Introducció

La llum juga un paper clau en el procés de creixement de les plantes. És el millor fertilitzant per promoure l'absorció de la clorofil·la vegetal i l'absorció de diverses qualitats de creixement vegetal com el carotè. Tanmateix, 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 el fertilitzant, les condicions de l'entorn de creixement i el control tècnic integral.

En els darrers dos o tres anys, hi ha hagut infinits informes sobre l'aplicació de la tecnologia d'il·luminació de semiconductors en fàbriques de plantes tridimensionals o en el creixement de plantes. Però després de llegir-los atentament, sempre hi ha una sensació d'incomoditat. En general, no hi ha una comprensió real del paper que hauria de tenir la llum en el creixement de les plantes.

Primer, 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 què l'espectre blau i verd són més forts que l'espectre vermell, i l'espectre de llum visible oscil·la entre els 380 i els 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, alhora, la mida del seu creixement és relativament gran. Però l'alta intensitat de la irradiació del sol 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

Es pot veure a la Figura 2 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 per al creixement de les plantes no és una qüestió senzilla, sinó molt específica. Aquí cal introduir els conceptes dels dos elements fotosintètics més importants per al creixement de les plantes.

• Clorofil·la

La clorofil·la és un dels pigments més importants relacionats amb la fotosíntesi. Existeix en tots els organismes que poden fer la fotosíntesi, incloent-hi les plantes verdes, les algues procariotes blavoses (cianobacteris) i les algues eucariotes. La clorofil·la absorbeix l'energia de la llum, que després s'utilitza per convertir el diòxid de carboni en carbohidrats.

La clorofil·la a absorbeix principalment la llum vermella i la clorofil·la b absorbeix principalment la llum blau-violeta, principalment per distingir les plantes d'ombra de les plantes de sol. La proporció de clorofil·la b respecte a la 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 al creixement a l'ombra. La clorofil·la a és blau-verdosa i la clorofil·la b és groc-verdosa. Hi ha dues absorcions fortes 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 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 d'enllaç d'un sol electró excitades.

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 demostrat grans avantatges. Tanmateix, a partir del ràpid desenvolupament dels darrers 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 Sempre que els xips vermells i blaus d'una determinada longitud d'ona es combinin en una determinada proporció, es poden utilitzar en el cultiu de plantes, per exemple, la proporció de vermell a blau és de 4:1, 6:1, 9:1, etc.

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

③Sempre que la PPFD (densitat de flux quàntic de llum), un paràmetre important de la il·luminació, arribi a un cert índex, per exemple, la PPFD és superior a 200 μmol·m-2·s-1. Tanmateix, quan s'utilitza aquest indicador, cal parar atenció a si es tracta d'una planta d'ombra o d'una planta de sol. Cal consultar o trobar el punt de saturació de compensació de llum d'aquestes plantes, que també s'anomena punt de compensació de 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 hauria de ser un espectre continu amb una certa amplada de distribució. Òbviament, no és apropiat utilitzar una font de llum feta de dos fragments de longitud d'ona específics 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 clares i les tiges de les fulles són molt primes.

Per als tubs fluorescents amb tres colors primaris que s'utilitzaven 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, amb un consum d'energia d'1,5 a 3 vegades superior. Per tant, l'efecte d'ús no és tan bo com el dels llums LED.

Figura 3, Llum LED vermella i blava per a plantes i espectre de llum fluorescent de tres colors primaris

La PPFD és la densitat de flux quàntic de llum, que fa referència a la densitat de flux de llum de radiació efectiva de la llum en la fotosíntesi, que representa el nombre total de quanta de llum que incideixen sobre 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 mitjançant quanta de llum o mitjançant energia radiant.

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

Generalment, el mecanisme de fotosíntesi es pot iniciar quan la PPFD de la planta que estima el sol és superior a 50 μmol·m-2·s-1, mentre que la PPFD de la planta d'ombra només necessita 20 μmol·m-2·s-1. Per tant, a l'hora de 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 la PPFD d'un sol llum LED és de 20 μmol·m-2·s-1, es necessiten més de 3 bombetes LED per cultivar plantes que estimen el sol.

Diverses solucions de disseny d'il·luminació de semiconductors

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

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

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

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

①La funció dels llums LED és complementar la llum. Una és augmentar 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.
② La llum suplementària ha de tenir en compte en quina fase de creixement es troba la planta, com ara el període de plàntules o el període de floració i fructificació.

Per tant, el disseny de les llums LED per al cultiu de plantes hauria de tenir primer dos modes de disseny bàsics, és a dir, il·luminació de 24 hores (interior) i il·luminació de suplement per al creixement de plantes (exterior). Per al cultiu de plantes d'interior, el disseny de les llums LED per al cultiu 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 determinada proporció.

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

Per exemple, per a un espectre en fase de viver, considerant que cal enfortir el creixement de les arrels i les tiges, enfortir la ramificació de les fulles i que la font de llum s'utilitza a l'interior, l'espectre es pot dissenyar com es mostra a la Figura 5.

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

Per al disseny del segon tipus de llum LED de cultiu, es tracta principalment de la solució de disseny de complementar la 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 exterior 

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

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

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

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

Figura 7, Un tipus de llum LED de cultiu

Figura 8, espectre d'un tipus de llum de cultiu LED

D'acord amb les idees de disseny anteriors, l'equip de recerca va dur a terme una sèrie d'experiments, i els resultats experimentals són molt significatius. Per exemple, per a la llum de cultiu 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 cultiu de plàntules. Per a les plàntules de verdures comunes, també s'han obtingut bones conclusions de verificació, que es resumeixen a la taula següent.

Entre ells, el grup de llum suplementària PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, i la relació vermell-blau: 0,6-0,7. El rang del valor PPFD diürn del grup natural va ser de 40~800 μmol·m-2·s-1, i la relació entre vermell i blau va ser 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 darrers desenvolupaments en l'aplicació de llums LED de cultiu en el cultiu de plantes i assenyala alguns malentesos en l'aplicació de la llum LED de cultiu en el cultiu de plantes. Finalment, s'introdueixen les idees i esquemes tècnics per al desenvolupament de llums LED de cultiu utilitzades 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 terra.

Autor: Yi Wang et al. Font: CNKI