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 diversas 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, o solo e o fertilizante, as condicións do ambiente de crecemento e o control técnico integral.

Nos últimos dous ou tres anos, publicáronse infinitos informes sobre a aplicación da tecnoloxía de iluminación de semicondutores en fábricas de plantas tridimensionais ou no crecemento das plantas. Pero despois de lelos con atención, sempre hai unha certa sensación de inquedanza. En xeral, non hai unha comprensión real do papel que debería desempeñar a luz no crecemento das plantas.

Primeiro, comprendamos o espectro solar, como se mostra na Figura 1. Pódese observar 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 de luz visible oscila entre os 380 e os 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 medran 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 existe un 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, a Figura 2 mostra o segundo diagrama de espectro de varios elementos clave de absorción do crecemento das plantas.

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

Na Figura 2 pódese observar 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 para o crecemento das plantas non é unha cuestión sinxela, senón moi específica. Aquí é necesario introducir os conceptos dos dous elementos fotosintéticos máis importantes para o crecemento das plantas.

• Clorofila

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

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 de sol. 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 ao crecemento na sombra. A clorofila a é azul-verdosa e a clorofila b é amarelo-verdosa. 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 importantes pigmentos naturais, que se atopan habitualmente en pigmentos amarelos, vermellos-alaranxados ou vermellos en animais, plantas superiores, fungos e algas. Ata o de agora, descubríronse máis de 600 carotenoides naturais.

A absorción de luz dos carotenoides abrangue o rango de lonxitudes de onda densamente ópticas (OD303~505 nm), o que proporciona a cor dos alimentos e afecta á inxesta de alimentos por parte do corpo. Nas algas, plantas e microorganismos, a súa cor está cuberta pola clorofila e non pode aparecer. Nas células vexetais, os carotenoides producidos non só absorben e transfiren enerxía para axudar á fotosíntese, senón que tamén teñen a función de protexer as células da destrución por moléculas de osíxeno excitadas con enlaces dun só electrón.

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, debido ao rápido desenvolvemento dos últimos dous anos, tamén vimos moitos malentendidos no deseño e a 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 e azul é de 4:1, 6:1, 9:1 e así sucesivamente.

②Sempre que sexa luz branca, pode substituír a luz solar, como o tubo de luz branca de tres fontes primarias amplamente utilizado no Xapón, etc. O uso destes espectros ten un certo efecto no crecemento das plantas, pero o efecto non é tan bo como o da fonte de luz fabricada por LED.

③Sempre que a PPFD (densidade de fluxo cuántico de luz), un parámetro importante da iluminación, alcance un determinado índice, por exemplo, se a PPFD é superior a 200 μmol·m-2·s-1. Non obstante, ao usar este indicador, débese prestar atención a se se trata dunha planta de sombra ou de sol. É necesario 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 queimarse ou murcharse. Polo tanto, o deseño deste parámetro debe deseñarse segundo a especie da planta, o ambiente de crecemento e as condicións.

En canto ao primeiro aspecto, como se introduciu na introdución, o espectro necesario para o crecemento das plantas debería ser un espectro continuo cunha determinada amplitude de distribución. Obviamente, non é axeitado usar unha fonte de luz feita de dous fragmentos 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 claros e os talos das follas son moi delgados.

Para os tubos fluorescentes con tres cores primarias que se usaban habitualmente 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 a anchura do espectro é moi estreita. A intensidade espectral da seguinte parte continua é relativamente débil e a potencia segue sendo relativamente grande en comparación cos LED, cun consumo de enerxía de 1,5 a 3 veces superior. Polo tanto, o efecto do uso non é tan bo como o das luces LED.

Figura 3, Luz LED vermella e azul para plantas e espectro de luz fluorescente de tres cores primarias

A PPFD é a densidade de fluxo cuántico de luz, que se refire á densidade de fluxo de luz de radiación efectiva da luz na fotosíntese, que representa o número total de cantos de luz que inciden 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 fotosinteticamente activa (PAR) se refire á radiación solar total cunha lonxitude de onda no rango de 400 a 700 nm. Pode expresarse mediante cantos de luz ou mediante 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 con respecto á planta, á cobertura da luz e a se a luz pode atravesar as follas. Polo tanto, non é preciso usar o par como indicador da intensidade da luz no estudo da fotosíntese.

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

Varias solucións de deseño de iluminación de semicondutores

A iluminación semicondutora úsase para o crecemento ou a plantación de plantas e existen dous métodos de referencia básicos.

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

①A función das luces LED é proporcionar o espectro completo da iluminación das plantas, 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 LED de cultivo debe ter en conta a continuidade e a integridade do espectro;
③É necesario controlar eficazmente o tempo e a intensidade da iluminación, como deixar repousar as plantas unhas horas, se a intensidade da irradiación non é suficiente ou é demasiado forte, etc.;
④Todo o proceso debe imitar as condicións requiridas polo ambiente óptimo de crecemento real das plantas ao aire libre, como a humidade, a temperatura e a concentración de CO2.

• Modo de plantación ao aire libre con boa base para plantación de invernadoiro ao aire libre. As características deste modelo son:

①A función das luces LED é complementar a luz. Unha é mellorar a intensidade da luz nas zonas azuis e vermellas baixo a irradiación da luz solar durante o día para promover a fotosíntese das plantas e a outra é compensar cando non hai luz solar pola noite para promover a taxa de crecemento das plantas.
② A luz suplementaria debe ter en conta a fase de crecemento na que se atopa a planta, como o período de plántula ou o período de floración e frutificación.

Polo tanto, o deseño das luces LED para o cultivo de plantas debería ter primeiro dous modos de deseño básicos, concretamente, iluminación de 24 horas (interior) e iluminación complementaria para o crecemento das plantas (exterior). Para o cultivo de plantas en interiores, o deseño das luces LED para o cultivo debe ter en conta tres aspectos, como se mostra na Figura 4. Non é posible empaquetar os chips con tres cores primarias nunha determinada proporción.

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

Por exemplo, para un espectro na fase de viveiro, considerando que precisa fortalecer o crecemento das raíces e os talos, fortalecer a ramificación das follas e que a fonte de luz se usa en interiores, o espectro pódese deseñar como se mostra na Figura 5.

Figura 5, Estruturas espectrais axeitadas para o período de gardería interior con LED

Para o deseño do segundo tipo de luz LED de cultivo, o obxectivo principal é a solución de deseño de complementar a luz para promover a plantación na base do invernadoiro exterior. A idea de deseño móstrase na Figura 6.

Figura 6, Ideas de deseño de luces de cultivo para exteriores 

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 en invernadoiros ao aire libre da China conta con décadas de experiencia, tanto no sur como no norte. Conta cunha boa base de tecnoloxía de cultivo en invernadoiros e ofrece unha gran cantidade de froitas e verduras frescas ao mercado das cidades veciñas. Obtivéronse ricos resultados de investigación, especialmente no campo do solo, a auga e a plantación de fertilizantes.

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 eficazmente o rendemento de froitas e verduras. Ademais, a vasta área xeográfica da China é moi conveniente para a promoción.

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

Figura 7, Un tipo de luz LED de cultivo

Figura 8, espectro dun tipo de luz LED de cultivo

De acordo coas ideas de deseño anteriores, o equipo de investigación realizou unha serie de experimentos, e os resultados experimentais son moi significativos. Por exemplo, para a luz de cultivo durante o viveiro, a lámpada orixinal empregada 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 plántulas a 30 días, reduce eficazmente a influencia da temperatura das lámpadas no taller de plántulas e aforra o consumo de enerxía do aire acondicionado. O grosor, a lonxitude e a cor das plántulas son mellores que as da solución orixinal de cultivo de plántulas. Para as plántulas de hortalizas comúns, tamén se obtiveron boas conclusións de verificación, que se resumen na seguinte táboa.

Entre eles, o grupo de luz suplementaria PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, e a proporción vermello-azul: 0,6-0,7. O rango do valor PPFD diúrno 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 observar que os indicadores anteriores son mellores que os das mudas cultivadas de forma natural.

Conclusión

Este artigo presenta os últimos desenvolvementos na aplicación das luces LED de cultivo no cultivo de plantas e sinala algúns malentendidos na aplicación das luces LED de cultivo no cultivo de plantas. Finalmente, preséntanse as ideas e esquemas técnicos para o desenvolvemento de luces LED de cultivo utilizadas para o cultivo de plantas. Cómpre sinalar que tamén hai algúns factores que deben considerarse na instalación e o uso da luz, como a distancia entre a luz e a planta, o rango de irradiación da lámpada e como aplicar a luz con auga normal, fertilizante e solo.

Autor: Yi Wang et al. Fonte: CNKI