Introduzione

La luce gioca un ruolo chiave nel processo di crescita delle piante. È il fertilizzante migliore per favorire l'assorbimento della clorofilla e di diverse sostanze nutritive, come il carotene. Tuttavia, il fattore decisivo che determina la crescita delle piante è un fattore globale, non solo legato alla luce, ma anche indissolubilmente legato alla configurazione di acqua, terreno e fertilizzante, alle condizioni ambientali di crescita e al controllo tecnico completo.

Negli ultimi due o tre anni, sono stati pubblicati innumerevoli articoli sull'applicazione della tecnologia di illuminazione a semiconduttori alle fabbriche di piante tridimensionali o alla crescita delle piante. Ma dopo averli letti attentamente, si avverte sempre una certa inquietudine. In generale, non si comprende appieno quale ruolo la luce dovrebbe svolgere nella crescita delle piante.

Innanzitutto, comprendiamo lo spettro solare, come mostrato nella Figura 1. Si può osservare che lo spettro solare è uno spettro continuo, in cui lo spettro blu e verde sono più intensi dello spettro rosso, e lo spettro della luce visibile varia da 380 a 780 nm. La crescita degli organismi in natura è correlata all'intensità dello spettro. Ad esempio, la maggior parte delle piante nella zona vicino all'equatore cresce molto rapidamente e, allo stesso tempo, le dimensioni della loro crescita sono relativamente grandi. Tuttavia, l'elevata intensità dell'irradiazione 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, nella Figura 2 è mostrato il secondo diagramma spettrale di diversi elementi chiave di assorbimento della crescita delle piante.

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

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

• Clorofilla

La clorofilla è uno dei pigmenti più importanti legati alla fotosintesi. È presente in tutti gli organismi capaci di fotosintesi, comprese le piante verdi, le alghe azzurre procariotiche (cianobatteri) e le alghe eucariotiche. La clorofilla assorbe l'energia della luce, che viene poi utilizzata per convertire l'anidride carbonica in carboidrati.

La clorofilla a assorbe principalmente la luce rossa, mentre la clorofilla b assorbe principalmente la luce blu-viola, principalmente per distinguere le piante che crescono all'ombra da quelle che crescono al sole. Il rapporto tra clorofilla b e clorofilla a delle piante che crescono all'ombra è basso, quindi le piante che crescono all'ombra possono utilizzare intensamente la luce blu e adattarsi alla crescita all'ombra. La clorofilla a è blu-verde, mentre la clorofilla b è giallo-verde. Esistono due forti assorbimenti della clorofilla a e della clorofilla b, uno nella regione del rosso con una lunghezza d'onda di 630-680 nm, e l'altro nella regione del blu-viola con una lunghezza d'onda di 400-460 nm.

• Carotenoidi

Carotenoidi è il termine generico per indicare una classe di importanti pigmenti naturali, comunemente presenti nei pigmenti gialli, rosso-arancio o rossi di animali, piante superiori, funghi e alghe. Finora sono stati scoperti più di 600 carotenoidi naturali.

L'assorbimento della luce da parte dei carotenoidi copre l'intervallo OD303~505 nm, che determina il colore del cibo e influenza l'assunzione di cibo da parte dell'organismo. Nelle alghe, nelle piante e nei microrganismi, il 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 dalla distruzione causata dalle molecole di ossigeno con legame a singolo elettrone eccitato.

Alcuni fraintendimenti concettuali

Indipendentemente dal risparmio energetico, dalla selettività della luce e dal coordinamento della luce, l'illuminazione a semiconduttore ha mostrato grandi vantaggi. Tuttavia, a causa del rapido sviluppo degli ultimi due anni, abbiamo anche assistito a numerose incomprensioni 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 vengono 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 via.

2. Finché si tratta di luce bianca, può sostituire la luce del sole, come il tubo luminoso bianco a tre colori primari ampiamente utilizzato in Giappone, ecc. L'uso di questi spettri ha un certo effetto sulla crescita delle piante, ma l'effetto non è buono quanto quello della sorgente luminosa realizzata con LED.

3. Finché 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 se si tratta di una pianta da ombra o da sole. È necessario interrogare o trovare il punto di saturazione della compensazione luminosa di queste piante, chiamato anche punto di compensazione luminosa. Nelle applicazioni pratiche, le piantine vengono spesso bruciate o appassite. Pertanto, la progettazione di questo parametro deve essere progettata in base alla specie vegetale, all'ambiente di crescita e alle condizioni.

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 specifiche, rosso e blu, con uno spettro molto ristretto (come mostrato in Figura 3(a)). Negli esperimenti, si è riscontrato che le piante tendono a essere giallastre, i piccioli delle foglie sono molto leggeri e i piccioli delle foglie sono molto sottili.

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

Figura 3, Luce LED a chip rosso e blu per piante e spettro di luce fluorescente a tre colori primari

PPFD è la densità di flusso quantico di luce, che si riferisce alla densità di flusso luminoso efficace della radiazione luminosa nella fotosintesi, che rappresenta il numero totale di quanti di luce incidenti sui fusti fogliari delle piante nell'intervallo di lunghezze d'onda da 400 a 700 nm per unità di tempo e area unitaria. La sua unità di misura 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 espressa sia in termini di quanti di luce che di energia radiante.

In passato, l'intensità luminosa riflessa dall'illuminometro era la luminosità, ma lo spettro di crescita delle piante varia a seconda dell'altezza dell'apparecchio di illuminazione rispetto alla pianta, della copertura luminosa e della capacità della luce di attraversare le foglie. Pertanto, non è corretto utilizzare il par come indicatore dell'intensità luminosa nello studio della fotosintesi.

In genere, il meccanismo di fotosintesi può essere avviato quando la PPFD della pianta che ama il sole è superiore a 50 μmol·m-2·s-1, mentre la PPFD della pianta che ama l'ombra necessita solo di 20 μmol·m-2·s-1. Pertanto, quando si acquistano lampade a LED per la coltivazione, è possibile scegliere il numero di lampade a LED in base a questo valore di riferimento e al tipo di pianta che si desidera piantare. Ad esempio, se la PPFD di una singola lampada a LED è 20 μmol·m-2·s-1, sono necessarie più di 3 lampade 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 piantumazione delle piante e sono disponibili due metodi di riferimento di base.

• Attualmente, il modello di coltivazione indoor è molto diffuso in Cina. Questo modello presenta diverse caratteristiche:

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

• Modalità di semina all'aperto con buone fondamenta per la semina in serra. Le caratteristiche di questo modello sono:

1. Il ruolo delle luci a LED è quello di integrare la luce. Da un lato, aumentare l'intensità luminosa nelle aree blu e rosse sotto l'irradiazione della luce solare durante il giorno per promuovere la fotosintesi delle piante, e dall'altro compensare l'assenza di luce solare durante la notte per promuovere il tasso di crescita delle piante.
2. La luce supplementare deve tenere conto della fase di crescita in cui si trova la pianta, ad esempio il periodo di germinazione o quello di fioritura e fruttificazione.

Pertanto, la progettazione di luci a LED per la coltivazione di piante dovrebbe innanzitutto prevedere due modalità di progettazione di base: illuminazione 24 ore su 24 (indoor) e illuminazione integrativa per la crescita delle piante (outdoor). Per la coltivazione indoor, la progettazione di luci a LED per la coltivazione deve considerare tre aspetti, come mostrato in Figura 4. Non è possibile confezionare i chip con tre colori primari in una determinata proporzione.

Figura 4, L'idea progettuale di utilizzare luci LED per piante da interno per l'illuminazione 24 ore su 24

Ad esempio, per uno spettro nella fase di vivaio, considerando che deve rafforzare la crescita di radici e steli, rafforzare la ramificazione delle foglie e che la fonte luminosa viene utilizzata in ambienti chiusi, lo spettro può essere progettato come mostrato nella Figura 5.

Figura 5, Strutture spettrali adatte al periodo di illuminazione interna a LED

Per la progettazione del secondo tipo di lampada LED per la coltivazione, l'obiettivo principale è quello di integrare la luce per favorire la piantumazione alla base della serra esterna. L'idea progettuale è illustrata nella Figura 6.

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

L'autore suggerisce che più aziende di piantumazione adottino la seconda opzione, ovvero utilizzare luci a LED per favorire la crescita delle piante.

Innanzitutto, la coltivazione in serra all'aperto in Cina vanta decenni di esperienza, sia nel sud che nel nord. Il Paese vanta solide basi tecnologiche per la coltivazione in serra e fornisce un'ampia gamma di frutta e verdura fresca al mercato delle città limitrofe. Sono stati ottenuti risultati di ricerca approfonditi, in particolare nel campo della coltivazione su suolo, acqua e fertilizzanti.

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

Come ricerca scientifica sull'illuminazione a LED per le piante, fornisce anche una base sperimentale più ampia. La Figura 7 mostra un tipo di lampada a LED per la coltivazione sviluppata da questo team di ricerca, adatta alla coltivazione in serra, il cui spettro è mostrato nella Figura 8.

Figura 7, Un tipo di luce LED per la crescita

Figura 8, spettro di un tipo di luce LED per la crescita

Sulla base delle idee progettuali di cui sopra, il team di ricerca ha condotto una serie di esperimenti, i cui risultati sono molto significativi. Ad esempio, per la luce di crescita durante la fase di germinazione, la lampada originale utilizzata è una lampada fluorescente con una potenza di 32 W e un ciclo di germinazione di 40 giorni. Forniamo una luce LED da 12 W, che riduce il ciclo di germinazione a 30 giorni, riduce efficacemente l'influenza della temperatura delle lampade nel laboratorio di germinazione e riduce il consumo energetico del condizionatore. Lo spessore, la lunghezza e il colore delle piantine sono migliori rispetto alla soluzione originale per la germinazione. 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 rosso-blu era 0,6~1,2. Si può osservare che gli indicatori sopra indicati sono migliori di quelli delle piantine cresciute naturalmente.

Conclusione

Questo articolo presenta gli ultimi sviluppi nell'applicazione delle luci a LED per la coltivazione di piante e mette in luce alcuni malintesi al riguardo. Infine, vengono introdotti concetti tecnici e schemi per lo sviluppo di luci a LED per la coltivazione di piante. È importante sottolineare che ci sono anche alcuni fattori da considerare nell'installazione e nell'utilizzo della luce, come la distanza tra la luce e la pianta, il raggio di irradiazione della lampada e come applicare la luce con acqua, fertilizzante e terriccio normali.

Autore: Yi Wang et al. Fonte: CNKI