Вступ

Світло відіграє ключову роль у процесі росту рослин. Це найкраще добриво, яке сприяє засвоєнню рослинами хлорофілу та різних рослинних якостей, таких як каротин. Однак вирішальним фактором, що визначає ріст рослин, є комплексний фактор, пов'язаний не лише зі світлом, але й невіддільний від конфігурації води, ґрунту та добрив, умов середовища росту та комплексного технічного контролю.

Протягом останніх двох-трьох років з'явилася безліч звітів про застосування напівпровідникової технології освітлення для тривимірних рослинних фабрик або росту рослин. Але після уважного прочитання завжди залишається певне відчуття тривоги. Загалом, немає справжнього розуміння того, яку роль світло має відігравати в рості рослин.

Спочатку давайте розглянемо спектр Сонця, як показано на рисунку 1. Видно, що сонячний спектр є безперервним, у якому синій та зелений спектр сильніші за червоний, а спектр видимого світла коливається від 380 до 780 нм. Ріст організмів у природі пов'язаний з інтенсивністю спектру. Наприклад, більшість рослин у районі поблизу екватора ростуть дуже швидко, і водночас розміри їхнього росту відносно великі. Але висока інтенсивність сонячного опромінення не завжди є кращою, і існує певний ступінь селективності для росту тварин і рослин.

Рисунок 1. Характеристики сонячного спектру та його спектру видимого світла

По-друге, на рисунку 2 показано другу спектральну діаграму кількох ключових елементів поглинання росту рослин.

Рисунок 2, Спектри поглинання кількох ауксинів у рості рослин

З рисунка 2 видно, що спектри поглинання світла кількох ключових ауксинів, які впливають на ріст рослин, суттєво відрізняються. Тому застосування світлодіодних ламп для росту рослин є непростою, а дуже цілеспрямованою справою. Тут необхідно ввести поняття двох найважливіших фотосинтетичних елементів росту рослин.

• Хлорофіл

Хлорофіл – один із найважливіших пігментів, пов’язаних із фотосинтезом. Він присутній у всіх організмах, здатних здійснювати фотосинтез, включаючи зелені рослини, прокаріотичні синьо-зелені водорості (ціанобактерії) та еукаріотичні водорості. Хлорофіл поглинає енергію світла, яка потім використовується для перетворення вуглекислого газу на вуглеводи.

Хлорофіл а поглинає переважно червоне світло, а хлорофіл b — синьо-фіолетове, головним чином для того, щоб відрізняти тіньові рослини від сонячних. Співвідношення хлорофілу b до хлорофілу а тіньових рослин невелике, тому тіньові рослини можуть активно використовувати синє світло та адаптуватися до росту в тіні. Хлорофіл а має синьо-зелений колір, а хлорофіл b — жовто-зелений. Існує два сильних поглинання хлорофілу а та хлорофілу b: одне в червоній області з довжиною хвилі 630-680 нм, а інше в синьо-фіолетовій області з довжиною хвилі 400-460 нм.

• Каротиноїди

Каротиноїди – це загальний термін для класу важливих природних пігментів, які зазвичай зустрічаються в жовтих, оранжево-червоних або червоних пігментах у тварин, вищих рослин, грибів та водоростей. На сьогоднішній день виявлено понад 600 природних каротиноїдів.

Поглинання світла каротиноїдами охоплює діапазон оптичної довжини OD303~505 нм, що забезпечує колір їжі та впливає на споживання їжі організмом. У водоростях, рослинах та мікроорганізмах колір каротиноїдів перекритий хлорофілом і не може проявлятися. У рослинних клітинах каротиноїди, що виробляються, не тільки поглинають та передають енергію для сприяння фотосинтезу, але й виконують функцію захисту клітин від руйнування збудженими молекулами кисню з одноелектронним зв'язком.

Деякі концептуальні непорозуміння

Незважаючи на енергозберігаючий ефект, селективність світла та координацію світла, напівпровідникове освітлення продемонструвало значні переваги. Однак, внаслідок швидкого розвитку останніх двох років, ми також спостерігаємо багато непорозумінь у проектуванні та застосуванні світла, які головним чином відображаються в наступних аспектах.

①Якщо червоні та сині чіпи певної довжини хвилі поєднуються в певному співвідношенні, їх можна використовувати у вирощуванні рослин, наприклад, співвідношення червоного до синього становить 4:1, 6:1, 9:1 тощо.

②Якщо це біле світло, воно може замінити сонячне, як-от триосновні білі світлові трубки, що широко використовуються в Японії тощо. Використання цих спектрів має певний вплив на ріст рослин, але ефект не такий хороший, як у джерела світла, створеного світлодіодами.

③Поки PPFD (щільність квантового потоку світла), важливий параметр освітленості, досягає певного значення, наприклад, PPFD перевищує 200 мкмоль·м-2·с-1. Однак, використовуючи цей показник, необхідно звертати увагу на те, чи це тіньолюбна рослина, чи сонячна. Потрібно знайти точку насичення компенсації світла для цих рослин, яку також називають точкою компенсації світла. У реальних умовах розсада часто отримує опіки або в'яне. Тому цей параметр має бути розроблений відповідно до виду рослини, середовища зростання та умов.

Щодо першого аспекту, як зазначено у вступі, спектр, необхідний для росту рослин, має бути безперервним з певною шириною розподілу. Очевидно, що недоцільно використовувати джерело світла, що складається з двох чіпів певної довжини хвилі: червоного та синього, з дуже вузьким спектром (як показано на рисунку 3(a)). В експериментах було виявлено, що рослини, як правило, жовтуваті, стебла листя дуже світлі, а стебла листя дуже тонкі.

Для люмінесцентних ламп із трьома основними кольорами, що широко використовувалися в попередні роки, хоча білий синтезується, червоний, зелений та синій спектри розділені (як показано на рисунку 3(b)), і ширина спектру дуже вузька. Спектральна інтенсивність наступної безперервної частини відносно слабка, а потужність все ще відносно велика порівняно зі світлодіодами, споживаючи в 1,5-3 рази більше енергії. Тому ефект використання не такий хороший, як у світлодіодних ламп.

Рисунок 3, Червоно-синій світлодіодний ліхтар для рослин та спектр люмінесцентного світла трьох основних кольорів

Фотосинтетично активне випромінювання (ФАР) – це густина потоку квантів світла, яка відноситься до ефективної густини потоку світлового випромінювання світла у фотосинтезі, що представляє загальну кількість квантів світла, що падають на стебла листя рослин у діапазоні довжин хвиль від 400 до 700 нм за одиницю часу та одиницю площі. Його одиниця – мкЕ·м-2·с-1 (мкмоль·м-2·с-1). Фотосинтетично активне випромінювання (ФАР) відноситься до загальної сонячної радіації з довжиною хвилі в діапазоні від 400 до 700 нм. Його можна виразити або квантами світла, або променистою енергією.

У минулому інтенсивність світла, що відбивається люмінометром, визначалася яскравістю, але спектр росту рослин змінюється залежно від висоти розташування світильника над рослиною, освітлення та можливості проникнення світла крізь листя. Тому використання пар як показника інтенсивності світла при вивченні фотосинтезу є неточним.

Зазвичай, механізм фотосинтезу може бути ініційований, коли PPFD сонячнолюбної рослини перевищує 50 мкмоль·м-2·с-1, тоді як PPFD тіньової рослини потребує лише 20 мкмоль·м-2·с-1. Тому, купуючи світлодіодні лампи для вирощування рослин, ви можете вибрати їх кількість на основі цього контрольного значення та типу рослин, які ви садите. Наприклад, якщо PPFD однієї світлодіодної лампи становить 20 мкмоль·м-2·с-1, для вирощування сонячнолюбних рослин потрібно більше 3 світлодіодних ламп.

Кілька конструктивних рішень напівпровідникового освітлення

Напівпровідникове освітлення використовується для росту або посадки рослин, і існує два основних методи вимірювання.

• Наразі в Китаї дуже популярним є використання рослин у приміщенні. Ця модель має кілька характеристик:

①Роль світлодіодних ламп полягає в забезпеченні повного спектру освітлення рослин, а система освітлення повинна забезпечувати всю енергію освітлення, а виробничі витрати є відносно високими;
②Конструкція світлодіодних ламп для вирощування рослин повинна враховувати безперервність та цілісність спектру;
③Необхідно ефективно контролювати час та інтенсивність освітлення, наприклад, дати рослинам відпочити кілька годин, інтенсивність опромінення недостатня або занадто сильна тощо;
④Увесь процес має імітувати умови, необхідні для фактичного оптимального середовища росту рослин на відкритому повітрі, такі як вологість, температура та концентрація CO2.

• Режим посадки на відкритому повітрі з якісним фундаментом для теплиць. Характеристики цієї моделі:

①Роль світлодіодних ламп полягає в доповненні світла. Одна з них полягає в посиленні інтенсивності світла в синій та червоній областях під впливом сонячного світла вдень для стимулювання фотосинтезу рослин, а інша — в компенсації відсутності сонячного світла вночі для стимулювання росту рослин.
②Додаткове освітлення повинно враховувати, на якій стадії росту знаходиться рослина, наприклад, період розсади або період цвітіння та плодоношення.

Отже, конструкція світлодіодних ламп для вирощування рослин повинна, перш за все, мати два основні режими проектування, а саме: цілодобове освітлення (в приміщенні) та додаткове освітлення для росту рослин (на вулиці). Для вирощування рослин у приміщенні, конструкція світлодіодних ламп для вирощування повинна враховувати три аспекти, як показано на рисунку 4. Неможливо упакувати чіпи з трьома основними кольорами в певній пропорції.

Рисунок 4. Ідея дизайну використання світлодіодних підсилювачів освітлення рослин у приміщенні для цілодобового освітлення.

Наприклад, для спектру на стадії розсади, враховуючи, що потрібно посилити ріст коренів і стебел, посилити розгалуження листя, а джерело світла використовується в приміщенні, спектр можна розробити, як показано на рисунку 5.

Рисунок 5, Спектральні структури, придатні для світлодіодного освітлення в приміщенні для розплідників

Щодо проектування другого типу світлодіодних ламп для вирощування, то головною метою є проектне рішення для додаткового освітлення, яке сприятиме росту рослин біля основи відкритої теплиці. Ідея проектування показана на рисунку 6.

Рисунок 6, Ідеї дизайну вуличних ламп для вирощування рослин 

Автор пропонує більшій кількості компаній з озеленення перейти на другий варіант використання світлодіодних ламп для стимулювання росту рослин.

По-перше, Китай має багаторічний досвід вирощування овочів у теплицях як на півдні, так і на півночі. Він має добрі основи технологій вирощування овочів у теплицях і забезпечує ринок навколишніх міст великою кількістю свіжих фруктів та овочів. Особливо в галузі ґрунтообробки, а також добрив для посіву, отримано багаті результати досліджень.

По-друге, таке додаткове освітлення може значно зменшити непотрібне споживання енергії та водночас ефективно збільшити врожайність фруктів та овочів. Крім того, величезний географічний простір Китаю дуже зручний для просування.

Як наукове дослідження світлодіодного освітлення рослин, воно також забезпечує ширшу експериментальну базу для нього. На рис. 7 зображено різновид світлодіодного освітлення для вирощування рослин, розробленого цією дослідницькою групою, яке підходить для вирощування в теплицях, а його спектр показано на рис. 8.

Рисунок 7, Різновид світлодіодного світильника для вирощування рослин

Рисунок 8, спектр світлодіодної лампи для вирощування рослин

Відповідно до вищезазначених ідей проектування, дослідницька група провела серію експериментів, і результати експериментів є дуже значними. Наприклад, для освітлення під час розсади оригінальною лампою була використана люмінесцентна лампа потужністю 32 Вт з циклом розсади 40 днів. Ми пропонуємо світлодіодну лампу потужністю 12 Вт, яка скорочує цикл розсади до 30 днів, ефективно зменшує вплив температури ламп у розсадному цеху та економить енергоспоживання кондиціонера. Товщина, довжина та колір розсади кращі, ніж у оригінального рішення для вирощування розсади. Для розсади звичайних овочів також були отримані хороші висновки перевірки, які наведено в наступній таблиці.

Серед них, PPFD додаткової світлової групи: 70-80 мкмоль·м-2·с-1, а співвідношення червоного та синього: 0,6-0,7. Діапазон денних значень PPFD природної групи становив 40~800 мкмоль·м-2·с-1, а співвідношення червоного та синього становило 0,6~1,2. Видно, що вищезазначені показники кращі, ніж у природно вирощених саджанців.

Висновок

У цій статті представлено останні розробки у застосуванні світлодіодних ламп для вирощування рослин, а також вказано на деякі непорозуміння щодо їх застосування. Нарешті, представлено технічні ідеї та схеми розробки світлодіодних ламп для вирощування рослин. Слід зазначити, що також є деякі фактори, які необхідно враховувати під час встановлення та використання світильника, такі як відстань між лампою та рослиною, діапазон опромінення лампи та спосіб застосування світла зі звичайною водою, добривами та ґрунтом.

Автор: Yi Wang та ін. Джерело: CNKI