Уводзіны

Святло адыгрывае ключавую ролю ў працэсе росту раслін. Гэта найлепшае ўгнаенне, якое спрыяе засваенню раслінамі хларафіла і розных уласцівасцей для росту раслін, такіх як каратын. Аднак вырашальным фактарам, які вызначае рост раслін, з'яўляецца комплексны фактар, звязаны не толькі са святлом, але і неаддзельны ад канфігурацыі вады, глебы і ўгнаенняў, умоў росту і комплекснага тэхнічнага кантролю.

За апошнія два-тры гады з'явілася бясконцая колькасць паведамленняў пра прымяненне паўправадніковай тэхналогіі асвятлення ў дачыненні да трохмерных раслінных фабрык або росту раслін. Але пасля ўважлівага прачытання заўсёды застаецца нейкае непрыемнае пачуццё. У цэлым, няма рэальнага разумення таго, якую ролю святло павінна адыгрываць у росце раслін.

Спачатку давайце разбярэмся са спектрам Сонца, як паказана на малюнку 1. Відаць, што сонечны спектр — гэта бесперапынны спектр, у якім сіні і зялёны спектры мацнейшыя за чырвоны, а спектр бачнага святла вагаецца ад 380 да 780 нм. Рост арганізмаў у прыродзе звязаны з інтэнсіўнасцю спектру. Напрыклад, большасць раслін у раёне паблізу экватара растуць вельмі хутка, і ў той жа час памеры іх росту адносна вялікія. Але высокая інтэнсіўнасць сонечнага выпраменьвання не заўсёды лепшая, і існуе пэўная ступень селектыўнасці для росту жывёл і раслін.

Малюнак 1, Характарыстыкі сонечнага спектру і яго спектру бачнага святла

Па-другое, на малюнку 2 паказана другая спектральная дыяграма некалькіх ключавых элементаў паглынання росту раслін.

Малюнак 2, Спектры паглынання некалькіх аўксінаў у раслінах

З малюнка 2 відаць, што спектры паглынання святла некалькіх ключавых аўксінаў, якія ўплываюць на рост раслін, істотна адрозніваюцца. Такім чынам, прымяненне святлодыёдных лямпаў для росту раслін — справа няпростая, а вельмі мэтанакіраваная. Тут неабходна ўвесці паняцці двух найважнейшых фотасінтэтычных элементаў росту раслін.

• Хларафіл

Хларафіл — адзін з найважнейшых пігментаў, звязаных з фотасінтэзам. Ён прысутнічае ва ўсіх арганізмах, якія могуць ствараць фотасінтэз, у тым ліку ў зялёных раслінах, пракарыятычных сіне-зялёных водарасцях (цыянабактэрыях) і эўкарыятычных водарасцях. Хларафіл паглынае энергію святла, якая затым выкарыстоўваецца для пераўтварэння вуглякіслага газу ў вугляводы.

Хларафіл а паглынае ў асноўным чырвонае святло, а хларафіл b — сіне-фіялетавае, галоўным чынам для адрознення ценявых раслін ад сонечных. Суадносіны хларафіла b да хларафіла а ў ценявых раслін невялікае, таму ценявыя расліны могуць актыўна выкарыстоўваць сіняе святло і адаптавацца да росту ў цені. Хларафіл а мае сіне-зялёны колер, а хларафіл b — жоўта-зялёны. Існуюць два моцныя паглынанні хларафіла а і хларафіла b: адно ў чырвонай вобласці з даўжынёй хвалі 630-680 нм, а другое ў сіне-фіялетавай вобласці з даўжынёй хвалі 400-460 нм.

• Каратыноіды

Каратыноіды — гэта агульны тэрмін для класа важных прыродных пігментаў, якія звычайна сустракаюцца ў жоўтых, аранжава-чырвоных або чырвоных пігментах жывёл, вышэйшых раслін, грыбоў і водарасцяў. На сённяшні дзень адкрыта больш за 600 прыродных каратыноідаў.

Паглынанне святла каратыноідамі ахоплівае дыяпазон OD303~505 нм, што забяспечвае колер ежы і ўплывае на спажыванне ежы арганізмам. У водарасцях, раслінах і мікраарганізмах колер каратыноідаў пакрыты хларафілам і не можа праяўляцца. У раслінных клетках каратыноіды не толькі паглынаюць і перадаюць энергію, каб дапамагчы фотасінтэзу, але і выконваюць функцыю абароны клетак ад разбурэння ўзбуджанымі малекуламі кіслароду з аднаэлектроннай сувяззю.

Некаторыя канцэптуальныя непаразуменні

Нягледзячы на ​​энергазберагальны эфект, селектыўнасць святла і каардынацыю святла, паўправадніковыя асвятляльныя прыборы маюць вялікія перавагі. Аднак, з-за хуткага развіцця за апошнія два гады мы таксама назіраем шмат непаразуменняў у праектаванні і ўжыванні асвятлення, якія ў асноўным адлюстроўваюцца ў наступных аспектах.

①Пакуль чырвоныя і сінія мікрасхемы пэўнай даўжыні хвалі спалучаюцца ў пэўных суадносінах, іх можна выкарыстоўваць у вырошчванні раслін, напрыклад, суадносіны чырвонага і сіняга складае 4:1, 6:1, 9:1 і гэтак далей.

②Пакуль гэта белае святло, яно можа замяніць сонечнае, напрыклад, трохбаковая белая лямпа, якая шырока выкарыстоўваецца ў Японіі і г.д. Выкарыстанне гэтых спектраў мае пэўны ўплыў на рост раслін, але эфект не такі добры, як у крыніцы святла, створанай святлодыёдамі.

③Пакуль шчыльнасць квантавага патоку святла (PPFD), важны параметр асветленасці, дасягае пэўнага значэння, напрыклад, PPFD перавышае 200 мкмоль·м-2·с-1. Аднак пры выкарыстанні гэтага паказчыка неабходна звярнуць увагу на тое, ці з'яўляецца гэта ценявой раслінай, ці сонечнай. Вам трэба запытаць або знайсці кропку насычэння кампенсацыі святла для гэтых раслін, якую таксама называюць кропкай кампенсацыі святла. У рэальных умовах расада часта згарае або вяне. Таму гэты параметр павінен быць распрацаваны ў адпаведнасці з відам расліны, асяроддзем росту і ўмовамі.

Што да першага аспекту, як было сказана ва ўводзінах, спектр, неабходны для росту раслін, павінен быць бесперапынным з пэўнай шырынёй размеркавання. Відавочна, што немэтазгодна выкарыстоўваць крыніцу святла, якая складаецца з двух чыпаў з пэўнымі даўжынямі хваль: чырвонага і сіняга колераў з вельмі вузкім спектрам (як паказана на малюнку 3(а)). У эксперыментах было выяўлена, што расліны, як правіла, жаўтлявыя, сцеблы лісця вельмі светлыя, а сцеблы лісця вельмі тонкія.

У папярэднія гады звычайна выкарыстоўваліся люмінесцэнтныя лямпы з трыма асноўнымі колерамі, хоць белы і сінтэзаваны, чырвоны, зялёны і сіні спектры падзеленыя (як паказана на малюнку 3(b)), і шырыня спектру вельмі вузкая. Спектральная інтэнсіўнасць наступнай бесперапыннай часткі адносна слабая, а магутнасць усё яшчэ адносна вялікая ў параўнанні са святлодыёдамі, спажываючы ў 1,5-3 разы больш энергіі. Такім чынам, эфект выкарыстання не такі добры, як у святлодыёдных лямпаў.

Малюнак 3, Чырвона-сіні святлодыёдны ліхтар для раслін і спектр трох асноўных колераў люмінесцэнтнага святла

Фотасінтэтычна актыўная радыяцыя (ФАР) — гэта шчыльнасць квантавага патоку святла, якая адносіцца да эфектыўнай шчыльнасці светлавога патоку выпраменьвання святла пры фотасінтэзе і ўяўляе сабой агульную колькасць квантаў святла, якія падаюць на сцеблы лісця раслін у дыяпазоне даўжынь хваль ад 400 да 700 нм за адзінку часу і адзінку плошчы. Адзінка вымярэння — мкЭ·м-2·с-1 (мкмоль·м-2·с-1). Фотасінтэтычна актыўная радыяцыя (ФАР) адносіцца да агульнай сонечнай радыяцыі з даўжынёй хвалі ў дыяпазоне ад 400 да 700 нм. Яна можа быць выражана альбо квантамі святла, альбо прамяністай энергіяй.

У мінулым інтэнсіўнасць святла, адлюстраваная алюмінаметрам, вызначалася яркасцю, але спектр росту раслін змяняецца з-за вышыні свяцільніка адносна расліны, асвятлення і таго, ці можа святло праходзіць праз лісце. Таму выкарыстанне пар як паказчыка інтэнсіўнасці святла пры вывучэнні фотасінтэзу недакладнае.

Як правіла, механізм фотасінтэзу можа быць запушчаны, калі PPFD сонечналюбнай расліны перавышае 50 мкмоль·м-2·с-1, у той час як PPFD ценявой расліны патрабуе ўсяго 20 мкмоль·м-2·с-1. Такім чынам, пры куплі святлодыёдных лямпаў для вырошчвання раслін вы можаце выбраць колькасць святлодыёдных лямпаў, зыходзячы з гэтага эталоннага значэння і тыпу раслін, якія вы саджаеце. Напрыклад, калі PPFD адной святлодыёднай лямпы складае 20 мкмоль·м-2·с-1, для вырошчвання сонечналюбных раслін спатрэбіцца больш за 3 святлодыёдныя лямпы.

Некалькі канструктыўных рашэнняў паўправадніковага асвятлення

Паўправадніковае асвятленне выкарыстоўваецца для росту або пасадкі раслін, і існуе два асноўныя метады апорнай напругі.

• У цяперашні час мадэль пасадкі раслін у памяшканні вельмі папулярная ў Кітаі. Гэтая мадэль мае некалькі характарыстык:

①Роля святлодыёдных лямпаў заключаецца ў забеспячэнні поўнага спектру асвятлення раслін, і сістэма асвятлення павінна забяспечваць усю энергію для асвятлення, а вытворчы кошт адносна высокі;
②Пры праектаванні святлодыёдных лямпаў для вырошчвання раслін неабходна ўлічваць бесперапыннасць і цэласнасць спектру;
③Неабходна эфектыўна кантраляваць час і інтэнсіўнасць асвятлення, напрыклад, даць раслінам адпачыць некалькі гадзін, інтэнсіўнасць апрамянення недастатковая або занадта моцная і г.д.;
④Увесь працэс павінен імітаваць умовы, неабходныя для аптымальнага асяроддзя росту раслін на адкрытым паветры, такія як вільготнасць, тэмпература і канцэнтрацыя CO2.

• Рэжым пасадкі на адкрытым паветры з добрым падмуркам для пасадкі на адкрытым паветры ў цяпліцы. Характарыстыкі гэтай мадэлі:

①Роля святлодыёдных лямпаў заключаецца ў дапаўненні святла. Адна з іх — павялічваць інтэнсіўнасць святла ў сініх і чырвоных зонах пад уздзеяннем сонечнага святла ўдзень, каб спрыяць фотасінтэзу раслін, а другая — кампенсаваць адсутнасць сонечнага святла ўначы, каб спрыяць росту раслін.
②Дадатковае асвятленне павінна ўлічваць стадыю росту расліны, напрыклад, перыяд расады або перыяд цвіцення і плоданашэння.

Такім чынам, дызайн святлодыёдных лямпаў для вырошчвання раслін павінен у першую чаргу мець два асноўныя рэжымы праектавання, а менавіта: кругласутачнае асвятленне (у памяшканні) і дадатковае асвятленне для росту раслін (на вуліцы). Для вырошчвання раслін у памяшканні дызайн святлодыёдных лямпаў павінен улічваць тры аспекты, як паказана на малюнку 4. Немагчыма спакаваць чыпы з трыма асноўнымі колерамі ў пэўнай прапорцыі.

Малюнак 4. Ідэя дызайну з выкарыстаннем святлодыёдных лямпаў для асвятлення раслін у памяшканні для кругласутачнага асвятлення.

Напрыклад, для спектру на стадыі рассадніка, улічваючы, што ён павінен умацаваць рост каранёў і сцеблаў, умацаваць галінаванне лісця, а крыніца святла выкарыстоўваецца ў памяшканні, спектр можна распрацаваць, як паказана на малюнку 5.

Малюнак 5, Спектральныя структуры, прыдатныя для святлодыёднага асвятлення ў памяшканні дзіцячага сада

Што тычыцца праектавання другога тыпу святлодыёдных лямпаў для вырошчвання раслін, то ў асноўным гэта дадае дадатковае святло для садзейнічання вырошчванню раслін у падставе адкрытай цяпліцы. Ідэя дызайну паказана на малюнку 6.

Малюнак 6, Ідэі дызайну вулічных лямпаў для вырошчвання раслін 

Аўтар прапануе большай колькасці кампаній па пасадцы раслін перайсці на другі варыянт выкарыстання святлодыёдных лямпаў для стымулявання росту раслін.

Па-першае, Кітай мае шматгадовы вопыт вырошчвання гародніны ў адкрытым паветры як на поўдні, так і на поўначы. Ён мае добрую аснову тэхналогій вырошчвання гародніны ў цяпліцах і забяспечвае рынак вялікай колькасцю свежых садавіны і гародніны для навакольных гарадоў. Асабліва ў галіне глеба- і вадаправоднай апрацоўкі, а таксама ўгнаенняў, былі атрыманы багатыя вынікі даследаванняў.

Па-другое, такое дадатковае асвятленне можа значна скараціць непатрэбнае спажыванне энергіі і адначасова эфектыўна павялічыць ураджайнасць садавіны і гародніны. Акрамя таго, шырокая геаграфічная прастора Кітая вельмі зручная для прасоўвання.

Як навуковае даследаванне святлодыёднага асвятлення раслін, яно таксама забяспечвае шырэйшую эксперыментальную базу для яго. На мал. 7 паказаны тып святлодыёднай лямпы для вырошчвання раслін, распрацаванай гэтай даследчай групай, якая падыходзіць для вырошчвання ў цяпліцах, а яе спектр паказаны на мал. 8.

Малюнак 7, тып святлодыёднай лямпы для вырошчвання раслін

Малюнак 8, спектр святлодыёднай лямпы для вырошчвання раслін

Згодна з вышэйзгаданымі ідэямі дызайну, даследчая група правяла серыю эксперыментаў, і вынікі эксперыментаў вельмі значныя. Напрыклад, для асвятлення падчас рассадніка арыгінальнай лямпай была люмінесцэнтная лямпа магутнасцю 32 Вт і цыклам рассадніка 40 дзён. Мы прапануем святлодыёдную лямпу магутнасцю 12 Вт, якая скарачае цыкл расады да 30 дзён, эфектыўна зніжае ўплыў тэмпературы лямпаў у рассадным цэху і эканоміць энергаспажыванне кандыцыянера. Таўшчыня, даўжыня і колер расады лепшыя, чым у арыгінальнага рашэння для вырошчвання расады. Для расады звычайных гароднінных культур таксама былі атрыманы добрыя высновы праверкі, якія прыведзены ў наступнай табліцы.

Сярод іх дадатковая светлая група PPFD: 70-80 мкмоль·м-2·с-1, а суадносіны чырвонага і сіняга: 0,6-0,7. Дыяпазон дзённых значэнняў PPFD натуральнай групы складаў 40~800 мкмоль·м-2·с-1, а суадносіны чырвонага і сіняга складала 0,6~1,2. Відаць, што вышэйзгаданыя паказчыкі лепшыя, чым у натуральна вырашчанай расады.

Выснова

У гэтым артыкуле прадстаўлены найноўшыя распрацоўкі ў галіне прымянення святлодыёдных лямпаў для вырошчвання раслін і высветлены некаторыя непаразуменні ў іх выкарыстанні. Нарэшце, прадстаўлены тэхнічныя ідэі і схемы распрацоўкі святлодыёдных лямпаў для вырошчвання раслін. Варта адзначыць, што пры ўсталёўцы і выкарыстанні лямпы неабходна ўлічваць некаторыя фактары, такія як адлегласць паміж лямпай і раслінай, дыяпазон апраменьвання лямпы і тое, як выкарыстоўваць лямпу са звычайнай вадой, угнаеннямі і глебай.

Аўтар: Yi Wang і інш. Крыніца: CNKI