การแนะนำ

แสงมีบทบาทสำคัญในกระบวนการเจริญเติบโตของพืชเป็นปุ๋ยที่ดีที่สุดในการส่งเสริมการดูดซึมคลอโรฟิลล์ของพืชและการดูดซึมของการเจริญเติบโตของพืชเช่นแคโรทีนอย่างไรก็ตาม ปัจจัยชี้ขาดที่กำหนดการเจริญเติบโตของพืชเป็นปัจจัยที่ครอบคลุม ไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องกับแสงเท่านั้น แต่ยังแยกออกจากการกำหนดค่าของน้ำ ดิน และปุ๋ย สภาพแวดล้อมการเจริญเติบโต และการควบคุมทางเทคนิคอย่างครอบคลุม

ในช่วงสองหรือสามปีที่ผ่านมา มีรายงานเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีแสงสว่างของเซมิคอนดักเตอร์เกี่ยวกับโรงงานสามมิติหรือการเจริญเติบโตของพืชอย่างไม่สิ้นสุดแต่หลังจากอ่านอย่างถี่ถ้วนก็มีความรู้สึกไม่สบายใจอยู่เสมอโดยทั่วไปแล้ว ไม่มีความเข้าใจอย่างแท้จริงว่าแสงมีบทบาทอย่างไรในการเจริญเติบโตของพืช

ก่อนอื่นมาทำความเข้าใจเกี่ยวกับสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ ดังรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าสเปกตรัมของดวงอาทิตย์เป็นสเปกตรัมต่อเนื่อง ซึ่งสเปกตรัมสีน้ำเงินและสีเขียวจะแรงกว่าสเปกตรัมสีแดง และสเปกตรัมแสงที่มองเห็นมีตั้งแต่ 380 ถึง 780 นาโนเมตรการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติมีความสัมพันธ์กับความเข้มของสเปกตรัมตัวอย่างเช่น พืชส่วนใหญ่ในบริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรจะเติบโตเร็วมาก และในขณะเดียวกัน ขนาดของการเจริญเติบโตก็ค่อนข้างใหญ่แต่การฉายรังสีความเข้มสูงของดวงอาทิตย์ไม่ได้ดีเสมอไป และมีการเลือกสรรในระดับหนึ่งสำหรับการเจริญเติบโตของสัตว์และพืช

รูปที่ 1 ลักษณะของสเปกตรัมแสงอาทิตย์และสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้

ประการที่สอง แผนภาพสเปกตรัมที่สองขององค์ประกอบการดูดซับที่สำคัญหลายอย่างของการเจริญเติบโตของพืชแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 สเปกตรัมการดูดกลืนของออกซินหลายชนิดในการเจริญเติบโตของพืช

ดังจะเห็นได้จากรูปที่ 2 ว่าสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของออกซินหลายตัวที่มีผลต่อการเจริญเติบโตของพืชนั้นแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญดังนั้นการประยุกต์ใช้ไฟ LED การเจริญเติบโตของพืชจึงไม่ใช่เรื่องง่าย แต่มีเป้าหมายอย่างมากที่นี่จำเป็นต้องแนะนำแนวคิดขององค์ประกอบการเจริญเติบโตของพืชสังเคราะห์แสงที่สำคัญที่สุดสององค์ประกอบ

• คลอโรฟิลล์

คลอโรฟิลล์เป็นหนึ่งในสารสีที่สำคัญที่สุดที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสงมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่สามารถสร้างการสังเคราะห์ด้วยแสงได้ รวมถึงพืชสีเขียว สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินโปรคาริโอต (ไซยาโนแบคทีเรีย) และสาหร่ายยูคาริโอตคลอโรฟิลล์ดูดซับพลังงานจากแสง ซึ่งนำไปใช้เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นคาร์โบไฮเดรต

คลอโรฟิลล์ เอ ดูดซับแสงสีแดงเป็นส่วนใหญ่ และคลอโรฟิลล์ บี ดูดซับแสงสีน้ำเงิน-ม่วงเป็นส่วนใหญ่ เพื่อแยกแยะพืชที่ให้ร่มเงาจากพืชที่มีแสงแดดเป็นหลักอัตราส่วนของคลอโรฟิลล์ b ต่อคลอโรฟิลล์ a ของพืชที่ให้ร่มเงานั้นมีค่าน้อย ดังนั้นพืชที่ให้ร่มเงาจึงสามารถใช้แสงสีน้ำเงินได้อย่างมากและปรับตัวให้เข้ากับการเจริญเติบโตในที่ร่มคลอโรฟิลล์ a มีสีเขียวอมฟ้า และคลอโรฟิลล์ b มีสีเขียวอมเหลืองมีการดูดกลืนคลอโรฟิลล์ a และคลอโรฟิลล์ b อย่างเข้มข้น 2 ครั้ง คือ บริเวณสีแดงที่มีความยาวคลื่น 630-680 นาโนเมตร และอีกบริเวณหนึ่งในบริเวณสีน้ำเงิน-ม่วงที่มีความยาวคลื่น 400-460 นาโนเมตร

• แคโรทีนอยด์

แคโรทีนอยด์เป็นคำทั่วไปสำหรับกลุ่มเม็ดสีธรรมชาติที่สำคัญ ซึ่งมักพบในเม็ดสีสีเหลือง สีแดงส้ม หรือสีแดงในสัตว์ พืชชั้นสูง เชื้อรา และสาหร่ายจนถึงขณะนี้มีการค้นพบแคโรทีนอยด์ตามธรรมชาติมากกว่า 600 ชนิด

การดูดกลืนแสงของแคโรทีนอยด์ครอบคลุมช่วง OD303~505 นาโนเมตร ซึ่งให้สีของอาหารและส่งผลต่อการบริโภคอาหารของร่างกายในสาหร่าย พืช และจุลินทรีย์มีสีคลอโรฟิลล์ปกคลุมอยู่และไม่สามารถปรากฏได้ในเซลล์พืช สารแคโรทีนอยด์ไม่เพียงแต่ทำหน้าที่ดูดซับและถ่ายเทพลังงานเพื่อช่วยในการสังเคราะห์แสงเท่านั้น แต่ยังมีหน้าที่ปกป้องเซลล์จากการถูกทำลายโดยโมเลกุลออกซิเจนที่มีพันธะอิเล็กตรอนเดี่ยว

ความเข้าใจผิดทางแนวคิดบางประการ

โดยไม่คำนึงถึงผลการประหยัดพลังงาน การเลือกแสงและการประสานกันของแสง แสงจากเซมิคอนดักเตอร์ได้แสดงให้เห็นถึงข้อดีอย่างมากอย่างไรก็ตาม จากการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงสองปีที่ผ่านมา เราได้เห็นความเข้าใจผิดมากมายในการออกแบบและการใช้แสง ซึ่งส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในประเด็นต่อไปนี้

①ตราบเท่าที่ชิปสีแดงและสีน้ำเงินของความยาวคลื่นหนึ่งรวมกันในอัตราส่วนที่กำหนด พวกมันสามารถใช้ในการเพาะปลูกพืชได้ เช่น อัตราส่วนของสีแดงต่อสีน้ำเงินคือ 4:1, 6:1, 9:1 เป็นต้น บน.

②ตราบใดที่ยังเป็นแสงสีขาว ก็สามารถทดแทนแสงของดวงอาทิตย์ได้ เช่น หลอดไฟสีขาวหลักสามดวงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในญี่ปุ่น เป็นต้น การใช้สเปกตรัมเหล่านี้มีผลบางอย่างต่อการเจริญเติบโตของพืช แต่ผลที่ได้คือ ไม่ดีเท่าแหล่งกำเนิดแสงที่ทำจาก LED

③ตราบใดที่ PPFD (ความหนาแน่นฟลักซ์ควอนตัมของแสง) ซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญของการส่องสว่าง ถึงดัชนีที่กำหนด ตัวอย่างเช่น PPFD มีค่ามากกว่า 200 μmol·m-2·s-1อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ตัวบ่งชี้นี้ คุณต้องใส่ใจว่าเป็นพืชในร่มหรือพืชที่มีแดดคุณต้องค้นหาหรือค้นหาจุดอิ่มตัวของการชดเชยแสงของพืชเหล่านี้ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าจุดชดเชยแสงในการใช้งานจริง ต้นกล้ามักถูกเผาหรือเหี่ยวเฉาดังนั้นการออกแบบพารามิเตอร์นี้จึงต้องออกแบบตามชนิดของพืช สภาพแวดล้อม และสภาวะการเจริญเติบโต

เกี่ยวกับลักษณะแรก ดังที่ได้แนะนำไว้ในบทนำ สเปกตรัมที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตของพืชควรเป็นสเปกตรัมต่อเนื่องที่มีความกว้างของการกระจายที่แน่นอนเห็นได้ชัดว่าไม่เหมาะสมที่จะใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ทำจากชิปความยาวคลื่นเฉพาะสองสีแดงและสีน้ำเงินที่มีสเปกตรัมแคบมาก (ดังแสดงในรูปที่ 3(a))จากการทดลองพบว่าพืชมักจะมีสีเหลือง ก้านใบมีสีอ่อนมาก และก้านใบบางมาก

สำหรับหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่มีสีหลักสามสีที่ใช้กันทั่วไปในปีที่แล้ว แม้ว่าสีขาวจะถูกสังเคราะห์ขึ้น แต่สเปกตรัมสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินก็แยกออกจากกัน (ดังแสดงในรูปที่ 3(b)) และความกว้างของสเปกตรัมแคบมากความเข้มสเปกตรัมของส่วนต่อเนื่องต่อไปนี้ค่อนข้างอ่อน และกำลังไฟยังค่อนข้างใหญ่เมื่อเทียบกับหลอด LED ซึ่งใช้พลังงาน 1.5 ถึง 3 เท่าดังนั้นผลการใช้งานจึงไม่ดีเท่าไฟ LED

รูปที่ 3 ไฟโรงงาน LED ชิปสีแดงและสีน้ำเงินและสเปกตรัมแสงฟลูออเรสเซนต์สีหลักสามสี

PPFD คือความหนาแน่นของควอนตัมฟลักซ์ของแสง ซึ่งหมายถึงความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีแสงที่มีประสิทธิภาพของแสงในการสังเคราะห์แสง ซึ่งแสดงถึงจำนวนรวมของควอนตัมแสงที่ตกกระทบบนลำต้นใบพืชในช่วงความยาวคลื่น 400 ถึง 700 นาโนเมตรต่อหน่วยเวลาและพื้นที่ในหน่วย .หน่วยของมันคือ μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1)รังสีสังเคราะห์แสง (PAR) หมายถึงรังสีดวงอาทิตย์ทั้งหมดที่มีความยาวคลื่นในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตรสามารถแสดงออกได้ด้วยควอนตัมแสงหรือพลังงานที่แผ่ออกมา

ในอดีต ความเข้มของแสงที่สะท้อนโดยอิลูลูมิโนมิเตอร์คือความสว่าง แต่สเปกตรัมของการเจริญเติบโตของพืชเปลี่ยนไปเนื่องจากความสูงของโคมไฟจากต้นไม้ การครอบคลุมของแสง และแสงสามารถผ่านใบไม้ได้หรือไม่ดังนั้นจึงไม่ถูกต้องที่จะใช้ par เป็นตัวบ่งชี้ความเข้มของแสงในการศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสง

โดยทั่วไป กลไกการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถเริ่มต้นได้เมื่อ PPFD ของพืชที่ชอบแสงแดดมากกว่า 50 μmol·m-2·s-1 ในขณะที่ PPFD ของต้นไม้ในร่มต้องการเพียง 20 μmol·m-2·s-1 .ดังนั้นเมื่อซื้อไฟ LED เติบโต คุณสามารถเลือกจำนวนไฟ LED เติบโตตามค่าอ้างอิงนี้และประเภทของพืชที่คุณปลูกตัวอย่างเช่น หาก PPFD ของไฟ LED ดวงเดียวคือ 20 μmol·m-2·s-1 จำเป็นต้องใช้หลอดไฟ LED มากกว่า 3 หลอดเพื่อปลูกพืชที่ชอบแสงแดด

โซลูชันการออกแบบต่างๆ ของไฟส่องสว่างเซมิคอนดักเตอร์

แสงสว่างของเซมิคอนดักเตอร์ใช้สำหรับการเติบโตของพืชและมีวิธีอ้างอิงพื้นฐานสองวิธี

• ปัจจุบันรูปแบบการปลูกในร่มกำลังมาแรงในประเทศจีนรุ่นนี้มีคุณสมบัติหลายประการ:

①บทบาทของไฟ LED คือการให้แสงสว่างในโรงงานอย่างเต็มรูปแบบ และระบบไฟส่องสว่างจำเป็นต้องจัดหาพลังงานแสงทั้งหมด และต้นทุนการผลิตค่อนข้างสูง
②การออกแบบไฟ LED เติบโตต้องคำนึงถึงความต่อเนื่องและความสมบูรณ์ของสเปกตรัม
③จำเป็นต้องควบคุมเวลาในการให้แสงและความเข้มของแสงอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น ปล่อยให้พืชได้พักสักสองสามชั่วโมง ความเข้มของการฉายรังสีไม่เพียงพอหรือแรงเกินไป เป็นต้น
④กระบวนการทั้งหมดต้องเลียนแบบสภาวะที่จำเป็นสำหรับสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมในการเจริญเติบโตของพืชกลางแจ้ง เช่น ความชื้น อุณหภูมิ และความเข้มข้นของ CO2

• โหมดการปลูกกลางแจ้งพร้อมรากฐานการปลูกเรือนกระจกกลางแจ้งที่ดีลักษณะของรุ่นนี้คือ:

① บทบาทของไฟ LED คือการเสริมแสงหนึ่งคือการเพิ่มความเข้มของแสงในพื้นที่สีน้ำเงินและสีแดงภายใต้การฉายรังสีของแสงแดดในระหว่างวันเพื่อส่งเสริมการสังเคราะห์แสงของพืช และอื่น ๆ เพื่อชดเชยเมื่อไม่มีแสงแดดในตอนกลางคืนเพื่อส่งเสริมอัตราการเจริญเติบโตของพืช
②ไฟเสริมจำเป็นต้องพิจารณาว่าพืชอยู่ในช่วงการเจริญเติบโตใด เช่น ระยะต้นกล้า หรือระยะออกดอกและติดผล

ดังนั้นการออกแบบไฟ LED ปลูกต้นไม้ก่อนอื่นควรมีโหมดการออกแบบพื้นฐาน 2 โหมด ได้แก่ ไฟ 24 ชั่วโมง (ในอาคาร) และไฟเสริมการเจริญเติบโตของพืช (กลางแจ้ง)สำหรับการปลูกพืชในร่ม การออกแบบไฟ LED เติบโตจำเป็นต้องพิจารณาสามด้านดังแสดงในรูปที่ 4 เป็นไปไม่ได้ที่จะบรรจุชิปด้วยสีหลักสามสีในสัดส่วนที่แน่นอน

รูปที่ 4 แนวคิดการออกแบบของการใช้ไฟ LED เสริมกำลังพืชในร่มสำหรับให้แสงสว่าง 24 ชั่วโมง

ตัวอย่างเช่น สำหรับสเปกตรัมในระยะเพาะชำ โดยพิจารณาว่าต้องการเสริมสร้างการเจริญเติบโตของรากและลำต้น เสริมการแตกกิ่งของใบ และใช้แหล่งกำเนิดแสงในอาคาร สามารถออกแบบสเปกตรัมได้ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 โครงสร้างสเปกตรัมที่เหมาะสมสำหรับระยะเพาะในร่ม LED

สำหรับการออกแบบไฟ LED เติบโตประเภทที่สองนั้น มุ่งเป้าไปที่การออกแบบโซลูชันการเสริมแสงเพื่อส่งเสริมการปลูกในฐานของเรือนกระจกกลางแจ้งเป็นหลักแนวคิดการออกแบบแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 แนวคิดการออกแบบไฟปลูกกลางแจ้ง 

ผู้เขียนเสนอแนะให้บริษัทปลูกหลายแห่งใช้ตัวเลือกที่สองในการใช้ไฟ LED เพื่อส่งเสริมการเติบโตของพืช

ประการแรก การเพาะปลูกเรือนกระจกกลางแจ้งของจีนมีมานานหลายทศวรรษและมีประสบการณ์มากมายทั้งในภาคใต้และภาคเหนือมีรากฐานที่ดีในด้านเทคโนโลยีการเพาะปลูกเรือนกระจก และจัดหาผลไม้และผักสดจำนวนมากในตลาดสำหรับเมืองรอบๆโดยเฉพาะด้านดิน น้ำ และปุ๋ย มีผลงานวิจัยออกมามากมาย

ประการที่สอง โซลูชันแสงเสริมชนิดนี้สามารถลดการใช้พลังงานที่ไม่จำเป็นได้อย่างมาก และในขณะเดียวกันก็สามารถเพิ่มผลผลิตของผักและผลไม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพนอกจากนี้ พื้นที่ทางภูมิศาสตร์ที่กว้างใหญ่ของจีนยังสะดวกมากสำหรับการโปรโมต

ในฐานะที่เป็นการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของหลอดไฟ LED สำหรับโรงงาน มันยังให้ฐานการทดลองที่กว้างขึ้นอีกด้วยรูปที่ 7 เป็นไฟ LED ชนิดหนึ่งที่พัฒนาโดยทีมวิจัยนี้ ซึ่งเหมาะสำหรับการปลูกในเรือนกระจก และสเปกตรัมของมันแสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 7 ไฟ LED ชนิดหนึ่งเติบโต

รูปที่ 8 สเปกตรัมของไฟ LED ชนิดหนึ่ง

ตามแนวคิดการออกแบบข้างต้น ทีมวิจัยได้ทำการทดลองหลายชุด และผลการทดลองมีความสำคัญมากตัวอย่างเช่น สำหรับแสงสำหรับการเจริญเติบโตระหว่างการเพาะ หลอดไฟดั้งเดิมที่ใช้คือหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่มีกำลังไฟ 32 W และรอบการเพาะ 40 วันเรามีไฟ LED 12 W ซึ่งทำให้รอบการเพาะกล้าสั้นลงเหลือ 30 วัน ช่วยลดอิทธิพลของอุณหภูมิของหลอดไฟในโรงเพาะกล้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ และประหยัดการใช้พลังงานของเครื่องปรับอากาศความหนา ความยาว และสีของต้นกล้าได้ดีกว่าน้ำยาเลี้ยงต้นกล้าแบบเดิมสำหรับต้นอ่อนของผักทั่วไป ยังได้รับข้อสรุปการตรวจสอบที่ดี ซึ่งสรุปไว้ในตารางต่อไปนี้

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

บทสรุป

บทความนี้แนะนำการพัฒนาล่าสุดในการประยุกต์ใช้ไฟ LED เติบโตในการเพาะปลูกพืช และชี้ให้เห็นความเข้าใจผิดบางประการในการประยุกต์ใช้ไฟ LED เติบโตในการเพาะปลูกพืชสุดท้าย แนวคิดทางเทคนิคและแผนการพัฒนาไฟ LED เติบโตที่ใช้สำหรับการเพาะปลูกพืชได้รับการแนะนำควรสังเกตว่ายังมีปัจจัยบางอย่างที่ต้องพิจารณาในการติดตั้งและการใช้แสง เช่น ระยะห่างระหว่างแสงกับต้นไม้ ช่วงการฉายรังสีของหลอดไฟ และวิธีการใช้แสงด้วย ให้น้ำปุ๋ยและดินตามปกติ

ผู้แต่ง: Yi Wang และคณะที่มา: CNKI