Zavedení

Světlo hraje klíčovou roli v procesu růstu rostlin. Je to nejlepší hnojivo pro podporu vstřebávání rostlinného chlorofylu a vstřebávání různých růstových vlastností rostlin, jako je karoten. Rozhodujícím faktorem, který určuje růst rostlin, je však komplexní faktor, který se netýká pouze světla, ale je také neoddělitelný od složení vody, půdy a hnojiva, podmínek pěstebního prostředí a komplexní technické kontroly.

V posledních dvou nebo třech letech se objevilo nespočet zpráv o aplikaci polovodičové osvětlovací technologie v oblasti trojrozměrných rostlinných továren nebo růstu rostlin. Po pečlivém přečtení však vždy přetrvává určitý nepříjemný pocit. Obecně řečeno, neexistuje skutečné pochopení toho, jakou roli by světlo mělo hrát v růstu rostlin.

Nejprve si vysvětlíme spektrum Slunce, jak je znázorněno na Obrázku 1. Je vidět, že sluneční spektrum je spojité spektrum, ve kterém jsou modré a zelené spektrum silnější než červené spektrum a spektrum viditelného světla se pohybuje od 380 do 780 nm. Růst organismů v přírodě souvisí s intenzitou spektra. Například většina rostlin v oblasti poblíž rovníku roste velmi rychle a zároveň je jejich velikost relativně velká. Vysoká intenzita slunečního záření však není vždy lepší a existuje určitý stupeň selektivity pro růst živočichů a rostlin.

Obrázek 1, Charakteristiky slunečního spektra a jeho spektra viditelného světla

Za druhé, druhý spektrální diagram několika klíčových absorpčních prvků růstu rostlin je znázorněn na obrázku 2.

Obrázek 2, Absorpční spektra několika auxinů v růstu rostlin

Z obrázku 2 je patrné, že spektra absorpce světla několika klíčových auxinů, které ovlivňují růst rostlin, se výrazně liší. Aplikace LED světel pro růst rostlin proto není jednoduchá záležitost, ale velmi cílená. Zde je nutné představit koncepty dvou nejdůležitějších fotosyntetických prvků růstu rostlin.

• Chlorofyl

Chlorofyl je jedním z nejdůležitějších pigmentů souvisejících s fotosyntézou. Vyskytuje se ve všech organismech, které jsou schopny fotosyntézy, včetně zelených rostlin, prokaryotických modrozelených řas (sinic) a eukaryotických řas. Chlorofyl absorbuje energii ze světla, kterou pak používá k přeměně oxidu uhličitého na sacharidy.

Chlorofyl a absorbuje převážně červené světlo a chlorofyl b absorbuje převážně modrofialové světlo, a to především k rozlišení rostlin ve stínu od rostlin na slunci. Poměr chlorofylu b k chlorofylu a u rostlin ve stínu je malý, takže rostliny ve stínu mohou silně využívat modré světlo a přizpůsobit se růstu ve stínu. Chlorofyl a je modrozelený a chlorofyl b je žlutozelený. Existují dvě silné absorpce chlorofylu a a chlorofylu b, jedna v červené oblasti s vlnovou délkou 630–680 nm a druhá v modrofialové oblasti s vlnovou délkou 400–460 nm.

• Karotenoidy

Karotenoidy jsou obecný termín pro třídu důležitých přírodních pigmentů, které se běžně vyskytují ve žlutých, oranžovočervených nebo červených pigmentech u zvířat, vyšších rostlin, hub a řas. Dosud bylo objeveno více než 600 přírodních karotenoidů.

Absorpce světla karotenoidy pokrývá rozsah OD303~505 nm, což určuje barvu potravin a ovlivňuje příjem potravy tělem. U řas, rostlin a mikroorganismů je jejich barva překryta chlorofylem a nemůže se projevit. V rostlinných buňkách produkované karotenoidy nejen absorbují a přenášejí energii, která napomáhá fotosyntéze, ale také chrání buňky před zničením excitovanými molekulami kyslíku s jednou elektronovou vazbou.

Některá pojmová nedorozumění

Bez ohledu na úsporný efekt, selektivitu světla a koordinaci světla, polovodičové osvětlení vykazuje velké výhody. Nicméně v důsledku rychlého vývoje v posledních dvou letech jsme také svědky mnoha nedorozumění v oblasti návrhu a aplikace osvětlení, které se odrážejí především v následujících aspektech.

①Pokud jsou červené a modré čipy určité vlnové délky kombinovány v určitém poměru, lze je použít při pěstování rostlin, například poměr červené k modré je 4:1, 6:1, 9:1 atd.

②Pokud se jedná o bílé světlo, může nahradit sluneční světlo, například v Japonsku široce používané třízářičové bílé světlovody atd. Použití těchto spekter má určitý vliv na růst rostlin, ale účinek není tak dobrý jako u světelného zdroje vyrobeného LED.

③Dokud PPFD (hustota kvantového toku světla), důležitý parametr osvětlení, dosáhne určité hodnoty, například PPFD je větší než 200 μmol·m-2·s-1. Při použití tohoto indikátoru je však třeba dbát na to, zda se jedná o rostlinu stínící nebo slunečnou. U těchto rostlin je třeba zjistit nebo najít bod nasycení kompenzace světla, který se také nazývá bod kompenzace světla. V reálných aplikacích se sazenice často spálí nebo uschnou. Proto musí být návrh tohoto parametru navržen podle druhu rostliny, prostředí a podmínek růstu.

Pokud jde o první aspekt, jak je uvedeno v úvodu, spektrum potřebné pro růst rostlin by mělo být spojité spektrum s určitou šířkou rozložení. Je zjevně nevhodné používat světelný zdroj složený ze dvou specifických vlnových délek, červené a modré, s velmi úzkým spektrem (jak je znázorněno na obrázku 3(a)). V experimentech bylo zjištěno, že rostliny bývají nažloutlé, listové stonky jsou velmi světlé a listové stonky jsou velmi tenké.

U zářivek se třemi základními barvami běžně používaných v předchozích letech, ačkoli je bílá syntetizována, červené, zelené a modré spektrum jsou odděleny (jak je znázorněno na obrázku 3(b)) a šířka spektra je velmi úzká. Spektrální intenzita následující spojité části je relativně slabá a výkon je stále relativně vysoký ve srovnání s LED diodami, spotřeba energie je 1,5 až 3krát vyšší. Proto není účinnost použití tak dobrá jako u LED světel.

Obrázek 3, Červené a modré LED osvětlení rostlin a spektrum tří základních barev zářivkového světla

PPFD je hustota kvantového toku světla, která se vztahuje k efektivní hustotě světelného toku záření ve fotosyntéze. Ta představuje celkový počet kvant světla dopadajících na stonky listů rostlin v rozsahu vlnových délek 400 až 700 nm za jednotku času a jednotku plochy. Její jednotka je μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Fotosynteticky aktivní záření (PAR) se vztahuje k celkovému slunečnímu záření s vlnovou délkou v rozsahu 400 až 700 nm. Může být vyjádřeno buď kvanty světla, nebo zářivou energií.

V minulosti byla intenzita světla odražená iluminometrem jasem, ale spektrum růstu rostlin se mění v závislosti na výšce svítidla od rostliny, pokrytí světlem a na tom, zda světlo může procházet listy. Proto není přesné používat par jako indikátor intenzity světla při studiu fotosyntézy.

Obecně lze mechanismus fotosyntézy spustit, když je PPFD rostliny milující slunce větší než 50 μmol·m-2·s-1, zatímco PPFD rostliny rostoucí ve stínu potřebuje pouze 20 μmol·m-2·s-1. Proto si při nákupu LED pěstebních světel můžete zvolit počet LED pěstebních světel na základě této referenční hodnoty a typu rostlin, které pěstujete. Například, pokud je PPFD jedné LED žárovky 20 μmol·m-2·s-1, je pro pěstování rostlin milujících slunce potřeba více než 3 LED žárovky.

Několik konstrukčních řešení polovodičového osvětlení

Polovodičové osvětlení se používá pro růst nebo sázení rostlin a existují dvě základní referenční metody.

• V současné době je v Číně velmi populární model pěstování rostlin v interiéru. Tento model má několik charakteristik:

①Úlohou LED světel je poskytovat celé spektrum osvětlení rostlin a osvětlovací systém musí poskytovat veškerou světelnou energii a výrobní náklady jsou relativně vysoké;
②Při návrhu LED pěstebních světel je třeba zohlednit kontinuitu a integritu spektra;
③Je nutné efektivně regulovat dobu a intenzitu osvětlení, například nechat rostliny několik hodin odpočívat, intenzita ozáření není dostatečná nebo příliš silná atd.;
④Celý proces musí napodobovat podmínky požadované skutečným optimálním prostředím pro růst rostlin venku, jako je vlhkost, teplota a koncentrace CO2.

• Režim venkovní výsadby s dobrým základem pro venkovní skleníkové výsadby. Charakteristiky tohoto modelu jsou:

①Úlohou LED světel je doplňovat světlo. Jednou z nich je zesílit intenzitu světla v modrých a červených oblastech pod slunečním zářením během dne, aby se podpořila fotosyntéza rostlin, a druhou je kompenzovat absenci slunečního světla v noci, aby se podpořil růst rostlin.
②Doplňkové osvětlení musí zohledňovat, v jaké fázi růstu se rostlina nachází, například v období sazenic nebo v období květu a plodnosti.

Proto by návrh LED osvětlení pro pěstování rostlin měl mít nejprve dva základní režimy, a to 24hodinové osvětlení (uvnitř) a doplňkové osvětlení pro růst rostlin (venkovní). Pro pěstování rostlin v interiéru je třeba při návrhu LED osvětlení zohlednit tři aspekty, jak je znázorněno na obrázku 4. Není možné zabalit čipy se třemi základními barvami v určitém poměru.

Obrázek 4, Konstrukční myšlenka použití vnitřních LED osvětlení rostlin pro 24hodinové osvětlení

Například pro spektrum ve stádiu pěstování, s ohledem na to, že je třeba posílit růst kořenů a stonků, posílit větvení listů a světelný zdroj se používá v interiéru, lze spektrum navrhnout tak, jak je znázorněno na obrázku 5.

Obrázek 5, Spektrální struktury vhodné pro LED osvětlení interiéru školky

U návrhu druhého typu LED pěstebního světla se klade důraz především na konstrukční řešení doplňkového světla pro podporu výsadby v základně venkovního skleníku. Konstrukční myšlenka je znázorněna na obrázku 6.

Obrázek 6, Designové nápady pro venkovní pěstební světla 

Autor navrhuje, aby více pěstitelských firem přijalo druhou možnost použití LED světel k podpoře růstu rostlin.

V první řadě má Čína s pěstováním ve venkovních sklenících desítky let velké a široké zkušenosti, a to jak na jihu, tak na severu. Má dobrý základ v technologii pěstování ve sklenících a dodává na trh velké množství čerstvého ovoce a zeleniny pro okolní města. Zejména v oblasti půdy, vody a hnojiv byly dosaženy bohaté výzkumné výsledky.

Za druhé, tento druh doplňkového osvětlení může výrazně snížit zbytečnou spotřebu energie a zároveň efektivně zvýšit výnos ovoce a zeleniny. Rozsáhlá zeměpisná oblast Číny je navíc velmi výhodná pro propagaci.

Vědecký výzkum LED osvětlení rostlin poskytuje také širší experimentální základnu. Obr. 7 znázorňuje druh LED pěstebního světla vyvinutého tímto výzkumným týmem, které je vhodné pro pěstování ve sklenících, a jeho spektrum je znázorněno na obr. 8.

Obrázek 7, Druh LED pěstebního světla

Obrázek 8, spektrum druhu LED pěstebního světla

V souladu s výše uvedenými konstrukčními nápady provedl výzkumný tým řadu experimentů a experimentální výsledky jsou velmi významné. Například pro pěstební osvětlení během pěstování se původně používala zářivka s výkonem 32 W a 40denním cyklem pěstování. My jsme použili 12W LED světlo, které zkracuje sazeničí cyklus na 30 dní, účinně snižuje vliv teploty lamp v sazeničárně a šetří spotřebu energie klimatizace. Tloušťka, délka a barva sazenic jsou lepší než u původního řešení pěstování sazenic. U sazenic běžné zeleniny byly také získány dobré ověřovací závěry, které jsou shrnuty v následující tabulce.

Mezi nimi doplňková světelná skupina PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 a poměr červené a modré: 0,6-0,7. Rozsah denních hodnot PPFD přirozené skupiny byl 40~800 μmol·m-2·s-1 a poměr červené a modré byl 0,6~1,2. Je vidět, že výše uvedené ukazatele jsou lepší než u přirozeně pěstovaných sazenic.

Závěr

Tento článek představuje nejnovější vývoj v oblasti aplikace LED pěstebních světel v pěstování rostlin a poukazuje na některé nedorozumění v této oblasti. Nakonec jsou představeny technické nápady a schémata pro vývoj LED pěstebních světel používaných pro pěstování rostlin. Je třeba zdůraznit, že při instalaci a používání světla je třeba zvážit i některé faktory, jako je vzdálenost mezi světlem a rostlinou, dosah záření lampy a způsob aplikace světla s běžnou vodou, hnojivem a půdou.

Autor: Yi Wang a kol. Zdroj: CNKI