מבוא

האור ממלא תפקיד מפתח בתהליך הצמיחה של הצמח.זהו הדשן הטוב ביותר לקידום ספיגת הכלורופיל הצמחי וספיגת איכויות גידול צמחים שונות כגון קרוטן.עם זאת, הגורם המכריע הקובע את צמיחת הצמחים הוא גורם מקיף, לא רק הקשור לאור, אלא גם בלתי נפרד מתצורת המים, הקרקע והדשן, תנאי סביבת הגידול ובקרה טכנית מקיפה.

בשנתיים-שלוש האחרונות היו אינסוף דיווחים על יישום טכנולוגיית תאורה מוליכים למחצה לגבי מפעלי צמחים תלת מימדיים או גידול צמחים.אבל אחרי שקוראים אותו בעיון, תמיד יש איזו תחושה לא נוחה.באופן כללי, אין הבנה אמיתית של התפקיד האור צריך למלא בצמיחת צמחים.

ראשית, בואו נבין את הספקטרום של השמש, כפי שמוצג באיור 1. ניתן לראות שספקטרום השמש הוא ספקטרום רציף, בו הספקטרום הכחול והירוק חזק יותר מהספקטרום האדום, וספקטרום האור הנראה נע בין 380 עד 780 ננומטר.הצמיחה של אורגניזמים בטבע קשורה לעוצמת הספקטרום.לדוגמה, רוב הצמחים באזור הסמוך לקו המשווה גדלים מהר מאוד, ויחד עם זאת, גודל הגידול שלהם גדול יחסית.אבל העוצמה הגבוהה של קרינת השמש לא תמיד טובה יותר, ויש מידה מסוימת של סלקטיביות לצמיחה של בעלי חיים וצמחים.

איור 1, המאפיינים של ספקטרום השמש וספקטרום האור הנראה שלו

שנית, דיאגרמת הספקטרום השנייה של מספר מרכיבי קליטה מרכזיים של גידול צמחים מוצגת באיור 2.

איור 2, ספקטרום ספיגה של מספר אוקסינים בגידול צמחים

ניתן לראות מאיור 2 שספקטרום ספיגת האור של מספר אוקסינים מרכזיים המשפיעים על צמיחת הצמחים שונים באופן משמעותי.לכן, היישום של נורות לד לגידול צמחים אינו עניין פשוט, אלא מאוד ממוקד.כאן יש צורך להציג את המושגים של שני מרכיבי הצמיחה הפוטוסינתטיים החשובים ביותר של צמחים.

• כלורופיל

כלורופיל הוא אחד הפיגמנטים החשובים ביותר הקשורים לפוטוסינתזה.הוא קיים בכל האורגניזמים שיכולים ליצור פוטוסינתזה, כולל צמחים ירוקים, אצות כחולות-ירקות פרוקריוטיות (ציאנובקטריה) ואצות איקריוטיות.כלורופיל סופג אנרגיה מהאור, המשמשת לאחר מכן 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 של צמחי צל קטן, ולכן צמחי צל יכולים להשתמש באור כחול בעוצמה ולהסתגל לגידול בצל.כלורופיל a הוא כחול-ירוק, וכלורופיל b הוא צהוב-ירוק.ישנן שתי ספיגה חזקה של כלורופיל a וכלורופיל b, האחת באזור האדום עם אורך גל של 630-680 ננומטר, והשנייה באזור הכחול-סגול עם אורך גל של 400-460 ננומטר.

• קרוטנואידים

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

ספיגת האור של קרוטנואידים מכסה את הטווח של OD303~505 ננומטר, המספקת את צבע המזון ומשפיעה על צריכת המזון של הגוף.באצות, צמחים ומיקרואורגניזמים צבעו מכוסה בכלורופיל ואינו יכול להופיע.בתאי צמחים, הקרוטנואידים המיוצרים לא רק סופגים ומעבירים אנרגיה כדי לסייע בפוטוסינתזה, אלא יש להם גם תפקיד של הגנה על תאים מפני הרס על ידי מולקולות חמצן נרגשות בקשר אלקטרון בודד.

כמה אי הבנות מושגיות

ללא קשר לאפקט החיסכון באנרגיה, הסלקטיביות של האור ותיאום האור, תאורת מוליכים למחצה הראתה יתרונות גדולים.עם זאת, מההתפתחות המהירה של השנתיים האחרונות, ראינו גם הרבה אי הבנות בעיצוב ויישום האור, שבאות לידי ביטוי בעיקר בהיבטים הבאים.

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

②כל עוד מדובר באור לבן, הוא יכול להחליף את אור השמש, כמו צינור האור הלבן התלת-ראשי בשימוש נרחב ביפן וכו'. לשימוש בספקטרום אלו יש השפעה מסוימת על צמיחת הצמחים, אך ההשפעה היא לא טוב כמו מקור האור מתוצרת LED.

③כל עוד ה-PPFD (צפיפות שטף קוונטי קל), פרמטר חשוב של תאורה, מגיע לאינדקס מסוים, למשל, PPFD גדול מ-200 מיקרומול·m-2·s-1.עם זאת, בעת שימוש במדד זה, עליך לשים לב אם זה צמח צל או צמח שמש.אתה צריך לשאול או למצוא את נקודת הרוויה של פיצוי האור של צמחים אלה, הנקראת גם נקודת פיצוי האור.ביישומים בפועל, לעתים קרובות שתילים נשרפים או נבולים.לכן יש לתכנן את עיצוב פרמטר זה בהתאם למין הצמח, סביבת הגידול ותנאי הגידול.

לגבי ההיבט הראשון, כפי שהוצג בהקדמה, הספקטרום הנדרש לגידול צמחים צריך להיות ספקטרום רציף עם רוחב תפוצה מסוים.ברור שזה לא הולם להשתמש במקור אור העשוי משני שבבי אורכי גל ספציפיים של אדום וכחול עם ספקטרום צר מאוד (כמתואר באיור 3(א)).בניסויים נמצא שצמחים נוטים להיות צהבהבים, גבעול העלים בהירים מאוד וגבעול העלים דקים מאוד.

עבור צינורות פלורסנט עם שלושה צבעי יסוד שנפוצו בשנים קודמות, למרות שהלבן מסונתז, הספקטרום האדום, הירוק והכחול מופרד (כמתואר באיור 3(ב)), ורוחב הספקטרום צר מאוד.העוצמה הספקטרלית של החלק הרציף הבא חלשה יחסית, וההספק עדיין גדול יחסית ללדים, פי 1.5 עד 3 מצריכת האנרגיה.לכן, אפקט השימוש אינו טוב כמו נורות LED.

איור 3, אור צמח LED עם שבב אדום וכחול וספקטרום אור ניאון בצבעים עיקריים

PPFD היא צפיפות השטף הקוונטי של האור, המתייחסת לצפיפות שטף האור הקרינה האפקטיבית של האור בפוטוסינתזה, המייצגת את המספר הכולל של קוונטות האור המתרחשות על גבעולי עלה צמחים בטווח אורכי גל של 400 עד 700 ננומטר ליחידת זמן ויחידת שטח. .היחידה שלו היא μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).קרינה פעילה בפוטוסינתזה (PAR) מתייחסת לקרינת השמש הכוללת עם אורך גל בטווח של 400 עד 700 ננומטר.זה יכול לבוא לידי ביטוי או על ידי קוונטות אור או על ידי אנרגיית קרינה.

בעבר, עוצמת האור שהשתקף מד-האיור הייתה בהירות, אך ספקטרום הצמיחה של הצמח משתנה בגלל גובה גוף התאורה מהצמח, כיסוי האור והאם האור יכול לעבור דרך העלים.לכן, זה לא מדויק להשתמש ב-par כאינדיקטור לעוצמת האור בחקר הפוטוסינתזה.

באופן כללי, ניתן להתחיל את מנגנון הפוטוסינתזה כאשר ה-PPFD של הצמח אוהב השמש גדול מ-50 μmol·m-2·s-1, בעוד שה-PPFD של הצמח המוצל זקוק רק ל-20 μmol·m-2·s-1 .לכן, בעת רכישת נורות לד לגידול, תוכלו לבחור את מספר נורות הלד לגידול על סמך ערך ייחוס זה וסוג הצמחים שאתם שותלים.לדוגמה, אם ה-PPFD של LED lght בודד הוא 20 μmol·m-2·s-1, נדרשות יותר מ-3 נורות LED צמחיות כדי לגדל צמחים אוהבי שמש.

מספר פתרונות עיצוב של תאורת מוליכים למחצה

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

• נכון לעכשיו, מודל השתילה הפנימית חם מאוד בסין.לדגם זה מספר מאפיינים:

①התפקיד של נורות LED הוא לספק את כל הספקטרום של תאורת צמחים, ומערכת התאורה נדרשת לספק את כל אנרגיית התאורה, ועלות הייצור גבוהה יחסית;
②העיצוב של נורות LED לגידול צריך לקחת בחשבון את ההמשכיות והשלמות של הספקטרום;
③יש צורך לשלוט ביעילות על זמן התאורה ועוצמת התאורה, כגון לתת לצמחים לנוח מספר שעות, עוצמת ההקרנה אינה מספיקה או חזקה מדי וכו';
④ כל התהליך צריך לחקות את התנאים הנדרשים על ידי סביבת הגידול האופטימלית בפועל של צמחים בחוץ, כגון לחות, טמפרטורה וריכוז CO2.

• מצב שתילה בחוץ עם בסיס טוב לשתילת חממה חיצונית.המאפיינים של מודל זה הם:

①התפקיד של נורות LED הוא להשלים את האור.האחד הוא להגביר את עוצמת האור באזורים הכחולים והאדומים תחת קרינת אור השמש במהלך היום כדי לקדם פוטוסינתזה של צמחים, והשני הוא לפצות כאשר אין אור שמש בלילה כדי לקדם את קצב גדילת הצמחים
②האור המשלים צריך לשקול באיזה שלב צמיחה נמצא הצמח, כגון תקופת השתיל או תקופת הפריחה והפרי.

לכן, העיצוב של נורות LED לגידול צמחים צריך קודם כל לכלול שני מצבי עיצוב בסיסיים, כלומר, תאורה 24 שעות (פנימית) ותאורת תוספת לגידול צמחים (חוץ).עבור גידול צמחים מקורה, העיצוב של 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, הרעיון העיצובי של שימוש באורות דחף צמחי LED מקורה לתאורת 24 שעות

לדוגמה, עבור ספקטרום בשלב המשתלה, בהתחשב בכך שהוא צריך 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 לתקופת חדר ילדים מקורה LED

לעיצוב הסוג השני של תאורת גידול LED, הוא מכוון בעיקר לפתרון העיצובי של השלמת אור לקידום השתילה בבסיס החממה החיצונית.רעיון העיצוב מוצג באיור 6.

איור 6, רעיונות עיצוב של אורות גידול חיצוניים 

המחבר מציע שיותר חברות שתילה יאמצו את האפשרות השנייה להשתמש בנורות LED כדי לקדם את צמיחת הצמח.

קודם כל, לגידול החממות החיצוניות של סין יש עשרות שנים כמות גדולה ומגוון רחב של ניסיון, הן בדרום והן בצפון.יש לו בסיס טוב של טכנולוגיית גידול חממה ומספקת מספר רב של פירות וירקות טריים בשוק לערים שמסביב.במיוחד בתחום שתילת הקרקע והמים והדישון נעשו תוצאות מחקר עשירות.

שנית, פתרון אור משלים מסוג זה יכול להפחית במידה ניכרת צריכת אנרגיה מיותרת, ובו בזמן יכול להגדיל ביעילות את התפוקה של פירות וירקות.בנוסף, השטח הגיאוגרפי העצום של סין נוח מאוד לקידום.

בתור המחקר המדעי של תאורת צמחי LED, היא גם מספקת עבורה בסיס ניסיוני רחב יותר.איור 7 הוא מעין אור LED לגידול שפותח על ידי צוות מחקר זה, המתאים לגידול בחממות, והספקטרום שלו מוצג באיור 8.

איור 7, מעין אור LED לגידול

איור 8, ספקטרום של מעין אור LED לגידול

על פי רעיונות התכנון הנ"ל, צוות המחקר ערך סדרה של ניסויים, ותוצאות הניסוי משמעותיות מאוד.לדוגמה, עבור אור גידול במהלך התינוק, המנורה המקורית בה נעשה שימוש היא מנורת פלורסנט בהספק של 32 W ומחזור תינוקות של 40 יום.אנו מספקים נורת לד 12W המקצרת את מחזור השתיל ל-30 יום, מפחיתה ביעילות את השפעת טמפרטורת המנורות בבית המלאכה לשתילים וחוסכת בצריכת החשמל של המזגן.העובי, האורך והצבע של השתילים טובים יותר מהפתרון המקורי להגדלת שתילים.לגבי שתילי ירקות נפוצים התקבלו גם מסקנות אימות טובות, המסוכמות בטבלה הבאה.

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

סיכום

מאמר זה מציג את ההתפתחויות האחרונות ביישום נורות לד לגידול בגידול צמחים, ומצביע על כמה אי הבנות ביישום של תאורת LED בגידול צמחים.לבסוף, מוצגים הרעיונות הטכניים והתוכניות לפיתוח נורות LED המשמשים לגידול צמחים.יש לציין כי ישנם גם כמה גורמים שצריך לקחת בחשבון בהתקנה ושימוש באור, כמו המרחק בין האור לצמח, טווח הקרינה של המנורה וכיצד ליישם את האור עם מים, דשן ואדמה רגילים.

מחבר: Yi Wang et al.מקור: CNKI