Introducció

La llum té un paper clau en el procés de creixement de les plantes. És el millor fertilitzant per afavorir l'absorció de la clorofil·la vegetal i l'absorció de diverses qualitats de creixement de les plantes com el carotè. No obstant això, el factor decisiu que determina el creixement de les plantes és un factor integral, no només relacionat amb la llum, sinó també inseparable de la configuració de l'aigua, el sòl i els fertilitzants, les condicions ambientals de creixement i el control tècnic integral.

En els últims dos o tres anys, hi ha hagut una infinitat d'informes sobre l'aplicació de la tecnologia d'il·luminació de semiconductors pel que fa a fàbriques de plantes tridimensionals o creixement de plantes. Però després de llegir-lo amb atenció, sempre hi ha una sensació d'inquietud. En termes generals, no hi ha una comprensió real del paper que hauria de tenir la llum en el creixement de les plantes.

En primer lloc, entenem l'espectre del sol, tal com es mostra a la figura 1. Es pot veure que l'espectre solar és un espectre continu, en el qual l'espectre blau i verd són més forts que l'espectre vermell, i l'espectre de la llum visible oscil·la entre 380 a 780 nm. El creixement dels organismes a la natura està relacionat amb la intensitat de l'espectre. Per exemple, la majoria de les plantes de la zona propera a l'equador creixen molt ràpidament i, al mateix temps, la mida del seu creixement és relativament gran. Però l'alta intensitat de la irradiació solar no sempre és millor, i hi ha un cert grau de selectivitat per al creixement d'animals i plantes.

Figura 1, Les característiques de l'espectre solar i el seu espectre de llum visible

En segon lloc, a la figura 2 es mostra el segon diagrama d'espectre de diversos elements clau d'absorció del creixement de les plantes.

Figura 2, Espectres d'absorció de diverses auxines en el creixement de les plantes

A la figura 2 es pot veure que els espectres d'absorció de llum de diverses auxines clau que afecten el creixement de les plantes són significativament diferents. Per tant, l'aplicació de llums LED de creixement de plantes no és una qüestió senzilla, sinó molt específica. Aquí cal introduir els conceptes dels dos elements de creixement de les plantes fotosintètics més importants.

• Clorofil·la

La clorofil·la és un dels pigments més importants relacionats amb la fotosíntesi. Existeix en tots els organismes que poden crear la fotosíntesi, incloses les plantes verdes, les algues procariotes de color blau-verd (cianobacteris) i les algues eucariotes. La clorofil·la absorbeix energia de la llum, que després s'utilitza per convertir el diòxid de carboni en hidrats de carboni.

La clorofil·la a absorbeix principalment la llum vermella, i la clorofil·la b principalment la llum blava-violada, principalment per distingir les plantes d'ombra de les plantes solars. La proporció de clorofil·la b a clorofil·la a de les plantes d'ombra és petita, de manera que les plantes d'ombra poden utilitzar la llum blava amb força i adaptar-se a créixer a l'ombra. La clorofil·la a és de color blau verd i la clorofil·la b és de color groc verd. Hi ha dues fortes absorcions de clorofil·la a i clorofil·la b, una a la regió vermella amb una longitud d'ona de 630-680 nm, i l'altra a la regió blau-violeta amb una longitud d'ona de 400-460 nm.

• Carotenoides

Els carotenoides són el terme general per a una classe de pigments naturals importants, que es troben habitualment en pigments grocs, vermells ataronjats o vermells en animals, plantes superiors, fongs i algues. Fins ara, s'han descobert més de 600 carotenoides naturals.

L'absorció de llum dels carotenoides cobreix el rang de OD303 ~ 505 nm, que proporciona el color dels aliments i afecta la ingesta d'aliments del cos. En algues, plantes i microorganismes, el seu color està cobert per la clorofil·la i no pot aparèixer. A les cèl·lules vegetals, els carotenoides produïts no només absorbeixen i transfereixen energia per ajudar a la fotosíntesi, sinó que també tenen la funció de protegir les cèl·lules de ser destruïdes per molècules d'oxigen excitades d'enllaç d'un sol electró.

Alguns malentesos conceptuals

Independentment de l'efecte d'estalvi d'energia, la selectivitat de la llum i la coordinació de la llum, la il·luminació de semiconductors ha mostrat grans avantatges. Tanmateix, a partir del ràpid desenvolupament dels últims dos anys, també hem vist molts malentesos en el disseny i l'aplicació de la llum, que es reflecteixen principalment en els aspectes següents.

① Mentre els xips vermells i blaus d'una determinada longitud d'ona es combinen en una proporció determinada, es poden utilitzar en el cultiu de plantes, per exemple, la proporció de vermell a blau és 4:1, 6:1, 9:1, etc. activat.

②Sempre que sigui llum blanca, pot substituir la llum del sol, com ara el tub de llum blanca de tres primaris àmpliament utilitzat al Japó, etc. L'ús d'aquests espectres té un cert efecte en el creixement de les plantes, però l'efecte és no tan bo com la font de llum feta per LED.

③Sempre que el PPFD (densitat de flux quàntic de llum), un paràmetre important d'il·luminació, assoleixi un índex determinat, per exemple, el PPFD és superior a 200 μmol·m-2·s-1. Tanmateix, quan utilitzeu aquest indicador, heu de parar atenció a si es tracta d'una planta d'ombra o d'una planta solar. Heu de consultar o trobar el punt de saturació de compensació de la llum d'aquestes plantes, que també s'anomena punt de compensació de la llum. En aplicacions reals, les plàntules sovint es cremen o es marceixen. Per tant, el disseny d'aquest paràmetre s'ha de dissenyar segons l'espècie vegetal, l'entorn de creixement i les condicions.

Pel que fa al primer aspecte, tal com s'ha introduït a la introducció, l'espectre necessari per al creixement de les plantes ha de ser un espectre continu amb una certa amplada de distribució. Òbviament, és inadequat utilitzar una font de llum feta de dues fitxes de longitud d'ona específiques de vermell i blau amb un espectre molt estret (com es mostra a la figura 3 (a)). En experiments, es va trobar que les plantes tendeixen a ser groguenques, les tiges de les fulles són molt lleugeres i les tiges de les fulles són molt primes.

Per als tubs fluorescents amb tres colors primaris utilitzats habitualment en anys anteriors, tot i que es sintetitza el blanc, els espectres vermell, verd i blau estan separats (com es mostra a la figura 3 (b)) i l'amplada de l'espectre és molt estreta. La intensitat espectral de la part contínua següent és relativament feble i la potència encara és relativament gran en comparació amb els LED, d'1,5 a 3 vegades el consum d'energia. Per tant, l'efecte d'ús no és tan bo com les llums LED.

Figura 3, Llum de planta LED de xip vermell i blau i espectre de llum fluorescent de tres colors primaris

PPFD és la densitat de flux quàntic de llum, que es refereix a la densitat de flux de llum de radiació efectiva de la llum en la fotosíntesi, que representa el nombre total de quants de llum incidents a les tiges de les fulles de les plantes en el rang de longitud d'ona de 400 a 700 nm per unitat de temps i unitat d'àrea. . La seva unitat és μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). La radiació fotosintèticament activa (PAR) fa referència a la radiació solar total amb una longitud d'ona en el rang de 400 a 700 nm. Es pot expressar per quants de llum o per energia radiant.

En el passat, la intensitat de la llum reflectida per l'il·luminòmetre era la brillantor, però l'espectre de creixement de les plantes canvia a causa de l'alçada de la llum de la planta, la cobertura de la llum i si la llum pot passar a través de les fulles. Per tant, no és exacte utilitzar par com a indicador de la intensitat de la llum en l'estudi de la fotosíntesi.

En general, el mecanisme de fotosíntesi es pot iniciar quan el PPFD de la planta amant del sol és superior a 50 μmol·m-2·s-1, mentre que el PPFD de la planta ombrívola només necessita 20 μmol·m-2·s-1. . Per tant, en comprar llums de cultiu LED, podeu triar el nombre de llums de cultiu LED en funció d'aquest valor de referència i del tipus de plantes que planteu. Per exemple, si el PPFD d'una única llum LED és de 20 μmol·m-2·s-1, es necessiten més de 3 bombetes de plantes LED per fer créixer plantes amants del sol.

Diverses solucions de disseny d'il·luminació de semiconductors

La il·luminació de semiconductors s'utilitza per al creixement o la plantació de plantes, i hi ha dos mètodes bàsics de referència.

• Actualment, el model de plantació d'interior és molt calent a la Xina. Aquest model té diverses característiques:

①El paper de les llums LED és proporcionar l'espectre complet de la il·luminació de la planta, i el sistema d'il·luminació és necessari per proporcionar tota l'energia d'il·luminació i el cost de producció és relativament elevat;
②El disseny de les llums de creixement LED ha de tenir en compte la continuïtat i la integritat de l'espectre;
③Cal controlar eficaçment el temps d'il·luminació i la intensitat de la il·luminació, com deixar reposar les plantes durant unes hores, la intensitat de la irradiació no és suficient o massa forta, etc.;
④ Tot el procés ha d'imitar les condicions requerides per l'entorn de creixement òptim real de les plantes a l'aire lliure, com ara la humitat, la temperatura i la concentració de CO2.

• Mode de plantació exterior amb una bona base de plantació d'hivernacle a l'aire lliure. Les característiques d'aquest model són:

①El paper de les llums LED és complementar la llum. Una és millorar la intensitat de la llum a les zones blaves i vermelles sota la irradiació de la llum solar durant el dia per promoure la fotosíntesi de les plantes, i l'altra és compensar quan no hi ha llum solar a la nit per promoure la taxa de creixement de les plantes.
②La llum suplementària ha de tenir en compte en quina etapa de creixement es troba la planta, com ara el període de plàntules o el període de floració i fructificació.

Per tant, el disseny de llums de creixement de plantes LED hauria de tenir primer dos modes de disseny bàsics, és a dir, il·luminació 24 hores (interior) i il·luminació complementària de creixement de plantes (exterior). Per al cultiu de plantes d'interior, el disseny de llums de cultiu LED ha de tenir en compte tres aspectes, tal com es mostra a la figura 4. No és possible empaquetar els xips amb tres colors primaris en una proporció determinada.

Figura 4, La idea de disseny d'utilitzar llums de reforç de plantes LED d'interior per a il·luminació les 24 hores

Per exemple, per a un espectre a l'etapa de viver, tenint en compte que cal enfortir el creixement d'arrels i tiges, reforçar la ramificació de les fulles i la font de llum s'utilitza a l'interior, l'espectre es pot dissenyar tal com es mostra a la figura 5.

Figura 5, Estructures espectrals adequades per al període de guarderia interior LED

Per al disseny del segon tipus de llum de cultiu LED, es dirigeix ​​principalment a la solució de disseny de suplementació de llum per promoure la plantació a la base de l'hivernacle exterior. La idea de disseny es mostra a la figura 6.

Figura 6, Idees de disseny de llums de cultiu a l'aire lliure 

L'autor suggereix que més empreses de plantació adopten la segona opció per utilitzar llums LED per promoure el creixement de les plantes.

En primer lloc, el cultiu d'hivernacle a l'aire lliure de la Xina té dècades una gran quantitat i una àmplia experiència, tant al sud com al nord. Té una bona base de tecnologia de cultiu d'hivernacle i ofereix un gran nombre de fruites i verdures fresques al mercat de les ciutats dels voltants. Especialment en el camp de la plantació de sòls i aigua i fertilitzants, s'han obtingut rics resultats de recerca.

En segon lloc, aquest tipus de solució de llum suplementària pot reduir en gran mesura el consum innecessari d'energia i, al mateix temps, pot augmentar eficaçment el rendiment de fruites i verdures. A més, la gran àrea geogràfica de la Xina és molt convenient per a la promoció.

Com a investigació científica de la il·luminació de plantes LED, també proporciona una base experimental més àmplia per a això. La figura 7 és una mena de llum de creixement LED desenvolupada per aquest equip d'investigació, que és adequada per al cultiu en hivernacles, i el seu espectre es mostra a la figura 8.

Figura 7, una mena de llum de creixement LED

Figura 8, espectre d'una mena de llum de creixement LED

Segons les idees de disseny anteriors, l'equip de recerca va realitzar una sèrie d'experiments i els resultats experimentals són molt significatius. Per exemple, per fer créixer la llum durant el viver, la làmpada original utilitzada és una làmpada fluorescent amb una potència de 32 W i un cicle de viver de 40 dies. Proporcionem una llum LED de 12 W, que escurça el cicle de plàntules a 30 dies, redueix eficaçment la influència de la temperatura de les làmpades al taller de plàntules i estalvia el consum d'energia de l'aire condicionat. El gruix, la longitud i el color de les plàntules són millors que la solució original de cria de plàntules. Pel que fa a les plàntules d'hortalisses comunes, també s'han obtingut bones conclusions de verificació, que es resumeixen a la taula següent.

Entre ells, el grup de llum suplementari PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, i la relació vermell-blau: 0,6-0,7. L'interval de valor de PPFD diürn del grup natural era de 40 ~ 800 μmol · m-2 · s-1, i la proporció de vermell a blau era de 0,6 ~ 1,2. Es pot veure que els indicadors anteriors són millors que els de les plàntules cultivades de manera natural.

Conclusió

Aquest article presenta els últims desenvolupaments en l'aplicació de llums de cultiu LED en el cultiu de plantes i assenyala alguns malentesos en l'aplicació de llums de cultiu LED en el cultiu de plantes. Finalment, s'introdueixen les idees tècniques i esquemes per al desenvolupament de llums de cultiu LED utilitzats per al cultiu de plantes. Cal assenyalar que també hi ha alguns factors que cal tenir en compte en la instal·lació i l'ús de la llum, com ara la distància entre la llum i la planta, el rang d'irradiació de la làmpada i com aplicar la llum amb aigua normal, fertilitzant i sòl.

Autor: Yi Wang et al. Font: CNKI