giriiş

Işık, bitki büyüme sürecinde önemli bir rol oynar. Bitki klorofilinin emilimini ve karoten gibi çeşitli bitki büyüme niteliklerinin emilimini teşvik eden en iyi gübredir. Ancak bitkilerin büyümesini belirleyen belirleyici faktör, yalnızca ışıkla ilgili değil, aynı zamanda su, toprak ve gübre konfigürasyonu, büyüme ortamı koşulları ve kapsamlı teknik kontrolden ayrılamayan kapsamlı bir faktördür.

Geçtiğimiz iki veya üç yılda, üç boyutlu fabrika fabrikaları veya bitki büyümesine ilişkin yarı iletken aydınlatma teknolojisinin uygulanmasına ilişkin sayısız rapor var. Ancak dikkatlice okuduktan sonra her zaman bir huzursuzluk hissi vardır. Genel olarak konuşursak, ışığın bitki büyümesinde nasıl bir rol oynaması gerektiğine dair gerçek bir anlayış yoktur.

İlk olarak, Şekil 1'de gösterildiği gibi güneşin spektrumunu anlayalım. Güneş spektrumunun, mavi ve yeşil spektrumun kırmızı spektrumdan daha güçlü olduğu ve görünür ışık spektrumunun aralıkları olan sürekli bir spektrum olduğu görülebilir. 380 ila 780 nm. Doğadaki organizmaların büyümesi spektrumun yoğunluğuyla ilgilidir. Örneğin ekvatora yakın bölgedeki çoğu bitki çok hızlı büyür ve aynı zamanda büyüme boyutları da nispeten büyüktür. Ancak güneş ışınımının yüksek yoğunluğu her zaman daha iyi değildir ve hayvanların ve bitkilerin büyümesi için belirli bir seçicilik derecesi vardır.

Şekil 1, Güneş spektrumunun özellikleri ve görünür ışık spektrumu

İkinci olarak, bitki büyümesinin birkaç temel emilim elemanının ikinci spektrum diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir.

Şekil 2, Bitki büyümesinde çeşitli oksinlerin absorpsiyon spektrumları

Şekil 2'de bitki büyümesini etkileyen birçok temel oksinin ışık absorpsiyon spektrumlarının önemli ölçüde farklı olduğu görülebilir. Bu nedenle LED bitki yetiştirme ışıklarının uygulanması basit bir konu değil, oldukça hedeflidir. Burada en önemli iki fotosentetik bitki büyüme unsurunun kavramlarını tanıtmak gerekir.

• Klorofil

Klorofil, fotosentezle ilgili en önemli pigmentlerden biridir. Yeşil bitkiler, prokaryotik mavi-yeşil algler (siyanobakteriler) ve ökaryotik algler dahil olmak üzere fotosentez yapabilen tüm organizmalarda bulunur. Klorofil ışıktan gelen enerjiyi emer ve bu enerji daha sonra karbondioksiti karbonhidratlara dönüştürmek için kullanılır.

Klorofil a esas olarak kırmızı ışığı emer ve klorofil b esas olarak gölge bitkilerini güneş bitkilerinden ayırmak için esas olarak mavi-mor ışığı emer. Gölge bitkilerinde klorofil b'nin klorofil a'ya oranı küçüktür, bu nedenle gölge bitkileri mavi ışığı güçlü bir şekilde kullanabilir ve gölgede büyümeye uyum sağlayabilir. Klorofil a mavi-yeşil, klorofil b ise sarı-yeşil renktedir. Biri 630-680 nm dalga boyuna sahip kırmızı bölgede, diğeri ise 400-460 nm dalga boyuna sahip mavi-mor bölgede olmak üzere iki güçlü klorofil a ve klorofil b emilimi vardır.

• Karotenoidler

Karotenoidler, hayvanlarda, yüksek bitkilerde, mantarlarda ve alglerde yaygın olarak sarı, turuncu-kırmızı veya kırmızı pigmentlerde bulunan önemli doğal pigmentlerin bir sınıfı için genel terimdir. Şu ana kadar 600'den fazla doğal karotenoid keşfedildi.

Karotenoidlerin ışık emilimi, gıdanın rengini sağlayan ve vücudun gıda alımını etkileyen OD303~505 nm aralığını kapsar. Alglerde, bitkilerde ve mikroorganizmalarda rengi klorofil ile kaplı olduğundan ortaya çıkamaz. Bitki hücrelerinde üretilen karotenoidler, fotosenteze yardımcı olmak için enerjiyi emip aktarmakla kalmaz, aynı zamanda hücreleri uyarılmış tek elektronlu bağ oksijen molekülleri tarafından yok edilmekten koruma işlevine de sahiptir.

Bazı kavramsal yanlış anlamalar

Enerji tasarrufu etkisi, ışığın seçiciliği ve ışığın koordinasyonu ne olursa olsun, yarı iletken aydınlatma büyük avantajlar göstermiştir. Ancak son iki yıldaki hızlı gelişimden dolayı, ışığın tasarımı ve uygulanmasında da birçok yanlış anlamalar gördük ve bunlar esas olarak aşağıdaki hususlara yansıyor.

①Belirli bir dalga boyundaki kırmızı ve mavi çipler belirli bir oranda birleştirildiği sürece bitki yetiştiriciliğinde kullanılabilirler, örneğin kırmızının maviye oranı 4:1, 6:1, 9:1 vb. Açık.

②Beyaz ışık olduğu sürece, Japonya'da yaygın olarak kullanılan üç birincil beyaz ışık tüpü gibi güneş ışığının yerini alabilir. Bu spektrumların kullanımının bitkilerin büyümesi üzerinde belirli bir etkisi vardır, ancak etkisi LED tarafından üretilen ışık kaynağı kadar iyi değil.

③Aydınlatmanın önemli bir parametresi olan PPFD (ışık kuantum akı yoğunluğu) belirli bir indekse ulaştığı sürece, örneğin PPFD 200 μmol·m-2·s-1'den büyüktür. Ancak bu göstergeyi kullanırken gölge bitkisi mi yoksa güneş bitkisi mi olduğuna dikkat etmelisiniz. Işık kompanzasyon noktası olarak da adlandırılan bu bitkilerin ışık kompanzasyon doygunluk noktasını sorgulamanız veya bulmanız gerekiyor. Gerçek uygulamalarda fideler sıklıkla yakılır veya kurutulur. Bu nedenle bu parametrenin tasarımı bitki türüne, büyüme ortamına ve koşullarına göre tasarlanmalıdır.

Birinci hususa gelince, girişte de belirtildiği gibi, bitki büyümesi için gereken spektrum, belirli bir dağılım genişliğine sahip sürekli bir spektrum olmalıdır. Çok dar bir spektruma sahip (Şekil 3(a)'da gösterildiği gibi) kırmızı ve mavi olmak üzere iki spesifik dalga boyuna sahip çiplerden oluşan bir ışık kaynağının kullanılması açıkça uygun değildir. Yapılan deneylerde bitkilerin sarımsı renkte olduğu, yaprak saplarının çok hafif olduğu ve yaprak saplarının çok ince olduğu tespit edilmiştir.

Önceki yıllarda yaygın olarak kullanılan üç ana renkli floresan tüpler için beyaz sentezlenmesine rağmen kırmızı, yeşil ve mavi spektrumları ayrılır (Şekil 3(b)'de gösterildiği gibi) ve spektrumun genişliği çok dardır. Aşağıdaki sürekli kısmın spektral yoğunluğu nispeten zayıftır ve güç, LED'lere kıyasla hala nispeten büyüktür; enerji tüketiminin 1,5 ila 3 katıdır. Bu nedenle kullanım etkisi LED ışıklar kadar iyi değildir.

Şekil 3, Kırmızı ve mavi çip LED bitki ışığı ve üç ana renkli floresan ışık spektrumu

PPFD, fotosentezde ışığın etkili radyasyon ışık akısı yoğunluğunu ifade eden ışık kuantum akısı yoğunluğudur; birim zaman ve birim alan başına 400 ila 700 nm dalga boyu aralığında bitki yaprak saplarına gelen ışık kuantumunun toplam sayısını temsil eder. . Birimi μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1)'dir. Fotosentetik olarak aktif radyasyon (PAR), dalga boyu 400 ila 700 nm aralığında olan toplam güneş radyasyonunu ifade eder. Işık kuantumu veya ışınım enerjisi ile ifade edilebilir.

Geçmişte illuminometrenin yansıttığı ışık yoğunluğu parlaklıktı ancak aydınlatma armatürünün bitkiden yüksekliği, ışık kapsama alanı ve ışığın yapraklardan geçip geçemeyeceği nedeniyle bitki büyüme spektrumu değişiyor. Bu nedenle fotosentez çalışmalarında ışık yoğunluğunun göstergesi olarak par'ın kullanılması doğru değildir.

Genel olarak fotosentez mekanizması, güneşi seven bitkinin PPFD'si 50 μmol·m-2·s-1'den büyük olduğunda başlatılabilirken, gölgeli bitkinin PPFD'si yalnızca 20 μmol·m-2·s-1'e ihtiyaç duyar. . Bu nedenle LED yetiştirme lambaları satın alırken bu referans değerine ve dikeceğiniz bitki türüne göre LED yetiştirme lambalarının sayısını seçebilirsiniz. Örneğin, tek bir LED ışığının PPFD'si 20 μmol·m-2·s-1 ise, güneşi seven bitkiler yetiştirmek için 3'ten fazla LED bitki ampulü gerekir.

Yarı iletken aydınlatmanın çeşitli tasarım çözümleri

Yarı iletken aydınlatma bitki büyütme veya dikim için kullanılır ve iki temel referans yöntemi vardır.

• Şu anda Çin'de kapalı alanda ekim modeli çok sıcak. Bu modelin çeşitli özellikleri vardır:

①LED ışıkların rolü, tesis aydınlatmasının tüm spektrumunu sağlamaktır ve aydınlatma sisteminin tüm aydınlatma enerjisini sağlaması gerekir ve üretim maliyeti nispeten yüksektir;
②LED yetiştirme ışıklarının tasarımında spektrumun sürekliliği ve bütünlüğü dikkate alınmalıdır;
③Bitkilerin birkaç saat dinlenmesine izin vermek, ışınlamanın yoğunluğunun yeterli olmaması veya çok güçlü olmaması vb. gibi aydınlatma süresini ve aydınlatma yoğunluğunu etkili bir şekilde kontrol etmek gerekir;
④Tüm sürecin, nem, sıcaklık ve CO2 konsantrasyonu gibi açık havada bitkilerin gerçek optimal büyüme ortamının gerektirdiği koşulları taklit etmesi gerekir.

• İyi bir dış mekan sera ekimi temeline sahip dış mekan ekim modu. Bu modelin özellikleri şunlardır:

①LED ışıkların rolü ışığı desteklemektir. Bunlardan biri, gündüz güneş ışığı altında kalan mavi ve kırmızı alanlardaki ışık yoğunluğunu artırarak bitkilerin fotosentezini teşvik etmek, diğeri ise gece güneş ışığı olmadığında telafi ederek Bitki büyüme hızını arttırmaktır.
②Ek ışığın, fide dönemi veya çiçeklenme ve meyve verme dönemi gibi bitkinin hangi büyüme aşamasında olduğunu dikkate alması gerekir.

Bu nedenle, LED bitki yetiştirme ışıklarının tasarımında öncelikle iki temel tasarım modu bulunmalıdır: 24 saat aydınlatma (iç mekan) ve bitki büyümesine yardımcı aydınlatma (dış mekan). İç mekan bitki yetiştiriciliği için, LED yetiştirme ışıklarının tasarımında Şekil 4'te gösterildiği gibi üç hususun dikkate alınması gerekir. Çipleri üç ana renkle belirli bir oranda paketlemek mümkün değildir.

Şekil 4, 24 saat aydınlatma için iç mekan LED tesis güçlendirici ışıklarının kullanılmasına ilişkin tasarım fikri

Örneğin fidanlık aşamasındaki bir spektrum için kök ve gövde gelişiminin güçlendirilmesi, yaprakların dallanmasının güçlendirilmesi gerektiği ve ışık kaynağının iç mekanda kullanıldığı düşünülerek spektrum Şekil 5’teki gibi tasarlanabilir.

Şekil 5, LED kapalı çocuk odası dönemine uygun spektral yapılar

İkinci tip LED yetiştirme ışığının tasarımı için, esas olarak dış mekan serasının tabanında ekimi teşvik etmek için ışık takviyesi tasarım çözümü amaçlanmaktadır. Tasarım fikri Şekil 6'da gösterilmektedir.

Şekil 6, Dış mekan yetiştirme ışıkları için tasarım fikirleri 

Yazar, daha fazla bitki yetiştirme şirketinin bitki büyümesini teşvik etmek için LED ışıkları kullanma yönündeki ikinci seçeneği benimsediğini öne sürüyor.

Her şeyden önce, Çin'in açık havada sera tarımı, hem güneyde hem de kuzeyde onlarca yıllık büyük miktarda ve geniş bir deneyim yelpazesine sahiptir. Seracılık teknolojisi açısından iyi bir temele sahiptir ve çevredeki şehirler için piyasaya çok sayıda taze meyve ve sebze sağlamaktadır. Özellikle toprak ve su ile gübre ekimi alanında zengin araştırma sonuçları yapılmıştır.

İkincisi, bu tür tamamlayıcı ışık çözümü, gereksiz enerji tüketimini büyük ölçüde azaltabilir ve aynı zamanda meyve ve sebze verimini etkili bir şekilde artırabilir. Ayrıca Çin'in geniş coğrafi alanı tanıtıma oldukça elverişlidir.

LED bitki aydınlatmasının bilimsel araştırması aynı zamanda daha geniş bir deneysel temel sağlar. Şekil 7, bu araştırma ekibi tarafından geliştirilen, seralarda yetiştirmeye uygun bir tür LED yetiştirme ışığıdır ve spektrumu Şekil 8'de gösterilmektedir.

Şekil 7, Bir tür LED büyüyen ışık

Şekil 8, bir tür LED büyüyen ışığın spektrumu

Yukarıdaki tasarım fikirlerine göre araştırma ekibi bir dizi deney gerçekleştirdi ve deney sonuçları çok anlamlı. Örneğin, fidanlık döneminde ışık yetiştirmek için kullanılan orijinal lamba, 32 W gücünde ve 40 günlük fidanlık döngüsüne sahip bir floresan lambadır. Fide döngüsünü 30 güne kısaltan, fide atölyesindeki lambaların sıcaklığının etkisini etkili bir şekilde azaltan ve klimanın güç tüketiminden tasarruf sağlayan 12 W LED ışık sağlıyoruz. Fidelerin kalınlığı, uzunluğu ve rengi orijinal fide yetiştirme solüsyonundan daha iyidir. Yaygın sebzelerin fideleri için aşağıdaki tabloda özetlenen iyi doğrulama sonuçları da elde edilmiştir.

Bunlar arasında tamamlayıcı ışık grubu PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 ve kırmızı-mavi oranı: 0,6-0,7. Doğal grubun gündüz PPFD değeri aralığı 40~800 μmol·m-2·s-1 ve kırmızının maviye oranı 0,6~1,2 idi. Yukarıdaki göstergelerin doğal olarak yetiştirilen fidelerden daha iyi olduğu görülebilir.

Çözüm

Bu makale, bitki yetiştirmede LED yetiştirme ışıklarının uygulanmasındaki en son gelişmeleri tanıtmakta ve bitki yetiştirmede LED yetiştirme ışığının uygulanmasındaki bazı yanlış anlamalara dikkat çekmektedir. Son olarak bitki yetiştirmek için kullanılan LED yetiştirme ışıklarının geliştirilmesine yönelik teknik fikirler ve şemalar tanıtılmaktadır. Işığın kurulumunda ve kullanımında, ışık ile bitki arasındaki mesafe, lambanın ışınlama aralığı, ışığın bitki ile nasıl uygulanacağı gibi dikkat edilmesi gereken bazı faktörlerin de bulunduğunu belirtmek gerekir. normal su, gübre ve toprak.

Yazar: Yi Wang ve ark. Kaynak: CNKI