Invoering

Licht speelt een sleutelrol in het groeiproces van planten.Het is de beste meststof om de opname van plantenchlorofyl en de opname van verschillende plantengroeikwaliteiten zoals caroteen te bevorderen.De doorslaggevende factor die de groei van planten bepaalt, is echter een veelomvattende factor, niet alleen gerelateerd aan licht, maar ook onlosmakelijk verbonden met de configuratie van water, grond en kunstmest, groeiomgevingsomstandigheden en uitgebreide technische controle.

In de afgelopen twee of drie jaar zijn er eindeloos veel rapporten verschenen over de toepassing van halfgeleiderverlichtingstechnologie met betrekking tot driedimensionale plantenfabrieken of plantengroei.Maar als je het aandachtig leest, blijft er altijd een ongemakkelijk gevoel hangen.Over het algemeen is er geen echt begrip van de rol die licht zou moeten spelen bij de groei van planten.

Laten we eerst het spectrum van de zon begrijpen, zoals weergegeven in figuur 1. Het is te zien dat het zonnespectrum een ​​continu spectrum is, waarin het blauwe en groene spectrum sterker zijn dan het rode spectrum, en het zichtbare lichtspectrum varieert van 380 tot 780 nm.De groei van organismen in de natuur is gerelateerd aan de intensiteit van het spectrum.Zo groeien de meeste planten in het gebied nabij de evenaar erg snel en tegelijkertijd is hun groei relatief groot.Maar de hoge intensiteit van de zonnestraling is niet altijd beter, en er is een zekere mate van selectiviteit voor de groei van dieren en planten.

Figuur 1, De kenmerken van het zonnespectrum en het zichtbare lichtspectrum

Ten tweede wordt het tweede spectrumdiagram van verschillende belangrijke absorptie-elementen van plantengroei weergegeven in figuur 2.

Figuur 2, Absorptiespectra van verschillende auxines in plantengroei

Uit figuur 2 blijkt dat de lichtabsorptiespectra van verschillende belangrijke auxines die de plantengroei beïnvloeden, significant verschillen.Het toepassen van LED plantengroeilampen is dan ook niet eenvoudig, maar zeer gericht.Hier is het nodig om de concepten van de twee belangrijkste fotosynthetische plantengroei-elementen te introduceren.

• Chlorofyl

Chlorofyl is een van de belangrijkste pigmenten die verband houden met fotosynthese.Het komt voor in alle organismen die fotosynthese kunnen creëren, inclusief groene planten, prokaryote blauwgroene algen (cyanobacteriën) en eukaryote algen.Chlorofyl absorbeert energie uit licht, die vervolgens wordt gebruikt om koolstofdioxide om te zetten in koolhydraten.

Chlorofyl a absorbeert voornamelijk rood licht en chlorofyl b absorbeert voornamelijk blauwviolet licht, voornamelijk om schaduwplanten te onderscheiden van zonneplanten.De verhouding van chlorofyl b tot chlorofyl a van schaduwplanten is klein, dus schaduwplanten kunnen sterk gebruikmaken van blauw licht en zich aanpassen aan het groeien in de schaduw.Chlorofyl a is blauwgroen en chlorofyl b is geelgroen.Er zijn twee sterke absorpties van chlorofyl a en chlorofyl b, één in het rode gebied met een golflengte van 630-680 nm, en de andere in het blauw-violette gebied met een golflengte van 400-460 nm.

• Carotenoïden

Carotenoïden zijn de algemene term voor een klasse van belangrijke natuurlijke pigmenten, die vaak worden aangetroffen in gele, oranjerode of rode pigmenten bij dieren, hogere planten, schimmels en algen.Tot nu toe zijn er meer dan 600 natuurlijke carotenoïden ontdekt.

De lichtabsorptie van carotenoïden beslaat het bereik van OD303 ~ 505 nm, wat de kleur van voedsel geeft en de opname van voedsel door het lichaam beïnvloedt.In algen, planten en micro-organismen wordt de kleur bedekt door chlorofyl en kan deze niet verschijnen.In plantencellen absorberen de geproduceerde carotenoïden niet alleen energie en dragen deze over om de fotosynthese te bevorderen, maar ze hebben ook de functie om cellen te beschermen tegen vernietiging door aangeslagen zuurstofmoleculen met enkelvoudige elektronenbinding.

Enkele conceptuele misverstanden

Ongeacht het energiebesparende effect, de selectiviteit van licht en de coördinatie van licht, heeft halfgeleiderverlichting grote voordelen opgeleverd.Door de snelle ontwikkeling van de afgelopen twee jaar hebben we echter ook veel misverstanden gezien in het ontwerp en de toepassing van licht, die vooral tot uiting komen in de volgende aspecten.

①Zolang de rode en blauwe chips van een bepaalde golflengte in een bepaalde verhouding worden gecombineerd, kunnen ze worden gebruikt in de plantenteelt, de verhouding tussen rood en blauw is bijvoorbeeld 4:1, 6:1, 9:1 enzovoort op.

②Zolang het wit licht is, kan het het zonlicht vervangen, zoals de drie-primaire witte lichtbuis die veel wordt gebruikt in Japan, enz. Het gebruik van deze spectra heeft een bepaald effect op de groei van planten, maar het effect is niet zo goed als de lichtbron gemaakt door LED.

③Zolang de PPFD (light quantum flux density), een belangrijke parameter van verlichting, een bepaalde index bereikt, is PPFD bijvoorbeeld groter dan 200 μmol·m-2·s-1.Bij het gebruik van deze indicator moet u er echter op letten of het een schaduwplant of een zonneplant is.U moet het lichtcompensatieverzadigingspunt van deze planten opvragen of vinden, ook wel het lichtcompensatiepunt genoemd.Bij daadwerkelijke toepassingen worden zaailingen vaak verbrand of verdord.Daarom moet het ontwerp van deze parameter worden ontworpen in overeenstemming met de plantensoort, de groeiomgeving en de omstandigheden.

Wat betreft het eerste aspect, zoals geïntroduceerd in de inleiding, zou het spectrum dat nodig is voor plantengroei een continu spectrum moeten zijn met een bepaalde verspreidingsbreedte.Het is duidelijk ongepast om een ​​lichtbron te gebruiken die is gemaakt van twee specifieke golflengtechips, rood en blauw, met een zeer smal spectrum (zoals weergegeven in figuur 3(a)).Bij experimenten bleek dat planten de neiging hebben om geelachtig te zijn, de bladstelen erg licht zijn en de bladstelen erg dun.

Voor fluorescentielampen met drie primaire kleuren die in voorgaande jaren veel werden gebruikt, hoewel wit wordt gesynthetiseerd, zijn de rode, groene en blauwe spectra gescheiden (zoals weergegeven in figuur 3 (b)) en is de breedte van het spectrum erg smal.De spectrale intensiteit van het volgende continue deel is relatief zwak, en het vermogen is nog steeds relatief groot in vergelijking met LED's, 1,5 tot 3 keer het energieverbruik.Daarom is het gebruikseffect niet zo goed als LED-verlichting.

Figuur 3, LED-plantlicht met rode en blauwe chip en spectrum van fluorescerend licht met drie primaire kleuren

PPFD is de kwantumfluxdichtheid van licht, die verwijst naar de effectieve stralingslichtfluxdichtheid van licht in fotosynthese, die het totale aantal lichtkwanta vertegenwoordigt dat invalt op bladstelen van planten in het golflengtebereik van 400 tot 700 nm per tijdseenheid en oppervlakte-eenheid .De eenheid is μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).De fotosynthetisch actieve straling (PAR) verwijst naar de totale zonnestraling met een golflengte in het bereik van 400 tot 700 nm.Het kan worden uitgedrukt door lichtkwanta of door stralingsenergie.

In het verleden was de lichtintensiteit die door de illuminometer werd gereflecteerd de helderheid, maar het spectrum van de plantengroei verandert door de hoogte van de lamp vanaf de plant, de lichtdekking en of het licht door de bladeren kan gaan.Daarom is het niet juist om par te gebruiken als indicator van lichtintensiteit bij de studie van fotosynthese.

Over het algemeen kan het fotosynthesemechanisme worden geactiveerd wanneer de PPFD van de zonminnende plant groter is dan 50 μmol·m-2·s-1, terwijl de PPFD van de schaduwplant slechts 20 μmol·m-2·s-1 nodig heeft. .Daarom kunt u bij aanschaf van LED kweeklampen het aantal LED kweeklampen kiezen op basis van deze referentiewaarde en het soort planten dat u plant.Als de PPFD van een enkele LED-verlichting bijvoorbeeld 20 μmol·m-2·s-1 is, zijn er meer dan 3 LED-plantenbollen nodig om zonminnende planten te laten groeien.

Verschillende ontwerpoplossingen voor halfgeleiderverlichting

Halfgeleiderverlichting wordt gebruikt voor plantengroei of planten, en er zijn twee basisreferentiemethoden.

• Momenteel is het kamerbeplantingsmodel erg populair in China.Dit model heeft verschillende kenmerken:

①De rol van LED-verlichting is om het volledige spectrum van plantverlichting te bieden, en het verlichtingssysteem moet alle verlichtingsenergie leveren, en de productiekosten zijn relatief hoog;
②Het ontwerp van LED-groeilampen moet rekening houden met de continuïteit en integriteit van het spectrum;
③Het is noodzakelijk om de verlichtingstijd en verlichtingsintensiteit effectief te regelen, zoals de planten een paar uur laten rusten, de intensiteit van de bestraling is niet voldoende of te sterk, enz.;
④Het hele proces moet de omstandigheden nabootsen die nodig zijn voor de werkelijke optimale groeiomgeving van planten buiten, zoals vochtigheid, temperatuur en CO2-concentratie.

• Buitenplantmodus met een goede fundering voor buitenkassen.De kenmerken van dit model zijn:

①De rol van LED-verlichting is om licht aan te vullen.Een daarvan is om de lichtintensiteit in de blauwe en rode gebieden te verbeteren onder de bestraling van zonlicht gedurende de dag om de fotosynthese van planten te bevorderen, en de andere is om te compenseren wanneer er 's nachts geen zonlicht is om de groeisnelheid van planten te bevorderen
②Het aanvullende licht moet rekening houden met de groeifase van de plant, zoals de zaailingperiode of de bloei- en vruchtperiode.

Daarom moet het ontwerp van LED-groeilampen voor planten eerst twee basisontwerpmodi hebben, namelijk 24-uurs verlichting (binnen) en aanvullende verlichting voor plantengroei (buiten).Voor het kweken van binnenplanten moet bij het ontwerp van LED-kweeklampen rekening worden gehouden met drie aspecten, zoals weergegeven in figuur 4. Het is niet mogelijk om de chips met drie primaire kleuren in een bepaalde verhouding te verpakken.

Afbeelding 4, het ontwerpidee van het gebruik van LED-lichtversterkers voor binnenshuis voor 24-uursverlichting

Voor een spectrum in het kweekstadium, aangezien het bijvoorbeeld de groei van wortels en stengels moet versterken, de vertakking van bladeren moet versterken en de lichtbron binnenshuis wordt gebruikt, kan het spectrum worden ontworpen zoals weergegeven in afbeelding 5.

Figuur 5, Spectrale structuren geschikt voor LED-binnenkweekperiode

Voor het ontwerp van het tweede type LED-groeilicht is het voornamelijk gericht op de ontwerpoplossing van het aanvullen van licht om de aanplant in de basis van de buitenkas te bevorderen.Het ontwerpidee wordt getoond in figuur 6.

Afbeelding 6, ontwerpideeën voor kweeklampen voor buiten 

De auteur suggereert dat meer plantbedrijven de tweede optie gebruiken om LED-verlichting te gebruiken om de plantengroei te bevorderen.

Ten eerste heeft China's buitenkassenteelt tientallen jaren een grote hoeveelheid en een breed scala aan ervaring, zowel in het zuiden als in het noorden.Het heeft een goede basis van de glastuinbouwtechnologie en levert een groot aantal verse groenten en fruit op de markt voor omliggende steden.Met name op het gebied van bodem en water en kunstmestbeplanting zijn rijke onderzoeksresultaten geboekt.

Ten tweede kan dit soort aanvullende lichtoplossing onnodig energieverbruik aanzienlijk verminderen en tegelijkertijd de opbrengst van groenten en fruit effectief verhogen.Bovendien is het uitgestrekte geografische gebied van China erg handig voor promotie.

Als wetenschappelijk onderzoek naar LED-installatieverlichting biedt het er ook een bredere experimentele basis voor.Fig. 7 is een soort LED-groeilicht dat door dit onderzoeksteam is ontwikkeld en geschikt is voor teelt in kassen, en het spectrum wordt getoond in Fig. 8.

Figuur 7, Een soort LED-groeilicht

Figuur 8, spectrum van een soort LED kweeklamp

Volgens de bovenstaande ontwerpideeën heeft het onderzoeksteam een ​​reeks experimenten uitgevoerd en de experimentele resultaten zijn zeer significant.Voor bijvoorbeeld groeilicht tijdens de kweek is de oorspronkelijke lamp een TL-lamp met een vermogen van 32 W en een kweekcyclus van 40 dagen.We bieden een 12 W LED-lamp, die de zaailingcyclus verkort tot 30 dagen, effectief de invloed van de temperatuur van de lampen in de zaailingwerkplaats vermindert en het stroomverbruik van de airconditioner bespaart.De dikte, lengte en kleur van de zaailingen zijn beter dan de originele oplossing voor het kweken van zaailingen.Voor de zaailingen van gangbare groenten zijn ook goede verificatieconclusies verkregen, die in de volgende tabel zijn samengevat.

Onder hen de aanvullende lichtgroep PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, en de rood-blauwverhouding: 0,6-0,7.Het bereik van de PPFD-waarde overdag van de natuurlijke groep was 40~800 μmol·m-2·s-1, en de verhouding van rood tot blauw was 0,6~1,2.Het is te zien dat de bovenstaande indicatoren beter zijn dan die van natuurlijk gekweekte zaailingen.

Conclusie

Dit artikel introduceert de laatste ontwikkelingen in de toepassing van LED kweeklampen in de plantenteelt en wijst op enkele misverstanden bij de toepassing van LED kweeklampen in de plantenteelt.Ten slotte worden de technische ideeën en schema's voor de ontwikkeling van LED-groeilampen voor de plantenteelt geïntroduceerd.Er moet op worden gewezen dat er ook enkele factoren zijn waarmee rekening moet worden gehouden bij de installatie en het gebruik van het licht, zoals de afstand tussen het licht en de plant, het bestralingsbereik van de lamp en hoe het licht moet worden aangebracht met normaal water, kunstmest en grond.

Auteur: Yi Wang et al.Bron: CNKI