การแนะนำ

แสงมีบทบาทสำคัญในกระบวนการเจริญเติบโตของพืช เปรียบเสมือนปุ๋ยที่ดีที่สุดในการส่งเสริมการดูดซึมคลอโรฟิลล์ของพืชและการดูดซึมสารอาหารต่างๆ เช่น แคโรทีน อย่างไรก็ตาม ปัจจัยชี้ขาดที่กำหนดการเจริญเติบโตของพืชนั้นเป็นปัจจัยที่ครอบคลุม ไม่ได้เกี่ยวข้องเฉพาะแสงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการจัดการน้ำ ดิน และปุ๋ย สภาพแวดล้อมในการเจริญเติบโต และการควบคุมทางเทคนิคโดยรวมด้วย

ในช่วงสองหรือสามปีที่ผ่านมา มีรายงานมากมายเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีแสงเซมิคอนดักเตอร์ในโรงงานปลูกพืชสามมิติหรือการเจริญเติบโตของพืช แต่เมื่ออ่านอย่างละเอียดแล้ว ก็มักจะมีความรู้สึกไม่สบายใจอยู่บ้าง โดยทั่วไปแล้ว ยังไม่มีความเข้าใจที่แท้จริงว่าแสงควรมีบทบาทอย่างไรในการเจริญเติบโตของพืช

ก่อนอื่น เรามาทำความเข้าใจสเปกตรัมของแสงอาทิตย์ ดังแสดงในรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าสเปกตรัมของแสงอาทิตย์เป็นสเปกตรัมต่อเนื่อง โดยที่สเปกตรัมสีน้ำเงินและสีเขียวมีความเข้มมากกว่าสเปกตรัมสีแดง และสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้มีช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ 380 ถึง 780 นาโนเมตร การเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติมีความสัมพันธ์กับความเข้มของสเปกตรัม ตัวอย่างเช่น พืชส่วนใหญ่ในบริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรเจริญเติบโตเร็วมาก และในขณะเดียวกัน ขนาดของการเจริญเติบโตก็ค่อนข้างใหญ่ แต่ความเข้มของการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ที่สูงไม่ได้หมายความว่าดีเสมอไป และมีความเหมาะสมในระดับหนึ่งสำหรับการเจริญเติบโตของสัตว์และพืช

รูปที่ 1 ลักษณะของสเปกตรัมแสงอาทิตย์และสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้

ประการที่สอง แผนภาพสเปกตรัมที่สองขององค์ประกอบการดูดซับที่สำคัญหลายประการในการเจริญเติบโตของพืชแสดงอยู่ในรูปที่ 2

รูปที่ 2 สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของฮอร์โมนออกซินหลายชนิดในการเจริญเติบโตของพืช

จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่าสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของฮอร์โมนออกซินที่สำคัญหลายชนิดซึ่งมีผลต่อการเจริญเติบโตของพืชนั้นแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น การประยุกต์ใช้ไฟ LED เพื่อการเจริญเติบโตของพืชจึงไม่ใช่เรื่องง่าย แต่ต้องอาศัยการวางแผนอย่างรอบคอบ ในที่นี้จำเป็นต้องแนะนำแนวคิดขององค์ประกอบสำคัญสองอย่างในการสังเคราะห์แสงเพื่อการเจริญเติบโตของพืช

• คลอโรฟิลล์

คลอโรฟิลล์เป็นรงควัตถุที่สำคัญที่สุดชนิดหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสง พบได้ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ รวมถึงพืชสีเขียว สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินแบบโปรคาริโอต (ไซยาโนแบคทีเรีย) และสาหร่ายแบบยูคาริโอต คลอโรฟิลล์ดูดซับพลังงานจากแสง แล้วนำพลังงานนั้นไปใช้ในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นคาร์โบไฮเดรต

คลอโรฟิลล์เอส่วนใหญ่ดูดซับแสงสีแดง และคลอโรฟิลล์บีส่วนใหญ่ดูดซับแสงสีน้ำเงินม่วง ซึ่งเป็นลักษณะสำคัญในการแยกแยะพืชที่ชอบร่มเงาออกจากพืชที่ชอบแดด อัตราส่วนของคลอโรฟิลล์บีต่อคลอโรฟิลล์เอในพืชที่ชอบร่มเงามีน้อย ดังนั้นพืชที่ชอบร่มเงาจึงสามารถใช้แสงสีน้ำเงินได้อย่างมีประสิทธิภาพและปรับตัวให้เจริญเติบโตในที่ร่มได้ คลอโรฟิลล์เอมีสีเขียวอมน้ำเงิน และคลอโรฟิลล์บีมีสีเขียวอมเหลือง คลอโรฟิลล์เอและคลอโรฟิลล์บีมีการดูดซับแสงที่แรงสองช่วง ช่วงหนึ่งอยู่ในช่วงสีแดงที่มีความยาวคลื่น 630-680 นาโนเมตร และอีกช่วงหนึ่งอยู่ในช่วงสีน้ำเงินม่วงที่มีความยาวคลื่น 400-460 นาโนเมตร

• แคโรทีนอยด์

แคโรทีนอยด์เป็นคำทั่วไปที่ใช้เรียกกลุ่มของรงควัตถุธรรมชาติที่สำคัญ ซึ่งมักพบในสีเหลือง สีส้มแดง หรือสีแดง ในสัตว์ พืชชั้นสูง เชื้อรา และสาหร่าย จนถึงปัจจุบันมีการค้นพบแคโรทีนอยด์ธรรมชาติแล้วมากกว่า 600 ชนิด

การดูดซับแสงของแคโรทีนอยด์ครอบคลุมช่วง OD303~505 นาโนเมตร ซึ่งให้สีแก่อาหารและส่งผลต่อการดูดซึมอาหารของร่างกาย ในสาหร่าย พืช และจุลินทรีย์ สีของแคโรทีนอยด์จะถูกคลอโรฟิลล์บดบังจึงไม่ปรากฏ ในเซลล์พืช แคโรทีนอยด์ที่ผลิตขึ้นไม่เพียงแต่ดูดซับและถ่ายโอนพลังงานเพื่อช่วยในการสังเคราะห์แสงเท่านั้น แต่ยังมีหน้าที่ปกป้องเซลล์จากการถูกทำลายโดยโมเลกุลออกซิเจนที่มีพันธะอิเล็กตรอนเดี่ยวที่ถูกกระตุ้นอีกด้วย

ความเข้าใจผิดบางประการ

ไม่ว่าจะเป็นเรื่องการประหยัดพลังงาน การเลือกปล่อยแสง และการประสานแสง เทคโนโลยีแสงจากเซมิคอนดักเตอร์ได้แสดงให้เห็นถึงข้อดีมากมาย อย่างไรก็ตาม จากการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงสองปีที่ผ่านมา เราก็ได้เห็นความเข้าใจผิดมากมายในการออกแบบและการใช้งานแสง ซึ่งส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในด้านต่อไปนี้

①ตราบใดที่ชิปสีแดงและสีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่นที่กำหนดถูกผสมกันในอัตราส่วนที่แน่นอน ก็สามารถนำไปใช้ในการเพาะปลูกพืชได้ ตัวอย่างเช่น อัตราส่วนของสีแดงต่อสีน้ำเงินคือ 4:1, 6:1, 9:1 เป็นต้น

②ตราบใดที่เป็นแสงสีขาว ก็สามารถใช้แทนแสงอาทิตย์ได้ เช่น หลอดไฟสีขาวสามสีหลักที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในญี่ปุ่น เป็นต้น การใช้สเปกตรัมเหล่านี้มีผลต่อการเจริญเติบโตของพืชในระดับหนึ่ง แต่ผลลัพธ์ก็ไม่ดีเท่าแหล่งกำเนิดแสงที่ทำจาก LED

③ตราบใดที่ค่า PPFD (ความหนาแน่นของฟลักซ์ควอนตัมแสง) ซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญของการให้แสงสว่าง มีค่าถึงระดับที่กำหนด เช่น PPFD มากกว่า 200 μmol·m⁻²·s⁻¹ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ตัวชี้วัดนี้ คุณต้องคำนึงถึงว่าพืชนั้นอยู่ในที่ร่มหรือในที่แดดจัด คุณต้องตรวจสอบหรือค้นหาจุดอิ่มตัวของการชดเชยแสงของพืชเหล่านี้ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าจุดชดเชยแสง ในการใช้งานจริง ต้นกล้ามักจะถูกแดดเผาหรือเหี่ยวเฉา ดังนั้นการออกแบบพารามิเตอร์นี้จึงต้องออกแบบให้เหมาะสมกับชนิดของพืช สภาพแวดล้อมในการเจริญเติบโต และเงื่อนไขต่างๆ

ในส่วนแรก ดังที่ได้กล่าวไว้ในบทนำ สเปกตรัมที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตของพืชควรเป็นสเปกตรัมต่อเนื่องที่มีความกว้างของการกระจายตัวที่แน่นอน เห็นได้ชัดว่าไม่เหมาะสมที่จะใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ทำจากชิปความยาวคลื่นเฉพาะสองชนิดคือสีแดงและสีน้ำเงินที่มีสเปกตรัมแคบมาก (ดังแสดงในรูปที่ 3(a)) จากการทดลองพบว่าพืชมีแนวโน้มที่จะมีสีเหลือง ก้านใบมีสีอ่อนมาก และก้านใบก็บางมาก

สำหรับหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่มีสามสีหลักซึ่งใช้กันทั่วไปในอดีต แม้ว่าสีขาวจะถูกสังเคราะห์ขึ้น แต่สเปกตรัมสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินจะแยกออกจากกัน (ดังแสดงในรูปที่ 3(b)) และความกว้างของสเปกตรัมแคบมาก ความเข้มของสเปกตรัมในส่วนต่อเนื่องถัดไปค่อนข้างอ่อน และการใช้พลังงานยังคงค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับ LED โดยใช้พลังงานมากกว่า 1.5 ถึง 3 เท่า ดังนั้นประสิทธิภาพการใช้งานจึงไม่ดีเท่าหลอดไฟ LED

รูปที่ 3 แสงไฟ LED สีแดงและสีน้ำเงินสำหรับปลูกพืช และสเปกตรัมแสงฟลูออเรสเซนต์สามสีหลัก

PPFD คือความหนาแน่นของฟลักซ์ควอนตัมแสง ซึ่งหมายถึงความหนาแน่นของฟลักซ์แสงที่มีประสิทธิภาพในการสังเคราะห์แสง โดยแสดงถึงจำนวนควอนตัมแสงทั้งหมดที่ตกกระทบลงบนใบและลำต้นของพืชในช่วงความยาวคลื่น 400 ถึง 700 นาโนเมตร ต่อหน่วยเวลาและหน่วยพื้นที่ หน่วยของมันคือ μE·m⁻²·s⁻¹ (μmol·m⁻²·s⁻¹) ส่วนรังสีที่กระตุ้นการสังเคราะห์แสง (PAR) หมายถึงรังสีจากแสงอาทิตย์ทั้งหมดที่มีความยาวคลื่นในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตร สามารถแสดงได้ทั้งในรูปของควอนตัมแสงหรือพลังงานรังสี

ในอดีต ความเข้มของแสงที่สะท้อนจากเครื่องวัดความสว่างถือเป็นค่าความสว่าง แต่สเปกตรัมของแสงที่พืชใช้ในการศึกษาการเจริญเติบโตจะเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากความสูงของโคมไฟจากต้นพืช การครอบคลุมของแสง และการที่แสงสามารถทะลุผ่านใบได้หรือไม่ ดังนั้น การใช้ค่า PAR เป็นตัวบ่งชี้ความเข้มของแสงในการศึกษาการสังเคราะห์แสงจึงไม่ถูกต้องแม่นยำ

โดยทั่วไป กลไกการสังเคราะห์แสงจะเริ่มต้นได้เมื่อค่า PPFD ของพืชที่ชอบแสงแดดมีค่ามากกว่า 50 μmol·m⁻²·s⁻¹ ในขณะที่พืชที่ชอบร่มเงาต้องการค่า PPFD เพียง 20 μmol·m⁻²·s⁻¹ เท่านั้น ดังนั้น เมื่อซื้อไฟปลูกพืช LED คุณสามารถเลือกจำนวนไฟปลูกพืช LED โดยอิงจากค่าอ้างอิงนี้และชนิดของพืชที่คุณปลูก ตัวอย่างเช่น หากค่า PPFD ของไฟ LED หนึ่งดวงคือ 20 μmol·m⁻²·s⁻¹ จะต้องใช้ไฟปลูกพืช LED มากกว่า 3 ดวงเพื่อปลูกพืชที่ชอบแสงแดด

โซลูชันการออกแบบหลายแบบสำหรับระบบไฟส่องสว่างแบบเซมิคอนดักเตอร์

การใช้แสงเซมิคอนดักเตอร์ช่วยในการเจริญเติบโตหรือการปลูกพืช โดยมีวิธีการอ้างอิงพื้นฐานสองวิธี

• ปัจจุบัน รูปแบบการปลูกต้นไม้ในร่มกำลังได้รับความนิยมอย่างมากในประเทศจีน รูปแบบนี้มีลักษณะเด่นหลายประการ:

①บทบาทของไฟ LED คือการให้แสงสว่างครบทุกสเปกตรัมแก่พืช และระบบไฟส่องสว่างจำเป็นต้องจัดหาพลังงานแสงทั้งหมด ซึ่งต้นทุนการผลิตค่อนข้างสูง
②การออกแบบไฟปลูกพืช LED จำเป็นต้องคำนึงถึงความต่อเนื่องและความสมบูรณ์ของสเปกตรัม
③จำเป็นต้องควบคุมระยะเวลาและระดับความเข้มของแสงอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น การปล่อยให้พืชพักสักสองสามชั่วโมง ความเข้มของแสงที่ส่องถึงไม่เพียงพอหรือมากเกินไป เป็นต้น
④กระบวนการทั้งหมดจำเป็นต้องจำลองสภาวะที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตที่เหมาะสมที่สุดของพืชกลางแจ้ง เช่น ความชื้น อุณหภูมิ และความเข้มข้นของ CO2

• รูปแบบการปลูกกลางแจ้ง โดยใช้ฐานรองปลูกในเรือนกระจกกลางแจ้งที่ดี คุณลักษณะของรูปแบบนี้มีดังนี้:

①บทบาทของไฟ LED คือการเสริมแสง ประการแรกคือการเพิ่มความเข้มของแสงในบริเวณสีฟ้าและสีแดงภายใต้แสงแดดในเวลากลางวันเพื่อส่งเสริมการสังเคราะห์แสงของพืช และประการที่สองคือการชดเชยเมื่อไม่มีแสงแดดในเวลากลางคืนเพื่อส่งเสริมอัตราการเจริญเติบโตของพืช
②ควรพิจารณาถึงระยะการเจริญเติบโตของพืชด้วย เช่น ระยะต้นกล้า หรือระยะออกดอกและติดผล

ดังนั้น การออกแบบไฟ LED สำหรับปลูกพืชจึงควรมีโหมดการออกแบบพื้นฐานสองโหมด ได้แก่ การให้แสงสว่างตลอด 24 ชั่วโมง (ในร่ม) และการให้แสงสว่างเสริมเพื่อการเจริญเติบโตของพืช (กลางแจ้ง) สำหรับการปลูกพืชในร่ม การออกแบบไฟ LED สำหรับปลูกพืชจำเป็นต้องพิจารณาสามด้าน ดังแสดงในรูปที่ 4 การบรรจุชิปที่มีสีหลักสามสีในสัดส่วนที่แน่นอนนั้นเป็นไปไม่ได้

ภาพที่ 4 แนวคิดการออกแบบการใช้ไฟ LED เสริมสำหรับปลูกพืชในร่มเพื่อให้แสงสว่างตลอด 24 ชั่วโมง

ตัวอย่างเช่น สำหรับสเปกตรัมในระยะเพาะชำ โดยคำนึงถึงความจำเป็นในการเสริมสร้างการเจริญเติบโตของรากและลำต้น เสริมสร้างการแตกกิ่งก้านของใบ และแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้อยู่ภายในอาคาร สเปกตรัมสามารถออกแบบได้ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 โครงสร้างสเปกตรัมที่เหมาะสมสำหรับช่วงการเพาะชำต้นกล้าในร่มด้วยไฟ LED

สำหรับการออกแบบไฟปลูกพืช LED ประเภทที่สองนั้น มีเป้าหมายหลักอยู่ที่การเสริมแสงเพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืชบริเวณฐานของเรือนกระจกกลางแจ้ง แนวคิดการออกแบบแสดงในรูปที่ 6

ภาพที่ 6 แนวคิดการออกแบบไฟปลูกพืชกลางแจ้ง 

ผู้เขียนแนะนำว่าบริษัทปลูกพืชควรนำตัวเลือกที่สองมาใช้มากขึ้น นั่นคือการใช้ไฟ LED เพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช

ประการแรก การเพาะปลูกพืชในเรือนกระจกกลางแจ้งของจีนมีประสบการณ์มายาวนานหลายทศวรรษ ทั้งในภาคใต้และภาคเหนือ ทำให้มีพื้นฐานเทคโนโลยีการเพาะปลูกในเรือนกระจกที่ดี และสามารถจัดหาผลไม้และผักสดจำนวนมากสู่ตลาดเมืองโดยรอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านดิน น้ำ และปุ๋ยสำหรับการปลูกพืช มีผลการวิจัยที่มากมาย

ประการที่สอง โซลูชันแสงเสริมประเภทนี้สามารถลดการใช้พลังงานที่ไม่จำเป็นได้อย่างมาก และในขณะเดียวกันก็สามารถเพิ่มผลผลิตของผักและผลไม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ พื้นที่ทางภูมิศาสตร์ที่กว้างใหญ่ของจีนยังเอื้ออำนวยต่อการส่งเสริมการใช้งานเป็นอย่างมาก

งานวิจัยทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการให้แสงสว่างแก่พืชด้วย LED ยังเป็นการสร้างฐานการทดลองที่กว้างขึ้นอีกด้วย ภาพที่ 7 แสดงไฟ LED สำหรับปลูกพืชชนิดหนึ่งที่ทีมวิจัยนี้พัฒนาขึ้น ซึ่งเหมาะสำหรับการปลูกในเรือนกระจก และสเปกตรัมของไฟดังกล่าวแสดงอยู่ในภาพที่ 8

ภาพที่ 7 ไฟปลูกพืชแบบ LED ชนิดหนึ่ง

ภาพที่ 8 สเปกตรัมของไฟปลูกพืช LED ชนิดหนึ่ง

จากแนวคิดการออกแบบข้างต้น ทีมวิจัยได้ทำการทดลองหลายชุด และผลการทดลองมีความสำคัญอย่างยิ่ง ตัวอย่างเช่น สำหรับแสงไฟในการเพาะต้นกล้า หลอดไฟเดิมที่ใช้คือหลอดฟลูออเรสเซนต์กำลังไฟ 32 วัตต์ และระยะเวลาการเพาะต้นกล้า 40 วัน แต่เราได้เปลี่ยนมาใช้หลอด LED กำลังไฟ 12 วัตต์ ซึ่งช่วยลดระยะเวลาการเพาะต้นกล้าเหลือเพียง 30 วัน ลดผลกระทบจากอุณหภูมิของหลอดไฟในโรงเพาะต้นกล้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ และประหยัดพลังงานของเครื่องปรับอากาศ ต้นกล้ามีขนาด ความหนา ความยาว และสีที่ดีกว่าวิธีการเพาะต้นกล้าแบบเดิม นอกจากนี้ ยังได้ข้อสรุปที่ดีจากการเพาะต้นกล้าผักทั่วไป ซึ่งสรุปไว้ในตารางต่อไปนี้

ในจำนวนนี้ กลุ่มที่ได้รับแสงเสริมมีค่า PPFD อยู่ที่ 70-80 μmol·m-2·s-1 และอัตราส่วนสีแดงต่อสีน้ำเงินอยู่ที่ 0.6-0.7 ในขณะที่กลุ่มที่เติบโตตามธรรมชาติมีค่า PPFD ในเวลากลางวันอยู่ในช่วง 40-800 μmol·m-2·s-1 และอัตราส่วนสีแดงต่อสีน้ำเงินอยู่ที่ 0.6-1.2 จะเห็นได้ว่าตัวชี้วัดข้างต้นดีกว่าต้นกล้าที่เติบโตตามธรรมชาติ

บทสรุป

บทความนี้แนะนำความก้าวหน้าล่าสุดในการประยุกต์ใช้ไฟ LED สำหรับการปลูกพืช และชี้ให้เห็นถึงความเข้าใจผิดบางประการในการประยุกต์ใช้ไฟ LED สำหรับการปลูกพืช สุดท้ายนี้ จะนำเสนอแนวคิดทางเทคนิคและแผนงานสำหรับการพัฒนาไฟ LED สำหรับการปลูกพืช ควรชี้ให้เห็นว่ายังมีปัจจัยบางประการที่ต้องพิจารณาในการติดตั้งและการใช้งานไฟ เช่น ระยะห่างระหว่างไฟกับพืช ระยะการส่องสว่างของหลอดไฟ และวิธีการใช้ไฟร่วมกับน้ำ ปุ๋ย และดินตามปกติ

ผู้แต่ง: ยี่ หวาง และคณะ ที่มา: CNKI