Panimula

Ang liwanag ay may mahalagang papel sa proseso ng paglaki ng halaman. Ito ang pinakamahusay na pataba upang mapadali ang pagsipsip ng chlorophyll ng halaman at ang pagsipsip ng iba't ibang katangian ng paglaki ng halaman tulad ng carotene. Gayunpaman, ang mapagpasyang salik na tumutukoy sa paglaki ng mga halaman ay isang komprehensibong salik, hindi lamang nauugnay sa liwanag, kundi pati na rin sa konfigurasyon ng tubig, lupa at pataba, mga kondisyon ng kapaligiran sa paglaki at komprehensibong teknikal na kontrol.

Sa nakalipas na dalawa o tatlong taon, walang katapusang mga ulat tungkol sa paggamit ng teknolohiya ng semiconductor lighting kaugnay ng mga three-dimensional na pabrika ng halaman o paglaki ng halaman. Ngunit pagkatapos itong basahin nang mabuti, palaging may kaunting pagkabalisa. Sa pangkalahatan, walang tunay na pag-unawa sa kung ano ang dapat na papel na ginagampanan ng liwanag sa paglaki ng halaman.

Una, unawain natin ang spectrum ng araw, gaya ng ipinapakita sa Figure 1. Makikita na ang solar spectrum ay isang continuous spectrum, kung saan ang asul at berdeng spectrum ay mas malakas kaysa sa pulang spectrum, at ang visible light spectrum ay mula 380 hanggang 780 nm. Ang paglaki ng mga organismo sa kalikasan ay may kaugnayan sa intensity ng spectrum. Halimbawa, karamihan sa mga halaman sa lugar na malapit sa ekwador ay mabilis na lumalaki, at kasabay nito, ang laki ng kanilang paglaki ay medyo malaki. Ngunit ang mataas na intensity ng irradiation ng araw ay hindi palaging mas mabuti, at mayroong isang tiyak na antas ng selectivity para sa paglaki ng mga hayop at halaman.

Pigura 1, Ang mga katangian ng solar spectrum at ang nakikitang spectrum ng liwanag nito

Pangalawa, ang pangalawang diagram ng spectrum ng ilang pangunahing elemento ng pagsipsip ng paglaki ng halaman ay ipinapakita sa Figure 2.

Pigura 2, Istraktura ng pagsipsip ng ilang auxin sa paglaki ng halaman

Makikita mula sa Figure 2 na ang light absorption spectra ng ilang pangunahing auxin na nakakaapekto sa paglaki ng halaman ay may malaking pagkakaiba. Samakatuwid, ang paggamit ng mga LED plant growth light ay hindi isang simpleng bagay, kundi isang napaka-target na bagay. Dito kinakailangang ipakilala ang mga konsepto ng dalawang pinakamahalagang elemento ng photosynthetic plant growth.

• Kloropila

Ang kloropila ay isa sa pinakamahalagang pigment na may kaugnayan sa potosintesis. Ito ay umiiral sa lahat ng organismo na maaaring lumikha ng potosintesis, kabilang ang mga berdeng halaman, prokaryotic blue-green algae (cyanobacteria) at eukaryotic algae. Ang kloropila ay sumisipsip ng enerhiya mula sa liwanag, na ginagamit upang i-convert ang carbon dioxide sa mga carbohydrates.

Ang chlorophyll a ay pangunahing sumisipsip ng pulang liwanag, at ang chlorophyll b ay pangunahing sumisipsip ng asul-lila na liwanag, pangunahin upang maiba ang mga halamang may lilim mula sa mga halamang may araw. Maliit ang ratio ng chlorophyll b sa chlorophyll a ng mga halamang may lilim, kaya ang mga halamang may lilim ay maaaring gumamit ng asul na liwanag nang malakas at umangkop sa paglaki sa lilim. Ang chlorophyll a ay asul-berde, at ang chlorophyll b ay dilaw-berde. Mayroong dalawang malakas na pagsipsip ng chlorophyll a at chlorophyll b, ang isa ay nasa pulang rehiyon na may wavelength na 630-680 nm, at ang isa naman ay nasa asul-lila na rehiyon na may wavelength na 400-460 nm.

• Mga karotenoid

Ang mga carotenoid ay ang pangkalahatang termino para sa isang klase ng mahahalagang natural na pigment, na karaniwang matatagpuan sa dilaw, kahel-pula o pulang pigment sa mga hayop, mas matataas na halaman, fungi, at algae. Sa ngayon, mahigit 600 natural na carotenoid ang natuklasan.

Ang pagsipsip ng liwanag ng mga carotenoid ay sumasaklaw sa saklaw ng OD303~505 nm, na siyang nagbibigay ng kulay ng pagkain at nakakaapekto sa kinakain ng katawan. Sa algae, halaman, at mga mikroorganismo, ang kulay nito ay natatakpan ng chlorophyll at hindi maaaring lumitaw. Sa mga selula ng halaman, ang mga carotenoid na nalilikha ay hindi lamang sumisipsip at naglilipat ng enerhiya upang makatulong sa photosynthesis, kundi mayroon ding tungkulin na protektahan ang mga selula mula sa pagkawasak ng mga excited single-electron bond oxygen molecules.

Ilang mga hindi pagkakaunawaan sa konsepto

Sa kabila ng epekto ng pagtitipid ng enerhiya, ang pagpili ng liwanag at ang koordinasyon ng liwanag, ang semiconductor lighting ay nagpakita ng malalaking bentahe. Gayunpaman, mula sa mabilis na pag-unlad ng nakalipas na dalawang taon, nakakita rin tayo ng maraming hindi pagkakaunawaan sa disenyo at aplikasyon ng liwanag, na pangunahing makikita sa mga sumusunod na aspeto.

①Hangga't ang pula at asul na mga piraso ng isang tiyak na wavelength ay pinagsama sa isang tiyak na proporsyon, maaari itong gamitin sa pagtatanim, halimbawa, ang proporsyon ng pula sa asul ay 4:1, 6:1, 9:1 at iba pa.

②Hangga't ito ay puting ilaw, maaari nitong palitan ang liwanag ng araw, tulad ng tatlong pangunahing puting tubo ng ilaw na malawakang ginagamit sa Japan, atbp. Ang paggamit ng mga spectrum na ito ay may tiyak na epekto sa paglaki ng mga halaman, ngunit ang epekto ay hindi kasing ganda ng pinagmumulan ng liwanag na nalilikha ng LED.

③Hangga't ang PPFD (light quantum flux density), isang mahalagang parameter ng illumination, ay umaabot sa isang tiyak na index, halimbawa, ang PPFD ay mas malaki sa 200 μmol·m-2·s-1. Gayunpaman, kapag ginagamit ang indicator na ito, dapat mong bigyang-pansin kung ito ay isang halamang may lilim o isang halamang may araw. Kailangan mong i-query o hanapin ang light compensation saturation point ng mga halamang ito, na tinatawag ding light compensation point. Sa mga aktwal na aplikasyon, ang mga punla ay kadalasang nasusunog o nalalanta. Samakatuwid, ang disenyo ng parameter na ito ay dapat idisenyo ayon sa uri ng halaman, kapaligiran ng paglaki at mga kondisyon.

Tungkol sa unang aspeto, gaya ng ipinakilala sa introduksyon, ang spectrum na kinakailangan para sa paglaki ng halaman ay dapat na isang tuluy-tuloy na spectrum na may tiyak na lapad ng distribusyon. Malinaw na hindi naaangkop na gumamit ng pinagmumulan ng liwanag na gawa sa dalawang partikular na wavelength chips na pula at asul na may napakakitid na spectrum (tulad ng ipinapakita sa Figure 3(a)). Sa mga eksperimento, natuklasan na ang mga halaman ay may posibilidad na maging madilaw, ang mga tangkay ng dahon ay napakagaan, at ang mga tangkay ng dahon ay napakanipis.

Para sa mga fluorescent tube na may tatlong pangunahing kulay na karaniwang ginagamit noong mga nakaraang taon, bagama't puti ang na-synthesize, ang pula, berde, at asul na spectra ay pinaghihiwalay (tulad ng ipinapakita sa Figure 3(b)), at ang lapad ng spectrum ay napakakitid. Ang spectral intensity ng kasunod na tuloy-tuloy na bahagi ay medyo mahina, at ang lakas ay medyo malaki pa rin kumpara sa mga LED, 1.5 hanggang 3 beses ang pagkonsumo ng enerhiya. Samakatuwid, ang epekto ng paggamit ay hindi kasinghusay ng mga ilaw na LED.

Pigura 3, Pula at asul na chip na LED plant light at tatlong-pangunahing kulay na fluorescent light spectrum

Ang PPFD ay ang light quantum flux density, na tumutukoy sa epektibong radiation light flux density ng liwanag sa photosynthesis, na kumakatawan sa kabuuang bilang ng light quanta na tumatama sa mga tangkay ng dahon ng halaman sa hanay ng wavelength na 400 hanggang 700 nm bawat unit ng oras at unit ng lawak. Ang unit nito ay μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Ang photosynthetically active radiation (PAR) ay tumutukoy sa kabuuang solar radiation na may wavelength na nasa hanay ng 400 hanggang 700 nm. Maaari itong ipahayag sa pamamagitan ng light quanta o ng radiant energy.

Noong nakaraan, ang tindi ng liwanag na naaaninag ng illuminometer ay ang liwanag, ngunit ang spectrum ng paglaki ng halaman ay nagbabago dahil sa taas ng ilaw mula sa halaman, ang sakop ng liwanag, at kung ang liwanag ay maaaring dumaan sa mga dahon. Samakatuwid, hindi tumpak na gamitin ang par bilang tagapagpahiwatig ng tindi ng liwanag sa pag-aaral ng photosynthesis.

Sa pangkalahatan, ang mekanismo ng photosynthesis ay maaaring simulan kapag ang PPFD ng halamang mahilig sa araw ay mas malaki sa 50 μmol·m-2·s-1, habang ang PPFD ng malilim na halaman ay nangangailangan lamang ng 20 μmol·m-2·s-1. Samakatuwid, kapag bumibili ng mga LED grow light, maaari mong piliin ang bilang ng mga LED grow light batay sa reference value na ito at sa uri ng mga halamang iyong itinatanim. Halimbawa, kung ang PPFD ng isang LED light ay 20 μmol·m-2·s-1, higit sa 3 LED plant bulbs ang kinakailangan upang mapalago ang mga halamang mahilig sa araw.

Ilang solusyon sa disenyo ng semiconductor lighting

Ang semiconductor lighting ay ginagamit para sa paglaki o pagtatanim ng halaman, at mayroong dalawang pangunahing pamamaraan ng pagsangguni.

• Sa kasalukuyan, ang modelo ng pagtatanim sa loob ng bahay ay napakapopular sa Tsina. Ang modelong ito ay may ilang katangian:

①Ang papel ng mga ilaw na LED ay upang magbigay ng buong spectrum ng pag-iilaw ng halaman, at ang sistema ng pag-iilaw ay kinakailangan upang magbigay ng lahat ng enerhiya ng pag-iilaw, at ang gastos sa produksyon ay medyo mataas;
②Kailangang isaalang-alang ng disenyo ng mga LED grow light ang pagpapatuloy at integridad ng spectrum;
③Kinakailangan na epektibong kontrolin ang oras ng pag-iilaw at tindi ng pag-iilaw, tulad ng pagpapapahinga sa mga halaman nang ilang oras, ang tindi ng pag-iilaw ay hindi sapat o masyadong malakas, atbp.;
④Kailangang gayahin ng buong proseso ang mga kondisyong kinakailangan ng aktwal na pinakamainam na kapaligiran sa paglaki ng mga halaman sa labas, tulad ng halumigmig, temperatura at konsentrasyon ng CO2.

• Paraan ng pagtatanim sa labas na may mahusay na pundasyon para sa pagtatanim sa greenhouse sa labas. Ang mga katangian ng modelong ito ay:

①Ang papel ng mga ilaw na LED ay upang madagdagan ang liwanag. Ang isa ay upang palakasin ang tindi ng liwanag sa mga asul at pulang lugar sa ilalim ng pag-iilaw ng sikat ng araw sa araw upang mapalakas ang potosintesis ng mga halaman, at ang isa naman ay upang mabawi ang kakulangan ng sikat ng araw sa gabi upang mapalakas ang bilis ng paglaki ng halaman.
②Kailangang isaalang-alang ng karagdagang liwanag kung saang yugto ng paglago ang halaman, tulad ng panahon ng pagpunla o panahon ng pamumulaklak at pamumunga.

Samakatuwid, ang disenyo ng mga LED plant grow light ay dapat munang magkaroon ng dalawang pangunahing paraan ng disenyo, katulad ng 24 oras na pag-iilaw (panloob) at plant growth supplement lighting (panlabas). Para sa panloob na pagtatanim ng halaman, ang disenyo ng mga LED grow light ay kailangang isaalang-alang ang tatlong aspeto, tulad ng ipinapakita sa Figure 4. Hindi posibleng i-package ang mga chips na may tatlong pangunahing kulay sa isang tiyak na proporsyon.

Pigura 4, Ang ideya sa disenyo ng paggamit ng mga panloob na LED plant booster light para sa 24 oras na pag-iilaw

Halimbawa, para sa isang spectrum na nasa yugto ng nursery, kung isasaalang-alang na kailangan nitong palakasin ang paglaki ng mga ugat at tangkay, palakasin ang pagsanga ng mga dahon, at ang pinagmumulan ng liwanag ay ginagamit sa loob ng bahay, ang spectrum ay maaaring idisenyo gaya ng ipinapakita sa Figure 5.

Pigura 5, Mga istrukturang spectral na angkop para sa LED indoor nursery period

Para sa disenyo ng pangalawang uri ng LED grow light, pangunahing nakatuon ito sa solusyon sa disenyo ng pagdaragdag ng liwanag upang maisulong ang pagtatanim sa base ng panlabas na greenhouse. Ang ideya sa disenyo ay ipinapakita sa Figure 6.

Pigura 6, Mga ideya sa disenyo ng mga panlabas na ilaw para sa paglaki 

Iminumungkahi ng may-akda na mas maraming kompanya ng pagtatanim ang gumamit ng pangalawang opsyon na gumamit ng mga ilaw na LED upang mapabilis ang paglaki ng halaman.

Una sa lahat, ang pagtatanim ng mga greenhouse sa labas ng Tsina ay may malawak na karanasan sa loob ng maraming dekada, kapwa sa timog at hilaga. Mayroon itong mahusay na pundasyon sa teknolohiya ng pagtatanim ng greenhouse at nagbibigay ng maraming sariwang prutas at gulay sa merkado para sa mga nakapalibot na lungsod. Lalo na sa larangan ng lupa, tubig, at pagtatanim ng pataba, nakamit ang masaganang resulta ng pananaliksik.

Pangalawa, ang ganitong uri ng karagdagang solusyon sa ilaw ay maaaring lubos na makabawas sa hindi kinakailangang pagkonsumo ng enerhiya, at kasabay nito ay maaaring epektibong mapataas ang ani ng mga prutas at gulay. Bukod pa rito, ang malawak na heograpikal na lugar ng Tsina ay lubos na maginhawa para sa promosyon.

Bilang siyentipikong pananaliksik sa LED plant lighting, nagbibigay din ito ng mas malawak na base ng eksperimento para dito. Ang Fig. 7 ay isang uri ng LED grow light na binuo ng pangkat ng pananaliksik na ito, na angkop para sa paglaki sa mga greenhouse, at ang spectrum nito ay ipinapakita sa Fig. 8.

Pigura 7, Isang uri ng LED grow light

Pigura 8, spectrum ng isang uri ng LED grow light

Ayon sa mga nabanggit na ideya sa disenyo, ang pangkat ng pananaliksik ay nagsagawa ng serye ng mga eksperimento, at ang mga resulta ng eksperimento ay napakahalaga. Halimbawa, para sa ilaw sa pagtatanim sa nursery, ang orihinal na lamparang ginamit ay isang fluorescent lamp na may lakas na 32 W at 40 araw na siklo ng pagtatanim. Nagbibigay kami ng 12 W na LED light, na nagpapaikli sa siklo ng punla sa 30 araw, epektibong binabawasan ang impluwensya ng temperatura ng mga lampara sa workshop ng punla, at nakakatipid sa pagkonsumo ng kuryente ng air conditioner. Ang kapal, haba, at kulay ng mga punla ay mas mainam kaysa sa orihinal na solusyon sa pagpapalaki ng punla. Para sa mga punla ng mga karaniwang gulay, nakamit din ang mahusay na mga konklusyon sa beripikasyon, na nakabuod sa sumusunod na talahanayan.

Kabilang sa mga ito, ang supplementary light group na PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, at ang red-blue ratio: 0.6-0.7. Ang saklaw ng daytime PPFD value ng natural group ay 40~800 μmol·m-2·s-1, at ang ratio ng red to blue ay 0.6~1.2. Makikita na ang mga indicator sa itaas ay mas mahusay kaysa sa mga natural na lumaki na punla.

Konklusyon

Ipinakikilala ng artikulong ito ang mga pinakabagong pag-unlad sa paggamit ng mga LED grow light sa pagtatanim ng halaman, at itinuturo ang ilang hindi pagkakaunawaan sa paggamit ng LED grow light sa pagtatanim ng halaman. Panghuli, ipinakikilala ang mga teknikal na ideya at pamamaraan para sa pagbuo ng mga LED grow light na ginagamit para sa pagtatanim ng halaman. Dapat bigyang-diin na mayroon ding ilang mga salik na kailangang isaalang-alang sa pag-install at paggamit ng ilaw, tulad ng distansya sa pagitan ng ilaw at ng halaman, ang saklaw ng pag-iilaw ng lampara, at kung paano ilapat ang ilaw gamit ang normal na tubig, pataba, at lupa.

May-akda: Yi Wang et al. Pinagmulan: CNKI