مقدمة

يلعب الضوء دورًا رئيسيًا في عملية نمو النبات.إنه أفضل سماد لتعزيز امتصاص نبات الكلوروفيل وامتصاص صفات نمو النبات المختلفة مثل الكاروتين.ومع ذلك ، فإن العامل الحاسم الذي يحدد نمو النباتات هو عامل شامل ، لا يتعلق فقط بالضوء ، ولكن أيضًا لا ينفصل عن تكوين الماء والتربة والأسمدة وظروف بيئة النمو والتحكم الفني الشامل.

في العامين أو الثلاثة أعوام الماضية ، كانت هناك تقارير لا حصر لها حول تطبيق تكنولوجيا إضاءة أشباه الموصلات فيما يتعلق بمصانع النباتات ثلاثية الأبعاد أو نمو النبات.ولكن بعد قراءتها بعناية ، هناك دائمًا شعور بعدم الارتياح.بشكل عام ، لا يوجد فهم حقيقي للدور الذي يجب أن يلعبه الضوء في نمو النبات.

أولاً ، دعنا نفهم طيف الشمس ، كما هو موضح في الشكل 1. يمكن ملاحظة أن الطيف الشمسي هو طيف مستمر ، حيث يكون الطيف الأزرق والأخضر أقوى من الطيف الأحمر ، ويتراوح طيف الضوء المرئي من 380 إلى 780 نانومتر.يرتبط نمو الكائنات الحية في الطبيعة بكثافة الطيف.على سبيل المثال ، تنمو معظم النباتات في المنطقة القريبة من خط الاستواء بسرعة كبيرة ، وفي نفس الوقت ، يكون حجم نموها كبيرًا نسبيًا.لكن الشدة العالية لإشعاع الشمس ليست دائمًا هي الأفضل ، وهناك درجة معينة من الانتقائية لنمو الحيوانات والنباتات.

الشكل 1 ، خصائص الطيف الشمسي وطيف الضوء المرئي

ثانيًا ، يظهر الرسم التخطيطي للطيف الثاني للعديد من عناصر الامتصاص الرئيسية لنمو النبات في الشكل 2.

الشكل 2 ، أطياف الامتصاص للعديد من الأكسينات في نمو النبات

يمكن أن نرى من الشكل 2 أن أطياف امتصاص الضوء للعديد من الأكسينات الرئيسية التي تؤثر على نمو النبات تختلف اختلافًا كبيرًا.لذلك ، فإن تطبيق مصابيح نمو النبات LED ليس بالأمر البسيط ، ولكنه مستهدف للغاية.من الضروري هنا تقديم مفاهيم أهم عنصرين لنمو نبات التمثيل الضوئي.

• الكلوروفيل

يعتبر الكلوروفيل أحد أهم الأصباغ المتعلقة بعملية التمثيل الضوئي.إنه موجود في جميع الكائنات الحية التي يمكن أن تخلق عملية التمثيل الضوئي ، بما في ذلك النباتات الخضراء ، والطحالب الخضراء المزرقة بدائية النواة (البكتيريا الزرقاء) والطحالب حقيقية النواة.يمتص الكلوروفيل الطاقة من الضوء ، والتي تستخدم بعد ذلك لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات.

يمتص الكلوروفيل أ الضوء الأحمر بشكل أساسي ، ويمتص الكلوروفيل ب الضوء الأزرق البنفسجي بشكل أساسي ، وذلك لتمييز نباتات الظل عن نباتات الشمس.نسبة الكلوروفيل ب إلى الكلوروفيل أ في نباتات الظل صغيرة ، لذلك يمكن لنباتات الظل استخدام الضوء الأزرق بقوة والتكيف مع النمو في الظل.الكلوروفيل أ أخضر مزرق ، والكلوروفيل ب أصفر-أخضر.هناك نوعان من الامتصاص القوي للكلوروفيل أ والكلوروفيل ب ، أحدهما في المنطقة الحمراء بطول موجي 630-680 نانومتر ، والآخر في المنطقة الزرقاء البنفسجية بطول موجي 400-460 نانومتر.

• الكاروتينات

الكاروتينات هي المصطلح العام لفئة من الأصباغ الطبيعية المهمة ، والتي توجد عادة في أصباغ صفراء أو برتقالية حمراء أو حمراء في الحيوانات والنباتات العليا والفطريات والطحالب.حتى الآن ، تم اكتشاف أكثر من 600 كاروتينات طبيعية.

يغطي امتصاص الضوء من الكاروتينات نطاق OD303 ~ 505 نانومتر ، مما يوفر لون الطعام ويؤثر على تناول الجسم للطعام.في الطحالب والنباتات والكائنات الحية الدقيقة ، يكون لونها مغطى بالكلوروفيل ولا يمكن أن يظهر.في الخلايا النباتية ، لا تنتج الكاروتينات الطاقة فقط لامتصاص ونقل الطاقة للمساعدة في التمثيل الضوئي ، ولكن لها أيضًا وظيفة حماية الخلايا من التدمير بواسطة جزيئات أكسجين الرابطة الإلكترونية المفردة.

بعض سوء الفهم المفاهيمي

بغض النظر عن تأثير توفير الطاقة ، فقد أظهرت انتقائية الضوء وتنسيق الضوء ، وإضاءة أشباه الموصلات مزايا رائعة.ومع ذلك ، من التطور السريع في العامين الماضيين ، رأينا أيضًا الكثير من سوء الفهم في تصميم وتطبيق الضوء ، والتي تنعكس بشكل أساسي في الجوانب التالية.

① طالما تم دمج الرقائق الحمراء والزرقاء ذات طول موجي معين في نسبة معينة ، فيمكن استخدامها في زراعة النباتات ، على سبيل المثال ، تكون نسبة الأحمر إلى الأزرق 4: 1 ، 6: 1 ، 9: 1 وهكذا على.

② طالما أنه ضوء أبيض ، يمكنه أن يحل محل ضوء الشمس ، مثل أنبوب الضوء الأبيض الثلاثي الأساسي المستخدم على نطاق واسع في اليابان ، وما إلى ذلك. استخدام هذه الأطياف له تأثير معين على نمو النباتات ، ولكن التأثير هو ليست جيدة مثل مصدر الضوء الذي أدلى به LED.

③ طالما أن PPFD (كثافة التدفق الكمي الخفيف) ، وهي معلمة مهمة للإضاءة ، تصل إلى مؤشر معين ، على سبيل المثال ، PPFD أكبر من 200 ميكرولتر · م -2 · ث -1.ومع ذلك ، عند استخدام هذا المؤشر ، يجب الانتباه إلى ما إذا كان نبات الظل أو نبات الشمس.تحتاج إلى الاستعلام أو العثور على نقطة تشبع تعويض الضوء لهذه النباتات ، والتي تسمى أيضًا نقطة تعويض الضوء.في التطبيقات الفعلية ، غالبًا ما يتم حرق الشتلات أو ذبلها.لذلك ، يجب تصميم هذه المعلمة وفقًا لأنواع النباتات وبيئة النمو وظروفه.

فيما يتعلق بالجانب الأول ، كما تم تقديمه في المقدمة ، يجب أن يكون الطيف المطلوب لنمو النبات طيفًا مستمرًا بعرض توزيع معين.من الواضح أنه من غير المناسب استخدام مصدر ضوء مصنوع من شريحتين محددتين بطول موجة من الأحمر والأزرق مع طيف ضيق للغاية (كما هو موضح في الشكل 3 (أ)).في التجارب ، وجد أن النباتات تميل إلى أن تكون صفراء ، وسيقان الأوراق خفيفة جدًا ، وسيقانها رقيقة جدًا.

بالنسبة للأنابيب الفلورية ذات الثلاثة ألوان الأساسية المستخدمة بشكل شائع في السنوات السابقة ، على الرغم من تصنيع الأبيض ، يتم فصل أطياف الأحمر والأخضر والأزرق (كما هو موضح في الشكل 3 (ب)) ، ويكون عرض الطيف ضيقًا جدًا.شدة الطيف للجزء المستمر التالي ضعيفة نسبيًا ، ولا تزال الطاقة كبيرة نسبيًا مقارنة بمصابيح LED ، 1.5 إلى 3 أضعاف استهلاك الطاقة.لذلك ، فإن تأثير الاستخدام ليس جيدًا مثل مصابيح LED.

الشكل 3 ، ضوء مصنع الصمام الأحمر والأزرق رقاقة وثلاثة طيف ضوء الفلورسنت اللون الأساسي

PPFD هي كثافة التدفق الكمي الخفيف ، والتي تشير إلى كثافة تدفق الضوء الإشعاعي الفعال للضوء في عملية التمثيل الضوئي ، والتي تمثل العدد الإجمالي للكميات الضوئية الواقعة على سيقان أوراق النبات في نطاق الطول الموجي من 400 إلى 700 نانومتر لكل وحدة زمنية ووحدة مساحة .وحدتها هي μE · m-2 · s-1 (μmol · m-2 · s-1).يشير الإشعاع النشط ضوئيًا (PAR) إلى إجمالي الإشعاع الشمسي بطول موجي في حدود 400 إلى 700 نانومتر.يمكن التعبير عنها إما بالكميات الضوئية أو بالطاقة المشعة.

في الماضي ، كانت شدة الضوء المنعكسة بواسطة مقياس الإضاءة عبارة عن سطوع ، لكن طيف نمو النبات يتغير بسبب ارتفاع تركيبات الإضاءة من النبات ، وتغطية الضوء وما إذا كان الضوء يمكن أن يمر عبر الأوراق.لذلك ، ليس من الدقة استخدام التكافؤ كمؤشر على شدة الضوء في دراسة التمثيل الضوئي.

بشكل عام ، يمكن بدء آلية التمثيل الضوئي عندما يكون PPFD للنبات المحب للشمس أكبر من 50 ميكرولتر · م -2 · ث -1 ، بينما يحتاج PPFD للنبات الظليلة فقط 20 ميكرولتر · م -2 · ث -1 .لذلك ، عند شراء مصابيح نمو LED ، يمكنك اختيار عدد مصابيح نمو LED بناءً على هذه القيمة المرجعية ونوع النباتات التي تزرعها.على سبيل المثال ، إذا كان PPFD لمصباح LED واحد هو 20 ميكرولتر · م -2 · ث -1 ، يلزم وجود أكثر من 3 لمبات نباتية LED لزراعة النباتات المحبة للشمس.

العديد من حلول التصميم لإضاءة أشباه الموصلات

تُستخدم إضاءة أشباه الموصلات لنمو النبات أو الزراعة ، وهناك طريقتان مرجعيتان أساسيتان.

• في الوقت الحاضر ، يعتبر نموذج الزراعة الداخلية شديد الحرارة في الصين.هذا النموذج له عدة خصائص:

يتمثل دور مصابيح LED في توفير مجموعة كاملة من إضاءة المصنع ، ونظام الإضاءة مطلوب لتوفير كل طاقة الإضاءة ، وتكلفة الإنتاج مرتفعة نسبيًا ؛
يحتاج تصميم مصابيح النمو LED إلى مراعاة استمرارية وسلامة الطيف ؛
③ من الضروري التحكم بشكل فعال في وقت الإضاءة وكثافة الإضاءة ، مثل ترك النباتات ترتاح لبضع ساعات ، وشدة الإشعاع ليست كافية أو قوية للغاية ، وما إلى ذلك ؛
تحتاج العملية برمتها إلى محاكاة الظروف التي تتطلبها بيئة النمو الأمثل الفعلية للنباتات في الهواء الطلق ، مثل الرطوبة ودرجة الحرارة وتركيز ثاني أكسيد الكربون.

• وضع الزراعة في الهواء الطلق مع أساس جيد لزراعة الدفيئة في الهواء الطلق.خصائص هذا النموذج هي:

دور مصابيح LED هو تكملة الضوء.أحدهما هو تعزيز شدة الضوء في المناطق الزرقاء والحمراء تحت إشعاع ضوء الشمس خلال النهار لتعزيز التمثيل الضوئي للنباتات ، والآخر هو التعويض في حالة عدم وجود ضوء الشمس في الليل لتعزيز معدل نمو النبات.
يحتاج الضوء الإضافي إلى مراعاة مرحلة النمو التي يمر بها النبات ، مثل فترة الشتلات أو فترة الإزهار والإثمار.

لذلك ، يجب أن يكون لتصميم مصابيح نمو النبات LED وضعان أساسيان للتصميم ، وهما الإضاءة 24 ساعة (الداخلية) والإضاءة التكميلية لنمو النبات (في الهواء الطلق).لزراعة النباتات الداخلية ، يحتاج تصميم مصابيح نمو LED إلى مراعاة ثلاثة جوانب ، كما هو موضح في الشكل 4. لا يمكن تغليف الرقائق بثلاثة ألوان أساسية في نسبة معينة.

الشكل 4 ، فكرة تصميم استخدام مصابيح LED الداخلية الداعمة لإضاءة 24 ساعة

على سبيل المثال ، بالنسبة لطيف في مرحلة الحضانة ، مع الأخذ في الاعتبار أنه يحتاج إلى تعزيز نمو الجذور والسيقان ، وتقوية تفرع الأوراق ، ويستخدم مصدر الضوء في الداخل ، يمكن تصميم الطيف كما هو موضح في الشكل 5.

الشكل 5 ، الهياكل الطيفية المناسبة لفترة الحضانة الداخلية LED

لتصميم النوع الثاني من ضوء النمو LED ، فإنه يهدف بشكل أساسي إلى حل التصميم لتكملة الضوء لتعزيز الزراعة في قاعدة الدفيئة الخارجية.تظهر فكرة التصميم في الشكل 6.

الشكل 6 ، أفكار تصميم تنمو الأضواء في الهواء الطلق 

يقترح المؤلف أن المزيد من شركات الزراعة تتبنى الخيار الثاني لاستخدام مصابيح LED لتعزيز نمو النبات.

بادئ ذي بدء ، تتمتع زراعة الدفيئة في الهواء الطلق في الصين بكميات كبيرة من العقود ومجموعة واسعة من الخبرة ، في كل من الجنوب والشمال.لديها أساس جيد لتكنولوجيا زراعة الدفيئة وتوفر عددًا كبيرًا من الفواكه والخضروات الطازجة في السوق للمدن المحيطة.تم إجراء نتائج بحث ثرية خاصة في مجال زراعة التربة والمياه والأسمدة.

ثانيًا ، يمكن لهذا النوع من محلول الإضاءة التكميلي أن يقلل بشكل كبير من الاستهلاك غير الضروري للطاقة ، وفي نفس الوقت يمكن أن يزيد بشكل فعال من محصول الفاكهة والخضروات.بالإضافة إلى ذلك ، فإن المنطقة الجغرافية الشاسعة للصين ملائمة جدًا للترقية.

باعتباره البحث العلمي لإضاءة مصنع LED ، فإنه يوفر أيضًا قاعدة تجريبية أوسع له.الشكل 7 هو نوع من ضوء نمو LED الذي طوره فريق البحث هذا ، وهو مناسب للنمو في البيوت الزجاجية ، ويظهر طيفه في الشكل 8.

الشكل 7 ، نوع من LED ينمو الضوء

الشكل 8 ، طيف من نوع LED ينمو الضوء

وفقًا لأفكار التصميم أعلاه ، أجرى فريق البحث سلسلة من التجارب ، وكانت النتائج التجريبية مهمة جدًا.على سبيل المثال ، بالنسبة للضوء أثناء الحضانة ، فإن المصباح الأصلي المستخدم هو مصباح فلورسنت بقوة 32 واط ودورة حضانة لمدة 40 يومًا.نحن نقدم مصباح 12 W LED ، والذي يقصر دورة الشتلات إلى 30 يومًا ، ويقلل بشكل فعال من تأثير درجة حرارة المصابيح في ورشة الشتلات ، ويوفر استهلاك الطاقة لمكيف الهواء.سمك وطول ولون الشتلات أفضل من محلول تربية الشتلات الأصلي.بالنسبة لشتلات الخضروات الشائعة ، تم أيضًا الحصول على استنتاجات تحقق جيدة ، والتي تم تلخيصها في الجدول التالي.

من بينها ، مجموعة الضوء التكميلية PPFD: 70-80 ميكرولتر · م -2 · ث -1 ، ونسبة الأحمر والأزرق: 0.6-0.7.كان نطاق قيمة PPFD النهاري للمجموعة الطبيعية 40 ~ 800 ميكرولتر م 2 · ث -1 ، وكانت نسبة الأحمر إلى الأزرق 0.6 ~ 1.2.يمكن ملاحظة أن المؤشرات المذكورة أعلاه أفضل من تلك الخاصة بالشتلات المزروعة بشكل طبيعي.

خاتمة

تقدم هذه المقالة أحدث التطورات في تطبيق مصابيح LED تنمو في زراعة النباتات ، وتشير إلى بعض سوء الفهم في تطبيق LED تنمو ضوء في زراعة النباتات.أخيرًا ، يتم تقديم الأفكار والمخططات التقنية لتطوير مصابيح LED المستخدمة في زراعة النباتات.وتجدر الإشارة إلى أن هناك أيضًا بعض العوامل التي يجب مراعاتها عند تركيب واستخدام الضوء ، مثل المسافة بين الضوء والنبات ، ونطاق إشعاع المصباح ، وكيفية تطبيق الضوء باستخدام الماء العادي والأسمدة والتربة.

المؤلف: يي وانغ وآخرون.المصدر: CNKI