[Özet] Bu makale, çok sayıda deneysel veriye dayanarak, bitki fabrikalarında ışık kalitesinin seçimiyle ilgili önemli konuları ele almaktadır. Bu konular arasında ışık kaynaklarının seçimi, kırmızı, mavi ve sarı ışığın etkileri ve spektral aralıkların seçimi yer almaktadır. Amaç, bitki fabrikalarında ışık kalitesine ilişkin bilgiler sunmak ve eşleştirme stratejisinin belirlenmesine yönelik bazı pratik çözümler sunmaktır.
Işık kaynağının seçimi

Bitki yetiştirme fabrikalarında genellikle LED ışıklar kullanılır. Bunun nedeni, LED ışıkların yüksek ışık verimliliği, düşük enerji tüketimi, daha az ısı üretimi, uzun ömür ve ayarlanabilir ışık yoğunluğu ve spektrumu gibi özelliklere sahip olmasıdır; bu özellikler sadece bitki büyümesi ve etkili madde birikimi gereksinimlerini karşılamakla kalmaz, aynı zamanda enerji tasarrufu sağlar, ısı üretimini ve elektrik maliyetlerini azaltır. LED bitki yetiştirme lambaları, genel amaçlı tek çipli geniş spektrumlu LED ışıklar, bitkiye özel tek çipli geniş spektrumlu LED ışıklar ve çok çipli kombine ayarlanabilir spektrumlu LED ışıklar olarak further sınıflandırılabilir. Son iki tür bitkiye özel LED ışığın fiyatı genellikle sıradan LED ışıkların fiyatının 5 katından fazladır, bu nedenle farklı amaçlara göre farklı ışık kaynakları seçilmelidir. Büyük bitki yetiştirme fabrikalarında, yetiştirdikleri bitki türleri piyasa talebine göre değişir. İnşaat maliyetlerini düşürmek ve üretim verimliliğini önemli ölçüde etkilememek için, yazar genel aydınlatma için geniş spektrumlu LED çiplerin ışık kaynağı olarak kullanılmasını önermektedir. Küçük ölçekli bitki fabrikalarında, bitki türleri nispeten sabit ise, inşaat maliyetini önemli ölçüde artırmadan yüksek üretim verimliliği ve kalitesi elde etmek için, bitkiye özel veya genel aydınlatma için geniş spektrumlu LED çipler aydınlatma kaynağı olarak kullanılabilir. Eğer amaç, ışığın bitki büyümesi ve etkili maddelerin birikimi üzerindeki etkisini inceleyerek gelecekteki büyük ölçekli üretim için en iyi ışık formülünü sağlamak ise, ışık yoğunluğu, spektrum ve ışık süresi gibi faktörleri değiştirmek için ayarlanabilir spektrumlu LED ışıkların çoklu çip kombinasyonu kullanılabilir; böylece her bitki için en iyi ışık formülü elde edilerek büyük ölçekli üretim için temel oluşturulabilir.

Kırmızı ve mavi ışık

Deneysel sonuçlara gelince, kırmızı ışık (R) içeriği mavi ışıktan (B) daha yüksek olduğunda (marul R:B = 6:2 ve 7:3; ıspanak R:B = 4:1; kabak fideleri R:B = 7:3; salatalık fideleri R:B = 7:3), deneyde biyokütle içeriğinin (bitkinin hava kısmının yüksekliği, maksimum yaprak alanı, taze ağırlık ve kuru ağırlık vb. dahil) daha yüksek olduğu, ancak bitkilerin gövde çapı ve güçlü fide indeksinin daha büyük olduğu gösterilmiştir. Biyokimyasal göstergeler açısından, kırmızı ışık içeriğinin mavi ışıktan daha yüksek olması genellikle bitkilerdeki çözünür şeker içeriğinin artmasına faydalıdır. Bununla birlikte, bitkilerde VC, çözünür protein, klorofil ve karotenoidlerin birikimi için, kırmızı ışıktan daha yüksek mavi ışık içeriğine sahip LED aydınlatma kullanmak daha avantajlıdır ve bu aydınlatma koşulunda malondialdehit içeriği de nispeten düşüktür.

Bitki fabrikası esas olarak yapraklı sebzelerin yetiştirilmesi veya endüstriyel fide yetiştiriciliği için kullanıldığından, yukarıdaki sonuçlardan, verimi artırma ve kaliteyi dikkate alma koşuluyla, ışık kaynağı olarak mavi ışıktan daha yüksek kırmızı ışık içeriğine sahip LED çiplerinin kullanılmasının uygun olduğu sonucuna varılabilir. Daha iyi bir oran R:B = 7:3'tür. Dahası, bu kırmızı ve mavi ışık oranı temel olarak her türlü yapraklı sebze veya fide için geçerlidir ve farklı bitkiler için özel bir gereksinim yoktur.

Kırmızı ve mavi dalga boyu seçimi

Fotosentez sırasında ışık enerjisi esas olarak klorofil a ve klorofil b tarafından emilir. Aşağıdaki şekil, klorofil a ve klorofil b'nin emilim spektrumlarını göstermektedir; yeşil spektral çizgi klorofil a'nın, mavi spektral çizgi ise klorofil b'nin emilim spektrumudur. Şekilden de görülebileceği gibi, hem klorofil a hem de klorofil b'nin iki emilim tepe noktası vardır; biri mavi ışık bölgesinde, diğeri kırmızı ışık bölgesindedir. Ancak klorofil a ve klorofil b'nin 2 emilim tepe noktası biraz farklıdır. Daha açık olmak gerekirse, klorofil a'nın iki tepe dalga boyu sırasıyla 430 nm ve 662 nm, klorofil b'nin iki tepe dalga boyu ise sırasıyla 453 nm ve 642 nm'dir. Bu dört dalga boyu değeri farklı bitkilerde değişmez, bu nedenle ışık kaynağındaki kırmızı ve mavi dalga boylarının seçimi farklı bitki türlerinde değişmez.

Klorofil a ve klorofil b'nin absorbsiyon spektrumları

Geniş spektrumlu sıradan bir LED aydınlatma, bitki fabrikasının ışık kaynağı olarak kullanılabilir; yeter ki kırmızı ve mavi ışık, klorofil a ve klorofil b'nin iki tepe dalga boyunu kapsayabilsin, yani kırmızı ışığın dalga boyu aralığı genellikle 620~680 nm, mavi ışığın dalga boyu aralığı ise 400 ila 480 nm arasında olsun. Bununla birlikte, kırmızı ve mavi ışığın dalga boyu aralığı çok geniş olmamalıdır, çünkü bu sadece ışık enerjisini israf etmekle kalmaz, aynı zamanda başka etkilere de yol açabilir.

Bitki fabrikasında ışık kaynağı olarak kırmızı, sarı ve mavi çiplerden oluşan bir LED lamba kullanılıyorsa, kırmızı ışığın tepe dalga boyu klorofil a'nın tepe dalga boyuna, yani 660 nm'ye; mavi ışığın tepe dalga boyu ise klorofil b'nin tepe dalga boyuna, yani 450 nm'ye ayarlanmalıdır.

Sarı ve yeşil ışığın rolü

Kırmızı, yeşil ve mavi ışığın oranı R:G:B=6:1:3 olduğunda daha uygundur. Yeşil ışığın tepe dalga boyunun belirlenmesine gelince, bitki büyüme sürecinde esas olarak düzenleyici bir rol oynadığı için, 530 ile 550 nm arasında olması yeterlidir.

Özet

Bu makale, bitki fabrikalarında ışık kalitesinin seçim stratejisini hem teorik hem de pratik açılardan ele almaktadır; bu kapsamda LED ışık kaynağındaki kırmızı ve mavi ışığın dalga boyu aralığının seçimi ile sarı ve yeşil ışığın rolü ve oranı incelenmektedir. Bitki büyüme sürecinde, ışık yoğunluğu, ışık kalitesi ve ışık süresi olmak üzere üç faktörün makul bir şekilde eşleştirilmesi ve bunların besin maddeleri, sıcaklık, nem ve CO2 konsantrasyonu ile ilişkisi de kapsamlı bir şekilde değerlendirilmelidir. Gerçek üretimde, geniş spektrumlu veya çoklu çip kombinasyonlu ayarlanabilir spektrumlu LED ışık kullanmayı planlıyor olsanız da, dalga boyu oranı en önemli husustur, çünkü ışık kalitesine ek olarak, diğer faktörler de çalışma sırasında gerçek zamanlı olarak ayarlanabilir. Bu nedenle, bitki fabrikalarının tasarım aşamasında en önemli husus ışık kalitesinin seçimi olmalıdır.

Yazar: Yong Xu

Makale kaynağı: Tarım Mühendisliği Teknolojisi (sera yetiştiriciliği) WeChat hesabı.

Referans: Yong Xu,Bitki fabrikalarında ışık kalitesi seçim stratejisi [J]. Tarım Mühendisliği Teknolojisi, 2022, 42(4): 22-25.