מָבוֹא

לאור תפקיד מפתח בתהליך גידול הצמחים. זהו הדשן הטוב ביותר לקידום ספיגת הכלורופיל של הצמח וספיגת תכונות גידול שונות של הצמח, כגון קרוטן. עם זאת, הגורם המכריע שקובע את גידול הצמחים הוא גורם מקיף, שאינו קשור רק לאור, אלא גם בלתי נפרד מתצורת המים, האדמה והדשן, תנאי סביבת הגידול והבקרה הטכנית המקיפה.

בשנתיים-שלוש האחרונות, פורסמו אינספור דיווחים על יישום טכנולוגיית תאורת מוליכים למחצה במפעלי צמחים תלת-ממדיים או גידול צמחים. אבל אחרי קריאתם בעיון, תמיד יש תחושה לא נוחה. באופן כללי, אין הבנה אמיתית לגבי התפקיד שאור צריך למלא בגדילת צמחים.

ראשית, בואו נבין את הספקטרום של השמש, כפי שמוצג באיור 1. ניתן לראות שספקטרום השמש הוא ספקטרום רציף, שבו הספקטרום הכחול והירוק חזקים יותר מהספקטרום האדום, וספקטרום האור הנראה נע בין 380 ל-780 ננומטר. גידול האורגניזמים בטבע קשור לעוצמת הספקטרום. לדוגמה, רוב הצמחים באזור הסמוך לקו המשווה גדלים מהר מאוד, ובמקביל, גודל גידולם גדול יחסית. אך עוצמת קרינת השמש הגבוהה לא תמיד טובה יותר, ויש מידה מסוימת של סלקטיביות לגידול בעלי חיים וצמחים.

איור 1, מאפייני ספקטרום השמש וספקטרום האור הנראה שלו

שנית, דיאגרמת הספקטרום השנייה של מספר אלמנטים מרכזיים של בליעה בצמיחת צמחים מוצגת באיור 2.

איור 2, ספקטרום ספיגה של מספר אוקסינים בגדילת צמחים

ניתן לראות מאיור 2 כי ספקטרום בליעת האור של מספר אוקסינים מרכזיים המשפיעים על צמיחת הצמחים שונה באופן משמעותי. לכן, יישום נורות LED לצמיחת צמחים אינו עניין פשוט, אלא ממוקד מאוד. כאן יש צורך להציג את המושגים של שני מרכיבי הפוטוסינתזה החשובים ביותר בצמיחת צמחים.

• כלורופיל

כלורופיל הוא אחד הפיגמנטים החשובים ביותר הקשורים לפוטוסינתזה. הוא קיים בכל האורגניזמים שיכולים ליצור פוטוסינתזה, כולל צמחים ירוקים, אצות כחולות-ירוקות פרוקריוטות (ציאנובקטריה) ואצות אאוקריוטיות. הכלורופיל סופג אנרגיה מאור, אשר לאחר מכן משמשת להמרת פחמן דו-חמצני לפחמימות.

כלורופיל a סופג בעיקר אור אדום, וכלורופיל b סופג בעיקר אור כחול-סגול, בעיקר כדי להבדיל בין צמחי צל לצמחי שמש. היחס בין כלורופיל b לכלורופיל a בצמחי צל הוא קטן, כך שצמחי צל יכולים להשתמש באור כחול בצורה חזקה ולהסתגל לגידול בצל. כלורופיל a הוא כחול-ירוק, וכלורופיל b הוא צהוב-ירוק. ישנן שתי צורות בליעה חזקות של כלורופיל a וכלורופיל b, אחת באזור האדום עם אורך גל של 630-680 ננומטר, והשנייה באזור הכחול-סגול עם אורך גל של 400-460 ננומטר.

• קרוטנואידים

קרוטנואידים הם מונח כללי לסוג של פיגמנטים טבעיים חשובים, הנמצאים בדרך כלל בפיגמנטים צהובים, כתומים-אדומים או אדומים בבעלי חיים, צמחים גבוהים, פטריות ואצות. עד כה התגלו יותר מ-600 קרוטנואידים טבעיים.

בליעת האור של קרוטנואידים משתרעת על פני טווח של OD303~505 ננומטר, המספק את צבע המזון ומשפיע על צריכת המזון של הגוף. באצות, צמחים ומיקרואורגניזמים, צבעו מכוסה על ידי כלורופיל ואינו יכול להופיע. בתאי צמחים, הקרוטנואידים המיוצרים לא רק סופגים ומעבירים אנרגיה כדי לסייע בפוטוסינתזה, אלא גם מגנים על התאים מפני הרס על ידי מולקולות חמצן בעלות קשר אלקטרוני יחיד.

כמה אי הבנות מושגיות

ללא קשר לאפקט חיסכון האנרגיה, הסלקטיביות של האור ותיאום האור, תאורת מוליכים למחצה הראתה יתרונות גדולים. עם זאת, מההתפתחות המהירה של השנתיים האחרונות, ראינו גם הרבה אי הבנות בתכנון וביישום של אור, אשר משתקפות בעיקר בהיבטים הבאים.

①כל עוד השבבים האדומים והכחולים באורך גל מסוים משולבים ביחס מסוים, ניתן להשתמש בהם בגידול צמחים, לדוגמה, היחס בין אדום לכחול הוא 4:1, 6:1, 9:1 וכן הלאה.

② כל עוד מדובר באור לבן, הוא יכול להחליף את אור השמש, כמו למשל צינור האור הלבן בעל שלושת הגורמים העיקריים הנמצא בשימוש נרחב ביפן, וכו'. לשימוש בספקטרומים אלה יש השפעה מסוימת על צמיחת הצמחים, אך ההשפעה אינה טובה כמו מקור האור המיוצר על ידי LED.

③כל עוד ה-PPFD (צפיפות שטף קוונטית של אור), פרמטר חשוב של תאורה, מגיע למדד מסוים, לדוגמה, PPFD גדול מ-200 מיקרומול·מ-2·ס-1. עם זאת, בעת שימוש במדד זה, יש לשים לב האם מדובר בצמח צל או צמח שמש. יש לברר או למצוא את נקודת הרוויה של פיצוי האור של צמחים אלה, המכונה גם נקודת פיצוי האור. ביישומים בפועל, שתילים נשרפים או נובלים לעתים קרובות. לכן, יש לתכנן את תכנון פרמטר זה בהתאם למין הצמח, סביבת הגידול ותנאיו.

בנוגע להיבט הראשון, כפי שהוצג במבוא, הספקטרום הנדרש לגידול צמחים צריך להיות ספקטרום רציף עם רוחב פיזור מסוים. ברור שלא מתאים להשתמש במקור אור העשוי משני שבבי אורכי גל ספציפיים של אדום וכחול עם ספקטרום צר מאוד (כפי שמוצג באיור 3(א)). בניסויים נמצא כי צמחים נוטים להיות צהבהבים, גבעולי העלים בהירים מאוד וגבעולי העלים דקים מאוד.

עבור צינורות פלורסנט עם שלושה צבעי יסוד שהיו נפוצים בשנים קודמות, למרות שמיוצר לבן, הספקטרום של אדום, ירוק וכחול מופרד (כפי שמוצג באיור 3(ב)), ורוחב הספקטרום צר מאוד. עוצמת הספקטרום של החלק הרציף הבא חלשה יחסית, וההספק עדיין גדול יחסית בהשוואה לנורות LED, וצריכת אנרגיה גדולה פי 1.5 עד 3. לכן, אפקט השימוש אינו טוב כמו נורות LED.

איור 3, ספקטרום אור פלורסנט בעל שלושה צבעים עיקריים מסוג LED אדום וכחול

PPFD היא צפיפות שטף הקוונטים של אור, המתייחסת לצפיפות שטף האור האפקטיבית של קרינה בפוטוסינתזה, המייצגת את המספר הכולל של קוונטי אור הפוגעים בגבעולי עלי צמח בטווח אורכי גל של 400 עד 700 ננומטר ליחידת זמן ויחידת שטח. היחידה שלה היא μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). קרינה פעילה פוטוסינתטית (PAR) מתייחסת לקרינת השמש הכוללת באורך גל בטווח של 400 עד 700 ננומטר. ניתן לבטא אותה באמצעות קוונטי אור או באמצעות אנרגיה קרינתית.

בעבר, עוצמת האור המשתקפת על ידי מד התאורה הייתה בהירות, אך ספקטרום צמיחת הצמח משתנה עקב גובה גוף התאורה מהצמח, כיסוי האור והאם האור יכול לעבור דרך העלים. לכן, לא מדויק להשתמש ב-par כאינדיקטור לעוצמת האור בחקר הפוטוסינתזה.

באופן כללי, מנגנון הפוטוסינתזה יכול להתחיל כאשר ה-PPFD של צמח אוהב שמש גדול מ-50 מיקרומול·מ"ר·ס"1, בעוד שה-PPFD של צמח מוצל זקוק רק ל-20 מיקרומול·מ"ר·ס"1. לכן, בעת רכישת נורות גידול LED, ניתן לבחור את מספר נורות הגידול LED בהתבסס על ערך ייחוס זה וסוג הצמחים שאתם שותלים. לדוגמה, אם ה-PPFD של נורת LED בודדת הוא 20 מיקרומול·מ"ר·ס"1, נדרשות יותר מ-3 נורות LED לגידול צמחים אוהבי שמש.

מספר פתרונות עיצוב של תאורת מוליכים למחצה

תאורת מוליכים למחצה משמשת לגידול או שתילה של צמחים, וישנן שתי שיטות ייחוס בסיסיות.

• כיום, מודל השתילה הפנימית פופולרי מאוד בסין. למודל זה מספר מאפיינים:

①תפקידן של נורות הלד הוא לספק את מלוא ספקטרום תאורת הצמח, ומערכת התאורה נדרשת לספק את כל אנרגיית התאורה, ועלות הייצור גבוהה יחסית;
②תכנון נורות הגידול של LED צריך לקחת בחשבון את ההמשכיות והשלמות של הספקטרום;
③יש צורך לשלוט ביעילות בזמן התאורה ובעוצמת התאורה, כגון מתן מנוחה לצמחים לכמה שעות, עוצמת הקרינה אינה מספקת או חזקה מדי וכו';
④כל התהליך צריך לחקות את התנאים הנדרשים על ידי סביבת הגידול האופטימלית בפועל של צמחים בחוץ, כגון לחות, טמפרטורה וריכוז CO2.

• מצב שתילה חיצוני עם בסיס טוב לשתילה בחממה חיצונית. מאפייני דגם זה הם:

①תפקידן של נורות הלד הוא להשלים את האור. ראשית, להגביר את עוצמת האור באזורים הכחולים והאדומים תחת קרינת אור השמש במהלך היום כדי לקדם פוטוסינתזה של צמחים, והשני הוא לפצות על חוסר אור שמש בלילה כדי לקדם את קצב צמיחת הצמחים.
② יש לקחת בחשבון את שלב הגדילה בו נמצא הצמח, כגון תקופת השתיל או תקופת הפריחה והפרי.

לכן, תכנון נורות LED לגידול צמחים צריך לכלול תחילה שני מצבי עיצוב בסיסיים, כלומר, תאורה 24 שעות (פנימית) ותאורה משלימה לגידול צמחים (חיצונית). עבור גידול צמחים בתוך הבית, תכנון נורות LED לגידול צריך לקחת בחשבון שלושה היבטים, כפי שמוצג באיור 4. לא ניתן לארוז את השבבים עם שלושה צבעי יסוד בפרופורציה מסוימת.

איור 4, רעיון העיצוב של שימוש בתאורת LED לצמחים פנימית לתאורה 24 שעות ביממה

לדוגמה, עבור ספקטרום בשלב המשתלה, בהתחשב בכך שצריך לחזק את צמיחת השורשים והגבעולים, לחזק את הסתעפות העלים, ומקור האור משמש בתוך הבית, ניתן לעצב את הספקטרום כפי שמוצג באיור 5.

איור 5, מבנים ספקטרליים המתאימים לתאורת LED מקורה בחדר ילדים

עבור תכנון הסוג השני של תאורת LED לגידול, הוא מכוון בעיקר לפתרון עיצובי של תוספת אור לקידום השתילה בבסיס החממה החיצונית. רעיון העיצוב מוצג באיור 6.

איור 6, רעיונות עיצוב של תאורת גידול חיצונית 

המחבר מציע שיותר חברות שתילה יאמצו את האפשרות השנייה של שימוש בנורות LED כדי לקדם צמיחת צמחים.

ראשית, לגידול בחממות חיצוניות בסין יש עשרות שנים של ניסיון רב, הן בדרום והן בצפון. יש לה בסיס טוב של טכנולוגיית גידול בחממות והיא מספקת מגוון רחב של פירות וירקות טריים לשוק בערים הסובבות. במיוחד בתחום הקרקע, המים והזרמת דשנים, הושגו תוצאות מחקר עשירות.

שנית, פתרון תאורה משלים מסוג זה יכול להפחית משמעותית את צריכת האנרגיה המיותרת, ובמקביל להגדיל ביעילות את תנובת הפירות והירקות. בנוסף, האזור הגיאוגרפי העצום של סין נוח מאוד לקידום.

כמחקר מדעי של תאורת LED לצמחים, היא גם מספקת בסיס ניסיוני רחב יותר עבורה. איור 7 מציג סוג של תאורת LED לגידול שפותחה על ידי צוות מחקר זה, המתאימה לגידול בחממות, והספקטרום שלה מוצג באיור 8.

איור 7, סוג של תאורת LED לגידול

איור 8, ספקטרום של סוג של תאורת LED לגידול

בהתאם לרעיונות התכנון הנ"ל, צוות המחקר ערך סדרת ניסויים, ותוצאות הניסוי משמעותיות מאוד. לדוגמה, עבור תאורת גידול במהלך השתלה, המנורה המקורית ששימשה היא מנורת פלורסנט בעלת הספק של 32 וואט ומחזור שתילה של 40 יום. אנו מספקים נורת LED של 12 וואט, אשר מקצרת את מחזור השתילים ל-30 יום, מפחיתה ביעילות את השפעת הטמפרטורה של המנורות בסדנת השתילים וחוסכת בצריכת החשמל של המזגן. עובי, אורך וצבע השתילים טובים יותר מאשר פתרון גידול השתילים המקורי. עבור שתילים של ירקות נפוצים, התקבלו גם מסקנות אימות טובות, המסוכמות בטבלה הבאה.

ביניהם, קבוצת האור המשלימה PPFD: 70-80 מיקרומול·מ-2·ס-1, ויחס אדום-כחול: 0.6-0.7. טווח ערך ה-PPFD בשעות היום של הקבוצה הטבעית היה 40~800 מיקרומול·מ-2·ס-1, והיחס בין אדום לכחול היה 0.6~1.2. ניתן לראות שהאינדיקטורים הנ"ל טובים יותר מאלה של שתילים שגדלו באופן טבעי.

מַסְקָנָה

מאמר זה מציג את ההתפתחויות האחרונות ביישום תאורת LED לגידול צמחים, ומצביע על כמה אי הבנות ביישום תאורת LED לגידול צמחים. לבסוף, מוצגים רעיונות טכניים ותכניות לפיתוח תאורת LED לגידול צמחים. יש לציין כי ישנם גם כמה גורמים שיש לקחת בחשבון בהתקנה ובשימוש בתאורה, כגון המרחק בין התאורה לצמח, טווח הקרינה של המנורה, וכיצד ליישם את האור עם מים רגילים, דשן ואדמה.

מחבר: Yi Wang et al. מקור: CNKI