Ievads

Gaismai ir galvenā loma augu augšanas procesā. Tas ir labākais mēslojums, kas veicina augu hlorofila uzsūkšanos un dažādu augu augšanas īpašību, piemēram, karotīna, uzsūkšanos. Tomēr noteicošais 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 tehnoloģiju izmantošanu attiecībā uz trīsdimensiju augu rūpnīcām vai augu augšanu. Bet pēc rūpīgas izlasīšanas vienmēr ir kāda neomulīga sajūta. Vispārīgi runājot, nav īstas izpratnes par to, kādai lomai gaismai vajadzētu būt 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, bet redzamās gaismas spektrs ir no plkst. 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 salīdzinoši liels. Taču augstā saules starojuma intensitāte ne vienmēr ir labāka, un dzīvnieku un augu augšanai ir zināma selektivitāte.

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

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 ievērojami atšķiras. Tāpēc LED augu augšanas spuldžu pielietošana nav vienkārša, bet ļoti mērķtiecīga. Šeit jāiepazīstina ar divu svarīgāko fotosintētisko augu augšanas elementu jēdzieniem.

• Hlorofils

Hlorofils ir viens no svarīgākajiem pigmentiem, kas saistīti ar fotosintēzi. Tas pastāv visos organismos, kas var radīt fotosintēzi, tostarp zaļajos augos, prokariotu zilaļģēs (cianobaktērijas) un eikariotu aļģēs. Hlorofils absorbē enerģiju no gaismas, ko pēc tam izmanto oglekļa dioksīda pārvēršanai ogļhidrātos.

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

• Karotinoīdi

Karotinoīdi ir vispārīgs termins svarīgu dabisko pigmentu klasei, kas parasti sastopami dzeltenajos, oranžsarkanajos vai sarkanajos pigmentos dzīvniekiem, augstākiem augiem, sēnēm un aļģēm. Līdz šim ir atklāti vairāk nekā 600 dabisko karotinoīdu.

Karotinoīdu gaismas absorbcija aptver diapazonu no OD303 ~ 505 nm, kas nodrošina ēdiena krāsu un ietekmē organisma uzņemto pārtiku. Aļģēs, augos un mikroorganismos to krāsu klāj hlorofils un tā nevar parādīties. Augu šūnās ražotie karotinoīdi ne tikai absorbē un pārnes enerģiju, lai veicinātu fotosintēzi, bet arī aizsargā šūnas no iznīcināšanas, ko izraisa ierosinātas viena elektronu saites skābekļa molekulas.

Daži konceptuāli pārpratumi

Neatkarīgi no enerģijas taupīšanas efekta, gaismas selektivitāte un gaismas koordinācija, pusvadītāju apgaismojums ir parādījis lielas priekšrocības. Taču no pēdējo divu gadu straujās attīstības mēs esam redzējuši arī daudz pārpratumu gaismas projektēšanā un pielietojumā, kas galvenokārt atspoguļojas sekojošos aspektos.

①Kamēr 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. ieslēgts.

②Kamēr tā ir balta gaisma, tā var aizstāt saules gaismu, piemēram, Japānā plaši izmantoto trīs primāro baltās gaismas cauruli utt. Šo spektru izmantošana zināmā mērā ietekmē augu augšanu, bet efekts ir nav tik labs kā LED gaismas avots.

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, jums jāpievērš uzmanība tam, vai tas ir ēnas augs vai saules augs. Jums ir jājautā vai jāatrod šo augu gaismas kompensācijas piesātinājuma punkts, ko sauc arī par gaismas kompensācijas punktu. Faktiskajās pielietojumos stādi bieži tiek sadedzināti vai nokalti. Tāpēc šī parametra dizains jāveido atbilstoši augu 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 pareizi izmantot gaismas avotu, kas izgatavots no diviem specifiskiem sarkanā un zilā viļņa garuma mikroshēmām ar ļoti šauru spektru (kā parādīts 3. attēlā a)). Eksperimentos tika konstatēts, ka augi mēdz būt dzeltenīgi, lapu stublāji ir ļoti gaiši, un lapu stublāji ir ļoti plāni.

Lai gan luminiscences spuldzēm ar trim pamatkrāsām, kas parasti izmantotas iepriekšējos gados, tiek sintezēta baltā krāsa, sarkanais, zaļais un zilais spektrs ir atdalīts (kā parādīts 3. b) attēlā), un spektra platums ir ļoti šaurs. Sekojošās nepārtrauktās daļas spektrālā intensitāte ir salīdzinoši vāja, un jauda joprojām ir salīdzinoši liela salīdzinājumā ar gaismas diodēm, 1,5 līdz 3 reizes lielāka par enerģijas patēriņu. Tāpēc lietošanas efekts nav tik labs kā LED gaismām.

3. attēls. Sarkanās un zilās mikroshēmas LED augu gaismas un trīs primāro krāsu fluorescējošās 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 laika vienībā un laukuma vienībā. . Tās mērvienība ir μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosintētiski aktīvais starojums (PAR) attiecas uz kopējo saules starojumu ar viļņa garumu diapazonā no 400 līdz 700 nm. To var izteikt vai nu ar gaismas kvantiem, vai ar starojuma enerģiju.

Agrāk iluminometra atspoguļotā gaismas intensitāte bija spilgtums, bet auga augšanas spektrs mainās atkarībā no gaismas ķermeņa augstuma no auga, gaismas pārklājuma un to, vai gaisma var iziet cauri lapām. Tāpēc fotosintēzes izpētē 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 ēnainā auga PPFD nepieciešami tikai 20 μmol·m-2·s-1. . Tāpēc, iegādājoties LED augšanas lampas, jūs varat izvēlēties LED augšanas lukturu skaitu, pamatojoties uz šo atsauces vērtību un stādāmo augu veidu. Piemēram, ja vienas LED gaismas diodes 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 apgaismojumu izmanto augu augšanai vai stādīšanai, un ir divas pamata atsauces metodes.

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

① LED apgaismojuma loma ir nodrošināt visu augu apgaismojuma spektru, un apgaismojuma sistēmai ir nepieciešama visa apgaismojuma enerģija, un ražošanas izmaksas ir salīdzinoši augstas;
②Izstrādājot LED augšanas gaismas, jāņem vērā spektra nepārtrauktība un integritāte;
③Ir nepieciešams efektīvi kontrolēt apgaismojuma laiku un apgaismojuma intensitāti, piemēram, ļaut augiem dažas stundas atpūsties, apstarošanas intensitāte nav pietiekama vai pārāk spēcīga utt.;
④Visam procesam ir jāatdarina apstākļi, kas nepieciešami faktiskajai optimālajai augu augšanas videi ārā, piemēram, mitrums, temperatūra un CO2 koncentrācija.

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

① LED apgaismojuma uzdevums ir papildināt gaismu. Viens no tiem ir palielināt gaismas intensitāti zilajos un sarkanajos apgabalos saules gaismas apstarošanas laikā dienas laikā, lai veicinātu augu fotosintēzi, un otrs ir kompensēt, kad naktī nav saules gaismas, lai veicinātu augu augšanas ātrumu.
② Papildu apgaismojumam ir jāņem vērā, kurā augšanas stadijā augs atrodas, piemēram, stādīšanas periodā vai ziedēšanas un augļu periodā.

Tāpēc LED augu audzēšanas gaismekļu dizainā vispirms ir jābūt diviem pamata dizaina režīmiem, proti, 24h apgaismojums (iekštelpās) un augu augšanas papildu apgaismojums (ārā). Lai audzētu iekštelpu augus, LED augšanas lampu projektēšanā jāņem vērā trīs aspekti, kā parādīts 4. attēlā. Nav iespējams iepakot mikroshēmas ar trim pamatkrāsām noteiktā proporcijā.

4. attēls. Dizaina ideja izmantot iekštelpu LED augu pastiprinātājus 24 stundu apgaismojumam

Piemēram, spektram stādaudzētavas stadijā, ņemot vērā, ka tam ir 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 augšanas apgaismojuma projektēšanai tas galvenokārt ir vērsts uz gaismas papildināšanas dizaina risinājumu, lai veicinātu stādīšanu āra siltumnīcas pamatnē. Dizaina ideja parādīta 6. attēlā.

6. attēls. Āra augšanas apgaismojuma dizaina idejas 

Autore iesaka vairāk stādīšanas uzņēmumu pieņemt otro iespēju izmantot LED gaismas, lai veicinātu augu augšanu.

Pirmkārt, Ķīnas audzēšanai āra siltumnīcās ir gadu desmitiem liela pieredze un plaša pieredze gan dienvidos, gan ziemeļos. Tam ir labs siltumnīcas audzēšanas tehnoloģiju pamats, un tas nodrošina lielu skaitu svaigu augļu un dārzeņu apkārtējo pilsētu tirgū. Īpaši augsnes un ūdens un mēslojuma stādīšanas jomā ir gūti bagātīgi pētījumu rezultāti.

Otrkārt, šāda veida papildu gaismas risinājums var ievērojami samazināt nevajadzīgu enerģijas patēriņu un tajā pašā laikā efektīvi palielināt augļu un dārzeņu ražu. Turklāt Ķīnas plašais ģeogrāfiskais apgabals ir ļoti ērts veicināšanai.

Tā kā LED augu apgaismojuma zinātniskais pētījums nodrošina arī plašāku eksperimentālo bāzi. 7. att. ir šīs pētnieku grupas izstrādātais LED augšanas gaismas veids, kas piemērots audzēšanai siltumnīcās, un tā spektrs parādīts 8. attēlā.

7. attēls, sava veida LED augšanas gaisma

8. attēls, LED augšanas gaismas veida spektrs

Saskaņā ar iepriekš minētajām dizaina idejām pētnieku grupa veica virkni eksperimentu, un eksperimenta rezultāti ir ļoti nozīmīgi. Piemēram, augšanas apgaismojumam bērnudārza laikā oriģinālā izmantotā spuldze ir luminiscences spuldze ar jaudu 32 W un bērnudārza ciklu 40 dienas. Mēs nodrošinām 12 W LED gaismu, kas saīsina stādīšanas ciklu līdz 30 dienām, efektīvi samazina lampu temperatūras ietekmi stādu darbnīcā un ietaupa gaisa kondicioniera enerģijas patēriņu. Stādu biezums, garums un krāsa ir labāki nekā sākotnējais stādu audzēšanas risinājums. Arī parasto dārzeņu stādiem iegūti labi pārbaudes secinājumi, kas apkopoti nākamajā tabulā.

Tostarp papildu gaismas grupa PPFD: 70-80 μmol · m-2 · s-1 un sarkanā-zilā attiecība: 0,6-0,7. Dabiskās grupas dienas PPFD vērtības diapazons bija 40–800 μmol·m-2·s-1, un sarkanā un zilā attiecība bija 0,6–1,2. Redzams, ka augstāk minētie rādītāji ir labāki nekā dabiski audzētiem stādiem.

Secinājums

Šis raksts iepazīstina ar jaunākajiem sasniegumiem LED apgaismojuma pielietošanā augu audzēšanā un norāda uz dažiem pārpratumiem saistībā ar LED augšanas gaismas izmantošanu augu audzēšanā. Nobeigumā tiek iepazīstinātas ar tehniskajām idejām un shēmām augu audzēšanā izmantojamo LED spuldžu izstrādei. Jāuzsver, ka ir arī daži faktori, kas jāņem vērā, uzstādot un izmantojot gaismu, piemēram, attālums starp gaismu un augu, lampas apstarošanas diapazons un gaismas pielietošana ar normāls ūdens, mēslojums un augsne.

Autors: Yi Wang et al. Avots: CNKI