การแนะนำ

แสงมีบทบาทสำคัญในกระบวนการเจริญเติบโตของพืช เป็นปุ๋ยที่ดีที่สุดในการส่งเสริมการดูดซึมคลอโรฟิลล์ของพืชและการดูดซึมคุณสมบัติการเจริญเติบโตของพืชต่างๆ เช่น แคโรทีน อย่างไรก็ตาม ปัจจัยชี้ขาดที่กำหนดการเจริญเติบโตของพืชนั้นเป็นปัจจัยที่ครอบคลุม ไม่เพียงเกี่ยวข้องกับแสงเท่านั้น แต่ยังแยกไม่ออกจากการกำหนดค่าของน้ำ ดิน และปุ๋ย สภาพแวดล้อมในการเจริญเติบโต และการควบคุมทางเทคนิคที่ครอบคลุม

ในช่วงสองหรือสามปีที่ผ่านมา มีรายงานมากมายเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีแสงสว่างเซมิคอนดักเตอร์เกี่ยวกับโรงงานสามมิติหรือการเจริญเติบโตของพืช แต่หลังจากอ่านอย่างละเอียดแล้วกลับมีความรู้สึกไม่สบายใจอยู่เสมอ โดยทั่วไปแล้ว ไม่มีความเข้าใจอย่างแท้จริงว่าแสงควรมีบทบาทอย่างไรในการเจริญเติบโตของพืช

ก่อนอื่น มาทำความเข้าใจสเปกตรัมของดวงอาทิตย์กันก่อน ดังแสดงในรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าสเปกตรัมแสงอาทิตย์เป็นสเปกตรัมต่อเนื่อง โดยสเปกตรัมสีน้ำเงินและสีเขียวจะแรงกว่าสเปกตรัมสีแดง และสเปกตรัมแสงที่มองเห็นมีตั้งแต่ 380 ถึง 780 นาโนเมตร การเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติสัมพันธ์กับความเข้มของสเปกตรัม ตัวอย่างเช่น พืชส่วนใหญ่ในบริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรจะเติบโตได้เร็วมาก และในขณะเดียวกัน ขนาดของการเจริญเติบโตก็ค่อนข้างใหญ่ด้วย แต่ความเข้มสูงของการฉายรังสีจากดวงอาทิตย์ไม่ได้ดีเสมอไป และยังมีระดับการคัดเลือกสำหรับการเจริญเติบโตของสัตว์และพืช

รูปที่ 1 คุณลักษณะของสเปกตรัมแสงอาทิตย์และสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้

ประการที่สอง แผนภาพสเปกตรัมที่สองขององค์ประกอบการดูดซึมที่สำคัญหลายประการของการเจริญเติบโตของพืชแสดงไว้ในรูปที่ 2

รูปที่ 2 สเปกตรัมการดูดซึมของออกซินหลายชนิดในการเจริญเติบโตของพืช

จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่าสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของออกซินสำคัญหลายชนิดที่ส่งผลต่อการเจริญเติบโตของพืชมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นการประยุกต์ใช้ไฟ LED สำหรับการเจริญเติบโตของพืชจึงไม่ใช่เรื่องง่าย แต่มีเป้าหมายมาก ในที่นี้ มีความจำเป็นต้องแนะนำแนวคิดเกี่ยวกับองค์ประกอบการเจริญเติบโตของพืชสังเคราะห์ด้วยแสงที่สำคัญที่สุดสององค์ประกอบ

• คลอโรฟิลล์

คลอโรฟิลล์เป็นหนึ่งในเม็ดสีที่สำคัญที่สุดที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสง มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่สามารถสร้างการสังเคราะห์ด้วยแสงได้ รวมถึงพืชสีเขียว สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินโปรคาริโอต (ไซยาโนแบคทีเรีย) และสาหร่ายยูคาริโอต คลอโรฟิลล์ดูดซับพลังงานจากแสงซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นคาร์โบไฮเดรต

คลอโรฟิลล์ เอ ดูดซับแสงสีแดงเป็นหลัก และคลอโรฟิลล์ บี ดูดซับแสงสีน้ำเงินม่วงเป็นหลัก เพื่อแยกแยะพืชที่ให้ร่มเงาจากพืชที่มีแสงแดดเป็นหลัก อัตราส่วนของคลอโรฟิลล์ บี ต่อ คลอโรฟิลล์ เอ ของพืชที่ให้ร่มเงามีขนาดเล็ก ดังนั้นพืชที่ให้ร่มเงาจึงสามารถใช้แสงสีน้ำเงินได้อย่างมากและปรับให้เข้ากับการเจริญเติบโตในที่ร่มได้ คลอโรฟิลล์เอมีสีเขียวอมฟ้า และคลอโรฟิลล์บีมีสีเขียวอมเหลือง การดูดกลืนแสงที่รุนแรงของคลอโรฟิลล์ เอ และคลอโรฟิลล์ บี มีการดูดซึมที่รุนแรง 2 แบบ ครั้งแรกในบริเวณสีแดงที่มีความยาวคลื่น 630-680 นาโนเมตร และอีกแห่งหนึ่งในบริเวณสีน้ำเงินม่วงที่มีความยาวคลื่น 400-460 นาโนเมตร

• แคโรทีนอยด์

แคโรทีนอยด์เป็นคำทั่วไปสำหรับประเภทของเม็ดสีธรรมชาติที่สำคัญ ซึ่งมักพบในเม็ดสีเหลือง สีส้มแดง หรือสีแดงในสัตว์ พืชชั้นสูง เชื้อรา และสาหร่าย จนถึงขณะนี้ มีการค้นพบแคโรทีนอยด์ตามธรรมชาติมากกว่า 600 ชนิด

การดูดกลืนแสงของแคโรทีนอยด์ครอบคลุมช่วง OD303~505 นาโนเมตร ซึ่งให้สีของอาหารและส่งผลต่อการบริโภคอาหารของร่างกาย ในสาหร่าย พืช และจุลินทรีย์ สีของมันถูกปกคลุมไปด้วยคลอโรฟิลล์และไม่สามารถปรากฏได้ ในเซลล์พืช แคโรทีนอยด์ไม่เพียงแต่ผลิตการดูดซับและถ่ายโอนพลังงานเพื่อช่วยในการสังเคราะห์แสงเท่านั้น แต่ยังมีหน้าที่ปกป้องเซลล์จากการถูกทำลายโดยโมเลกุลออกซิเจนพันธะอิเล็กตรอนเดี่ยวที่น่าตื่นเต้นอีกด้วย

ความเข้าใจผิดทางแนวคิดบางประการ

โดยไม่คำนึงถึงผลการประหยัดพลังงาน การเลือกสรรของแสงและการประสานงานของแสง แสงเซมิคอนดักเตอร์ได้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่ยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตาม จากการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงสองปีที่ผ่านมา เรายังเห็นความเข้าใจผิดมากมายในการออกแบบและการประยุกต์ใช้แสง ซึ่งส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในด้านต่อไปนี้

①ตราบเท่าที่ชิปสีแดงและสีน้ำเงินของความยาวคลื่นบางอย่างรวมกันในอัตราส่วนที่กำหนด พวกมันสามารถนำไปใช้ในการเพาะปลูกพืชได้ ตัวอย่างเช่น อัตราส่วนของสีแดงต่อสีน้ำเงินคือ 4:1, 6:1, 9:1 เป็นต้น บน.

2.ตราบใดที่ยังเป็นแสงสีขาว ก็สามารถเปลี่ยนแสงจากดวงอาทิตย์ได้ เช่น หลอดไฟสีขาวสามหลักที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในญี่ปุ่น เป็นต้น การใช้สเปกตรัมเหล่านี้มีผลบางอย่างต่อการเจริญเติบโตของพืช แต่ผลที่ได้คือ ไม่ดีเท่ากับแหล่งกำเนิดแสงจาก LED

3. ตราบใดที่ PPFD (ความหนาแน่นฟลักซ์ควอนตัมแสง) ซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญของการส่องสว่างถึงดัชนีที่กำหนด เช่น PPFD มากกว่า 200 μmol·m-2·s-1 อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ตัวบ่งชี้นี้ คุณต้องใส่ใจว่าเป็นพืชที่ให้ร่มเงาหรือพืชที่มีแสงแดด คุณต้องค้นหาหรือค้นหาจุดอิ่มตัวของการชดเชยแสงของพืชเหล่านี้ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าจุดชดเชยแสง ในการใช้งานจริง ต้นกล้ามักจะถูกเผาหรือเหี่ยวเฉา ดังนั้นการออกแบบพารามิเตอร์นี้จึงต้องออกแบบตามชนิดของพืช สภาพแวดล้อมในการเจริญเติบโต และเงื่อนไข

ในด้านแรก ตามที่แนะนำไว้ในบทนำ สเปกตรัมที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตของพืชควรเป็นสเปกตรัมต่อเนื่องโดยมีความกว้างของการกระจายที่แน่นอน เห็นได้ชัดว่าไม่เหมาะสมที่จะใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ทำจากชิปความยาวคลื่นเฉพาะสีแดงและสีน้ำเงินที่มีสเปกตรัมแคบมาก (ดังแสดงในรูปที่ 3 (a)) จากการทดลองพบว่าพืชมีแนวโน้มที่จะมีสีเหลือง ก้านใบมีน้ำหนักเบามาก และก้านใบมีความบางมาก

สำหรับหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่มีสีหลักสามสีที่ใช้กันทั่วไปในปีก่อนๆ แม้ว่าจะมีการสังเคราะห์สีขาว แต่สเปกตรัมสีแดง เขียว และน้ำเงินจะถูกแยกออกจากกัน (ดังแสดงในรูปที่ 3(b)) และความกว้างของสเปกตรัมจะแคบมาก ความเข้มสเปกตรัมของชิ้นส่วนต่อเนื่องต่อไปนี้ค่อนข้างอ่อนแอ และพลังงานยังมีค่อนข้างมากเมื่อเทียบกับ LED ซึ่งใช้พลังงานมากกว่า 1.5 ถึง 3 เท่า ดังนั้นเอฟเฟกต์การใช้งานจึงไม่ดีเท่าไฟ LED

รูปที่ 3 ไฟ LED ชิปสีแดงและสีน้ำเงินและสเปกตรัมแสงฟลูออเรสเซนต์สีหลักสามสี

PPFD คือความหนาแน่นฟลักซ์ควอนตัมแสง ซึ่งหมายถึงความหนาแน่นฟลักซ์แสงจากการฉายรังสีที่มีประสิทธิผลของแสงในการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งแสดงถึงจำนวนรวมของควอนตัมแสงที่ตกกระทบบนก้านใบพืชในช่วงความยาวคลื่น 400 ถึง 700 นาโนเมตรต่อหน่วยเวลาและหน่วยพื้นที่ . มีหน่วยเป็น μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1) รังสีที่สังเคราะห์ด้วยแสง (PAR) หมายถึงรังสีดวงอาทิตย์ทั้งหมดที่มีความยาวคลื่นในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตร สามารถแสดงได้ด้วยควอนตัมแสงหรือพลังงานการแผ่รังสี

ในอดีต ความเข้มของแสงที่สะท้อนโดยเครื่องวัดความสว่างคือความสว่าง แต่สเปกตรัมของการเจริญเติบโตของพืชเปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากความสูงของโคมไฟจากต้นไม้ ความครอบคลุมของแสง และแสงสามารถทะลุผ่านใบไม้ได้หรือไม่ ดังนั้นจึงไม่ถูกต้องที่จะใช้พาร์เป็นตัวบ่งชี้ความเข้มของแสงในการศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสง

โดยทั่วไป กลไกการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถเริ่มต้นได้เมื่อ PPFD ของพืชที่ชอบแสงแดดมีขนาดใหญ่กว่า 50 μmol·m-2·s-1 ในขณะที่ PPFD ของพืชที่ให้ร่มเงาต้องการเพียง 20 μmol·m-2·s-1 . ดังนั้น เมื่อซื้อไฟเติบโต LED คุณสามารถเลือกจำนวนไฟเติบโต LED ตามค่าอ้างอิงนี้และประเภทของต้นไม้ที่คุณปลูก ตัวอย่างเช่น หาก PPFD ของหลอดไฟ LED ดวงเดียวคือ 20 μmol·m-2·s-1 จำเป็นต้องใช้หลอดไฟ LED มากกว่า 3 หลอดในการปลูกพืชที่ชอบแสงแดด

โซลูชันการออกแบบต่างๆ ของระบบไฟเซมิคอนดักเตอร์

การให้แสงสว่างแบบเซมิคอนดักเตอร์ใช้สำหรับการเจริญเติบโตหรือการปลูกพืช และมีวิธีอ้างอิงพื้นฐานสองวิธี

• ปัจจุบันรูปแบบการปลูกในร่มกำลังมาแรงมากในประเทศจีน รุ่นนี้มีลักษณะหลายประการ:

บทบาทของไฟ LED คือการให้แสงสว่างแก่โรงงานอย่างเต็มรูปแบบ และจำเป็นต้องมีระบบแสงสว่างเพื่อจ่ายพลังงานแสงสว่างทั้งหมด และต้นทุนการผลิตค่อนข้างสูง
2) การออกแบบไฟ LED เติบโตต้องคำนึงถึงความต่อเนื่องและความสมบูรณ์ของสเปกตรัม
3. จำเป็นต้องควบคุมเวลาแสงและความเข้มของแสงอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น ปล่อยให้พืชพักสักสองสามชั่วโมง ความเข้มของการฉายรังสีไม่เพียงพอหรือแรงเกินไป ฯลฯ
④กระบวนการทั้งหมดจำเป็นต้องเลียนแบบเงื่อนไขที่กำหนดโดยสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตที่เหมาะสมที่สุดของพืชกลางแจ้ง เช่น ความชื้น อุณหภูมิ และความเข้มข้นของ CO2

• โหมดการปลูกกลางแจ้งพร้อมรากฐานการปลูกเรือนกระจกกลางแจ้งที่ดี ลักษณะของรุ่นนี้คือ:

บทบาทของไฟ LED คือการเสริมแสง หนึ่งคือการเพิ่มความเข้มของแสงในพื้นที่สีน้ำเงินและสีแดงภายใต้การฉายรังสีของแสงแดดในระหว่างวันเพื่อส่งเสริมการสังเคราะห์แสงของพืช และอีกอย่างคือการชดเชยเมื่อไม่มีแสงแดดในเวลากลางคืนเพื่อส่งเสริมอัตราการเจริญเติบโตของพืช
②ไฟเสริมจำเป็นต้องพิจารณาว่าพืชอยู่ในระยะการเจริญเติบโตใด เช่น ระยะต้นกล้าหรือระยะออกดอกและติดผล

ดังนั้น การออกแบบไฟปลูกพืช LED ควรมีโหมดการออกแบบพื้นฐานสองโหมดก่อน ได้แก่ ระบบไฟส่องสว่าง 24 ชั่วโมง (ในอาคาร) และไฟเสริมการเจริญเติบโตของพืช (กลางแจ้ง) สำหรับการเพาะปลูกพืชในร่ม การออกแบบไฟเติบโต LED จำเป็นต้องพิจารณาสามด้าน ดังแสดงในรูปที่ 4 ไม่สามารถบรรจุชิปที่มีสีหลักสามสีในสัดส่วนที่แน่นอนได้

รูปที่ 4 แนวคิดการออกแบบการใช้ไฟเสริม LED ของพืชในอาคารเพื่อให้แสงสว่างตลอด 24 ชั่วโมง

ตัวอย่างเช่น สำหรับสเปกตรัมในระยะอนุบาล เมื่อพิจารณาว่าจำเป็นต้องเสริมสร้างการเจริญเติบโตของรากและลำต้น เสริมสร้างการแตกกิ่งก้านของใบ และใช้แหล่งกำเนิดแสงในอาคาร สเปกตรัมสามารถออกแบบได้ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 โครงสร้างสเปกตรัมที่เหมาะสมสำหรับช่วงเรือนเพาะชำ LED ในร่ม

สำหรับการออกแบบไฟเติบโต LED ประเภทที่สองนั้น มุ่งเน้นไปที่โซลูชันการออกแบบการเสริมแสงเพื่อส่งเสริมการปลูกในฐานของเรือนกระจกกลางแจ้งเป็นหลัก แนวคิดการออกแบบแสดงไว้ในรูปที่ 6

รูปที่ 6 แนวคิดการออกแบบไฟส่องสว่างกลางแจ้ง 

ผู้เขียนแนะนำว่าบริษัทปลูกต้นไม้หลายแห่งหันมาใช้ทางเลือกที่สองในการใช้ไฟ LED เพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช

ประการแรก การเพาะปลูกเรือนกระจกกลางแจ้งของจีนมีประสบการณ์จำนวนมากและมีประสบการณ์มากมายหลายทศวรรษ ทั้งในภาคใต้และภาคเหนือ มีรากฐานที่ดีของเทคโนโลยีการเพาะปลูกเรือนกระจกและมีผักและผลไม้สดจำนวนมากในตลาดสำหรับเมืองโดยรอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านดิน น้ำ และการปลูกปุ๋ย มีผลการวิจัยมากมาย

ประการที่สอง โซลูชันแสงเสริมประเภทนี้สามารถลดการใช้พลังงานโดยไม่จำเป็นได้อย่างมาก และในขณะเดียวกันก็สามารถเพิ่มผลผลิตผักและผลไม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ พื้นที่ทางภูมิศาสตร์อันกว้างใหญ่ของจีนยังสะดวกต่อการส่งเสริมการขายอีกด้วย

จากการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับระบบไฟ LED ของพืช การวิจัยดังกล่าวยังเป็นฐานการทดลองที่กว้างขึ้นอีกด้วย รูปที่ 7 เป็นไฟเติบโต LED ชนิดหนึ่งที่พัฒนาโดยทีมวิจัยนี้ ซึ่งเหมาะสำหรับการปลูกในโรงเรือน และสเปกตรัมจะแสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 7 ไฟ LED ชนิดหนึ่งเติบโต

รูปที่ 8 สเปกตรัมของไฟ LED ชนิดหนึ่ง

ตามแนวคิดการออกแบบข้างต้น ทีมวิจัยได้ทำการทดลองหลายชุด และผลการทดลองมีความสำคัญมาก ตัวอย่างเช่น สำหรับการเจริญเติบโตของแสงในช่วงเรือนเพาะชำ หลอดไฟเดิมที่ใช้คือหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่มีกำลังไฟ 32 วัตต์ และวงจรการเพาะเมล็ดคือ 40 วัน เรามีไฟ LED 12 วัตต์ ซึ่งช่วยให้วงจรการเพาะกล้าไม้สั้นลงเหลือ 30 วัน ลดอิทธิพลของอุณหภูมิของหลอดไฟในโรงเพาะกล้าไม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยประหยัดพลังงานของเครื่องปรับอากาศ ความหนา ความยาว และสีของต้นกล้าจะดีกว่าสารละลายการเพาะต้นกล้าแบบเดิม ส่วนต้นกล้าผักทั่วไปก็ได้รับผลการตรวจสอบที่ดีเช่นกัน โดยมีสรุปไว้ในตารางต่อไปนี้

หนึ่งในนั้นคือกลุ่มแสงเสริม PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 และอัตราส่วนสีแดง-น้ำเงิน: 0.6-0.7 ช่วงของค่า PPFD ในเวลากลางวันของกลุ่มธรรมชาติคือ 40~800 μmol·m-2·s-1 และอัตราส่วนของสีแดงต่อสีน้ำเงินคือ 0.6~1.2 จะเห็นได้ว่าตัวชี้วัดข้างต้นดีกว่าต้นกล้าที่ปลูกตามธรรมชาติ

บทสรุป

บทความนี้จะแนะนำการพัฒนาล่าสุดในการใช้ไฟ LED เติบโตในการเพาะปลูกพืช และชี้ให้เห็นความเข้าใจผิดบางประการในการใช้ไฟ LED เติบโตในการเพาะปลูกพืช ในที่สุด ได้มีการนำเสนอแนวคิดและแผนทางเทคนิคสำหรับการพัฒนาไฟเติบโต LED ที่ใช้สำหรับการเพาะปลูกพืช ควรชี้ให้เห็นว่ายังมีปัจจัยบางประการที่ต้องพิจารณาในการติดตั้งและการใช้แสง เช่น ระยะห่างระหว่างแสงกับต้นไม้ ระยะการฉายรังสีของหลอดไฟ และวิธีใช้แสงร่วมกับ น้ำปกติ ปุ๋ย และดิน

ผู้แต่ง: ยี่ หวัง และคณะ ที่มา: CNKI