Hyrje

Drita luan një rol kyç në procesin e rritjes së bimëve. Është plehra më e mirë për të nxitur thithjen e klorofilit të bimëve dhe thithjen e cilësive të ndryshme të rritjes së bimëve si karoteni. Megjithatë, faktori vendimtar që përcakton rritjen e bimëve është një faktor gjithëpërfshirës, ​​jo vetëm i lidhur me dritën, por edhe i pandashëm nga konfigurimi i ujit, tokës dhe plehut, kushtet e mjedisit të rritjes dhe kontrolli teknik gjithëpërfshirës.

Në dy ose tre vitet e fundit, ka pasur raporte të pafundme mbi zbatimin e teknologjisë së ndriçimit gjysmëpërçues në lidhje me fabrikat tre-dimensionale të bimëve ose rritjen e bimëve. Por, pasi i lexoni me kujdes, gjithmonë keni një ndjesi të pakëndshme. Në përgjithësi, nuk ka një kuptim të vërtetë se çfarë roli duhet të luajë drita në rritjen e bimëve.

Së pari, le ta kuptojmë spektrin e diellit, siç tregohet në Figurën 1. Mund të shihet se spektri diellor është një spektër i vazhdueshëm, në të cilin spektri blu dhe jeshil janë më të fortë se spektri i kuq, dhe spektri i dritës së dukshme varion nga 380 në 780 nm. Rritja e organizmave në natyrë lidhet me intensitetin e spektrit. Për shembull, shumica e bimëve në zonën pranë ekuatorit rriten shumë shpejt, dhe në të njëjtën kohë, madhësia e rritjes së tyre është relativisht e madhe. Por intensiteti i lartë i rrezatimit të diellit nuk është gjithmonë më i mirë, dhe ekziston një shkallë e caktuar selektiviteti për rritjen e kafshëve dhe bimëve.

Figura 1, Karakteristikat e spektrit diellor dhe spektrit të dritës së dukshme të tij

Së dyti, diagrama e dytë e spektrit të disa elementëve kryesorë të absorbimit të rritjes së bimëve është treguar në Figurën 2.

Figura 2, Spektrat e absorbimit të disa auksinave në rritjen e bimëve

Nga Figura 2 mund të shihet se spektrat e thithjes së dritës së disa auksinave kryesore që ndikojnë në rritjen e bimëve janë dukshëm të ndryshme. Prandaj, aplikimi i dritave LED për rritjen e bimëve nuk është një çështje e thjeshtë, por shumë e synuar. Këtu është e nevojshme të prezantohen konceptet e dy elementëve më të rëndësishëm fotosintetikë të rritjes së bimëve.

• Klorofil

Klorofili është një nga pigmentet më të rëndësishme që lidhet me fotosintezën. Ai ekziston në të gjithë organizmat që mund të krijojnë fotosintezë, duke përfshirë bimët jeshile, algat prokariotike blu-jeshile (cianobakteret) dhe algat eukariote. Klorofili thith energjinë nga drita, e cila më pas përdoret për të shndërruar dioksidin e karbonit në karbohidrate.

Klorofili a thith kryesisht dritën e kuqe, dhe klorofili b thith kryesisht dritën blu-vjollcë, kryesisht për të dalluar bimët në hije nga bimët e diellit. Raporti i klorofilit b me klorofilin a të bimëve në hije është i vogël, kështu që bimët në hije mund ta përdorin dritën blu fort dhe të përshtaten me rritjen në hije. Klorofili a është blu-jeshile, dhe klorofili b është e verdhë-jeshile. Ekzistojnë dy thithje të forta të klorofilit a dhe klorofilit b, njëri në rajonin e kuq me një gjatësi vale prej 630-680 nm, dhe tjetri në rajonin blu-vjollcë me një gjatësi vale prej 400-460 nm.

• Karotenoide

Karotenoidet janë termi i përgjithshëm për një klasë pigmentesh të rëndësishme natyrore, të cilat gjenden zakonisht në pigmente të verdha, portokalli-të kuqe ose të kuqe te kafshët, bimët e larta, kërpudhat dhe algat. Deri më tani, janë zbuluar më shumë se 600 karotenoide natyrore.

Thithja e dritës së karotenoideve mbulon diapazonin OD303~505 nm, i cili siguron ngjyrën e ushqimit dhe ndikon në marrjen e ushqimit nga trupi. Tek algat, bimët dhe mikroorganizmat, ngjyra e saj mbulohet nga klorofili dhe nuk mund të shfaqet. Në qelizat bimore, karotenoidet e prodhuara jo vetëm që thithin dhe transferojnë energji për të ndihmuar fotosintezën, por kanë edhe funksionin e mbrojtjes së qelizave nga shkatërrimi nga molekulat e oksigjenit me lidhje të vetme elektronike të ngacmuara.

Disa keqkuptime konceptuale

Pavarësisht efektit të kursimit të energjisë, selektivitetit të dritës dhe koordinimit të dritës, ndriçimi gjysmëpërçues ka treguar përparësi të mëdha. Megjithatë, nga zhvillimi i shpejtë i dy viteve të fundit, kemi parë edhe shumë keqkuptime në projektimin dhe zbatimin e dritës, të cilat reflektohen kryesisht në aspektet e mëposhtme.

① Për sa kohë që copat e kuqe dhe blu të një gjatësie vale të caktuar kombinohen në një raport të caktuar, ato mund të përdoren në kultivimin e bimëve, për shembull, raporti i të kuqes me blunë është 4:1, 6:1, 9:1 e kështu me radhë.

② Për sa kohë që është dritë e bardhë, ajo mund të zëvendësojë dritën e diellit, siç është tubi tre-primar i dritës së bardhë që përdoret gjerësisht në Japoni, etj. Përdorimi i këtyre spektrave ka një efekt të caktuar në rritjen e bimëve, por efekti nuk është aq i mirë sa burimi i dritës i bërë nga LED.

③ Për sa kohë që PPFD (dendësia e fluksit kuantik të dritës), një parametër i rëndësishëm i ndriçimit, arrin një indeks të caktuar, për shembull, PPFD është më i madh se 200 μmol·m-2·s-1. Megjithatë, kur përdorni këtë tregues, duhet t'i kushtoni vëmendje nëse është një bimë në hije apo në diell. Duhet të kërkoni ose të gjeni pikën e ngopjes së kompensimit të dritës së këtyre bimëve, e cila quhet edhe pika e kompensimit të dritës. Në aplikimet aktuale, fidanët shpesh digjen ose thahen. Prandaj, dizajni i këtij parametri duhet të projektohet sipas specieve të bimëve, mjedisit të rritjes dhe kushteve.

Lidhur me aspektin e parë, siç është prezantuar në hyrje, spektri i kërkuar për rritjen e bimëve duhet të jetë një spektër i vazhdueshëm me një gjerësi të caktuar shpërndarjeje. Është padyshim e papërshtatshme të përdoret një burim drite i bërë nga dy çipa specifikë gjatësie vale të kuqe dhe blu me një spektër shumë të ngushtë (siç tregohet në Figurën 3(a)). Në eksperimente, u zbulua se bimët kanë tendencë të jenë të verdha, kërcejtë e gjetheve janë shumë të çelët dhe kërcejtë e gjetheve janë shumë të hollë.

Për llambat fluoreshente me tre ngjyra kryesore të përdorura zakonisht në vitet e kaluara, megjithëse sintetizohet e bardha, spektrat e kuqe, jeshile dhe blu janë të ndara (siç tregohet në Figurën 3(b)), dhe gjerësia e spektrit është shumë e ngushtë. Intensiteti spektral i pjesës së vazhdueshme pasuese është relativisht i dobët, dhe fuqia është ende relativisht e madhe krahasuar me LED-et, 1.5 deri në 3 herë më e lartë se konsumi i energjisë. Prandaj, efekti i përdorimit nuk është aq i mirë sa dritat LED.

Figura 3, Dritë LED me çip të kuq dhe blu për bimë dhe spektër drite fluoreshente me tre ngjyra kryesore

PPFD është dendësia e fluksit kuantik të dritës, e cila i referohet dendësisë efektive të fluksit të dritës së rrezatimit të dritës në fotosintezë, e cila përfaqëson numrin total të kuanteve të dritës që bien mbi kërcellin e gjetheve të bimëve në diapazonin e gjatësisë së valës prej 400 deri në 700 nm për njësi të kohës dhe njësisë së sipërfaqes. Njësia e saj është μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Rrezatimi fotosintetik aktiv (PAR) i referohet rrezatimit total diellor me një gjatësi vale në diapazonin prej 400 deri në 700 nm. Mund të shprehet ose me kuante të dritës ose me energji rrezatuese.

Në të kaluarën, intensiteti i dritës që reflektohej nga iluminometri ishte shkëlqimi, por spektri i rritjes së bimëve ndryshon për shkak të lartësisë së pajisjes së dritës nga bima, mbulimit të dritës dhe nëse drita mund të kalojë nëpër gjethe. Prandaj, nuk është e saktë të përdoret par si tregues i intensitetit të dritës në studimin e fotosintezës.

Në përgjithësi, mekanizmi i fotosintezës mund të iniciohet kur PPFD e bimës që e do diellin është më e madhe se 50 μmol·m-2·s-1, ndërsa PPFD e bimës me hije ka nevojë vetëm për 20 μmol·m-2·s-1. Prandaj, kur blini drita LED për rritje, mund të zgjidhni numrin e dritave LED për rritje bazuar në këtë vlerë referuese dhe llojin e bimëve që mbillni. Për shembull, nëse PPFD e një drite të vetme LED është 20 μmol·m-2·s-1, kërkohen më shumë se 3 llamba LED për bimët që e duan diellin.

Disa zgjidhje projektimi të ndriçimit gjysmëpërçues

Ndriçimi gjysmëpërçues përdoret për rritjen ose mbjelljen e bimëve, dhe ekzistojnë dy metoda themelore referimi.

• Aktualisht, modeli i mbjelljes së bimëve në ambiente të mbyllura është shumë i popullarizuar në Kinë. Ky model ka disa karakteristika:

① Roli i dritave LED është të ofrojë spektrin e plotë të ndriçimit të bimëve, dhe sistemi i ndriçimit kërkohet të ofrojë të gjithë energjinë e ndriçimit, dhe kostoja e prodhimit është relativisht e lartë;
② Projektimi i dritave LED për rritjen e dritës duhet të marrë në konsideratë vazhdimësinë dhe integritetin e spektrit;
③Është e nevojshme të kontrollohet në mënyrë efektive koha dhe intensiteti i ndriçimit, siç është lënia e bimëve të pushojnë për disa orë, intensiteti i rrezatimit nuk është i mjaftueshëm ose shumë i fortë, etj.;
④ I gjithë procesi duhet të imitojë kushtet e kërkuara nga mjedisi aktual optimal i rritjes së bimëve jashtë, siç janë lagështia, temperatura dhe përqendrimi i CO2.

• Mënyra e mbjelljes në natyrë me bazë të mirë mbjelljeje në serrë të jashtme. Karakteristikat e këtij modeli janë:

① Roli i dritave LED është të plotësojnë dritën. Njëra është të rrisë intensitetin e dritës në zonat blu dhe të kuqe nën rrezatimin e diellit gjatë ditës për të nxitur fotosintezën e bimëve, dhe tjetra është të kompensojë mungesën e dritës së diellit gjatë natës për të nxitur ritmin e rritjes së bimëve.
② Drita shtesë duhet të marrë në konsideratë fazën e rritjes në të cilën ndodhet bima, siç është periudha e fidanëve ose periudha e lulëzimit dhe frytdhënies.

Prandaj, dizajni i dritave LED për rritjen e bimëve duhet së pari të ketë dy mënyra themelore dizajni, përkatësisht, ndriçim 24 orë (brenda) dhe ndriçim plotësues për rritjen e bimëve (jashtë). Për kultivimin e bimëve brenda, dizajni i dritave LED për rritjen duhet të marrë në konsideratë tre aspekte, siç tregohet në Figurën 4. Nuk është e mundur të paketohen çipat me tre ngjyra kryesore në një proporcion të caktuar.

Figura 4, Ideja e dizajnit të përdorimit të dritave LED përforcuese të bimëve të brendshme për ndriçim 24 orësh

Për shembull, për një spektër në fazën e çerdhes, duke marrë parasysh se duhet të forcojë rritjen e rrënjëve dhe kërcejve, të forcojë degëzimin e gjetheve dhe burimin e dritës ta përdorë brenda, spektri mund të projektohet siç tregohet në Figurën 5.

Figura 5, Struktura spektrale të përshtatshme për periudhën e çerdhes me LED të brendshme

Për projektimin e llojit të dytë të dritës LED për rritje, synohet kryesisht zgjidhja e projektimit të dritës plotësuese për të nxitur mbjelljen në bazën e serrës së jashtme. Ideja e projektimit tregohet në Figurën 6.

Figura 6, Ide dizajni për ndriçuesit e rritjes në natyrë 

Autori sugjeron që më shumë kompani mbjellëse të miratojnë opsionin e dytë për të përdorur dritat LED për të nxitur rritjen e bimëve.

Para së gjithash, kultivimi i serrave në natyrë në Kinë ka dekada të tëra dhe një gamë të gjerë përvoje, si në jug ashtu edhe në veri. Ajo ka një bazë të mirë të teknologjisë së kultivimit të serrave dhe ofron një numër të madh frutash dhe perimesh të freskëta në treg për qytetet përreth. Sidomos në fushën e tokës, ujit dhe mbjelljes së plehrave, janë arritur rezultate të pasura kërkimore.

Së dyti, ky lloj zgjidhjeje shtesë për ndriçim mund të zvogëlojë ndjeshëm konsumin e panevojshëm të energjisë dhe në të njëjtën kohë mund të rrisë në mënyrë efektive rendimentin e frutave dhe perimeve. Përveç kësaj, zona e gjerë gjeografike e Kinës është shumë e përshtatshme për promovim.

Si kërkim shkencor i ndriçimit të bimëve me LED, ai ofron gjithashtu një bazë më të gjerë eksperimentale për të. Fig. 7 është një lloj llambë LED për rritjen e bimëve e zhvilluar nga ky ekip kërkimor, e cila është e përshtatshme për kultivim në serra, dhe spektri i saj është treguar në Fig. 8.

Figura 7, Një lloj llambë LED për rritjen e bimëve

Figura 8, spektri i një lloj drite LED për rritjen e flokëve

Sipas ideve të mësipërme të projektimit, ekipi i kërkimit kreu një sërë eksperimentesh dhe rezultatet eksperimentale janë shumë domethënëse. Për shembull, për dritën e rritjes gjatë fidanishtes, llamba origjinale e përdorur është një llambë fluoreshente me fuqi prej 32 W dhe një cikël fidanishteje prej 40 ditësh. Ne ofrojmë një dritë LED 12 W, e cila shkurton ciklin e fidanëve në 30 ditë, zvogëlon në mënyrë efektive ndikimin e temperaturës së llambave në punishten e fidanëve dhe kursen konsumin e energjisë së kondicionerit. Trashësia, gjatësia dhe ngjyra e fidanëve janë më të mira se zgjidhja origjinale e rritjes së fidanëve. Për fidanët e perimeve të zakonshme, janë marrë gjithashtu përfundime të mira verifikimi, të cilat janë përmbledhur në tabelën vijuese.

Midis tyre, grupi plotësues i dritës PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, dhe raporti i kuq-blu: 0.6-0.7. Diapazoni i vlerës së PPFD gjatë ditës të grupit natyror ishte 40~800 μmol·m-2·s-1, dhe raporti i të kuqes me blunë ishte 0.6~1.2. Mund të shihet se treguesit e mësipërm janë më të mirë se ato të fidanëve të rritur natyrshëm.

Përfundim

Ky artikull prezanton zhvillimet më të fundit në zbatimin e dritave LED për rritjen e bimëve në kultivimin e bimëve dhe nxjerr në pah disa keqkuptime në zbatimin e dritave LED për rritjen e bimëve. Së fundmi, prezantohen idetë dhe skemat teknike për zhvillimin e dritave LED për rritjen e bimëve të përdorura për kultivimin e bimëve. Duhet theksuar se ka edhe disa faktorë që duhen marrë në konsideratë në instalimin dhe përdorimin e dritës, siç janë distanca midis dritës dhe bimës, diapazoni i rrezatimit të llambës dhe mënyra e aplikimit të dritës me ujë të zakonshëm, pleh dhe tokë.

Autori: Yi Wang et al. Burimi: CNKI