Enkonduko

Lumo ludas ŝlosilan rolon en la procezo de plantkreskado. Ĝi estas la plej bona sterko por antaŭenigi la sorbadon de planta klorofilo kaj la sorbadon de diversaj plantkreskaj kvalitoj kiel karoteno. Tamen, la decida faktoro, kiu determinas la kreskon de plantoj, estas ampleksa faktoro, ne nur rilata al lumo, sed ankaŭ neapartigebla de la konfiguracio de akvo, grundo kaj sterko, kreskomediaj kondiĉoj kaj ampleksa teknika kontrolo.

Dum la pasintaj du aŭ tri jaroj, senfinaj raportoj aperis pri la apliko de duonkonduktaĵa lumteknologio rilate al tridimensiaj plantfabrikoj aŭ plantkreskado. Sed post atenta legado, ĉiam ekzistas ia malkomforta sento. Ĝenerale parolante, ne ekzistas vera kompreno pri kia rolo lumo devus ludi en plantkreskado.

Unue, ni komprenu la spektron de la suno, kiel montrite en Figuro 1. Videblas, ke la suna spektro estas kontinua spektro, en kiu la blua kaj verda spektroj estas pli fortaj ol la ruĝa spektro, kaj la videbla lumspektro varias de 380 ĝis 780 nm. La kresko de organismoj en la naturo rilatas al la intenseco de la spektro. Ekzemple, plej multaj plantoj en la regiono proksime al la ekvatoro kreskas tre rapide, kaj samtempe, la grandeco de ilia kresko estas relative granda. Sed la alta intenseco de la suna radiado ne ĉiam estas pli bona, kaj ekzistas certa grado de selektiveco por la kresko de bestoj kaj plantoj.

Figuro 1, La karakterizaĵoj de la suna spektro kaj ĝia videbla lumspektro

Due, la dua spektra diagramo de pluraj ŝlosilaj sorbaj elementoj de plantkresko estas montrita en Figuro 2.

Figuro 2, Sorbaj spektroj de pluraj aŭksinoj en plantkresko

El Figuro 2 videblas, ke la lumsorbaj spektroj de pluraj ŝlosilaj aŭksinoj, kiuj influas plantkreskon, estas signife malsamaj. Tial, la apliko de LED-plantokreskaj lumoj ne estas simpla afero, sed tre celita. Ĉi tie necesas enkonduki la konceptojn pri la du plej gravaj fotosintezaj plantkreskaj elementoj.

• Klorofilo

Klorofilo estas unu el la plej gravaj pigmentoj rilataj al fotosintezo. Ĝi ekzistas en ĉiuj organismoj, kiuj povas krei fotosintezon, inkluzive de verdaj plantoj, prokariotaj bluverdaj algoj (cianobakterioj) kaj eŭkariotaj algoj. Klorofilo absorbas energion de lumo, kiu poste estas uzata por konverti karbondioksidon en karbonhidratojn.

Klorofilo a ĉefe sorbas ruĝan lumon, kaj klorofilo b ĉefe sorbas bluviolan lumon, ĉefe por distingi ombroplantojn de sunplantoj. La proporcio de klorofilo b al klorofilo a de ombroplantoj estas malgranda, do ombroplantoj povas forte uzi bluan lumon kaj adaptiĝi al kreskado en ombro. Klorofilo a estas bluverda, kaj klorofilo b estas flavverda. Ekzistas du fortaj sorboj de klorofilo a kaj klorofilo b, unu en la ruĝa regiono kun ondolongo de 630-680 nm, kaj la alia en la bluviola regiono kun ondolongo de 400-460 nm.

• Karotenoidoj

Karotenoidoj estas la ĝenerala termino por klaso de gravaj naturaj pigmentoj, kiuj ofte troviĝas en flavaj, oranĝruĝaj aŭ ruĝaj pigmentoj en bestoj, pli altaj plantoj, fungoj kaj algoj. Ĝis nun, pli ol 600 naturaj karotenoidoj estis malkovritaj.

La lumsorbo de karotenoidoj kovras la gamon de OD303~505 nm, kiu provizas la koloron de manĝaĵoj kaj influas la korpokonsumon. Ĉe algoj, plantoj kaj mikroorganismoj, ĝia koloro estas kovrita de klorofilo kaj ne povas aperi. En plantĉeloj, la produktitaj karotenoidoj ne nur absorbas kaj transdonas energion por helpi fotosintezon, sed ankaŭ havas la funkcion protekti ĉelojn kontraŭ detruo fare de ekscititaj oksigenmolekuloj kun unu-elektrona ligo.

Kelkaj koncipaj miskomprenoj

Sendepende de la energiŝpara efiko, la selektiveco de lumo kaj la kunordigo de lumo, duonkondukta lumigado montris grandajn avantaĝojn. Tamen, pro la rapida disvolviĝo de la pasintaj du jaroj, ni ankaŭ vidis multajn miskomprenojn en la projektado kaj apliko de lumo, kiuj ĉefe speguliĝas en la jenaj aspektoj.

①Kondiĉe ke la ruĝaj kaj bluaj ĉipoj de certa ondolongo estas kombinitaj en certa proporcio, ili povas esti uzataj en plantkultivado, ekzemple, la proporcio de ruĝa al blua estas 4:1, 6:1, 9:1 kaj tiel plu.

② Dum ĝi estas blanka lumo, ĝi povas anstataŭigi la sunlumon, kiel ekzemple la tri-primara blanka lumtubo vaste uzata en Japanio, ktp. La uzo de ĉi tiuj spektroj havas certan efikon sur la kreskon de plantoj, sed la efiko ne estas tiel bona kiel la lumfonto farita per LED.

③Dum la PPFD (luma kvantuma flua denseco), grava parametro de lumigo, atingas certan indekson, ekzemple, PPFD estas pli granda ol 200 μmol·m-2·s-1. Tamen, uzante ĉi tiun indikilon, oni devas atenti ĉu temas pri ombroplanto aŭ sunplanto. Oni devas demandi aŭ trovi la lumkompensan saturiĝpunkton de ĉi tiuj plantoj, kiu ankaŭ nomiĝas lumkompensa punkto. En faktaj aplikoj, plantidoj ofte bruliĝas aŭ velkas. Tial, la dezajno de ĉi tiu parametro devas esti desegnita laŭ la plantspecio, kreskomedio kaj kondiĉoj.

Rilate al la unua aspekto, kiel enkondukite en la enkonduko, la spektro bezonata por plantkresko devus esti kontinua spektro kun certa distribua larĝo. Estas evidente malkonvene uzi lumfonton faritan el du specifaj ondolongaj pecetoj de ruĝa kaj blua kun tre mallarĝa spektro (kiel montrite en Figuro 3(a)). En eksperimentoj, oni trovis, ke plantoj emas esti flavecaj, la foliaj tigoj estas tre helaj, kaj la foliaj tigoj estas tre maldikaj.

Ĉe fluoreskaj tuboj kun tri primaraj koloroj ofte uzataj en antaŭaj jaroj, kvankam blanka estas sintezita, la ruĝaj, verdaj kaj bluaj spektroj estas apartigitaj (kiel montrite en Figuro 3(b)), kaj la larĝo de la spektro estas tre mallarĝa. La spektra intenseco de la sekva kontinua parto estas relative malforta, kaj la potenco estas ankoraŭ relative granda kompare kun LED-oj, 1,5 ĝis 3-oble pli granda ol la energikonsumo. Tial, la uzefiko ne estas tiel bona kiel tiu de LED-lumoj.

Figuro 3, Ruĝa kaj blua LED-fabriklumo kaj tri-primara kolora fluoreska lumspektro

PPFD estas la lumkvanta fluksdenseco, kiu rilatas al la efektiva radiada lumfluksdenseco de lumo en fotosintezo, kiu reprezentas la tutan nombron da lumkvantoj incidaj sur plantfoliotigoj en la ondolongo-intervalo de 400 ĝis 700 nm por unuo de tempo kaj unuo de areo. Ĝia unuo estas μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). La fotosinteze aktiva radiado (PAR) rilatas al la tuta suna radiado kun ondolongo en la intervalo de 400 ĝis 700 nm. Ĝi povas esti esprimita aŭ per lumkvantoj aŭ per radianta energio.

Antaŭe, la lumintenseco reflektita de la iluminometro estis brileco, sed la spektro de plantkresko ŝanĝiĝas pro la alteco de la lumigilo de la planto, la lumkovro kaj ĉu la lumo povas trapasi la foliojn. Tial, ne estas precize uzi paron kiel indikilon de lumintenseco en la studo de fotosintezo.

Ĝenerale, la fotosinteza mekanismo povas esti komencita kiam la PPFD de la sun-ama planto estas pli granda ol 50 μmol·m-2·s-1, dum la PPFD de la ombra planto bezonas nur 20 μmol·m-2·s-1. Tial, aĉetante LED-kreskigajn lampojn, vi povas elekti la nombron de LED-kreskigaj lampoj surbaze de ĉi tiu referenca valoro kaj la tipo de plantoj, kiujn vi plantas. Ekzemple, se la PPFD de unuopa LED-lampo estas 20 μmol·m-2·s-1, pli ol 3 LED-plantaj ampoloj estas necesaj por kreskigi sun-amantajn plantojn.

Pluraj dezajnaj solvoj de duonkondukta lumigado

Duonkondukta lumigo estas uzata por plantkreskigo aŭ plantado, kaj ekzistas du bazaj referencaj metodoj.

• Nuntempe, la modelo de endoma plantado estas tre populara en Ĉinio. Ĉi tiu modelo havas plurajn karakterizaĵojn:

①La rolo de LED-lumoj estas provizi la plenan spektron de plantlumigo, kaj la lumiga sistemo devas provizi la tutan lumigan energion, kaj la produktokosto estas relative alta;
②La dezajno de LED-kreskigiloj devas konsideri la kontinuecon kaj integrecon de la spektro;
③Necesas efike kontroli la lumtempon kaj lumintensecon, ekzemple lasi la plantojn ripozi dum kelkaj horoj, se la intenseco de la surradiado ne sufiĉas aŭ estas tro forta, ktp.;
④La tuta procezo devas imiti la kondiĉojn postulitajn de la efektiva optimuma kreskomedio de plantoj ekstere, kiel ekzemple humideco, temperaturo kaj CO2-koncentriĝo.

• Subĉiela plantadreĝimo kun bona fundamento por subĉiela forceja plantado. La karakterizaĵoj de ĉi tiu modelo estas:

①La rolo de LED-lumoj estas kompletigi lumon. Unu estas plifortigi la lumintensecon en la bluaj kaj ruĝaj areoj sub la sunluma radiado dumtage por antaŭenigi fotosintezon de plantoj, kaj la alia estas kompensi kiam ne estas sunlumo nokte por antaŭenigi kreskorapidecon de plantoj.
②La suplementa lumo devas konsideri en kiu kreskofazo troviĝas la planto, ekzemple la plantidan periodon aŭ la florantan kaj fruktan periodon.

Tial, la dezajno de LED-plantokreskigaj lampoj unue devus havi du bazajn dezajnreĝimojn, nome, 24-horan lumigadon (endoman) kaj plantokreskigan suplementan lumigadon (eksteran). Por endoma plantkultivado, la dezajno de LED-kreskigaj lampoj devas konsideri tri aspektojn, kiel montrite en Figuro 4. Ne eblas enpaki la blatojn kun tri primaraj koloroj en certa proporcio.

Figuro 4, La dezajna ideo uzi endomajn LED-plantajn akcellumojn por 24-hora lumigado

Ekzemple, por spektro en la infanvarteja stadio, konsiderante ke ĝi bezonas plifortigi la kreskon de radikoj kaj tigoj, plifortigi la branĉiĝon de folioj, kaj la lumfonto estas uzata endome, la spektro povas esti desegnita kiel montrite en Figuro 5.

Figuro 5, Spektraj strukturoj taŭgaj por LED-endoma infanvartejo

Por la dezajno de la dua tipo de LED-kreskiga lumilo, ĝi ĉefe celas la dezajnan solvon de suplementado de lumo por antaŭenigi plantadon en la bazo de subĉiela forcejo. La dezajna ideo estas montrita en Figuro 6.

Figuro 6, Dezajnaj ideoj por subĉielaj kresklumoj 

La aŭtoro sugestas, ke pli da plantadfirmaoj adoptu la duan opcion uzi LED-lumojn por antaŭenigi plantkreskon.

Unue, la subĉiela forcejkultivado de Ĉinio havas jardekojn da granda kaj vasta sperto, kaj en la sudo kaj en la nordo. Ĝi havas bonan bazon pri forcejkultivada teknologio kaj provizas grandan nombron da freŝaj fruktoj kaj legomoj al la merkato por ĉirkaŭaj urboj. Precipe en la kampo de grundo, akvo kaj sterkaĵplantado, riĉaj esplorrezultoj estis atingitaj.

Due, ĉi tiu speco de suplementa lumsolvo povas multe redukti nenecesan energikonsumon, kaj samtempe povas efike pliigi la rikolton de fruktoj kaj legomoj. Krome, la vasta geografia areo de Ĉinio estas tre oportuna por reklamado.

Kiel scienca esplorado pri LED-plantlumigo, ĝi ankaŭ provizas pli larĝan eksperimentan bazon por ĝi. Figuro 7 montras specon de LED-kreskiga lampo evoluigita de ĉi tiu esplorteamo, kiu taŭgas por kreskado en forcejoj, kaj ĝia spektro estas montrita en Figuro 8.

Figuro 7, Speco de LED-kreskiga lampo

Figuro 8, spektro de speco de LED-kreskiga lampo

Laŭ la supre menciitaj dezajnaj ideoj, la esplorteamo faris serion da eksperimentoj, kaj la eksperimentaj rezultoj estas tre signifaj. Ekzemple, por kreskiga lumo dum plantejoj, la originala lampo uzita estas fluoreska lampo kun potenco de 32 W kaj plantiĝeja ciklo de 40 tagoj. Ni provizas 12-W LED-lumon, kiu mallongigas la plantidan ciklon al 30 tagoj, efike reduktas la influon de la temperaturo de la lampoj en la plantida laborejo, kaj ŝparas la energikonsumon de la klimatizilo. La dikeco, longo kaj koloro de la plantidoj estas pli bonaj ol la originala plantida kultiva solvo. Por la plantidoj de ordinaraj legomoj, bonaj konfirmaj konkludoj ankaŭ estis akiritaj, kiuj estas resumitaj en la sekva tabelo.

Inter ili, la suplementa lumgrupo PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, kaj la ruĝ-blua proporcio: 0,6-0,7. La intervalo de la taga PPFD-valoro de la natura grupo estis 40~800 μmol·m-2·s-1, kaj la proporcio de ruĝo al bluo estis 0,6~1,2. Videblas, ke la supraj indikiloj estas pli bonaj ol tiuj de nature kreskigitaj plantidoj.

Konkludo

Ĉi tiu artikolo prezentas la plej novajn evoluojn en la apliko de LED-kresklumoj en plantkultivado, kaj atentigas pri kelkaj miskomprenoj pri la apliko de LED-kresklumoj en plantkultivado. Fine, la teknikaj ideoj kaj skemoj por la disvolviĝo de LED-kresklumoj uzataj por plantkultivado estas prezentitaj. Indas rimarkigi, ke ankaŭ ekzistas kelkaj faktoroj, kiujn oni devas konsideri dum la instalado kaj uzo de la lumo, kiel ekzemple la distanco inter la lumo kaj la planto, la radiada gamo de la lampo, kaj kiel apliki la lumon kun normala akvo, sterko kaj grundo.

Aŭtoro: Yi Wang et al. Fonto: CNKI