Utangulizi

Mwanga una jukumu muhimu katika mchakato wa ukuaji wa mimea. Ni mbolea bora zaidi ya kukuza unyonyaji wa klorofili ya mimea na unyonyaji wa sifa mbalimbali za ukuaji wa mimea kama vile carotene. Hata hivyo, jambo muhimu linaloamua ukuaji wa mimea ni jambo la kina, si tu linalohusiana na mwanga, lakini pia haliwezi kutenganishwa na usanidi wa maji, udongo na mbolea, hali ya mazingira ya ukuaji na udhibiti kamili wa kiufundi.

Katika miaka miwili au mitatu iliyopita, kumekuwa na ripoti zisizo na mwisho kuhusu matumizi ya teknolojia ya taa za nusu-semiconductor kuhusu viwanda vya mimea vyenye pande tatu au ukuaji wa mimea. Lakini baada ya kuisoma kwa makini, daima kuna hisia zisizofurahi. Kwa ujumla, hakuna uelewa halisi wa jukumu ambalo mwanga unapaswa kuchukua katika ukuaji wa mimea.

Kwanza, hebu tuelewe wigo wa jua, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1. Inaweza kuonekana kwamba wigo wa jua ni wigo unaoendelea, ambapo wigo wa bluu na kijani ni imara kuliko wigo mwekundu, na wigo wa mwanga unaoonekana unaanzia nanomita 380 hadi 780. Ukuaji wa viumbe katika asili unahusiana na ukubwa wa wigo. Kwa mfano, mimea mingi katika eneo karibu na ikweta hukua haraka sana, na wakati huo huo, ukubwa wa ukuaji wao ni mkubwa kiasi. Lakini nguvu ya juu ya mionzi ya jua sio bora kila wakati, na kuna kiwango fulani cha uteuzi kwa ukuaji wa wanyama na mimea.

Mchoro 1, Sifa za wigo wa jua na wigo wake wa mwanga unaoonekana

Pili, mchoro wa pili wa wigo wa vipengele kadhaa muhimu vya unyonyaji wa ukuaji wa mimea unaonyeshwa kwenye Mchoro 2.

Mchoro 2, Spektra ya ufyonzaji wa auxins kadhaa katika ukuaji wa mmea

Inaweza kuonekana kutoka kwa Mchoro wa 2 kwamba spektra ya kunyonya mwanga ya auxins kadhaa muhimu zinazoathiri ukuaji wa mimea ni tofauti sana. Kwa hivyo, matumizi ya taa za ukuaji wa mimea za LED si jambo rahisi, lakini linalenga sana. Hapa ni muhimu kuanzisha dhana za vipengele viwili muhimu zaidi vya ukuaji wa mimea vinavyotengenezwa kwa usanisinuru.

• Klorofili

Klorofili ni mojawapo ya rangi muhimu zaidi zinazohusiana na usanisinuru. Ipo katika viumbe vyote vinavyoweza kuunda usanisinuru, ikiwa ni pamoja na mimea ya kijani, mwani wa prokaryotic bluu-kijani (cyanobacteria) na mwani wa yukariyoti. Klorofili hunyonya nishati kutoka kwa mwanga, ambayo hutumika kubadilisha kaboni dioksidi kuwa wanga.

Klorofili a hunyonya mwanga mwekundu, na klorofili b hunyonya mwanga wa bluu-violet, hasa ili kutofautisha mimea yenye kivuli na mimea ya jua. Uwiano wa klorofili b na klorofili a wa mimea yenye kivuli ni mdogo, kwa hivyo mimea yenye kivuli inaweza kutumia mwanga wa bluu kwa nguvu na kuzoea kukua kwenye kivuli. Klorofili a ni bluu-kijani, na klorofili b ni njano-kijani. Kuna unyonyaji mbili kali wa klorofili a na klorofili b, moja katika eneo jekundu lenye urefu wa mawimbi ya 630-680 nm, na nyingine katika eneo la bluu-violet lenye urefu wa mawimbi ya 400-460 nm.

• Karotenoidi

Karotenoidi ni neno la jumla la kundi la rangi muhimu za asili, ambazo hupatikana kwa kawaida katika rangi za njano, chungwa-nyekundu au nyekundu katika wanyama, mimea ya juu, kuvu, na mwani. Hadi sasa, zaidi ya karotenoidi 600 asilia zimegunduliwa.

Unyonyaji mwanga wa karotenoidi hufunika safu ya OD303 ~ 505 nm, ambayo hutoa rangi ya chakula na huathiri ulaji wa chakula mwilini. Katika mwani, mimea, na vijidudu, rangi yake imefunikwa na klorofili na haiwezi kuonekana. Katika seli za mimea, karotenoidi zinazozalishwa sio tu hunyonya na kuhamisha nishati ili kusaidia usanisinuru, lakini pia zina kazi ya kulinda seli kutokana na kuharibiwa na molekuli za oksijeni zenye msisimko wa elektroni moja.

Baadhi ya kutoelewana kwa dhana

Bila kujali athari ya kuokoa nishati, uteuzi wa mwanga na uratibu wa mwanga, taa za nusu-nukta zimeonyesha faida kubwa. Hata hivyo, kutokana na maendeleo ya haraka ya miaka miwili iliyopita, pia tumeona kutoelewana kwingi katika muundo na matumizi ya mwanga, ambayo yanaonekana zaidi katika vipengele vifuatavyo.

①Mradi vipande vyekundu na bluu vya urefu fulani wa wimbi vimeunganishwa katika uwiano fulani, vinaweza kutumika katika kilimo cha mimea, kwa mfano, uwiano wa nyekundu na bluu ni 4:1, 6:1, 9:1 na kadhalika.

②Mradi ni mwanga mweupe, unaweza kuchukua nafasi ya mwanga wa jua, kama vile bomba la taa nyeupe la msingi tatu linalotumika sana Japani, n.k. Matumizi ya spektroniki hizi yana athari fulani kwenye ukuaji wa mimea, lakini athari si nzuri kama chanzo cha mwanga kinachotengenezwa na LED.

③Mradi PPFD (wiani wa flux ya quantum nyepesi), kigezo muhimu cha mwanga, kinafikia faharisi fulani, kwa mfano, PPFD ni kubwa kuliko 200 μmol·m-2·s-1. Hata hivyo, unapotumia kiashiria hiki, lazima uzingatie ikiwa ni mmea wa kivuli au mmea wa jua. Unahitaji kuuliza au kupata sehemu ya kueneza fidia ya mwanga ya mimea hii, ambayo pia huitwa sehemu ya fidia ya mwanga. Katika matumizi halisi, miche mara nyingi huchomwa au kukauka. Kwa hivyo, muundo wa kigezo hiki lazima ubuniwe kulingana na spishi za mimea, mazingira ya ukuaji na hali.

Kuhusu kipengele cha kwanza, kama ilivyoainishwa katika utangulizi, wigo unaohitajika kwa ukuaji wa mmea unapaswa kuwa wigo unaoendelea wenye upana fulani wa usambazaji. Ni wazi kuwa haifai kutumia chanzo cha mwanga kilichotengenezwa kwa vipande viwili maalum vya urefu wa wimbi vya nyekundu na bluu vyenye wigo mwembamba sana (kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3(a)). Katika majaribio, iligundulika kuwa mimea huwa na rangi ya manjano, mashina ya majani ni mepesi sana, na mashina ya majani ni membamba sana.

Kwa mirija ya fluorescent yenye rangi tatu za msingi zinazotumika sana katika miaka iliyopita, ingawa nyeupe hutengenezwa, spektra nyekundu, kijani, na bluu hutenganishwa (kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3(b)), na upana wa spektra ni mwembamba sana. Nguvu ya spektra ya sehemu inayofuata inayoendelea ni dhaifu kiasi, na nguvu bado ni kubwa kiasi ikilinganishwa na LED, mara 1.5 hadi 3 ya matumizi ya nishati. Kwa hivyo, athari ya matumizi si nzuri kama taa za LED.

Mchoro 3, Taa ya mimea ya LED yenye rangi nyekundu na bluu na wigo wa taa za fluorescent zenye rangi tatu za msingi

PPFD ni msongamano wa flux ya kwantumu ya mwanga, ambayo inarejelea msongamano mzuri wa mvuke wa mwanga katika usanisinuru, ambayo inawakilisha jumla ya matukio ya quanta ya mwanga kwenye mashina ya majani ya mimea katika safu ya urefu wa wimbi la nm 400 hadi 700 kwa kila muda wa kitengo na eneo la kitengo. Kitengo chake ni μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Mionzi inayofanya kazi kwa usanisinuru (PAR) inarejelea jumla ya mionzi ya jua yenye urefu wa wimbi la nm 400 hadi 700. Inaweza kuonyeshwa kwa quanta ya mwanga au kwa nishati inayong'aa.

Hapo awali, nguvu ya mwanga iliyoakisiwa na illuminator ilikuwa mwangaza, lakini wigo wa ukuaji wa mimea hubadilika kwa sababu ya urefu wa taa kutoka kwa mmea, kifuniko cha mwanga na kama mwanga unaweza kupita kwenye majani. Kwa hivyo, si sahihi kutumia par kama kiashiria cha nguvu ya mwanga katika utafiti wa usanisinuru.

Kwa ujumla, utaratibu wa usanisinuru unaweza kuanzishwa wakati PPFD ya mmea unaopenda jua ni kubwa kuliko 50 μmol·m-2·s-1, huku PPFD ya mmea wenye kivuli ikihitaji 20 μmol·m-2·s-1 pekee. Kwa hivyo, unaponunua taa za kukuza LED, unaweza kuchagua idadi ya taa za kukuza LED kulingana na thamani hii ya marejeleo na aina ya mimea unayopanda. Kwa mfano, ikiwa PPFD ya taa moja ya LED ni 20 μmol·m-2·s-1, zaidi ya balbu 3 za mimea ya LED zinahitajika ili kukuza mimea inayopenda jua.

Suluhisho kadhaa za usanifu wa taa za nusu semiconductor

Taa za nusu kondakta hutumika kwa ukuaji au upandaji wa mimea, na kuna njia mbili za msingi za marejeleo.

• Kwa sasa, mfumo wa kupanda mimea ndani ya nyumba ni wa joto sana nchini China. Mfumo huu una sifa kadhaa:

①Jukumu la taa za LED ni kutoa wigo kamili wa taa za mimea, na mfumo wa taa unahitajika ili kutoa nishati yote ya taa, na gharama ya uzalishaji ni kubwa kiasi;
②Ubunifu wa taa za LED unahitaji kuzingatia mwendelezo na uadilifu wa wigo;
③Ni muhimu kudhibiti kwa ufanisi muda wa mwanga na nguvu ya mwanga, kama vile kuiacha mimea ipumzike kwa saa chache, nguvu ya mionzi haitoshi au ni kali sana, n.k.;
④Mchakato mzima unahitaji kuiga hali zinazohitajika na mazingira halisi ya ukuaji bora wa mimea nje, kama vile unyevunyevu, halijoto na mkusanyiko wa CO2.

• Hali ya kupanda nje yenye msingi mzuri wa kupanda chafu nje. Sifa za mfumo huu ni:

①Jukumu la taa za LED ni kuongeza mwanga. Moja ni kuongeza nguvu ya mwanga katika maeneo ya bluu na nyekundu chini ya mionzi ya jua wakati wa mchana ili kukuza usanisinuru wa mimea, na nyingine ni kufidia wakati hakuna mwanga wa jua usiku ili kukuza kiwango cha ukuaji wa mimea.
②Mwanga wa ziada unahitaji kuzingatia ni hatua gani ya ukuaji ambayo mmea uko, kama vile kipindi cha miche au kipindi cha maua na matunda.

Kwa hivyo, muundo wa taa za mimea ya LED unapaswa kwanza kuwa na aina mbili za msingi za muundo, yaani, taa za saa 24 (za ndani) na taa za nyongeza za ukuaji wa mimea (za nje). Kwa kilimo cha mimea ya ndani, muundo wa taa za mimea ya LED unahitaji kuzingatia vipengele vitatu, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 4. Haiwezekani kufungasha chipsi na rangi tatu za msingi kwa uwiano fulani.

Mchoro 4, Wazo la muundo wa kutumia taa za ndani za LED kwa ajili ya taa za saa 24

Kwa mfano, kwa spektra katika hatua ya kitalu, ikizingatiwa kwamba inahitaji kuimarisha ukuaji wa mizizi na mashina, kuimarisha matawi ya majani, na chanzo cha mwanga hutumika ndani ya nyumba, spektra inaweza kutengenezwa kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 5.

Mchoro 5, Miundo ya Spectral inayofaa kwa kipindi cha ndani cha LED

Kwa ajili ya muundo wa aina ya pili ya taa za LED zinazokua, inalenga zaidi suluhisho la muundo wa taa za ziada ili kukuza upandaji katika msingi wa chafu ya nje. Wazo la muundo linaonyeshwa kwenye Mchoro 6.

Mchoro 6, Mawazo ya kubuni taa za nje za mimea 

Mwandishi anapendekeza kwamba makampuni zaidi ya upandaji miti yatumie chaguo la pili la kutumia taa za LED ili kukuza ukuaji wa mimea.

Kwanza kabisa, kilimo cha nje cha chafu cha China kina miongo mingi na uzoefu mpana, kusini na kaskazini. Kina msingi mzuri wa teknolojia ya kilimo cha chafu na hutoa idadi kubwa ya matunda na mboga mboga sokoni kwa miji inayozunguka. Hasa katika uwanja wa upandaji wa udongo, maji na mbolea, matokeo mazuri ya utafiti yamepatikana.

Pili, aina hii ya suluhisho la ziada la mwanga inaweza kupunguza sana matumizi yasiyo ya lazima ya nishati, na wakati huo huo inaweza kuongeza mavuno ya matunda na mboga kwa ufanisi. Zaidi ya hayo, eneo kubwa la kijiografia la China ni rahisi sana kwa ajili ya kutangazwa.

Kama utafiti wa kisayansi wa taa za mimea ya LED, pia hutoa msingi mpana wa majaribio kwa ajili yake. Mchoro 7 ni aina ya taa za LED zinazokua zinazotengenezwa na timu hii ya utafiti, ambazo zinafaa kwa kilimo katika nyumba za kijani kibichi, na wigo wake unaonyeshwa kwenye Mchoro 8.

Mchoro 7, Aina ya taa ya LED inayokua

Mchoro 8, wigo wa aina ya mwanga wa LED grow

Kulingana na mawazo ya usanifu hapo juu, timu ya utafiti ilifanya mfululizo wa majaribio, na matokeo ya majaribio ni muhimu sana. Kwa mfano, kwa mwanga wa kuotesha wakati wa kitalu, taa ya asili iliyotumika ni taa ya fluorescent yenye nguvu ya 32 W na mzunguko wa kitalu wa siku 40. Tunatoa taa ya LED ya 12 W, ambayo hupunguza mzunguko wa miche hadi siku 30, hupunguza kwa ufanisi ushawishi wa halijoto ya taa kwenye karakana ya miche, na huokoa matumizi ya nguvu ya kiyoyozi. Unene, urefu na rangi ya miche ni bora kuliko suluhisho la asili la kukuza miche. Kwa miche ya mboga za kawaida, hitimisho nzuri za uthibitisho pia zimepatikana, ambazo zimefupishwa katika jedwali lifuatalo.

Miongoni mwao, kundi la ziada la mwanga PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, na uwiano wa nyekundu-bluu: 0.6-0.7. Kiwango cha thamani ya mchana ya PPFD ya kundi la asili kilikuwa 40~800 μmol·m-2·s-1, na uwiano wa nyekundu hadi bluu ulikuwa 0.6~1.2. Inaweza kuonekana kwamba viashiria vilivyo hapo juu ni bora kuliko vile vya miche iliyokuzwa kiasili.

Hitimisho

Makala haya yanawasilisha maendeleo ya hivi punde katika matumizi ya taa za LED katika kilimo cha mimea, na yanaonyesha baadhi ya kutoelewana katika matumizi ya taa za LED katika kilimo cha mimea. Hatimaye, mawazo na mipango ya kiufundi ya maendeleo ya taa za LED zinazotumika kwa kilimo cha mimea yanaletwa. Ikumbukwe kwamba pia kuna mambo kadhaa ambayo yanahitaji kuzingatiwa katika usakinishaji na matumizi ya taa, kama vile umbali kati ya mwanga na mmea, kiwango cha mwangaza wa taa, na jinsi ya kutumia mwanga kwa maji ya kawaida, mbolea, na udongo.

Mwandishi: Yi Wang et al. Chanzo: CNKI