Introdución

A luz xoga un papel fundamental no proceso de crecemento das plantas. É o mellor fertilizante para promover a absorción da clorofila vexetal e a absorción de varias calidades de crecemento vexetal como o caroteno. Non obstante, o factor decisivo que determina o crecemento das plantas é un factor integral, non só relacionado coa luz, senón tamén inseparable da configuración da auga, do solo e dos fertilizantes, das condicións do ambiente de crecemento e do control técnico integral.

Nos últimos dous ou tres anos, houbo un sinfín de informes sobre a aplicación da tecnoloxía de iluminación de semicondutores en relación con fábricas de plantas tridimensionais ou crecemento das plantas. Pero despois de lelo con atención, sempre hai algunha sensación de inquedanza. En xeral, non hai unha comprensión real do papel que debe xogar a luz no crecemento das plantas.

En primeiro lugar, imos entender o espectro do sol, como se mostra na figura 1. Pódese ver que o espectro solar é un espectro continuo, no que o espectro azul e verde son máis fortes que o espectro vermello, e o espectro da luz visible varía de 380 a 780 nm. O crecemento dos organismos na natureza está relacionado coa intensidade do espectro. Por exemplo, a maioría das plantas da zona próxima ao ecuador crecen moi rápido e, ao mesmo tempo, o tamaño do seu crecemento é relativamente grande. Pero a alta intensidade da irradiación solar non sempre é mellor, e hai certo grao de selectividade para o crecemento de animais e plantas.

Figura 1, As características do espectro solar e o seu espectro de luz visible

En segundo lugar, o segundo diagrama de espectro de varios elementos clave de absorción do crecemento das plantas móstrase na Figura 2.

Figura 2, Espectros de absorción de varias auxinas no crecemento das plantas

Na figura 2 pódese ver que os espectros de absorción de luz de varias auxinas clave que afectan o crecemento das plantas son significativamente diferentes. Polo tanto, a aplicación de luces LED de crecemento das plantas non é unha cuestión sinxela, senón moi dirixida. Aquí é necesario introducir os conceptos dos dous elementos fotosintéticos máis importantes do crecemento das plantas.

• Clorofila

A clorofila é un dos pigmentos máis importantes relacionados coa fotosíntese. Existe en todos os organismos que poden crear a fotosíntese, incluíndo plantas verdes, algas procariotas verde-azuis (cianobacterias) e algas eucariotas. A clorofila absorbe enerxía da luz, que despois se usa para converter o dióxido de carbono en hidratos de carbono.

A clorofila a absorbe principalmente a luz vermella, e a clorofila b absorbe principalmente a luz azul-violeta, principalmente para distinguir as plantas de sombra das plantas solares. A proporción de clorofila b e clorofila a das plantas de sombra é pequena, polo que as plantas de sombra poden usar a luz azul con forza e adaptarse a crecer á sombra. A clorofila a é verde azulado e a clorofila b é verde amarela. Hai dúas fortes absorcións de clorofila a e clorofila b, unha na rexión vermella cunha lonxitude de onda de 630-680 nm e a outra na rexión azul-violeta cunha lonxitude de onda de 400-460 nm.

• Carotenoides

Os carotenoides son o termo xeral para unha clase de pigmentos naturais importantes, que se atopan habitualmente en pigmentos amarelos, vermellos laranxa ou vermellos en animais, plantas superiores, fungos e algas. Ata o momento, descubríronse máis de 600 carotenoides naturais.

A absorción de luz dos carotenoides abrangue o rango de OD303 ~ 505 nm, que proporciona a cor dos alimentos e afecta a inxestión de alimentos do corpo. Nas algas, plantas e microorganismos, a súa cor está cuberta de clorofila e non pode aparecer. Nas células vexetais, os carotenoides producidos non só absorben e transfieren enerxía para axudar á fotosíntese, senón que tamén teñen a función de protexer as células de ser destruídas por moléculas de osíxeno de enlace dun só electrón excitadas.

Algúns malentendidos conceptuais

Independentemente do efecto de aforro de enerxía, a selectividade da luz e a coordinación da luz, a iluminación de semicondutores mostrou grandes vantaxes. Non obstante, a partir do rápido desenvolvemento dos últimos dous anos, tamén vimos moitos malentendidos no deseño e aplicación da luz, que se reflicten principalmente nos seguintes aspectos.

①Sempre que as fichas vermellas e azuis dunha determinada lonxitude de onda se combinen nunha determinada proporción, pódense usar no cultivo de plantas, por exemplo, a proporción de vermello a azul é 4:1, 6:1, 9:1, etc. on.

②Sempre que sexa luz branca, pode substituír a luz do sol, como o tubo de luz branca de tres primarios moi usado en Xapón, etc. O uso destes espectros ten un certo efecto no crecemento das plantas, pero o efecto é non tan bo como a fonte de luz feita por LED.

③Sempre que o PPFD (densidade de fluxo cuántico de luz), un parámetro importante de iluminación, alcance un determinado índice, por exemplo, o PPFD é superior a 200 μmol·m-2·s-1. Non obstante, ao usar este indicador, debes prestar atención a se é unha planta de sombra ou unha planta solar. Debe consultar ou atopar o punto de saturación de compensación de luz destas plantas, que tamén se denomina punto de compensación de luz. Nas aplicacións reais, as mudas adoitan queimar ou murchar. Polo tanto, o deseño deste parámetro debe deseñarse segundo a especie vexetal, o ambiente de crecemento e as condicións.

Respecto ao primeiro aspecto, tal e como se introduce na introdución, o espectro necesario para o crecemento das plantas debe ser un espectro continuo cunha certa anchura de distribución. Obviamente, é inapropiado usar unha fonte de luz feita de dous chips de lonxitude de onda específicos de vermello e azul cun espectro moi estreito (como se mostra na Figura 3(a)). Nos experimentos, descubriuse que as plantas tenden a ser amareladas, os talos das follas son moi lixeiros e os talos das follas son moi finos.

Para tubos fluorescentes con tres cores primarias de uso habitual en anos anteriores, aínda que se sintetiza o branco, os espectros vermello, verde e azul están separados (como se mostra na Figura 3(b)), e o ancho do espectro é moi estreito. A intensidade espectral da seguinte parte continua é relativamente débil e a potencia aínda é relativamente grande en comparación cos LED, de 1,5 a 3 veces o consumo de enerxía. Polo tanto, o efecto de uso non é tan bo como as luces LED.

Figura 3, luz de planta LED de chip vermello e azul e espectro de luz fluorescente de tres cores primarias

PPFD é a densidade de fluxo cuántico de luz, que se refire á densidade de fluxo luminoso de radiación efectiva da luz na fotosíntese, que representa o número total de cantos de luz incidentes nos talos das follas das plantas no rango de lonxitudes de onda de 400 a 700 nm por unidade de tempo e unidade de área. . A súa unidade é μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). A radiación fotosintéticamente activa (PAR) refírese á radiación solar total cunha lonxitude de onda no rango de 400 a 700 nm. Pódese expresar por cantos luminosos ou por enerxía radiante.

No pasado, a intensidade da luz reflectida polo iluminómetro era o brillo, pero o espectro do crecemento das plantas cambia debido á altura da luminaria da planta, a cobertura da luz e se a luz pode atravesar as follas. Polo tanto, non é preciso usar a par como indicador da intensidade da luz no estudo da fotosíntese.

Xeralmente, o mecanismo da fotosíntese pódese iniciar cando o PPFD da planta amante do sol é maior que 50 μmol·m-2·s-1, mentres que o PPFD da planta sombría só necesita 20 μmol·m-2·s-1. . Polo tanto, ao mercar luces de cultivo LED, pode escoller o número de luces de cultivo LED en función deste valor de referencia e do tipo de plantas que planta. Por exemplo, se o PPFD dunha soa luz LED é de 20 μmol·m-2·s-1, son necesarias máis de 3 lámpadas LED para cultivar plantas amantes do sol.

Varias solucións de deseño de iluminación de semicondutores

A iluminación de semicondutores úsase para o crecemento ou a plantación de plantas, e hai dous métodos básicos de referencia.

• Na actualidade, o modelo de plantación de interiores está moi quente en China. Este modelo ten varias características:

①O papel das luces LED é proporcionar todo o espectro de iluminación da planta, e o sistema de iluminación é necesario para proporcionar toda a enerxía de iluminación e o custo de produción é relativamente alto;
②O deseño das luces de crecemento LED debe ter en conta a continuidade e integridade do espectro;
③É necesario controlar eficazmente o tempo de iluminación e a intensidade da iluminación, como deixar descansar as plantas durante unhas horas, a intensidade da irradiación non é suficiente ou moi forte, etc.;
④Todo o proceso debe imitar as condicións requiridas polo ambiente de crecemento óptimo real das plantas ao aire libre, como a humidade, a temperatura e a concentración de CO2.

• Modo de plantación ao aire libre cunha boa base de plantación de invernadoiros ao aire libre. As características deste modelo son:

①O papel das luces LED é complementar a luz. Un é mellorar a intensidade da luz nas áreas azuis e vermellas baixo a irradiación da luz solar durante o día para promover a fotosíntese das plantas, e o outro é compensar cando non hai luz solar pola noite para promover a taxa de crecemento das plantas.
②A luz complementaria debe considerar en que fase de crecemento se atopa a planta, como o período de mudas ou o período de floración e frutificación.

Polo tanto, o deseño das luces LED de cultivo de plantas debe ter primeiro dous modos de deseño básicos, a saber, iluminación 24h (interior) e iluminación complementaria de crecemento vexetal (exterior). Para o cultivo de plantas de interior, o deseño das luces de crecemento LED debe considerar tres aspectos, como se mostra na Figura 4. Non é posible empaquetar as fichas con tres cores primarias nunha determinada proporción.

Figura 4, A idea de deseño do uso de luces de refuerzo de plantas LED de interior para a iluminación de 24 horas

Por exemplo, para un espectro na etapa de viveiro, tendo en conta que necesita reforzar o crecemento de raíces e talos, fortalecer a ramificación das follas e utilizar a fonte de luz en interiores, o espectro pódese deseñar como se mostra na Figura 5.

Figura 5, Estruturas espectrales axeitadas para o período de viveiro interior LED

Para o deseño do segundo tipo de luz de cultivo LED, diríxese principalmente á solución de deseño de complementar a luz para promover a plantación na base do invernadoiro ao aire libre. A idea do deseño móstrase na figura 6.

Figura 6, Ideas de deseño de luces de cultivo ao aire libre 

O autor suxire que máis empresas de plantación adopten a segunda opción de usar luces LED para promover o crecemento das plantas.

En primeiro lugar, o cultivo de invernadoiros ao aire libre de China ten décadas unha gran cantidade e unha ampla experiencia, tanto no sur como no norte. Ten unha boa base de tecnoloxía de cultivo en invernadoiro e ofrece unha gran cantidade de froitas e verduras frescas no mercado para as cidades circundantes. Especialmente no campo da plantación de solo e auga e fertilizantes, obtivéronse ricos resultados de investigación.

En segundo lugar, este tipo de solución de luz suplementaria pode reducir en gran medida o consumo innecesario de enerxía e, ao mesmo tempo, pode aumentar efectivamente o rendemento de froitas e verduras. Ademais, a vasta área xeográfica de China é moi conveniente para a promoción.

Como a investigación científica da iluminación de plantas LED, tamén proporciona unha base experimental máis ampla para iso. A figura 7 é unha especie de luz de crecemento LED desenvolvida por este equipo de investigación, que é adecuada para o cultivo en invernadoiros, e o seu espectro móstrase na figura 8.

Figura 7, unha especie de luz de crecemento LED

Figura 8, espectro dunha especie de luz de crecemento LED

Segundo as ideas de deseño anteriores, o equipo de investigación realizou unha serie de experimentos e os resultados experimentais son moi significativos. Por exemplo, para crecer a luz durante o viveiro, a lámpada orixinal utilizada é unha lámpada fluorescente cunha potencia de 32 W e un ciclo de viveiro de 40 días. Ofrecemos unha luz LED de 12 W, que acurta o ciclo de mudas a 30 días, reduce efectivamente a influencia da temperatura das lámpadas no taller de mudas e aforra o consumo de enerxía do aire acondicionado. O grosor, a lonxitude e a cor das mudas son mellores que a solución orixinal de cultivo de mudas. Para as mudas de hortalizas comúns tamén se obtiveron boas conclusións de verificación, que se resumen na seguinte táboa.

Entre eles, o grupo de luz suplementario PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, e a relación vermello-azul: 0,6-0,7. O rango de valor de PPFD diurno do grupo natural foi de 40 ~ 800 μmol·m-2·s-1, e a proporción de vermello a azul foi de 0,6 ~ 1,2. Pódese ver que os indicadores anteriores son mellores que os das mudas cultivadas de forma natural.

Conclusión

Este artigo presenta os últimos desenvolvementos na aplicación de luces de crecemento LED no cultivo de plantas e sinala algúns malentendidos na aplicación da luz de cultivo LED no cultivo de plantas. Finalmente, introdúcense as ideas técnicas e os esquemas para o desenvolvemento de luces de cultivo LED utilizadas para o cultivo de plantas. Cómpre sinalar que tamén hai que ter en conta algúns factores na instalación e uso da luz, como a distancia entre a luz e a planta, o rango de irradiación da lámpada e a forma de aplicar a luz con auga, fertilizantes e solo normais.

Autor: Yi Wang et al. Fonte: CNKI