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 vegetal 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 solo relacionado con la luz, sino también inseparable de la configuración del agua, el suelo y el fertilizante, las condiciones del entorno de crecimiento y el control técnico integral.

En los últimos dos o tres años, ha habido informes interminables sobre la aplicación de la tecnología de iluminación de semiconductores con respecto a las fábricas de plantas tridimensionales o el crecimiento de las plantas. Pero después de leerlo con cuidado, siempre hay un sentimiento incómodo. En términos generales, no hay una comprensión real de qué papel 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 es más fuerte que el espectro rojo, y el espectro de luz visible varía desde 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 cerca del 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 hay 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, el segundo diagrama de espectro de varios elementos de absorción clave del crecimiento de la planta se muestra en la Figura 2.

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

Se puede ver 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 las luces de crecimiento de la planta LED no es una cuestión simple, sino muy específica. Aquí es necesario introducir los conceptos de los dos elementos de crecimiento de plantas fotosintéticas más importantes.

• Clorofila

La clorofila es uno de los pigmentos más importantes relacionados con la fotosíntesis. Existe en todos los organismos que pueden crear fotosíntesis, incluidas plantas verdes, algas procariotas de color verde azulado (cianobacterias) y algas eucariotas. La clorofila absorbe energía de la luz, que luego se usa 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 solares. La proporción de clorofila B a la clorofila A de plantas de sombra es pequeña, por lo que las plantas de sombra pueden usar la luz azul y adaptarse al cultivo a la sombra. La clorofila A es azul verde, y la clorofila B es amarillo-verde. Hay dos absorciones fuertes 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, rojos o rojos naranjas en animales, plantas superiores, hongos y algas. Hasta ahora, se han descubierto más de 600 carotenoides naturales.

La absorción de la luz de los carotenoides cubre el rango de OD303 ~ 505 nm, que proporciona el color de los alimentos y afecta la ingesta de alimentos del cuerpo. En algas, plantas y microorganismos, su color está cubierto por clorofila y no puede aparecer. En las células vegetales, los carotenoides produjeron no solo absorber y transferir energía para ayudar a la fotosíntesis, sino que también tienen la función de proteger a las células de ser destruidas por moléculas de oxígeno de enlace único excitado excitado.

Algunos malentendidos conceptuales

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

① Siempre que los chips rojos y azules de una cierta longitud de onda se combinen en una determinada relación, se pueden usar en el cultivo de la planta, por ejemplo, la relación de rojo a azul es 4: 1, 6: 1, 9: 1 y así en.

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

③ Por ejemplo, el PPFD (densidad de flujo cuántico de luz), un parámetro importante de iluminación, alcanza un cierto índice, por ejemplo, PPFD es mayor de 200 μmol · M-2 · S-1. Sin embargo, al usar este indicador, debe prestar atención a si se trata de una planta de sombra o una planta solar. Debe 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 con las especies de la planta, el entorno de crecimiento y las condiciones.

Con respecto al primer aspecto, como se introdujo en la introducción, el espectro requerido para el crecimiento de la planta debe ser un espectro continuo con un cierto ancho de distribución. Obviamente, es inapropiado usar una fuente de luz hecha de dos chips específicos de longitud de onda de 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 la hoja son muy delgados.

Para los tubos fluorescentes con tres colores primarios comúnmente utilizados en años anteriores, aunque se sintetiza el blanco, los espectros rojos, verdes y azules se separan (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, 1.5 a 3 veces el consumo de energía. Por lo tanto, el efecto de uso no es tan bueno como las luces LED.

Figura 3, luz LED LED de chips rojo y azul y espectro de luz fluorescente de color tres primeras

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 la luz de los tallos de las hojas de la planta en el rango de longitud de onda de 400 a 700 nm por unidad de tiempo y unidad unitaria . 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. Se puede expresar por cuantos ligeros o por energía radiante.

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

En general, el mecanismo de fotosíntesis se puede iniciar cuando el PPFD de la planta amante del sol es mayor que 50 μmol · M-2 · S-1, mientras que el PPFD de la planta sombreada solo necesita 20 μmol · M-2 · S-1 . Por lo tanto, al comprar luces de cultivo LED, puede elegir el número 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 un solo LGH LGHT es de 20 μmol · M-2 · S-1, se requieren más de 3 bulbos de plantas LED para cultivar plantas amantes del sol.

Varias soluciones de diseño de iluminación de semiconductores

La iluminación de semiconductores se usa para el crecimiento o la siembra de las plantas, y hay dos métodos de referencia básicos.

• En la actualidad, el modelo de plantación interior es muy caliente en China. Este modelo tiene varias características:

① El papel de las luces LED es proporcionar el espectro completo de la iluminación de la planta, y se requiere el sistema de iluminación para proporcionar toda la energía de iluminación, y el costo de producción es relativamente alto;
② El diseño de las luces de cultivo LED debe considerar la continuidad y la integridad del espectro;
③ Es necesario controlar efectivamente el tiempo de iluminación y la intensidad de la iluminación, como dejar que las plantas descansen durante unas pocas horas, la intensidad de la irradiación no es suficiente o demasiado fuerte, etc.;
④ Todo el proceso debe imitar las condiciones requeridas por el entorno de crecimiento óptimo 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 de plantación de invernadero al aire libre. Las características de este modelo son:

① El papel de las luces LED es complementar la luz. Una es mejorar la intensidad de la luz en las áreas azules y rojas bajo la irradiación de la luz solar durante el día para promover la fotosíntesis de las plantas, y la otra es compensar cuando no hay luz solar por la noche para promover la tasa de crecimiento de las plantas.
② La luz complementaria 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 de cultivo de plantas LED primero debe tener dos modos de diseño básicos, a saber, iluminación de 24 h (interior) e iluminación de suplementos de crecimiento de plantas (al aire libre). Para el cultivo de plantas en interiores, el diseño de las luces de cultivo LED debe considerar tres aspectos, como se muestra en la Figura 4. No es posible empaquetar las fichas con tres colores primarios en una cierta proporción.

Figura 4, la idea de diseño de usar luces de refuerzo de plantas LED interiores para iluminación de 24 h

Por ejemplo, para un espectro en la etapa de la guardería, teniendo en cuenta 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 de interior LED

Para el diseño del segundo tipo de luz LED de cultivo, está dirigida principalmente a la solución de diseño de la luz complementaria para promover la plantación en la base del invernadero al aire libre. La idea de diseño se muestra en la Figura 6.

Figura 6, ideas de diseño de luces de cultivo al aire libre 

El autor sugiere que más compañías de plantación adoptan la segunda opción para usar las luces LED para promover el crecimiento de las plantas.

En primer lugar, el cultivo de efecto invernadero al aire libre de China tiene 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 de invernadero y proporciona una gran cantidad de frutas y verduras frescas en el mercado para las ciudades circundantes. Especialmente en el campo del suelo, el agua y la siembra de fertilizantes, se han realizado ricos resultados de la investigación.

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

Como la investigación científica de la iluminación de plantas LED, también proporciona una base experimental más amplia para ella. La figura 7 es un tipo de luz de cultivo LED desarrollada por este equipo de investigación, que es adecuado para el crecimiento en invernaderos, y su espectro se muestra en la figura 8.

Figura 7, un tipo de luz de cultivo LED

Figura 8, espectro de una especie de luz de cultivo LED

Según 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 luz de cultivo durante la guardería, la lámpara original utilizada es una lámpara fluorescente con una potencia de 32 W y un ciclo de guardería de 40 días. Proporcionamos una luz LED de 12 W, que acorta el ciclo de plántulas a 30 días, reduce efectivamente la influencia de la temperatura de las lámparas en el taller de plántulas 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 de elevación de plántulas. Para las plántulas de vegetales comunes, también se han obtenido buenas conclusiones de verificación, que se resumen en la siguiente tabla.

Entre ellos, el grupo de luz complementario PPFD: 70-80 μmol · M-2 · S-1, y la relación roja-azul: 0.6-0.7. El rango del valor PPFD diurno del grupo natural fue de 40 ~ 800 μmol · m-2 · S-1, y la relación 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 naturalmente.

Conclusión

Este artículo presenta los últimos desarrollos en la aplicación de luces de cultivo LED en el cultivo de plantas, y señala algunos malentendidos en la aplicación de la luz de cultivo LED en el cultivo de plantas. Finalmente, se introducen las ideas y esquemas técnicos para el desarrollo de las luces de cultivo LED utilizadas para el cultivo de plantas. Cabe señalar que también hay algunos factores que deben considerarse en la instalación y el 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 normal, fertilizante y suelo.

Autor: Yi Wang et al. Fuente: CNKI