можно спроектировать так, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Спектральные структуры, подходящие для освещения детских комнат с использованием светодиодов.

Что касается дизайна второго типа светодиодного освещения для выращивания растений, то оно в основном направлено на конструктивное решение дополнительного света для стимулирования посадки в основании уличной теплицы.Идея дизайна показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Идеи дизайна наружного освещения для выращивания растений 

Автор предполагает, что больше компаний, занимающихся выращиванием растений, примут второй вариант использования светодиодных ламп для стимулирования роста растений.

Прежде всего, выращивание в теплицах на открытом воздухе в Китае имеет многолетний опыт и большой опыт как на юге, так и на севере.Он имеет хорошую базу технологии выращивания в теплицах и обеспечивает большое количество свежих фруктов и овощей на рынке близлежащих городов.Особенно в области посадки почвы, воды и удобрений были получены богатые результаты исследований.

Во-вторых, такое дополнительное освещение может значительно снизить ненужное потребление энергии и в то же время эффективно повысить урожайность фруктов и овощей.Кроме того, обширная географическая территория Китая очень удобна для продвижения.

Как научное исследование светодиодного освещения растений, оно также обеспечивает для него более широкую экспериментальную базу.На рис. 7 показан вид светодиодной лампы для выращивания, разработанной этой исследовательской группой, которая подходит для выращивания в теплицах, а ее спектр показан на рис. 8.

Рисунок 7. Разновидность светодиодной лампы для выращивания растений.

Рис. 8. Спектр светодиодной лампы для выращивания растений.

В соответствии с приведенными выше идеями дизайна исследовательская группа провела серию экспериментов, и результаты экспериментов очень значительны.Например, для освещения в питомнике в качестве оригинальной лампы используется люминесцентная лампа мощностью 32 Вт с циклом питомника 40 дней.Мы предлагаем светодиодную лампу мощностью 12 Вт, которая сокращает цикл рассады до 30 дней, эффективно снижает влияние температуры ламп в рассадной мастерской и снижает энергопотребление кондиционера.Толщина, длина и цвет рассады лучше, чем у исходного раствора для выращивания рассады.Для рассады обычных овощей также были получены хорошие результаты проверки, которые сведены в следующую таблицу.

Среди них дополнительная светлая группа PPFD: 70-80 мкмоль·м-2·с-1 и красно-синий коэффициент: 0,6-0,7.Диапазон дневного значения PPFD естественной группы составлял 40~800 мкмоль·м-2·с-1, а отношение красного к синему – 0,6~1,2.Видно, что вышеперечисленные показатели лучше, чем у естественно выращенных саженцев.

Заключение

В этой статье представлены последние разработки в области применения светодиодных ламп для выращивания растений в растениеводстве, а также отмечены некоторые недоразумения в применении светодиодных ламп для выращивания растений в растениеводстве.Наконец, представлены технические идеи и схемы разработки светодиодных светильников для выращивания растений.Следует отметить, что при установке и использовании светильника также необходимо учитывать некоторые факторы, такие как расстояние между светильником и растением, диапазон излучения лампы и способ применения света с нормальная вода, удобрения и почва.

Автор: Yi Wang et al.Источник: ЦНКИ