Invoering

Licht speelt een cruciale rol in het groeiproces van planten. Het is de beste meststof om de opname van chlorofyl en diverse groeibevorderende stoffen zoals caroteen te stimuleren. De uiteindelijke groei van planten wordt echter bepaald door een complex samenspel van factoren, dat niet alleen met licht te maken heeft, maar ook onlosmakelijk verbonden is met de juiste water-, bodem- en meststofsamenstelling, de groeiomstandigheden en een algehele technische controle.

De afgelopen twee à drie jaar zijn er talloze rapporten verschenen over de toepassing van halfgeleiderverlichtingstechnologie in driedimensionale plantenkwekerijen of voor plantengroei. Maar na deze rapporten aandachtig te hebben gelezen, blijft er altijd een ongemakkelijk gevoel over. Over het algemeen is er geen echt begrip van welke rol licht zou moeten spelen in plantengroei.

Laten we eerst het spectrum van de zon bekijken, 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 zich uitstrekt 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 de buurt van de evenaar erg snel en worden ze relatief groot. Maar een hoge intensiteit van de zonnestraling is niet altijd beter; er is een zekere mate van selectiviteit voor de groei van dieren en planten.

Figuur 1, De kenmerken van het zonnespectrum en het spectrum van zichtbaar licht.

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

Figuur 2, Absorptiespectra van verschillende auxinen in plantengroei

Uit figuur 2 blijkt dat de lichtabsorptiespectra van verschillende belangrijke auxinen die de plantengroei beïnvloeden, significant verschillen. De toepassing van LED-plantengroeilampen is daarom geen eenvoudige zaak, maar zeer gericht. Het is hier nodig om de concepten van de twee belangrijkste fotosynthetische elementen voor plantengroei toe te lichten.

• Chlorofyl

Chlorofyl is een van de belangrijkste pigmenten die betrokken zijn bij fotosynthese. Het komt voor in alle organismen die aan fotosynthese kunnen doen, waaronder groene planten, prokaryotische blauwgroene algen (cyanobacteriën) en eukaryotische 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 voornamelijk blauwviolet licht, wat vooral dient om schaduwplanten van zonplanten te onderscheiden. De verhouding tussen chlorofyl b en chlorofyl a is klein bij schaduwplanten, waardoor schaduwplanten blauw licht sterk kunnen benutten en zich kunnen aanpassen aan groeiomstandigheden in de schaduw. Chlorofyl a is blauwgroen en chlorofyl b is geelgroen. Zowel chlorofyl a als chlorofyl b hebben sterke absorptiepieken: één in het rode gebied met een golflengte van 630-680 nm en de andere in het blauwviolette gebied met een golflengte van 400-460 nm.

• Carotenoïden

Carotenoïden is de algemene term voor een klasse belangrijke natuurlijke pigmenten, die veelal voorkomen in gele, oranje-rode of rode kleuren in dieren, hogere planten, schimmels en algen. Tot nu toe zijn er meer dan 600 natuurlijke carotenoïden ontdekt.

De lichtabsorptie van carotenoïden ligt in het bereik van OD303~505 nm, wat de kleur van voedsel bepaalt en de opname van voedsel door het lichaam beïnvloedt. In algen, planten en micro-organismen wordt de kleur ervan gemaskeerd door chlorofyl en is deze niet zichtbaar. In plantencellen absorberen en transporteren de geproduceerde carotenoïden niet alleen energie om de fotosynthese te ondersteunen, maar beschermen ze de cellen ook tegen beschadiging door geëxciteerde zuurstofmoleculen met enkelvoudige elektronenbindingen.

Enkele conceptuele misverstanden

Ondanks het energiebesparende effect, de selectiviteit en coördinatie van licht, heeft halfgeleiderverlichting grote voordelen laten zien. De snelle ontwikkeling van de afgelopen twee jaar heeft echter ook geleid tot veel misverstanden in het ontwerp en de toepassing van verlichting, die zich met name in de volgende aspecten manifesteren.

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

②Zolang het wit licht is, kan het zonlicht vervangen, zoals de driekleurige witte lichtbuis die veel in Japan wordt gebruikt, enzovoort. Het gebruik van deze lichtspectra heeft een zeker effect op de plantengroei, maar het effect is niet zo goed als bij een lichtbron van LED.

③Zolang de PPFD (lichtkwantumfluxdichtheid), een belangrijke parameter voor belichting, een bepaalde waarde bereikt, bijvoorbeeld een PPFD van meer dan 200 μmol·m⁻²·s⁻¹, is een optimale belichting voldoende. Bij gebruik van deze indicator is het echter belangrijk om te weten of het om een ​​schaduwplant of een zonplant gaat. Het is noodzakelijk om het lichtcompensatiepunt van deze planten te bepalen. In de praktijk verbranden of verdorren zaailingen vaak. Daarom moet de belichting van deze parameter worden afgestemd op de plantensoort, de groeiomgeving en de omstandigheden.

Wat het eerste aspect betreft, zoals in de inleiding al werd aangegeven, moet het spectrum dat nodig is voor plantengroei een continu spectrum zijn met een bepaalde spreiding. Het is duidelijk ongeschikt om een ​​lichtbron te gebruiken die bestaat uit twee specifieke golflengtechips van rood en blauw met een zeer smal spectrum (zoals weergegeven in figuur 3(a)). Uit experimenten bleek dat planten dan de neiging hebben om gelig te worden, de bladstelen erg licht zijn en de bladstelen erg dun.

Bij fluorescentielampen met de drie primaire kleuren die in voorgaande jaren veel werden gebruikt, wordt wit weliswaar gesynthetiseerd, maar de rode, groene en blauwe spectra worden gescheiden (zoals weergegeven in figuur 3(b)) en de breedte van het spectrum is erg smal. De spectrale intensiteit van het daaropvolgende continue deel is relatief zwak en het stroomverbruik is nog steeds relatief hoog in vergelijking met LED's, namelijk 1,5 tot 3 keer zo hoog. Daarom is het gebruikseffect niet zo goed als bij LED-verlichting.

Figuur 3, LED-plantenlamp met rode en blauwe chips en fluorescentielichtspectrum met drie primaire kleuren.

PPFD staat voor lichtkwantumfluxdichtheid, wat verwijst naar de effectieve stralingsfluxdichtheid van licht tijdens fotosynthese. Het vertegenwoordigt het totale aantal lichtkwanta dat per tijdseenheid en per oppervlakte-eenheid op de bladstelen van planten valt in het golflengtebereik van 400 tot 700 nm. De eenheid is μE·m⁻²·s⁻¹ (μmol·m⁻²·s⁻¹). Fotosynthetisch actieve straling (PAR) verwijst naar de totale zonnestraling met een golflengte in het bereik van 400 tot 700 nm. Het kan worden uitgedrukt in lichtkwanta of in stralingsenergie.

In het verleden werd de lichtintensiteit gemeten met een lichtmeter als helderheid, maar het lichtspectrum van plantengroei verandert door de hoogte van de lichtbron boven de plant, de lichtdekking en of het licht door de bladeren kan dringen. Daarom is het niet nauwkeurig om PAR als indicator voor lichtintensiteit te gebruiken bij onderzoek naar fotosynthese.

Over het algemeen kan het fotosyntheseproces op gang komen wanneer de PPFD (fotosynthetisch actieve stralingsdichtheid) van een zonminnende plant hoger is dan 50 μmol·m⁻²·s⁻¹, terwijl een schaduwminnende plant slechts een PPFD van 20 μmol·m⁻²·s⁻¹ nodig heeft. Bij de aanschaf van LED-groeilampen kunt u daarom het aantal lampen kiezen op basis van deze referentiewaarde en het type planten dat u kweekt. Als de PPFD van één LED-lamp bijvoorbeeld 20 μmol·m⁻²·s⁻¹ is, zijn er meer dan 3 LED-lampen nodig om zonminnende planten te kweken.

Diverse ontwerpvarianten voor halfgeleiderverlichting

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

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

①De rol van LED-verlichting is het leveren van het volledige spectrum aan plantverlichting. Het verlichtingssysteem moet alle benodigde energie leveren, waardoor de productiekosten relatief hoog zijn;
②Bij het ontwerp van LED-groeilampen moet rekening worden gehouden met de continuïteit en integriteit van het spectrum;
③Het is noodzakelijk om de belichtingstijd en de lichtintensiteit effectief te controleren, bijvoorbeeld door de planten een paar uur rust te geven, of door ervoor te zorgen dat de lichtintensiteit te laag of te hoog is, enzovoort;
④Het hele proces moet de omstandigheden nabootsen die nodig zijn voor de optimale groeiomgeving van planten in de buitenlucht, zoals luchtvochtigheid, temperatuur en CO2-concentratie.

• Buitenteeltmethode met een goede basis voor buitenteelt in een kas. De kenmerken van deze methode zijn:

①De rol van LED-lampen is het aanvullen van licht. Enerzijds versterken ze de lichtintensiteit in de blauwe en rode zones onder de zonnestraling overdag om de fotosynthese van planten te bevorderen, anderzijds compenseren ze het gebrek aan zonlicht 's nachts om de groeisnelheid van planten te stimuleren.
②Bij de keuze van de extra verlichting moet rekening worden gehouden met het groeistadium van de plant, zoals de zaailingperiode of de bloei- en vruchtperiode.

Daarom moet het ontwerp van LED-groeilampen voor planten in de eerste plaats rekening houden met twee basisontwerpmodi: 24-uurs verlichting (binnen) en aanvullende verlichting voor plantengroei (buiten). Voor de binnenteelt van planten moet bij het ontwerp van LED-groeilampen rekening worden gehouden met drie aspecten, zoals weergegeven in Figuur 4. Het is niet mogelijk om de chips met de drie primaire kleuren in een bepaalde verhouding te verpakken.

Figuur 4, Het ontwerpidee voor het gebruik van LED-plantenboosters voor binnenverlichting, 24 uur per dag.

Een spectrum in de kwekerijfase, waarbij rekening wordt gehouden met de noodzaak om de groei van wortels en stengels te stimuleren, de vertakking van bladeren te bevorderen en de lichtbron binnenshuis wordt gebruikt, kan bijvoorbeeld worden ontworpen zoals weergegeven in Figuur 5.

Figuur 5, Spectrale structuren geschikt voor LED-binnenverlichting in de kwekerijperiode.

Het ontwerp van het tweede type LED-groeilamp is voornamelijk gericht op het bieden van een aanvullende lichtoplossing ter bevordering van de plantengroei in de kelder van een buitenkas. Het ontwerpidee is weergegeven in figuur 6.

Afbeelding 6, Ontwerpideeën voor kweeklampen voor buiten 

De auteur suggereert dat meer plantenbedrijven de tweede optie zouden moeten overwegen en ledverlichting zouden moeten gebruiken om de plantengroei te bevorderen.

Allereerst heeft de Chinese buitenteelt in kassen al decennialang een grote en brede ervaring, zowel in het zuiden als in het noorden. De basis voor de kassenteelttechnologie is goed gelegd en China levert een grote hoeveelheid verse groenten en fruit aan de omliggende steden. Met name op het gebied van bodem, water en bemesting is veel onderzoek verricht.

Ten tweede kan dit soort aanvullende lichtoplossingen het onnodige energieverbruik aanzienlijk verminderen en tegelijkertijd de opbrengst van groenten en fruit effectief verhogen. Bovendien is het uitgestrekte geografische gebied van China zeer geschikt voor de verdere verspreiding ervan.

Het wetenschappelijk onderzoek naar LED-plantenverlichting biedt tevens een bredere experimentele basis. Figuur 7 toont een door dit onderzoeksteam ontwikkelde LED-groeilamp die geschikt is voor de teelt in kassen; het spectrum ervan is weergegeven in figuur 8.

Afbeelding 7, Een soort LED-groeilamp

Figuur 8, spectrum van een bepaald type LED-groeilamp.

Op basis van bovenstaande ontwerpideeën heeft het onderzoeksteam een ​​reeks experimenten uitgevoerd, met zeer significante resultaten. Zo werd bijvoorbeeld voor de groeilamp in de zaailingenruimte oorspronkelijk een TL-lamp van 32 W gebruikt met een zaailingcyclus van 40 dagen. Door een LED-lamp van 12 W te gebruiken, wordt de zaailingcyclus verkort tot 30 dagen, waardoor de invloed van de temperatuur van de lampen in de zaailingruimte effectief wordt verminderd en er minder energie nodig is voor de airconditioning. De dikte, lengte en kleur van de zaailingen zijn beter dan bij de oorspronkelijke kweekmethode. Ook voor zaailingen van gangbare groenten zijn goede resultaten behaald, die samengevat zijn in de onderstaande tabel.

De PPFD-waarde van de groep met aanvullende verlichting lag tussen de 70 en 80 μmol·m⁻²·s⁻¹, en de rood-blauwverhouding tussen 0,6 en 0,7. De PPFD-waarde overdag van de natuurlijke groep varieerde van 40 tot 800 μmol·m⁻²·s⁻¹, met een rood-blauwverhouding van 0,6 tot 1,2. Hieruit blijkt dat deze waarden beter zijn dan die van natuurlijk gegroeide zaailingen.

Conclusie

Dit artikel introduceert de nieuwste ontwikkelingen in de toepassing van LED-groeilampen in de plantenteelt en wijst op enkele misvattingen met betrekking tot het gebruik van LED-groeilampen in de plantenteelt. Tot slot worden de technische ideeën en schema's voor de ontwikkeling van LED-groeilampen voor plantenteelt gepresenteerd. Er moet ook worden gewezen op een aantal factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij de installatie en het gebruik van de lampen, zoals de afstand tussen de lamp en de plant, het bestralingsbereik van de lamp en de manier waarop de lampen worden toegepast in combinatie met water, meststoffen en aarde.

Auteur: Yi Wang et al. Bron: CNKI