giriiş

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

Son iki veya üç yılda, üç boyutlu bitki fabrikaları veya bitki büyümesi ile ilgili yarı iletken aydınlatma teknolojisinin uygulanmasına ilişkin sonsuz sayıda rapor bulunmaktadır.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 arasında değişen sürekli bir spektrum olduğu görülebilir. 380 ila 780 deniz mili.Doğadaki organizmaların büyümesi, spektrumun yoğunluğu ile ilgilidir.Örneğin, ekvatora yakın bölgelerdeki çoğu bitki çok hızlı büyür ve aynı zamanda büyüme boyutları nispeten büyüktür.Ancak güneş ışınlarının yüksek yoğunluğu her zaman daha iyi değildir ve hayvanların ve bitkilerin büyümesi için belirli bir derecede seçicilik vardır.

Şekil 1, Güneş spektrumunun özellikleri ve görünür ışık spektrumu

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

Şekil 2, bitki büyümesinde birkaç oksinin absorpsiyon spektrumları

Şekil 2'den, bitki büyümesini etkileyen birkaç anahtar oksinin ışık absorpsiyon spektrumlarının önemli ölçüde farklı olduğu görülebilir.Bu nedenle, LED bitki yetiştirme ışıklarının uygulanması basit bir konu değil, çok hedeflidir.Burada en önemli iki fotosentetik bitki büyüme elementinin kavramlarını tanıtmak gerekir.

• Klorofil

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

Klorofil a esas olarak kırmızı ışığı emer ve klorofil b esas olarak gölge bitkilerini güneş bitkilerinden ayırmak için mavi-mor ışığı emer.Gölge bitkilerinin 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-yeşildir ve klorofil b sarı-yeşildir.Biri 630-680 nm dalga boyuna sahip kırmızı bölgede ve diğeri 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 bir doğal pigment sınıfı için genel terimdir.Şimdiye kadar 600'den fazla doğal karotenoid keşfedildi.

Karotenoidlerin ışık absorpsiyonu, gıdanın rengini sağlayan ve vücudun gıda alımını etkileyen OD303~505 nm aralığını kapsar.Alglerde, bitkilerde ve mikroorganizmalarda rengi klorofil ile kaplıdır ve görünemez.Bitki hücrelerinde üretilen karotenoidler, sadece fotosenteze yardımcı olmak için enerjiyi emip transfer etmekle kalmaz, aynı zamanda hücreleri uyarılmış tek elektronlu 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.Bununla birlikte, son iki yıldaki hızlı gelişmeden, ışığın tasarımı ve uygulamasında, esas olarak aşağıdaki yönlere yansıyan birçok yanlış anlama da gördük.

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 ana beyaz ışık tüpü gibi güneş ışığının yerini alabilir. Bu spektrumların kullanımının bitkilerin büyümesi üzerinde belirli bir etkisi vardır, ancak etki LED tarafından yapılan 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 indikatörü kullanırken gölge bitkisi mi yoksa güneş bitkisi mi olduğuna dikkat etmelisiniz.Bu bitkilerin ışık dengeleme noktası olarak da adlandırılan ışık dengeleme doyma noktasını sorgulamanız veya bulmanız gerekir.Gerçek uygulamalarda, fideler genellikle yakılır veya kurutulur.Bu nedenle bu parametrenin tasarımı bitki türü, büyüme ortamı ve koşullarına göre tasarlanmalıdır.

Birinci yönüyle ilgili olarak, girişte tanıtıldığı gibi, bitki büyümesi için gerekli olan 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 çipten yapılmış bir ışık kaynağının kullanılması açıkça uygun değildir.Yapılan deneylerde bitkilerin sarımsı olma eğiliminde olduğu, yaprak saplarının çok hafif ve yaprak saplarının çok ince olduğu görülmüştür.

Önceki yıllarda yaygın olarak kullanılan üç ana renge sahip flüoresan tüpler için beyaz sentezlenmesine rağmen kırmızı, yeşil ve mavi spektrumlar ayrılmıştır (Şekil 3(b)'de gösterildiği gibi) ve spektrumun genişliği çok dardır.Aşağıdaki sürekli parçanın spektral yoğunluğu nispeten zayıftır ve güç, enerji tüketiminin 1,5 ila 3 katı olan LED'lere kıyasla hala nispeten büyüktür.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, fotosentezdeki ışığın etkin radyasyon ışık akısı yoğunluğunu ifade eden ışık kuantum akı yoğunluğudur ve birim zaman ve birim alan başına 400 ila 700 nm dalga boyu aralığında bitki yaprak gövdelerinde meydana gelen ışık miktarının toplam sayısını temsil eder. .Birimi μE·m-2·s-1'dir (μmol·m-2·s-1).Fotosentetik olarak aktif radyasyon (PAR), dalga boyu 400 ila 700 nm aralığında olan toplam güneş radyasyonunu ifade eder.Işık kuantumu veya radyant enerji ile ifade edilebilir.

Geçmişte, illuminometre tarafından yansıtılan ışık yoğunluğu parlaklıktı, ancak bitki büyümesinin spektrumu, aydınlatma armatürünün bitkiden yüksekliği, ışık kapsamı ve ışığın yapraklardan geçip geçemeyeceği nedeniyle değişir.Bu nedenle, fotosentez çalışmasında ışık yoğunluğunun bir göstergesi olarak par kullanmak 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 değere ve ekeceğiniz bitki türüne göre LED yetiştirme lambalarının sayısını seçebilirsiniz.Örneğin, tek bir LED ışığın 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 dikme için kullanılır ve iki temel referans yöntemi vardır.

• Şu anda Çin'de iç mekan dikim modeli çok sıcak.Bu modelin birkaç özelliği vardır:

①LED ışıkların rolü, bitki aydınlatmasının tam spektrumunu sağlamaktır ve aydınlatma sisteminin tüm aydınlatma enerjisini sağlaması gerekir ve üretim maliyeti nispeten yüksektir;
②LED yetiştirme ışıklarının tasarımı, spektrumun sürekliliğini ve bütünlüğünü dikkate almalıdır;
③Bitkilerin birkaç saat dinlenmesine izin verilmesi, ışınlamanın yoğunluğunun yeterli veya çok güçlü olmaması vb. gibi aydınlatma süresini ve aydınlatma yoğunluğunu etkili bir şekilde kontrol etmek gereklidir;
④Bütün sürecin, nem, sıcaklık ve CO2 konsantrasyonu gibi dış mekandaki bitkilerin gerçek optimal büyüme ortamının gerektirdiği koşulları taklit etmesi gerekir.

• İyi bir dış mekan sera dikim temeli ile dış mekan dikim modu.Bu modelin özellikleri şunlardır:

①LED ışıkların rolü, ışığı tamamlamaktır.Biri, bitkilerin fotosentezini teşvik etmek için gün boyunca güneş ışığı alan mavi ve kırmızı alanlardaki ışık yoğunluğunu arttırmak ve diğeri, Bitki büyüme oranını desteklemek için gece güneş ışığı olmadığında telafi etmektir.
②Ek ışığın, fide dönemi veya çiçeklenme ve meyve verme dönemi gibi bitkinin hangi büyüme aşamasında olduğunu dikkate alması gerekir.

Bu nedenle, LED bitki yetiştirme lambalarının tasarımı öncelikle iki temel tasarım moduna sahip olmalıdır: 24 saat aydınlatma (iç mekan) ve bitki büyümesini destekleyici aydınlatma (dış mekan).İç mekan bitki yetiştiriciliği için, LED yetiştirme ışıklarının tasarımı, Şekil 4'te gösterildiği gibi üç yönü dikkate almalıdır. Cipsleri üç ana renkle belirli bir oranda paketlemek mümkün değildir.

Şekil 4, 24 saat aydınlatma için iç mekan LED bitki destek ışıklarını kullanmanın tasarım fikri

Örneğin, fidanlık aşamasındaki bir spektrum için, kök ve gövde büyümesini güçlendirmesi, yaprakların dallanmasını güçlendirmesi gerektiği ve ışık kaynağının iç mekanlarda kullanıldığı düşünüldüğünde, spektrum Şekil 5'teki gibi tasarlanabilir.

Şekil 5, LED kapalı kreş dönemine uygun spektral yapılar

İkinci tip LED bitki yetiştirme ışığının tasarımı için, temel olarak dış mekan serasının tabanında ekimi teşvik etmek için tamamlayıcı ışığın tasarım çözümü amaçlanmaktadır.Tasarım fikri Şekil 6'da gösterilmiştir.

Şekil 6, Dış mekan yetiştirme ışıklarının tasarım fikirleri 

Yazar, daha fazla ekim şirketinin, bitki büyümesini teşvik etmek için LED ışıkları kullanmak için ikinci seçeneği benimsediğini öne sürüyor.

Her şeyden önce, Çin'in açık hava sera yetiştiriciliği, hem güneyde hem de kuzeyde onlarca yıllık büyük bir miktara ve geniş bir deneyim yelpazesine sahiptir.Sera yetiştirme teknolojisi konusunda iyi bir temele sahiptir ve çevre şehirler için pazarda çok sayıda taze meyve ve sebze sağlar.Özellikle toprak ve su ve gübre ekimi alanında zengin araştırma sonuçları yapılmıştır.

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

LED bitki aydınlatmasının bilimsel araştırması olarak, bunun için daha geniş bir deneysel temel de 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 yetiştirme ışığı

Şekil 8, bir tür LED yetiştirme ışığının spektrumu

Yukarıdaki tasarım fikirlerine göre, araştırma ekibi bir dizi deney gerçekleştirdi ve deneysel sonuçlar çok önemli.Örneğin, fidanlık sırasında ışık yetiştirmek için kullanılan orijinal lamba, 32 W gücünde ve 40 günlük fidanlık döngüsüne sahip bir flüoresan lambadır.Fide döngüsünü 30 güne kısaltan, fide atölyesindeki lambaların sıcaklığının etkisini etkili bir şekilde azaltan ve klimanın güç tüketiminden tasarruf sağlayan 12 W'lık bir 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 ek 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 uygulanmasına ilişkin bazı yanlış anlaşılmalara dikkat çekmektedir.Son olarak, bitki yetiştirme için kullanılan LED yetiştirme ışıklarının geliştirilmesine yönelik teknik fikirler ve şemalar tanıtılmaktadır.Işığın bitki ile arasındaki mesafe, lambanın ışınlama aralığı ve ışığın nasıl uygulanacağı gibi ışığın kurulumunda ve kullanımında dikkat edilmesi gereken bazı faktörlerin de olduğunu belirtmek gerekir. normal su, gübre ve toprak.

Yazar: Yi Wang ve ark.Kaynak: CNKI