Ievads

Apgaismojumam ir galvenā loma augu augšanas procesā. Tas ir labākais mēslojums, kas veicina augu hlorofila un dažādu augu augšanas īpašību, piemēram, karotīna, uzsūkšanos. Tomēr izšķirošais faktors, kas nosaka augu augšanu, ir visaptverošs faktors, kas saistīts ne tikai ar gaismu, bet arī nav atdalāms no ūdens, augsnes un mēslojuma konfigurācijas, augšanas vides apstākļiem un visaptverošas tehniskās kontroles.

Pēdējo divu vai trīs gadu laikā ir bijuši neskaitāmi ziņojumi par pusvadītāju apgaismojuma tehnoloģijas pielietojumu trīsdimensiju augu rūpnīcās vai augu augšanā. Taču pēc rūpīgas izlasīšanas vienmēr rodas zināma nemiera sajūta. Kopumā nav īstas izpratnes par to, kāda loma gaismai būtu augu augšanā.

Vispirms sapratīsim Saules spektru, kā parādīts 1. attēlā. Var redzēt, ka Saules spektrs ir nepārtraukts spektrs, kurā zilais un zaļais spektrs ir spēcīgāks par sarkano spektru, un redzamās gaismas spektrs svārstās no 380 līdz 780 nm. Organismu augšana dabā ir saistīta ar spektra intensitāti. Piemēram, lielākā daļa augu apgabalā pie ekvatora aug ļoti ātri, un tajā pašā laikā to augšanas apjoms ir relatīvi liels. Taču augsta saules starojuma intensitāte ne vienmēr ir labāka, un pastāv zināma selektivitātes pakāpe dzīvnieku un augu augšanai.

1. attēls. Saules spektra un tā redzamās gaismas spektra raksturlielumi

Otrkārt, 2. attēlā parādīta vairāku galveno augu augšanas absorbcijas elementu otrā spektra diagramma.

2. attēls. Vairāku auksīnu absorbcijas spektri augu augšanā

No 2. attēla var redzēt, ka vairāku galveno auksīnu, kas ietekmē augu augšanu, gaismas absorbcijas spektri ir ievērojami atšķirīgi. Tāpēc LED augu augšanas lampu pielietošana nav vienkārša, bet gan ļoti mērķtiecīga. Šeit ir nepieciešams iepazīstināt ar divu svarīgāko fotosintēzes augu augšanas elementu jēdzieniem.

• Hlorofils

Hlorofils ir viens no svarīgākajiem ar fotosintēzi saistītajiem pigmentiem. Tas pastāv visos organismos, kas var veikt fotosintēzi, tostarp zaļajos augos, prokariotu zilaļģēs (cianobaktērijās) un eikariotu aļģēs. Hlorofils absorbē gaismas enerģiju, ko pēc tam izmanto, lai pārvērstu oglekļa dioksīdu ogļhidrātos.

Hlorofils a galvenokārt absorbē sarkano gaismu, bet hlorofils b galvenokārt absorbē zili violeto gaismu, galvenokārt, lai atšķirtu ēnas augus no saules augiem. Ēnas augu hlorofila b un hlorofila a attiecība ir maza, tāpēc ēnas augi var spēcīgi izmantot zilo gaismu un pielāgoties augšanai ēnā. Hlorofils a ir zili zaļš, bet hlorofils b ir dzelteni zaļš. Hlorofilam a un hlorofilam b ir divas spēcīgas absorbcijas: viena sarkanajā apgabalā ar viļņa garumu 630–680 nm, bet otra zili violetajā apgabalā ar viļņa garumu 400–460 nm.

• Karotinoīdi

Karotinoīdi ir vispārīgs termins, kas apzīmē svarīgu dabisko pigmentu klasi, kuri parasti atrodami dzeltenos, oranžsarkanos vai sarkanos pigmentos dzīvniekiem, augstākajiem augiem, sēnēm un aļģēm. Līdz šim ir atklāti vairāk nekā 600 dabisko karotinoīdu.

Karotinoīdu gaismas absorbcija aptver OD303–505 nm diapazonu, kas nodrošina pārtikas krāsu un ietekmē organisma uzņemto pārtiku. Aļģēs, augos un mikroorganismos to krāsu klāj hlorofils, un tā nevar parādīties. Augu šūnās saražotie karotinoīdi ne tikai absorbē un pārnes enerģiju, lai palīdzētu fotosintēzē, bet arī aizsargā šūnas no iznīcināšanas, ko rada ierosinātas vienelektrona saites skābekļa molekulas.

Daži konceptuāli pārpratumi

Neatkarīgi no enerģijas taupīšanas efekta, gaismas selektivitātes un gaismas koordinācijas, pusvadītāju apgaismojums ir uzrādījis lielas priekšrocības. Tomēr pēdējo divu gadu straujās attīstības dēļ esam redzējuši arī daudz pārpratumu gaismas projektēšanā un pielietošanā, kas galvenokārt atspoguļojas šādos aspektos.

① Kamēr noteikta viļņa garuma sarkanās un zilās mikroshēmas ir apvienotas noteiktā proporcijā, tās var izmantot augu audzēšanā, piemēram, sarkanās un zilās krāsas attiecība ir 4:1, 6:1, 9:1 utt.

② Kamēr vien tā ir balta gaisma, tā var aizstāt saules gaismu, piemēram, trīs primāro baltās gaismas lampu, ko plaši izmanto Japānā utt. Šo spektru izmantošanai ir zināma ietekme uz augu augšanu, taču efekts nav tik labs kā LED gaismas avotam.

③Kamēr PPFD (gaismas kvantu plūsmas blīvums), kas ir svarīgs apgaismojuma parametrs, sasniedz noteiktu indeksu, piemēram, PPFD ir lielāks par 200 μmol·m-2·s-1. Tomēr, izmantojot šo indikatoru, jāpievērš uzmanība tam, vai tas ir ēnas augs vai saules augs. Jājautā vai jāatrod šo augu gaismas kompensācijas piesātinājuma punkts, ko sauc arī par gaismas kompensācijas punktu. Praktiskos pielietojumos stādi bieži apdeg vai nokalst. Tāpēc šī parametra projektēšana jāveic atbilstoši auga sugai, augšanas videi un apstākļiem.

Attiecībā uz pirmo aspektu, kā minēts ievadā, augu augšanai nepieciešamajam spektram jābūt nepārtrauktam spektram ar noteiktu izplatības platumu. Acīmredzot nav ieteicams izmantot gaismas avotu, kas izgatavots no diviem specifiskiem sarkanās un zilās gaismas viļņu garuma mikroshēmām ar ļoti šauru spektru (kā parādīts 3.a attēlā). Eksperimentos tika konstatēts, ka augi mēdz būt dzeltenīgi, lapu kāti ir ļoti gaiši un lapu kāti ir ļoti tievi.

Iepriekšējos gados parasti izmantotajām trīs pamatkrāsu dienasgaismas spuldzēm, lai gan baltā krāsa tiek sintezēta, sarkanā, zaļā un zilā spektra daļas ir atdalītas (kā parādīts 3. attēlā (b)), un spektra platums ir ļoti šaurs. Nākamās nepārtrauktās daļas spektrālā intensitāte ir relatīvi vāja, un jauda joprojām ir relatīvi liela salīdzinājumā ar LED, 1,5–3 reizes lielāka par enerģijas patēriņu. Tāpēc lietošanas efekts nav tik labs kā LED spuldzēm.

3. attēls. Sarkanās un zilās mikroshēmas LED augu apgaismojums un trīs primāro krāsu dienasgaismas gaismas spektrs

PPFD ir gaismas kvantu plūsmas blīvums, kas attiecas uz gaismas efektīvo starojuma gaismas plūsmas blīvumu fotosintēzē, kas atspoguļo kopējo gaismas kvantu skaitu, kas krīt uz augu lapu kātiem viļņu garuma diapazonā no 400 līdz 700 nm uz laika vienību un laukuma vienību. Tā mērvienība ir μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosintētiski aktīvais starojums (PAR) attiecas uz kopējo saules starojumu ar viļņu garumu diapazonā no 400 līdz 700 nm. To var izteikt vai nu ar gaismas kvantiem, vai ar starojuma enerģiju.

Agrāk gaismas intensitāte, ko atstaroja illuminometrs, bija spilgtums, taču auga augšanas spektrs mainās atkarībā no gaismas armatūras augstuma no auga, gaismas pārklājuma un tā, vai gaisma var iziet cauri lapām. Tāpēc fotosintēzes pētījumos nav precīzi izmantot par kā gaismas intensitātes indikatoru.

Parasti fotosintēzes mehānismu var uzsākt, ja sauli mīloša auga PPFD ir lielāks par 50 μmol·m-2·s-1, savukārt ēnaina auga PPFD ir nepieciešami tikai 20 μmol·m-2·s-1. Tāpēc, iegādājoties LED audzēšanas lampas, LED audzēšanas lampu skaitu var izvēlēties, pamatojoties uz šo atsauces vērtību un stādāmo augu veidu. Piemēram, ja vienas LED spuldzes PPFD ir 20 μmol·m-2·s-1, sauli mīlošu augu audzēšanai ir nepieciešamas vairāk nekā 3 LED augu spuldzes.

Vairāki pusvadītāju apgaismojuma dizaina risinājumi

Pusvadītāju apgaismojums tiek izmantots augu audzēšanai vai stādīšanai, un ir divas pamata atsauces metodes.

• Pašlaik iekštelpu stādīšanas modelis Ķīnā ir ļoti populārs. Šim modelim ir vairākas īpašības:

1. LED apgaismojuma uzdevums ir nodrošināt pilnu augu apgaismojuma spektru, un apgaismojuma sistēmai ir jānodrošina visa apgaismojuma enerģija, un ražošanas izmaksas ir salīdzinoši augstas;
②LED audzēšanas lampu projektēšanā jāņem vērā spektra nepārtrauktība un integritāte;
③Ir nepieciešams efektīvi kontrolēt apgaismojuma laiku un intensitāti, piemēram, ļaujot augiem dažas stundas atpūsties, apstarošanas intensitāte nav pietiekama vai pārāk spēcīga utt.;
④Visam procesam ir jāimitē apstākļi, kas nepieciešami augu faktiskajai optimālajai augšanas videi ārā, piemēram, mitrums, temperatūra un CO2 koncentrācija.

• Āra stādīšanas režīms ar labu āra siltumnīcas stādīšanas pamatu. Šī modeļa raksturlielumi ir:

① LED spuldžu uzdevums ir papildināt apgaismojumu. Pirmkārt, tās uzlabo gaismas intensitāti zilajās un sarkanajās zonās, kuras dienas laikā apstaro saules gaisma, lai veicinātu augu fotosintēzi, un otrkārt, tās kompensē, ja naktī nav saules gaismas, lai veicinātu augu augšanas ātrumu.
②Papildu apgaismojumam jāņem vērā auga augšanas stadija, piemēram, dīgšanas periods vai ziedēšanas un augļu veidošanās periods.

Tāpēc LED augu audzēšanas lampu projektēšanā vispirms jāiekļauj divi pamata dizaina režīmi, proti, 24 stundu apgaismojums (iekštelpās) un augu augšanas papildināšanas apgaismojums (ārā). Iekštelpu augu audzēšanai LED audzēšanas lampu projektēšanā jāņem vērā trīs aspekti, kā parādīts 4. attēlā. Nav iespējams iesaiņot mikroshēmas ar trim pamatkrāsām noteiktā proporcijā.

4. attēls. Iekštelpu LED augu pastiprinātāju apgaismojuma dizaina ideja 24 stundu apgaismojumam

Piemēram, spektram stādaudzētavas stadijā, ņemot vērā, ka tam jānostiprina sakņu un stublāju augšana, jānostiprina lapu zarošanās, un gaismas avots tiek izmantots telpās, spektru var veidot, kā parādīts 5. attēlā.

5. attēls. Spektrālās struktūras, kas piemērotas LED iekštelpu bērnudārza periodam

Otrā tipa LED audzēšanas lampu projektēšanas mērķis galvenokārt ir nodrošināt papildu apgaismojumu, lai veicinātu stādīšanu āra siltumnīcas pamatnē. Dizaina ideja ir parādīta 6. attēlā.

6. attēls. Āra audzēšanas lampu dizaina idejas 

Autors iesaka vairāk stādīšanas uzņēmumiem izvēlēties otro iespēju — izmantot LED gaismas augu augšanas veicināšanai.

Pirmkārt, Ķīnā ir gadu desmitiem ilga un plaša pieredze siltumnīcu audzēšanā gan dienvidos, gan ziemeļos. Tai ir labs siltumnīcu audzēšanas tehnoloģijas pamats, un tā nodrošina apkārtējo pilsētu tirgum lielu daudzumu svaigu augļu un dārzeņu. Īpaši augsnes, ūdens un mēslošanas līdzekļu jomā ir gūti bagātīgi pētījumu rezultāti.

Otrkārt, šāda veida papildu apgaismojuma risinājums var ievērojami samazināt nevajadzīgu enerģijas patēriņu un vienlaikus efektīvi palielināt augļu un dārzeņu ražu. Turklāt Ķīnas plašais ģeogrāfiskais apgabals ir ļoti ērti reklamēšanai.

Tāpat kā LED augu apgaismojuma zinātniskais pētījums, tas nodrošina arī plašāku eksperimentālo bāzi. 7. attēlā ir redzams šīs pētniecības komandas izstrādāts LED audzēšanas apgaismojuma veids, kas ir piemērots audzēšanai siltumnīcās, un tā spektrs ir parādīts 8. attēlā.

7. attēls. LED audzēšanas lampas veids

8. attēls, LED audzēšanas gaismas spektrs

Saskaņā ar iepriekš minētajām dizaina idejām pētnieku komanda veica virkni eksperimentu, un eksperimentālie rezultāti ir ļoti nozīmīgi. Piemēram, audzēšanas apgaismojumam stādaudzētavā sākotnēji tika izmantota dienasgaismas spuldze ar jaudu 32 W un stādaudzētavas ciklu 40 dienas. Mēs nodrošinām 12 W LED gaismu, kas saīsina stādu ciklu līdz 30 dienām, efektīvi samazina lampu temperatūras ietekmi stādu darbnīcā un ietaupa gaisa kondicioniera enerģijas patēriņu. Stādu biezums, garums un krāsa ir labāka nekā sākotnējam stādu audzēšanas risinājumam. Arī parasto dārzeņu stādiem ir iegūti labi verifikācijas secinājumi, kas apkopoti nākamajā tabulā.

Starp tiem papildu gaismas grupai PPFD: 70–80 μmol·m-2·s-1, un sarkanās un zilās krāsas attiecība: 0,6–0,7. Dabiskās grupas dienas PPFD vērtības diapazons bija 40–800 μmol·m-2·s-1, un sarkanās un zilās krāsas attiecība bija 0,6–1,2. Var redzēt, ka iepriekš minētie rādītāji ir labāki nekā dabiski audzētiem stādiem.

Secinājums

Šajā rakstā ir sniegts pārskats par jaunākajiem sasniegumiem LED audzēšanas lampu izmantošanā augu audzēšanā un norādīts uz dažiem pārpratumiem par LED audzēšanas lampu izmantošanu augu audzēšanā. Visbeidzot, ir sniegtas tehniskās idejas un shēmas LED audzēšanas lampu izstrādei augu audzēšanai. Jāatzīmē, ka, uzstādot un lietojot lampu, jāņem vērā arī daži faktori, piemēram, attālums starp lampu un augu, lampas starojuma diapazons un tas, kā lampu lietot kopā ar parastu ūdeni, mēslojumu un augsni.

Autors: Yi Wang et al. Avots: CNKI