introduzione

La luce gioca un ruolo chiave nel processo di crescita delle piante.È il miglior fertilizzante per favorire l'assorbimento della clorofilla vegetale e l'assorbimento di varie qualità di crescita delle piante come il carotene.Tuttavia, il fattore decisivo che determina la crescita delle piante è un fattore globale, non solo legato alla luce, ma anche inseparabile dalla configurazione dell'acqua, del suolo e del fertilizzante, dalle condizioni dell'ambiente di crescita e dal controllo tecnico completo.

Negli ultimi due o tre anni, ci sono stati infiniti rapporti sull'applicazione della tecnologia di illuminazione a semiconduttore per quanto riguarda le fabbriche di piante tridimensionali o la crescita delle piante.Ma dopo averlo letto attentamente, c'è sempre una sensazione di disagio.In generale, non c'è una reale comprensione del ruolo che la luce dovrebbe svolgere nella crescita delle piante.

Innanzitutto, comprendiamo lo spettro del sole, come mostrato nella Figura 1. Si può vedere che lo spettro solare è uno spettro continuo, in cui lo spettro blu e verde è più forte dello spettro rosso e lo spettro della luce visibile varia da Da 380 a 780 nm.La crescita degli organismi in natura è correlata all'intensità dello spettro.Ad esempio, la maggior parte delle piante nell'area vicino all'equatore cresce molto velocemente e, allo stesso tempo, la dimensione della loro crescita è relativamente grande.Ma l'elevata intensità dell'irraggiamento solare non è sempre la migliore, e c'è un certo grado di selettività per la crescita di animali e piante.

Figura 1, Le caratteristiche dello spettro solare e del suo spettro di luce visibile

In secondo luogo, il secondo diagramma dello spettro di diversi elementi chiave di assorbimento della crescita delle piante è mostrato nella Figura 2.

Figura 2, Spettri di assorbimento di diverse auxine nella crescita delle piante

Si può vedere dalla Figura 2 che gli spettri di assorbimento della luce di diverse auxine chiave che influenzano la crescita delle piante sono significativamente differenti.Pertanto, l'applicazione delle luci di crescita delle piante a LED non è una questione semplice, ma molto mirata.Qui è necessario introdurre i concetti dei due più importanti elementi di crescita delle piante fotosintetiche.

• Clorofilla

La clorofilla è uno dei pigmenti più importanti legati alla fotosintesi.Esiste in tutti gli organismi che possono creare la fotosintesi, comprese le piante verdi, le alghe blu-verdi procariotiche (cianobatteri) e le alghe eucariotiche.La clorofilla assorbe energia dalla luce, che viene poi utilizzata per convertire l'anidride carbonica in carboidrati.

La clorofilla a assorbe principalmente la luce rossa e la clorofilla b assorbe principalmente la luce blu-viola, principalmente per distinguere le piante da ombra dalle piante solari.Il rapporto tra clorofilla b e clorofilla a delle piante all'ombra è piccolo, quindi le piante all'ombra possono utilizzare fortemente la luce blu e adattarsi alla crescita all'ombra.La clorofilla a è blu-verde e la clorofilla b è giallo-verde.Ci sono due forti assorbimenti di clorofilla a e clorofilla b, uno nella regione rossa con una lunghezza d'onda di 630-680 nm, e l'altro nella regione blu-viola con una lunghezza d'onda di 400-460 nm.

• Carotenoidi

I carotenoidi sono il termine generale per una classe di importanti pigmenti naturali, che si trovano comunemente nei pigmenti gialli, rosso-arancio o rossi negli animali, nelle piante superiori, nei funghi e nelle alghe.Finora sono stati scoperti più di 600 carotenoidi naturali.

L'assorbimento della luce dei carotenoidi copre l'intervallo di OD303~505 nm, che fornisce il colore del cibo e influenza l'assunzione di cibo da parte del corpo.Nelle alghe, nelle piante e nei microrganismi, il suo colore è coperto dalla clorofilla e non può apparire.Nelle cellule vegetali, i carotenoidi prodotti non solo assorbono e trasferiscono energia per favorire la fotosintesi, ma hanno anche la funzione di proteggere le cellule dall'essere distrutte da molecole di ossigeno a legame singolo elettronico eccitate.

Alcuni equivoci concettuali

Indipendentemente dall'effetto di risparmio energetico, dalla selettività della luce e dal coordinamento della luce, l'illuminazione a semiconduttore ha mostrato grandi vantaggi.Tuttavia, dal rapido sviluppo degli ultimi due anni, abbiamo assistito anche a molti malintesi nella progettazione e nell'applicazione della luce, che si riflettono principalmente nei seguenti aspetti.

①Finché i chip rossi e blu di una certa lunghezza d'onda sono combinati in un certo rapporto, possono essere utilizzati nella coltivazione delle piante, ad esempio, il rapporto tra rosso e blu è 4:1, 6:1, 9:1 e così SU.

②Finché è luce bianca, può sostituire la luce del sole, come il tubo di luce bianca a tre primari ampiamente utilizzato in Giappone, ecc. L'uso di questi spettri ha un certo effetto sulla crescita delle piante, ma l'effetto è non buono come la sorgente luminosa fatta da LED.

③Finché la PPFD (densità di flusso quantico di luce), un parametro importante dell'illuminazione, raggiunge un certo indice, ad esempio, la PPFD è maggiore di 200 μmol·m-2·s-1.Tuttavia, quando si utilizza questo indicatore, è necessario prestare attenzione al fatto che si tratti di una pianta da ombra o di una pianta solare.Devi interrogare o trovare il punto di saturazione della compensazione della luce di queste piante, che è anche chiamato punto di compensazione della luce.Nelle applicazioni reali, le piantine vengono spesso bruciate o appassite.Pertanto, la progettazione di questo parametro deve essere progettata in base alle specie vegetali, all'ambiente e alle condizioni di crescita.

Per quanto riguarda il primo aspetto, come introdotto nell'introduzione, lo spettro richiesto per la crescita delle piante dovrebbe essere uno spettro continuo con una certa ampiezza di distribuzione.È ovviamente inappropriato utilizzare una sorgente luminosa composta da due chip di lunghezza d'onda specifica di rosso e blu con uno spettro molto ristretto (come mostrato nella Figura 3 (a)).Negli esperimenti, è stato scoperto che le piante tendono ad essere giallastre, gli steli delle foglie sono molto leggeri e gli steli delle foglie sono molto sottili.

Per i tubi fluorescenti con tre colori primari comunemente usati negli anni precedenti, sebbene il bianco sia sintetizzato, gli spettri rosso, verde e blu sono separati (come mostrato nella Figura 3 (b)) e l'ampiezza dello spettro è molto stretta.L'intensità spettrale della parte continua successiva è relativamente debole e la potenza è ancora relativamente elevata rispetto ai LED, da 1,5 a 3 volte il consumo energetico.Pertanto, l'effetto d'uso non è buono come le luci a LED.

Figura 3, luce della pianta LED con chip rosso e blu e spettro di luce fluorescente a tre colori primari

PPFD è la densità del flusso quantico di luce, che si riferisce all'effettiva densità del flusso luminoso di radiazione della luce nella fotosintesi, che rappresenta il numero totale di quanti di luce incidenti sugli steli delle foglie delle piante nell'intervallo di lunghezze d'onda da 400 a 700 nm per unità di tempo e unità di area .La sua unità è μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).La radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) si riferisce alla radiazione solare totale con una lunghezza d'onda compresa tra 400 e 700 nm.Può essere espresso sia da quanti di luce che da energia radiante.

In passato, l'intensità della luce riflessa dall'illuminometro era la luminosità, ma lo spettro di crescita delle piante cambia a causa dell'altezza della lampada dalla pianta, della copertura della luce e se la luce può passare attraverso le foglie.Pertanto, non è corretto utilizzare par come indicatore dell'intensità della luce nello studio della fotosintesi.

Generalmente, il meccanismo di fotosintesi può essere avviato quando la PPFD della pianta che ama il sole è maggiore di 50 μmol·m-2·s-1, mentre la PPFD della pianta all'ombra richiede solo 20 μmol·m-2·s-1 .Pertanto, quando acquisti luci di coltivazione a LED, puoi scegliere il numero di luci di coltivazione a LED in base a questo valore di riferimento e al tipo di piante che pianti.Ad esempio, se il PPFD di una singola luce LED è 20 μmol·m-2·s-1, sono necessarie più di 3 lampadine a LED per coltivare piante che amano il sole.

Diverse soluzioni progettuali di illuminazione a semiconduttore

L'illuminazione a semiconduttore viene utilizzata per la crescita o la semina delle piante e ci sono due metodi di riferimento di base.

• Al momento, il modello di piantagione indoor è molto diffuso in Cina.Questo modello ha diverse caratteristiche:

①Il ruolo delle luci a LED è fornire l'intero spettro di illuminazione dell'impianto e il sistema di illuminazione è necessario per fornire tutta l'energia di illuminazione e il costo di produzione è relativamente elevato;
②Il design delle luci di coltivazione a LED deve considerare la continuità e l'integrità dello spettro;
③È necessario controllare efficacemente il tempo di illuminazione e l'intensità della luce, ad esempio lasciando riposare le piante per alcune ore, l'intensità dell'irradiazione non è sufficiente o troppo forte, ecc.;
④L'intero processo deve imitare le condizioni richieste dall'effettivo ambiente di crescita ottimale delle piante all'aperto, come umidità, temperatura e concentrazione di CO2.

• Modalità di semina all'aperto con una buona base per la semina in serra all'aperto.Le caratteristiche di questo modello sono:

①Il ruolo delle luci a LED è quello di integrare la luce.Uno è migliorare l'intensità della luce nelle aree blu e rosse sotto l'irradiazione della luce solare durante il giorno per promuovere la fotosintesi delle piante, e l'altro è compensare quando non c'è luce solare durante la notte per promuovere il tasso di crescita delle piante
②La luce supplementare deve considerare in quale fase di crescita si trova la pianta, come il periodo della piantina o il periodo di fioritura e fruttificazione.

Pertanto, il design delle luci di coltivazione delle piante a LED dovrebbe prima avere due modalità di progettazione di base, vale a dire l'illuminazione 24 ore su 24 (per interni) e l'illuminazione supplementare per la crescita delle piante (per esterni).Per la coltivazione di piante indoor, la progettazione delle luci di coltivazione a LED deve considerare tre aspetti, come mostrato nella Figura 4. Non è possibile confezionare i chip con tre colori primari in una certa proporzione.

Figura 4, L'idea progettuale dell'utilizzo di luci booster per impianti a LED per interni per l'illuminazione 24 ore su 24

Ad esempio, per uno spettro nella fase del vivaio, considerando che deve rafforzare la crescita di radici e steli, rafforzare la ramificazione delle foglie e la sorgente luminosa viene utilizzata all'interno, lo spettro può essere progettato come mostrato nella Figura 5.

Figura 5, Strutture spettrali adatte per il periodo della scuola materna indoor a LED

Per la progettazione del secondo tipo di lampada da coltivazione a LED, si mira principalmente alla soluzione progettuale di integrazione della luce per promuovere la piantagione alla base della serra all'aperto.L'idea progettuale è mostrata nella Figura 6.

Figura 6, Idee per la progettazione di luci per la coltivazione all'aperto 

L'autore suggerisce che più aziende di piantagioni adottino la seconda opzione per utilizzare luci a LED per promuovere la crescita delle piante.

Prima di tutto, la coltivazione in serra all'aperto in Cina ha decenni di esperienza e una vasta gamma di esperienze, sia nel sud che nel nord.Ha una buona base della tecnologia di coltivazione in serra e fornisce un gran numero di frutta e verdura fresca sul mercato per le città circostanti.Soprattutto nel campo della semina del suolo, dell'acqua e dei fertilizzanti, sono stati ottenuti ricchi risultati di ricerca.

In secondo luogo, questo tipo di soluzione di luce supplementare può ridurre notevolmente il consumo non necessario di energia e allo stesso tempo può aumentare efficacemente la resa di frutta e verdura.Inoltre, la vasta area geografica della Cina è molto conveniente per la promozione.

In quanto ricerca scientifica sull'illuminazione degli impianti a LED, fornisce anche una base sperimentale più ampia.La Fig. 7 è una specie di lampada da coltivazione a LED sviluppata da questo gruppo di ricerca, adatta per la coltivazione in serra, e il suo spettro è mostrato in Fig. 8.

Figura 7, Una sorta di luce crescente a LED

Figura 8, spettro di una specie di luce di crescita a LED

Secondo le idee progettuali di cui sopra, il gruppo di ricerca ha condotto una serie di esperimenti ei risultati sperimentali sono molto significativi.Ad esempio, per la luce di coltivazione durante la nursery, la lampada originale utilizzata è una lampada fluorescente con una potenza di 32 W e un ciclo di nursery di 40 giorni.Forniamo una luce LED da 12 W, che accorcia il ciclo della piantina a 30 giorni, riduce efficacemente l'influenza della temperatura delle lampade nell'officina della piantina e risparmia il consumo energetico del condizionatore d'aria.Lo spessore, la lunghezza e il colore delle piantine sono migliori della soluzione originale per l'allevamento delle piantine.Anche per le piantine di ortaggi comuni sono state ottenute buone conclusioni di verifica, riassunte nella tabella seguente.

Tra questi, il gruppo di luce supplementare PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 e il rapporto rosso-blu: 0,6-0,7.L'intervallo del valore PPFD diurno del gruppo naturale era 40~800 μmol·m-2·s-1 e il rapporto tra rosso e blu era 0,6~1,2.Si può vedere che gli indicatori di cui sopra sono migliori di quelli delle piantine coltivate naturalmente.

Conclusione

Questo articolo introduce gli ultimi sviluppi nell'applicazione delle luci di coltivazione a LED nella coltivazione delle piante e sottolinea alcuni malintesi nell'applicazione della luce di coltivazione a LED nella coltivazione delle piante.Infine, vengono presentate le idee tecniche e gli schemi per lo sviluppo delle luci di coltivazione a LED utilizzate per la coltivazione delle piante.Va sottolineato che ci sono anche alcuni fattori che devono essere considerati nell'installazione e nell'uso della luce, come la distanza tra la luce e la pianta, il raggio di irradiazione della lampada e come applicare la luce con normale acqua, fertilizzante e terreno.

Autore: Yi Wang et al.Fonte: CNKI