Introducción

La luz juega un papel clave en el proceso de crecimiento de las plantas. Es el mejor fertilizante para promover la absorción de la clorofila de las plantas y la absorción de diversas cualidades de crecimiento de las plantas, como el caroteno. Sin embargo, el factor decisivo que determina el crecimiento de las plantas es un factor integral, no sólo relacionado con la luz, sino también inseparable de la configuración del agua, el suelo y los fertilizantes, las condiciones ambientales de crecimiento y el control técnico integral.

En los últimos dos o tres años, ha habido un sinfín de informes sobre la aplicación de la tecnología de iluminación de semiconductores en relación con las fábricas de plantas tridimensionales o el crecimiento de las plantas. Pero después de leerlo detenidamente, siempre queda un sentimiento de inquietud. En términos generales, no existe una comprensión real del papel que debe desempeñar la luz en el crecimiento de las plantas.

Primero, comprendamos el espectro del sol, como se muestra en la Figura 1. Se puede ver que el espectro solar es un espectro continuo, en el que el espectro azul y verde son más fuertes que el espectro rojo, y el espectro de luz visible oscila entre 380 a 780 nm. El crecimiento de los organismos en la naturaleza está relacionado con la intensidad del espectro. Por ejemplo, la mayoría de las plantas en el área cercana al ecuador crecen muy rápido y, al mismo tiempo, el tamaño de su crecimiento es relativamente grande. Pero la alta intensidad de la irradiación del sol no siempre es mejor y existe un cierto grado de selectividad para el crecimiento de animales y plantas.

Figura 1, Las características del espectro solar y su espectro de luz visible.

En segundo lugar, en la Figura 2 se muestra el segundo diagrama de espectro de varios elementos de absorción clave del crecimiento de las plantas.

Figura 2, Espectros de absorción de varias auxinas en el crecimiento de las plantas.

Puede verse en la Figura 2 que los espectros de absorción de luz de varias auxinas clave que afectan el crecimiento de las plantas son significativamente diferentes. Por lo tanto, la aplicación de luces LED para el crecimiento de plantas no es una cuestión sencilla, sino muy específica. Aquí es necesario introducir los conceptos de los dos elementos fotosintéticos de crecimiento vegetal más importantes.

• Clorofila

La clorofila es uno de los pigmentos más importantes relacionados con la fotosíntesis. Existe en todos los organismos que pueden crear la fotosíntesis, incluidas las plantas verdes, las algas verdiazules procarióticas (cianobacterias) y las algas eucariotas. La clorofila absorbe energía de la luz, que luego se utiliza para convertir el dióxido de carbono en carbohidratos.

La clorofila a absorbe principalmente la luz roja y la clorofila b absorbe principalmente la luz azul-violeta, principalmente para distinguir las plantas de sombra de las plantas de sol. La proporción de clorofila b y clorofila a de las plantas de sombra es pequeña, por lo que las plantas de sombra pueden utilizar fuertemente la luz azul y adaptarse al crecimiento en la sombra. La clorofila a es de color azul verdoso y la clorofila b es de color amarillo verdoso. Hay dos fuertes absorciones de clorofila a y clorofila b, una en la región roja con una longitud de onda de 630-680 nm y la otra en la región azul violeta con una longitud de onda de 400-460 nm.

• Carotenoides

Los carotenoides son el término general para una clase de pigmentos naturales importantes, que se encuentran comúnmente en pigmentos amarillos, rojo anaranjado o rojos en animales, plantas superiores, hongos y algas. Hasta el momento se han descubierto más de 600 carotenoides naturales.

La absorción de luz de los carotenoides cubre el rango de OD303~505 nm, lo que proporciona el color de los alimentos y afecta la ingesta de alimentos por parte del cuerpo. En algas, plantas y microorganismos, su color está cubierto por clorofila y no puede aparecer. En las células vegetales, los carotenoides producidos no sólo absorben y transfieren energía para ayudar a la fotosíntesis, sino que también tienen la función de proteger a las células de la destrucción por moléculas de oxígeno excitadas con enlaces de un solo electrón.

Algunos malentendidos conceptuales

Independientemente del efecto de ahorro de energía, la selectividad de la luz y la coordinación de la luz, la iluminación semiconductora ha mostrado grandes ventajas. Sin embargo, debido al rápido desarrollo de los últimos dos años, también hemos visto muchos malentendidos en el diseño y aplicación de la luz, que se reflejan principalmente en los siguientes aspectos.

①Siempre que los chips rojos y azules de una determinada longitud de onda se combinen en una determinada proporción, se pueden utilizar en el cultivo de plantas, por ejemplo, la proporción de rojo a azul es 4:1, 6:1, 9:1, etc. en.

②Siempre que sea luz blanca, puede reemplazar la luz del sol, como el tubo de luz blanca de tres primarios ampliamente utilizado en Japón, etc. El uso de estos espectros tiene cierto efecto en el crecimiento de las plantas, pero el efecto es No es tan bueno como la fuente de luz hecha por LED.

③Siempre que la PPFD (densidad de flujo cuántico de luz), un parámetro importante de la iluminación, alcance un cierto índice, por ejemplo, la PPFD es superior a 200 μmol·m-2·s-1. Sin embargo, al utilizar este indicador, se debe prestar atención a si se trata de una planta de sombra o de sol. Es necesario consultar o encontrar el punto de saturación de compensación de luz de estas plantas, que también se llama punto de compensación de luz. En aplicaciones reales, las plántulas a menudo se queman o se marchitan. Por lo tanto, el diseño de este parámetro debe diseñarse de acuerdo a la especie de planta, ambiente y condiciones de crecimiento.

Respecto al primer aspecto, como se introdujo en la introducción, el espectro requerido para el crecimiento de las plantas debe ser un espectro continuo con un cierto ancho de distribución. Obviamente, es inapropiado utilizar una fuente de luz hecha de dos chips de longitud de onda específica, rojo y azul, con un espectro muy estrecho (como se muestra en la Figura 3(a)). En experimentos, se descubrió que las plantas tienden a ser amarillentas, los tallos de las hojas son muy ligeros y los tallos de las hojas son muy delgados.

Para los tubos fluorescentes con tres colores primarios comúnmente utilizados en años anteriores, aunque se sintetiza el blanco, los espectros rojo, verde y azul están separados (como se muestra en la Figura 3 (b)) y el ancho del espectro es muy estrecho. La intensidad espectral de la siguiente parte continua es relativamente débil y la potencia sigue siendo relativamente grande en comparación con los LED, de 1,5 a 3 veces el consumo de energía. Por lo tanto, el efecto de uso no es tan bueno como el de las luces LED.

Figura 3, Luz LED para plantas con chip rojo y azul y espectro de luz fluorescente de tres colores primarios

PPFD es la densidad de flujo cuántico de luz, que se refiere a la densidad de flujo de luz de radiación efectiva de la luz en la fotosíntesis, que representa el número total de cuantos de luz incidentes en los tallos de las hojas de las plantas en el rango de longitud de onda de 400 a 700 nm por unidad de tiempo y unidad de área. . Su unidad es μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). La radiación fotosintéticamente activa (PAR) se refiere a la radiación solar total con una longitud de onda en el rango de 400 a 700 nm. Puede expresarse mediante cuantos de luz o mediante energía radiante.

En el pasado, la intensidad de la luz reflejada por el iluminómetro era el brillo, pero el espectro de crecimiento de las plantas cambia debido a la altura de la lámpara desde la planta, la cobertura de la luz y si la luz puede pasar a través de las hojas. Por lo tanto, no es exacto utilizar par como indicador de la intensidad de la luz en el estudio de la fotosíntesis.

Generalmente, el mecanismo de fotosíntesis puede iniciarse cuando la PPFD de la planta amante del sol es mayor que 50 μmol·m-2·s-1, mientras que la PPFD de la planta con sombra solo necesita 20 μmol·m-2·s-1. . Por lo tanto, al comprar luces de cultivo LED, puede elegir la cantidad de luces de cultivo LED en función de este valor de referencia y el tipo de plantas que planta. Por ejemplo, si el PPFD de una sola luz LED es 20 μmol·m-2·s-1, se necesitan más de 3 bombillas LED para cultivar plantas amantes del sol.

Varias soluciones de diseño de iluminación semiconductora.

La iluminación semiconductora se utiliza para el crecimiento o la plantación de plantas, y existen dos métodos de referencia básicos.

• Actualmente, el modelo de plantación de interior está muy de moda en China. Este modelo tiene varias características:

①La función de las luces LED es proporcionar el espectro completo de iluminación de la planta, y se requiere que el sistema de iluminación proporcione toda la energía de iluminación y el costo de producción es relativamente alto;
②El diseño de las luces de cultivo LED debe considerar la continuidad e integridad del espectro;
③Es necesario controlar eficazmente el tiempo y la intensidad de la iluminación, como dejar reposar las plantas durante unas horas, la intensidad de la irradiación es insuficiente o demasiado fuerte, etc.;
④Todo el proceso debe imitar las condiciones requeridas por el entorno óptimo de crecimiento real de las plantas al aire libre, como la humedad, la temperatura y la concentración de CO2.

• Modo de plantación al aire libre con una buena base para plantar en invernadero al aire libre. Las características de este modelo son:

①La función de las luces LED es complementar la luz. Uno es mejorar la intensidad de la luz en las áreas azul y roja bajo la irradiación de la luz solar durante el día para promover la fotosíntesis de las plantas, y el otro es compensar cuando no hay luz solar por la noche para promover la tasa de crecimiento de las plantas.
②La luz suplementaria debe considerar en qué etapa de crecimiento se encuentra la planta, como el período de plántula o el período de floración y fructificación.

Por lo tanto, el diseño de las luces LED para cultivo de plantas debe tener primero dos modos de diseño básicos, a saber, iluminación las 24 horas (interior) e iluminación suplementaria para el crecimiento de las plantas (exterior). Para el cultivo de plantas de interior, el diseño de las luces LED de cultivo debe considerar tres aspectos, como se muestra en la Figura 4. No es posible empaquetar los chips con tres colores primarios en una determinada proporción.

Figura 4, La idea de diseño de utilizar luces LED de refuerzo para plantas de interior para iluminación las 24 horas

Por ejemplo, para un espectro en etapa de vivero, considerando que necesita fortalecer el crecimiento de raíces y tallos, fortalecer la ramificación de las hojas y la fuente de luz se usa en interiores, el espectro se puede diseñar como se muestra en la Figura 5.

Figura 5, Estructuras espectrales adecuadas para el período de vivero interior LED

El diseño del segundo tipo de luz de cultivo LED está dirigido principalmente a la solución de diseño de luz complementaria para promover la plantación en la base del invernadero exterior. La idea de diseño se muestra en la Figura 6.

Figura 6, Ideas de diseño de luces de cultivo para exteriores 

El autor sugiere que más empresas de plantación adopten la segunda opción: utilizar luces LED para promover el crecimiento de las plantas.

En primer lugar, el cultivo en invernaderos al aire libre en China tiene desde hace décadas una gran cantidad y una amplia gama de experiencia, tanto en el sur como en el norte. Tiene una buena base de tecnología de cultivo en invernaderos y ofrece una gran cantidad de frutas y verduras frescas en el mercado de las ciudades circundantes. Especialmente en el campo de la siembra de suelos, agua y fertilizantes, se han obtenido ricos resultados de investigación.

En segundo lugar, este tipo de solución luminosa suplementaria puede reducir en gran medida el consumo innecesario de energía y, al mismo tiempo, puede aumentar eficazmente el rendimiento de frutas y verduras. Además, la vasta zona geográfica de China es muy conveniente para la promoción.

Al igual que la investigación científica sobre la iluminación LED para plantas, también proporciona una base experimental más amplia. La Fig. 7 es un tipo de luz de cultivo LED desarrollada por este equipo de investigación, que es adecuada para el cultivo en invernaderos, y su espectro se muestra en la Fig. 8.

Figura 7, Una especie de luz de crecimiento LED

Figura 8, espectro de un tipo de luz de crecimiento LED

De acuerdo con las ideas de diseño anteriores, el equipo de investigación realizó una serie de experimentos y los resultados experimentales son muy significativos. Por ejemplo, para la iluminación de crecimiento durante el vivero, la lámpara original utilizada es una lámpara fluorescente con una potencia de 32 W y un ciclo de vivero de 40 días. Proporcionamos una luz LED de 12 W, que acorta el ciclo de plántula a 30 días, reduce efectivamente la influencia de la temperatura de las lámparas en el taller de plántula y ahorra el consumo de energía del aire acondicionado. El grosor, la longitud y el color de las plántulas son mejores que la solución original para el cultivo de plántulas. Para las plántulas de hortalizas comunes también se han obtenido buenas conclusiones de verificación que se resumen en la siguiente tabla.

Entre ellos, el grupo de luz suplementaria PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, y la relación rojo-azul: 0,6-0,7. El rango del valor de PPFD diurno del grupo natural fue de 40~800 μmol·m-2·s-1, y la proporción de rojo a azul fue de 0,6~1,2. Se puede ver que los indicadores anteriores son mejores que los de las plántulas cultivadas de forma natural.

Conclusión

Este artículo presenta los últimos avances en la aplicación de luces de cultivo LED en el cultivo de plantas y señala algunos malentendidos en la aplicación de luces de cultivo LED en el cultivo de plantas. Finalmente, se presentan las ideas técnicas y los esquemas para el desarrollo de luces LED de cultivo utilizadas para el cultivo de plantas. Cabe señalar que también hay algunos factores que deben considerarse en la instalación y uso de la luz, como la distancia entre la luz y la planta, el rango de irradiación de la lámpara y cómo aplicar la luz con agua, fertilizante y suelo normales.

Autor: Yi Wang et al. Fuente: CNKI