Utangulizi

Nuru ina jukumu muhimu katika mchakato wa ukuaji wa mimea.Ni mbolea bora ya kukuza ufyonzaji wa klorofili ya mmea na ufyonzaji wa sifa mbalimbali za ukuaji wa mimea kama vile carotene.Hata hivyo, sababu ya kuamua ambayo huamua ukuaji wa mimea ni sababu ya kina, si tu kuhusiana na mwanga, lakini pia haiwezi kutenganishwa na usanidi wa maji, udongo na mbolea, hali ya mazingira ya ukuaji na udhibiti wa kina wa kiufundi.

Katika kipindi cha miaka miwili au mitatu iliyopita, kumekuwa na ripoti zisizo na kikomo juu ya utumiaji wa teknolojia ya taa ya semiconductor kuhusu viwanda vya mimea yenye sura tatu au ukuaji wa mimea.Lakini baada ya kuisoma kwa uangalifu, daima kuna hisia zisizofurahi.Kwa ujumla, hakuna ufahamu wa kweli wa jukumu gani mwanga unapaswa kuchukua katika ukuaji wa mimea.

Kwanza, hebu tuelewe wigo wa jua, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1. Inaweza kuonekana kuwa wigo wa jua ni wigo unaoendelea, ambao wigo wa bluu na kijani ni nguvu zaidi kuliko wigo nyekundu, na wigo wa mwanga unaoonekana unatoka. 380 hadi 780 nm.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.Lakini nguvu ya juu ya miale ya jua sio bora kila wakati, na kuna kiwango fulani cha kuchagua kwa ukuaji wa wanyama na mimea.

Kielelezo 1, Tabia za wigo wa jua na wigo wake wa mwanga unaoonekana

Pili, mchoro wa wigo wa pili wa vipengele kadhaa muhimu vya kunyonya vya ukuaji wa mmea umeonyeshwa kwenye Mchoro 2.

Mchoro 2, Mwonekano wa kunyonya wa auksini kadhaa katika ukuaji wa mmea

Inaweza kuonekana kutoka kwa Mchoro 2 kwamba mwonekano wa ufyonzaji mwanga wa auksini kadhaa muhimu zinazoathiri ukuaji wa mmea ni tofauti sana.Kwa hiyo, matumizi ya taa za ukuaji wa mimea ya LED sio jambo rahisi, lakini linalenga sana.Hapa ni muhimu kuanzisha dhana ya vipengele viwili muhimu zaidi vya ukuaji wa mimea ya photosynthetic.

• Klorofili

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

Chlorofili a hasa hufyonza mwanga mwekundu, na klorofili b hufyonza hasa mwanga wa bluu-violet, hasa ili kutofautisha mimea ya kivuli na mimea ya jua.Uwiano wa klorofili b na klorofili a ya mimea ya kivuli ni mdogo, hivyo mimea ya kivuli inaweza kutumia mwanga wa bluu kwa nguvu na kukabiliana na kukua katika kivuli.Chlorophyll a ni bluu-kijani, na klorofili b ni njano-kijani.Kuna ngozi mbili zenye nguvu za klorofili a na klorofili b, moja katika eneo nyekundu yenye urefu wa 630-680 nm, na nyingine katika eneo la bluu-violet yenye urefu wa 400-460 nm.

• Carotenoids

Carotenoids ni neno la jumla la darasa la rangi asili muhimu, ambayo hupatikana kwa rangi ya manjano, machungwa-nyekundu au nyekundu katika wanyama, mimea ya juu, kuvu, na mwani.Hadi sasa, zaidi ya 600 carotenoids asili imegunduliwa.

Kunyonya kwa mwanga wa carotenoids hufunika aina mbalimbali za OD303 ~ 505 nm, ambayo hutoa rangi ya chakula na huathiri ulaji wa mwili wa chakula.Katika mwani, mimea, na microorganisms, rangi yake inafunikwa na klorophyll na haiwezi kuonekana.Katika seli za mimea, carotenoids zinazozalishwa sio tu kunyonya na kuhamisha nishati ili kusaidia usanisinuru, lakini pia zina kazi ya kulinda seli kutokana na kuharibiwa na molekuli za oksijeni za bondi moja ya elektroni.

Baadhi ya kutoelewana kwa dhana

Bila kujali athari ya kuokoa nishati, uchaguzi wa mwanga na uratibu wa mwanga, taa za semiconductor zimeonyesha faida kubwa.Hata hivyo, kutokana na maendeleo ya haraka ya miaka miwili iliyopita, tumeona pia kutoelewana mengi katika kubuni na matumizi ya mwanga, ambayo yanaonyeshwa hasa katika vipengele vifuatavyo.

①Mradi tu chipsi nyekundu na bluu za urefu fulani wa mawimbi zimeunganishwa kwa uwiano fulani, zinaweza kutumika katika upanzi wa mimea, kwa mfano, uwiano wa nyekundu na bluu ni 4:1, 6:1, 9:1 na kadhalika. juu.

②Ilimradi ni mwanga mweupe, inaweza kuchukua nafasi ya mwanga wa jua, kama vile mirija mitatu ya msingi ya taa nyeupe inayotumika sana nchini Japani, n.k. Matumizi ya masafa haya yana athari fulani kwa ukuaji wa mimea, lakini athari yake ni si nzuri kama chanzo cha mwanga kilichotengenezwa na LED.

③Ilimradi PPFD (wiani mwepesi wa quantum flux), kigezo muhimu cha kuangazia, kufikia faharasa 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 mahali pa kufidia mwanga wa mimea hii, ambayo pia huitwa sehemu ya fidia ya mwanga.Katika maombi halisi, miche mara nyingi huchomwa au kukauka.Kwa hiyo, muundo wa parameter hii lazima ufanyike kulingana na aina za mimea, mazingira ya ukuaji na hali.

Kuhusu kipengele cha kwanza, kama ilivyoletwa katika utangulizi, wigo unaohitajika kwa ukuaji wa mmea unapaswa kuwa wigo unaoendelea na upana fulani wa usambazaji.Ni dhahiri kwamba haifai kutumia chanzo cha mwanga kilichoundwa na vipande viwili mahususi vya urefu wa mawimbi vya nyekundu na buluu vyenye wigo finyu sana (kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3(a)).Katika majaribio, iligundua kuwa mimea huwa na rangi ya njano, shina za majani ni nyepesi sana, na majani ya majani ni nyembamba sana.

Kwa mirija ya umeme yenye rangi tatu za msingi zinazotumiwa sana katika miaka iliyopita, ingawa nyeupe imeunganishwa, mwonekano mwekundu, kijani kibichi na samawati hutenganishwa (kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3(b)), na upana wa masafa ni finyu sana.Ukali wa spectral wa sehemu inayoendelea ifuatayo ni dhaifu kiasi, na nguvu bado ni kubwa ikilinganishwa na LEDs, mara 1.5 hadi 3 ya matumizi ya nishati.Kwa hiyo, athari ya matumizi si nzuri kama taa za LED.

Mchoro 3, Chip nyekundu na bluu Mwanga wa mmea wa LED na wigo wa mwanga wa rangi tatu-msingi wa fluorescent

PPFD ni msongamano wa mwanga wa quantum flux, ambayo inarejelea msongamano wa mwanga wa mionzi ya mwanga katika usanisinuru, ambayo inawakilisha jumla ya idadi ya tukio la mwanga kwenye shina la majani ya mmea katika safu ya urefu wa nm 400 hadi 700 kwa kila kitengo cha wakati 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 mawimbi kati ya 400 hadi 700 nm.Inaweza kuonyeshwa ama kwa quanta nyepesi au kwa nishati ya radiant.

Hapo awali, mwangaza wa mwanga ulioonyeshwa na illuminometer ulikuwa mwangaza, lakini wigo wa ukuaji wa mmea hubadilika kwa sababu ya urefu wa mwanga kutoka kwa mmea, ufunikaji wa mwanga na ikiwa mwanga unaweza kupita kwenye majani.Kwa hivyo, sio sahihi kutumia par kama kiashiria cha kiwango cha mwanga katika utafiti wa photosynthesis.

Kwa ujumla, utaratibu wa usanisinuru unaweza kuanzishwa wakati PPFD ya mmea unaopenda jua ni kubwa kuliko 50 μmol·m-m-2·s-1, huku PPFD ya mmea wenye kivuli inahitaji 20 μmol·m-2·s-1 pekee. .Kwa hiyo, wakati wa kununua taa za kukua za LED, unaweza kuchagua idadi ya taa za kukua za LED kulingana na thamani hii ya kumbukumbu 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 za LED zinahitajika ili kukuza mimea inayopenda jua.

Ufumbuzi kadhaa wa kubuni wa taa za semiconductor

Taa ya semiconductor hutumiwa kwa ukuaji wa mimea au kupanda, na kuna njia mbili za msingi za kumbukumbu.

• Kwa sasa, mtindo wa upandaji wa ndani ni moto sana nchini China.Mfano huu una sifa kadhaa:

① Jukumu la taa za LED ni kutoa wigo kamili wa taa za mimea, na mfumo wa taa unahitajika kutoa nishati yote ya taa, na gharama ya uzalishaji ni ya juu kiasi;
②Muundo wa taa za ukuaji wa LED unahitaji kuzingatia mwendelezo na uadilifu wa wigo;
③ Ni muhimu kudhibiti kwa ufanisi muda wa taa na nguvu ya taa, kama vile kuruhusu mimea kupumzika kwa saa chache, ukubwa wa mnururisho haitoshi au nguvu sana, nk;
④Mchakato mzima unahitaji kuiga hali zinazohitajika na mazingira halisi ya ukuaji wa mimea ya nje, kama vile unyevu, halijoto na mkusanyiko wa CO2.

• Njia ya upandaji wa nje na msingi mzuri wa upandaji wa chafu.Tabia za mfano huu ni:

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

Kwa hivyo, muundo wa taa za ukuaji wa mmea wa LED unapaswa kwanza kuwa na njia mbili za msingi za muundo, yaani, taa za 24h (ndani) na taa za ziada za ukuaji wa mmea (nje).Kwa kilimo cha mimea ya ndani, muundo wa taa za kukua za LED unahitaji kuzingatia vipengele vitatu, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 4. Haiwezekani kufunga chips na rangi tatu za msingi kwa uwiano fulani.

Kielelezo 4, Wazo la kubuni la kutumia taa za nyongeza za mmea wa LED kwa mwanga wa 24h

Kwa mfano, kwa wigo katika hatua ya kitalu, kwa kuzingatia kwamba inahitaji kuimarisha ukuaji wa mizizi na shina, kuimarisha matawi ya majani, na chanzo cha mwanga kinatumiwa ndani ya nyumba, wigo unaweza kuundwa kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 5.

Kielelezo 5, Miundo ya Spectral inayofaa kwa kipindi cha kitalu cha ndani cha LED

Kwa ajili ya kubuni ya aina ya pili ya LED kukua mwanga, inalenga hasa ufumbuzi wa kubuni wa kuongeza mwanga ili kukuza upandaji katika msingi wa chafu ya nje.Wazo la kubuni linaonyeshwa kwenye Mchoro 6.

Kielelezo 6, Kubuni mawazo ya taa za nje za kukua 

Mwandishi anapendekeza kwamba makampuni zaidi ya kupanda hupitisha chaguo la pili la kutumia taa za LED ili kukuza ukuaji wa mimea.

Awali ya yote, kilimo cha nje cha chafu cha China kina miongo mingi na uzoefu mkubwa, katika kusini na kaskazini.Ina msingi mzuri wa teknolojia ya kilimo cha chafu na hutoa idadi kubwa ya matunda na mboga mboga kwenye soko kwa miji inayozunguka.Hasa katika uwanja wa udongo na maji na upandaji wa mbolea, matokeo ya utafiti tajiri yamefanywa.

Pili, aina hii ya ufumbuzi wa mwanga wa ziada inaweza kupunguza sana matumizi yasiyo ya lazima ya nishati, na wakati huo huo inaweza kuongeza kwa ufanisi mavuno ya matunda na mboga.Kwa kuongeza, eneo kubwa la kijiografia la China ni rahisi sana kwa utangazaji.

Kama utafiti wa kisayansi wa taa ya mimea ya LED, pia hutoa msingi mpana wa majaribio kwa ajili yake.Kielelezo cha 7 ni aina ya mwanga wa ukuaji wa LED uliotengenezwa na timu hii ya utafiti, ambayo inafaa kukua katika bustani za miti, na wigo wake umeonyeshwa kwenye Mchoro 8.

Kielelezo 7, Aina ya LED kukua mwanga

Kielelezo 8, wigo wa aina ya LED kukua mwanga

Kwa mujibu wa mawazo ya kubuni hapo juu, timu ya utafiti ilifanya mfululizo wa majaribio, na matokeo ya majaribio ni muhimu sana.Kwa mfano, kwa kukua mwanga wakati wa kitalu, taa ya awali inayotumiwa ni taa ya fluorescent yenye nguvu ya 32 W na mzunguko wa kitalu wa siku 40.Tunatoa mwanga wa LED 12 W, ambayo hupunguza mzunguko wa miche hadi siku 30, kwa ufanisi hupunguza ushawishi wa joto la taa kwenye warsha ya miche, na kuokoa matumizi ya nguvu ya kiyoyozi.Unene, urefu na rangi ya miche ni bora kuliko suluhisho la awali la kuotesha miche.Kwa miche ya mboga za kawaida, hitimisho nzuri za uthibitishaji pia zimepatikana, ambazo ni muhtasari katika jedwali lifuatalo.

Miongoni mwao, kundi la mwanga wa ziada PPFD: 70-80 μmol · m-2 · s-1, na uwiano nyekundu-bluu: 0.6-0.7.Aina mbalimbali za thamani ya PPFD ya mchana ya kundi asilia ilikuwa 40~800 μmol·m-2·s-1, na uwiano wa nyekundu na bluu ulikuwa 0.6~1.2.Inaweza kuonekana kuwa viashiria hapo juu ni vyema zaidi kuliko vya miche iliyopandwa kwa asili.

Hitimisho

Makala haya yanatanguliza maendeleo ya hivi punde katika utumiaji wa taa za ukuaji wa LED katika upanzi wa mimea, na kuashiria kutoelewana fulani katika utumiaji wa mwanga wa ukuaji wa LED katika ukuzaji wa mimea.Hatimaye, mawazo ya kiufundi na mipango ya maendeleo ya taa za kukua za LED zinazotumiwa kwa kilimo cha mimea zinaletwa.Ifahamike kuwa pia kuna baadhi ya mambo yanayotakiwa kuzingatiwa katika uwekaji na utumiaji wa taa, kama vile umbali kati ya mwanga na mmea, aina mbalimbali za mionzi ya taa, na jinsi ya kupaka mwanga na maji ya kawaida, mbolea na udongo.

Mwandishi: Yi Wang et al.Chanzo: CNKI