giriiş

Işık, bitki büyüme sürecinde kilit bir rol oynar. Bitki klorofilinin ve karoten gibi çeşitli bitki büyüme özelliklerinin emilimini teşvik eden en iyi gübredir. Bununla birlikte, bitki büyümesini belirleyen en önemli faktör, sadece ışıkla ilgili değil, aynı zamanda su, toprak ve gübre konfigürasyonu, büyüme ortamı koşulları ve kapsamlı teknik kontrolle de ayrılmaz bir şekilde bağlantılı olan bütüncül bir faktördür.

Son iki üç yıldır, üç boyutlu bitki fabrikaları veya bitki yetiştiriciliği ile ilgili olarak yarı iletken aydınlatma teknolojisinin uygulamaları hakkında sayısız rapor yayınlandı. Ancak bunları dikkatlice okuduktan sonra, her zaman bir huzursuzluk hissi oluşuyor. Genel olarak, ışığın bitki büyümesinde ne gibi bir rol oynaması gerektiği konusunda gerçek bir anlayış yok.

Öncelikle, Şekil 1'de gösterildiği gibi güneşin spektrumunu anlayalım. Güneş spektrumunun sürekli bir spektrum olduğu, mavi ve yeşil spektrumların kırmızı spektrumdan daha güçlü olduğu ve görünür ışık spektrumunun 380 ila 780 nm arasında değiştiği görülebilir. Doğadaki organizmaların büyümesi, spektrumun yoğunluğuyla ilişkilidir. Örneğin, ekvatora yakın bölgelerdeki 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 ve görünür ışık spektrumunun özellikleri.

İkinci olarak, bitki büyümesinin çeşitli temel emilim unsurlarının ikinci spektrum diyagramı Şekil 2'de gösterilmiştir.

Şekil 2, Bitki büyümesinde çeşitli oksinlerin absorbsiyon spektrumları

Şekil 2'den görülebileceği gibi, bitki büyümesini etkileyen birkaç önemli oksinin ışık emilim spektrumları önemli ölçüde farklıdır. Bu nedenle, LED bitki büyüme ışıklarının uygulanması basit bir konu değil, çok hedef odaklı bir yaklaşımdır. Burada, bitki büyümesinin en önemli iki fotosentetik elementinin kavramlarını tanıtmak gereklidir.

• Klorofil

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

Klorofil a esas olarak kırmızı ışığı, klorofil b ise esas olarak mavi-mor ışığı emer; bu da gölge bitkilerini güneş bitkilerinden ayırt etmede önemli bir rol oynar. Gölge bitkilerinde klorofil b'nin klorofil a'ya oranı düşüktür, 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. Klorofil a ve klorofil b'nin iki güçlü emilim bölgesi vardır; biri 630-680 nm dalga boyuna sahip kırmızı bölgede, diğeri ise 400-460 nm dalga boyuna sahip mavi-mor bölgededir.

• Karotenoidler

Karotenoidler, hayvanlarda, yüksek bitkilerde, mantarlarda ve alglerde yaygın olarak bulunan sarı, turuncu-kırmızı veya kırmızı pigmentler şeklinde önemli doğal pigmentler sınıfı için kullanılan genel terimdir. Bugüne kadar 600'den fazla doğal karotenoid keşfedilmiştir.

Karotenoidlerin ışık emilimi OD303~505 nm aralığını kapsar; bu da besinlerin rengini verir ve vücudun besin alımını etkiler. Alglerde, bitkilerde ve mikroorganizmalarda renkleri klorofil tarafından örtülür ve görünmez. Bitki hücrelerinde üretilen karotenoidler, fotosenteze yardımcı olmak için enerjiyi emmek ve aktarmakla kalmaz, aynı zamanda hücreleri uyarılmış tek elektronlu oksijen moleküllerinin tahrip etmesinden koruma işlevine de sahiptir.

Bazı kavramsal yanlış anlamalar

Enerji tasarrufu etkisi, ışık seçiciliği ve ışık koordinasyonu bir yana, yarı iletken aydınlatma büyük avantajlar göstermiştir. Bununla birlikte, son iki yıldaki hızlı gelişmeyle birlikte, ışığın tasarım ve uygulamasında birçok yanlış anlama da gördük; bunlar esas olarak aşağıdaki hususlarda kendini göstermektedir.

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

②Beyaz ışık olduğu sürece, güneş ışığının yerini alabilir; örneğin Japonya'da yaygın olarak kullanılan üç ana renkli beyaz ışık tüpü vb. Bu spektrumların kullanımı bitkilerin büyümesi üzerinde belirli bir etkiye sahiptir, ancak etkisi LED'lerden üretilen ışık kaynağı kadar iyi değildir.

③Önemli bir aydınlatma parametresi olan PPFD (ışık kuantum akı yoğunluğu) belirli bir değere ulaştığı sürece, örneğin PPFD 200 μmol·m⁻²·s⁻¹'den büyükse, bitkiler güneş ışığına ihtiyaç duyar. Ancak bu göstergeyi kullanırken, bitkinin gölge bitkisi mi yoksa güneş bitkisi mi olduğuna dikkat etmelisiniz. Bu bitkilerin ışık dengeleme doygunluk noktasını, yani ışık dengeleme noktasını bulmanız veya sorgulamanız gerekir. Gerçek uygulamalarda, fideler sıklıkla yanar veya kurur. Bu nedenle, bu parametrenin tasarımı bitki türüne, büyüme ortamına ve koşullarına göre yapılmalıdır.

İlk hususa gelince, giriş bölümünde belirtildiği gibi, bitki büyümesi için gerekli 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 belirli dalga boyu çipinden oluşan bir ışık kaynağı kullanmak açıkça uygun değildir. Deneylerde, bitkilerin sararma eğiliminde olduğu, yaprak saplarının çok açık renkli ve çok ince olduğu bulunmuştur.

Önceki yıllarda yaygın olarak kullanılan üç ana renge sahip floresan tüplerde, beyaz sentezlenmesine rağmen, kırmızı, yeşil ve mavi spektrumlar ayrışmaktadır (Şekil 3(b)'de gösterildiği gibi) ve spektrumun genişliği çok dardır. Bunu takip eden sürekli kısmın spektral yoğunluğu nispeten zayıftır ve güç tüketimi LED'lere kıyasla hala nispeten yüksektir, 1,5 ila 3 kat daha fazla enerji tüketirler. Bu nedenle, kullanım etkisi LED ışıklar kadar iyi değildir.

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

PPFD, fotosentezde ışığın etkin radyasyon ışık akısı yoğunluğunu ifade eder ve birim zaman ve birim alan başına 400 ila 700 nm dalga boyu aralığında bitki yaprak gövdelerine düşen toplam ışık kuantum sayısını temsil eder. Birimi μE·m⁻²·s⁻¹'dir (μmol·m⁻²·s⁻¹). Fotosentetik olarak aktif radyasyon (PAR), 400 ila 700 nm aralığındaki dalga boyuna sahip toplam güneş radyasyonunu ifade eder. Işık kuantumu veya radyasyon enerjisi ile ifade edilebilir.

Geçmişte, ışık ölçer tarafından yansıtılan ışık yoğunluğu parlaklık olarak kabul ediliyordu, ancak bitki büyümesinin spektrumu, ışık kaynağının bitkiye olan yüksekliğine, ışık kapsamına ve ışığın yapraklardan geçip geçmemesine bağlı olarak değişir. Bu nedenle, fotosentez çalışmalarında PAR'ı ışık yoğunluğunun bir göstergesi olarak kullanmak doğru değildir.

Genel olarak, güneş seven bitkinin PPFD değeri 50 μmol·m⁻²·s⁻¹'den büyük olduğunda fotosentez mekanizması başlatılabilirken, gölge seven bitkinin PPFD değeri sadece 20 μmol·m⁻²·s⁻¹'e ihtiyaç duyar. Bu nedenle, LED bitki yetiştirme lambaları satın alırken, bu referans değere ve yetiştirdiğiniz bitki türüne göre LED bitki yetiştirme lambalarının sayısını seçebilirsiniz. Örneğin, tek bir LED lambanın PPFD değeri 20 μmol·m⁻²·s⁻¹ ise, güneş seven bitkileri yetiştirmek için 3'ten fazla LED bitki lambasına ihtiyaç duyulur.

Yarı iletken aydınlatma için çeşitli tasarım çözümleri

Yarı iletken aydınlatma, bitki büyümesi veya ekimi için kullanılır ve iki temel referans yöntemi vardır.

• Şu anda Çin'de iç mekan bitki yetiştirme modeli çok popüler. Bu modelin birkaç özelliği var:

①LED ışıkların rolü, bitki aydınlatmasının tüm spektrumunu sağlamaktır ve aydınlatma sisteminin tüm aydınlatma enerjisini sağlaması gerekir; bu nedenle üretim maliyeti nispeten yüksektir;
②LED bitki yetiştirme lambalarının tasarımında spektrumun sürekliliği ve bütünlüğü dikkate alınmalıdır;
③Bitkilerin birkaç saat dinlenmesine izin vermek, ışınım yoğunluğunun yetersiz veya çok yüksek olması gibi aydınlatma süresini ve yoğunluğunu etkili bir şekilde kontrol etmek gereklidir;
④Tüm süreç, bitkilerin dış ortamda optimum büyüme ortamının gerektirdiği nem, sıcaklık ve CO2 konsantrasyonu gibi koşulları taklit etmelidir.

• İyi bir dış mekan sera yetiştirme temeline sahip dış mekan dikim modeli. Bu modelin özellikleri şunlardır:

①LED ışıkların rolü, ışığı desteklemektir. Bunlardan biri, gündüz güneş ışığı altında mavi ve kırmızı alanlardaki ışık yoğunluğunu artırarak bitkilerin fotosentezini teşvik etmek, diğeri ise gece güneş ışığı olmadığında bitki büyüme hızını artırmaktır.
②Ek ışıklandırma, bitkinin hangi büyüme aşamasında olduğunu (örneğin fide dönemi veya çiçeklenme ve meyve verme dönemi) dikkate alarak yapılmalıdır.

Bu nedenle, LED bitki yetiştirme lambalarının tasarımında öncelikle iki temel tasarım modu olmalıdır: 24 saat aydınlatma (iç mekan) ve bitki büyümesini destekleyici aydınlatma (dış mekan). İç mekan bitki yetiştiriciliği için, LED yetiştirme lambalarının tasarımında Şekil 4'te gösterildiği gibi üç husus dikkate alınmalıdır. Üç ana rengi belirli bir oranda içeren çiplerin paketlenmesi mümkün değildir.

Şekil 4, İç mekan LED bitki destek lambalarının 24 saat aydınlatma için kullanımına ilişkin tasarım fikri.

Örneğin, fidanlık aşamasındaki bir spektrum için, kök ve gövde gelişimini güçlendirmek, yaprak dallanmasını desteklemek ve ışık kaynağının iç mekanda kullanılması göz önünde bulundurularak, spektrum Şekil 5'te gösterildiği gibi tasarlanabilir.

Şekil 5, LED iç mekan çocuk bakım dönemi için uygun spektral yapılar

İkinci tip LED bitki yetiştirme lambasının tasarımında, esas olarak açık hava serasının tabanında bitki gelişimini desteklemek için ek ışık sağlama tasarım çözümü hedeflenmiştir. Tasarım fikri Şekil 6'da gösterilmiştir.

Şekil 6, Dış mekan bitki yetiştirme lambaları için tasarım fikirleri 

Yazar, daha fazla bitki yetiştirme şirketinin bitki büyümesini teşvik etmek için LED ışıkları kullanma seçeneğini benimsemesini öneriyor.

Öncelikle, Çin'in açık hava sera yetiştiriciliği hem güneyde hem de kuzeyde onlarca yıllık, geniş kapsamlı ve büyük bir deneyime sahiptir. Sera yetiştiriciliği teknolojisi konusunda sağlam bir temele sahip olup, çevre şehirler için pazara çok sayıda taze meyve ve sebze sağlamaktadır. Özellikle toprak, su ve gübreleme alanlarında zengin araştırma sonuçları elde edilmiştir.

İkinci olarak, bu tür ek aydınlatma çözümü gereksiz enerji tüketimini büyük ölçüde azaltabilir ve aynı zamanda meyve ve sebze verimini etkili bir şekilde artırabilir. Ayrıca, Çin'in geniş coğrafi alanı tanıtım için çok elverişlidir.

LED bitki aydınlatması üzerine yapılan bilimsel araştırmalar, bu alana daha geniş bir deneysel temel de sağlamaktadır. Şekil 7, bu araştırma ekibi tarafından geliştirilen ve seralarda yetiştirme için uygun olan bir LED bitki yetiştirme lambasını göstermektedir ve spektrumu Şekil 8'de gösterilmiştir.

Şekil 7, Bir çeşit LED bitki yetiştirme lambası

Şekil 8, bir tür LED bitki yetiştirme lambasının spektrumu.

Yukarıdaki tasarım fikirlerine göre, araştırma ekibi bir dizi deney gerçekleştirdi ve deneysel sonuçlar oldukça önemli. Örneğin, fide yetiştirme sırasında kullanılan orijinal lamba 32 W gücünde bir floresan lamba olup, fide yetiştirme döngüsü 40 gündür. Biz 12 W'lık bir LED lamba kullanarak fide yetiştirme döngüsünü 30 güne indirdik, fide atölyesindeki lambaların sıcaklık etkisini etkili bir şekilde azalttık ve klima enerji tüketimini düşürdük. Fidelerin kalınlığı, uzunluğu ve rengi orijinal fide yetiştirme çözümüne göre daha iyi. Yaygın sebze fideleri için de iyi doğrulama sonuçları elde edildi ve bunlar aşağıdaki tabloda özetlenmiştir.

Bunlar arasında, ek ışık verilen grubun PPFD değeri 70-80 μmol·m-2·s-1 ve kırmızı-mavi oranı 0,6-0,7'dir. Doğal grubun gündüz PPFD değeri aralığı 40~800 μmol·m-2·s-1 ve kırmızı-mavi oranı 0,6~1,2'dir. Yukarıdaki göstergelerin doğal olarak yetişen fidelerden daha iyi olduğu görülmektedir.

Çözüm

Bu makale, bitki yetiştiriciliğinde LED bitki yetiştirme lambalarının uygulanmasındaki en son gelişmeleri tanıtmakta ve bitki yetiştiriciliğinde LED bitki yetiştirme lambalarının uygulanmasıyla ilgili bazı yanlış anlamaları ortaya koymaktadır. Son olarak, bitki yetiştiriciliğinde kullanılan LED bitki yetiştirme lambalarının geliştirilmesine yönelik teknik fikirler ve şemalar tanıtılmaktadır. Lambanın kurulumu ve kullanımında dikkate alınması gereken bazı faktörler de bulunmaktadır; bunlar arasında lamba ile bitki arasındaki mesafe, lambanın ışınım aralığı ve lambanın normal su, gübre ve toprakla nasıl uygulanacağı yer almaktadır.

Yazar: Yi Wang ve ark. Kaynak: CNKI