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 solo relacionado con la luz, sino también inseparable de la configuración del agua, el suelo y el fertilizante, 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 con respecto a las fábricas de plantas tridimensionales o el crecimiento de plantas.Pero después de leerlo detenidamente, siempre hay una sensación de inquietud.En términos generales, no existe una comprensión real del papel que debe desempeñar la luz en el crecimiento de las plantas.

Primero, entendamos 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 varía de 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 radiación solar 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, el segundo diagrama de espectro de varios elementos clave de absorción del crecimiento de las plantas se muestra en la Figura 2.

Figura 2, Espectros de absorción de varias auxinas en el crecimiento vegetal

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 luces LED para el crecimiento de plantas no es un asunto simple, sino muy específico.Aquí es necesario introducir los conceptos de los dos elementos fotosintéticos más importantes del crecimiento vegetal.

• Clorofila

La clorofila es uno de los pigmentos más importantes relacionados con la fotosíntesis.Existe en todos los organismos que pueden realizar la fotosíntesis, incluidas las plantas verdes, las algas verdeazuladas procarióticas (cianobacterias) y las algas eucarióticas.La clorofila absorbe la 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 a clorofila a de las plantas de sombra es pequeña, por lo que las plantas de sombra pueden usar la luz azul con fuerza y ​​adaptarse a crecer en la sombra.La clorofila a es azul verdosa y la clorofila b es amarillo verdosa.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 anaranjados 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 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 solo absorben y transfieren energía para ayudar a la fotosíntesis, sino que también tienen la función de proteger a las células para que no sean destruidas por moléculas de oxígeno de enlace de un solo electrón excitadas.

Algunos malentendidos conceptuales

Independientemente del efecto de ahorro de energía, la selectividad de la luz y la coordinación de la luz, la iluminación con semiconductores ha demostrado grandes ventajas.Sin embargo, debido al 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 las fichas rojas y azules de una cierta longitud de onda se combinen en una cierta proporción, se pueden usar en el cultivo de plantas, por ejemplo, la proporción de rojo a azul es 4: 1, 6: 1, 9: 1 y así en.

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

③Siempre que el PPFD (densidad de flujo cuántico de luz), un parámetro importante de la iluminación, alcance un cierto índice, por ejemplo, el PPFD es superior a 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 de sol.Debe consultar o encontrar el punto de saturación de compensación de luz de estas plantas, que también se denomina punto de compensación de luz.En las aplicaciones reales, las plántulas a menudo se queman o se marchitan.Por lo tanto, el diseño de este parámetro debe diseñarse de acuerdo con la especie de planta, el entorno y las condiciones de crecimiento.

En cuanto al primer aspecto, tal 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 usar una fuente de luz hecha de dos chips de longitud de onda específica de rojo y azul con un espectro muy estrecho (como se muestra en la Figura 3 (a)).En los experimentos, se encontró que las plantas tienden a ser amarillentas, los tallos de las hojas son muy livianos 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 de planta LED de 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 ya sea por cuantos de luz o por energía radiante.

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

Generalmente, el mecanismo de fotosíntesis puede iniciarse cuando el PPFD de la planta amante del sol es mayor a 50 μmol·m-2·s-1, mientras que el PPFD de la planta de 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 la PPFD de una sola luz LED es de 20 μmol·m-2·s-1, se requieren más de 3 bombillas LED para plantas para cultivar plantas amantes del sol.

Varias soluciones de diseño de iluminación de semiconductores.

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

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

①El papel 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 tener en cuenta la continuidad y la integridad del espectro;
③Es necesario controlar de manera efectiva el tiempo de iluminación y la intensidad de la iluminación, como dejar que las plantas descansen durante unas horas, la intensidad de la irradiación no es suficiente o es demasiado fuerte, etc.;
④Todo 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 en invernadero al aire libre.Las características de este modelo son:

①El papel 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 adicional 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 el cultivo de plantas debe tener primero dos modos de diseño básicos, a saber, iluminación de 24 horas (interior) e iluminación suplementaria para el crecimiento de plantas (exterior).Para el cultivo de plantas de interior, el diseño de las luces de cultivo LED debe tener en cuenta 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 usar luces de refuerzo de plantas LED para interiores para iluminación las 24 horas

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

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

Para el diseño del segundo tipo de lámpara de crecimiento LED, se apunta principalmente a la solución de diseño de luz suplementaria para promover la siembra 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 empresas de plantación adopten la segunda opción para usar luces LED para promover el crecimiento de las plantas.

En primer lugar, el cultivo de invernadero al aire libre de China tiene décadas de 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 invernadero 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 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, la vasta 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 ello.La Fig. 7 es un tipo de luz de crecimiento LED desarrollada por este equipo de investigación, que es adecuada para cultivar en invernaderos, y su espectro se muestra en la Fig. 8.

Figura 7, una especie de luz de cultivo LED

Figura 8, espectro de un tipo de luz de cultivo 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 del cultivo en 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 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 cultivo de plántulas.Para las plántulas de hortalizas comunes también se han obtenido buenas conclusiones de verificación, las cuales se resumen en la siguiente tabla.

Entre ellos, el grupo ligero suplementario PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, y la relación rojo-azul: 0,6-0,7.El rango del valor diurno de PPFD 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 naturalmente.

Conclusión

Este artículo presenta los últimos desarrollos en la aplicación de luces de crecimiento LED en el cultivo de plantas y señala algunos malentendidos en la aplicación de luces de crecimiento LED en el cultivo de plantas.Finalmente, se presentan las ideas técnicas y los esquemas para el desarrollo de luces de cultivo LED utilizadas para el cultivo de plantas.Cabe señalar que también hay algunos factores que deben tenerse en cuenta 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