Einführung

Licht spielt eine Schlüsselrolle im Prozess des Pflanzenwachstums. Es ist der beste Dünger, um die Aufnahme von pflanzlichem Chlorophyll und die Aufnahme verschiedener Pflanzenwachstumseigenschaften wie Carotin zu fördern. Der entscheidende Faktor, der das Wachstum von Pflanzen bestimmt, ist jedoch ein umfassender Faktor, der nicht nur mit dem Licht zusammenhängt, sondern auch untrennbar mit der Konfiguration von Wasser, Boden und Düngemitteln, den Bedingungen der Wachstumsumgebung und einer umfassenden technischen Kontrolle verbunden ist.

In den letzten zwei, drei Jahren gab es unzählige Berichte über die Anwendung der Halbleiterbeleuchtungstechnologie in Bezug auf dreidimensionale Pflanzenfabriken oder Pflanzenwachstum. Doch nach sorgfältiger Lektüre überkommt mich immer ein mulmiges Gefühl. Generell gibt es kein wirkliches Verständnis darüber, welche Rolle Licht beim Pflanzenwachstum spielen sollte.

Lassen Sie uns zunächst das Spektrum der Sonne verstehen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass das Sonnenspektrum ein kontinuierliches Spektrum ist, in dem das blaue und das grüne Spektrum stärker sind als das rote Spektrum und das Spektrum des sichtbaren Lichts davon reicht 380 bis 780 nm. Das Wachstum von Organismen in der Natur hängt von der Intensität des Spektrums ab. Beispielsweise wachsen die meisten Pflanzen in der Nähe des Äquators sehr schnell und gleichzeitig ist ihr Wuchs relativ groß. Allerdings ist die hohe Intensität der Sonneneinstrahlung nicht immer die bessere, und es gibt eine gewisse Selektivität für das Wachstum von Tieren und Pflanzen.

Abbildung 1: Die Eigenschaften des Sonnenspektrums und seines sichtbaren Lichtspektrums

Zweitens ist in Abbildung 2 das zweite Spektraldiagramm mehrerer wichtiger Absorptionselemente des Pflanzenwachstums dargestellt.

Abbildung 2: Absorptionsspektren mehrerer Auxine im Pflanzenwachstum

Aus Abbildung 2 ist ersichtlich, dass die Lichtabsorptionsspektren mehrerer wichtiger Auxine, die das Pflanzenwachstum beeinflussen, deutlich unterschiedlich sind. Daher ist der Einsatz von LED-Pflanzenwachstumslichtern keine einfache, sondern sehr zielgerichtete Angelegenheit. Hier ist es notwendig, die Konzepte der beiden wichtigsten photosynthetischen Pflanzenwachstumselemente einzuführen.

• Chlorophyll

Chlorophyll ist eines der wichtigsten Pigmente im Zusammenhang mit der Photosynthese. Es kommt in allen Organismen vor, die Photosynthese betreiben können, einschließlich Grünpflanzen, prokaryotischen Blaualgen (Cyanobakterien) und eukaryotischen Algen. Chlorophyll absorbiert Energie aus Licht, die dann zur Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenhydrate verwendet wird.

Chlorophyll a absorbiert hauptsächlich rotes Licht und Chlorophyll b absorbiert hauptsächlich blauviolettes Licht, hauptsächlich um Schattenpflanzen von Sonnenpflanzen zu unterscheiden. Das Verhältnis von Chlorophyll b zu Chlorophyll a von Schattenpflanzen ist gering, sodass Schattenpflanzen blaues Licht stark nutzen und sich an das Wachstum im Schatten anpassen können. Chlorophyll a ist blaugrün und Chlorophyll b ist gelbgrün. Es gibt zwei starke Absorptionen von Chlorophyll a und Chlorophyll b, eine im roten Bereich mit einer Wellenlänge von 630–680 nm und die andere im blauvioletten Bereich mit einer Wellenlänge von 400–460 nm.

• Carotinoide

Carotinoide sind die allgemeine Bezeichnung für eine Klasse wichtiger natürlicher Pigmente, die häufig in gelben, orangeroten oder roten Pigmenten bei Tieren, höheren Pflanzen, Pilzen und Algen vorkommen. Bisher wurden mehr als 600 natürliche Carotinoide entdeckt.

Die Lichtabsorption von Carotinoiden deckt den Bereich von OD303~505 nm ab, der für die Farbe der Nahrung sorgt und die Nahrungsaufnahme des Körpers beeinflusst. Bei Algen, Pflanzen und Mikroorganismen wird seine Farbe vom Chlorophyll verdeckt und kann nicht zum Vorschein kommen. In Pflanzenzellen absorbieren und übertragen die produzierten Carotinoide nicht nur Energie, um die Photosynthese zu unterstützen, sondern haben auch die Funktion, Zellen vor der Zerstörung durch angeregte Sauerstoffmoleküle mit Einzelelektronenbindung zu schützen.

Einige konzeptionelle Missverständnisse

Unabhängig vom Energiespareffekt, der Lichtselektivität und der Lichtkoordination hat die Halbleiterbeleuchtung große Vorteile gezeigt. Durch die rasante Entwicklung der letzten zwei Jahre haben wir jedoch auch viele Missverständnisse bei der Gestaltung und Anwendung von Licht gesehen, die sich vor allem in den folgenden Aspekten widerspiegeln.

①Solange die roten und blauen Chips einer bestimmten Wellenlänge in einem bestimmten Verhältnis kombiniert werden, können sie im Pflanzenanbau verwendet werden. Beispielsweise beträgt das Verhältnis von Rot zu Blau 4:1, 6:1, 9:1 und so weiter An.

②Solange es sich um weißes Licht handelt, kann es das Sonnenlicht ersetzen, z. B. die in Japan weit verbreitete Drei-Primär-Weißlichtröhre usw. Die Verwendung dieser Spektren hat einen gewissen Einfluss auf das Pflanzenwachstum, aber der Effekt ist nicht so gut wie die LED-Lichtquelle.

③Solange die PPFD (Lichtquantenflussdichte), ein wichtiger Parameter der Beleuchtung, einen bestimmten Index erreicht, ist PPFD beispielsweise größer als 200 μmol·m-2·s-1. Allerdings muss bei der Verwendung dieses Indikators darauf geachtet werden, ob es sich um eine Schattenpflanze oder eine Sonnenpflanze handelt. Sie müssen den Lichtkompensationssättigungspunkt dieser Pflanzen abfragen oder finden, der auch als Lichtkompensationspunkt bezeichnet wird. Bei tatsächlichen Anwendungen werden Sämlinge oft verbrannt oder verdorren. Daher muss die Gestaltung dieses Parameters entsprechend der Pflanzenart, der Wachstumsumgebung und den Bedingungen gestaltet werden.

Bezüglich des ersten Aspekts, wie er in der Einleitung vorgestellt wurde, sollte das für das Pflanzenwachstum erforderliche Spektrum ein kontinuierliches Spektrum mit einer bestimmten Verteilungsbreite sein. Es ist offensichtlich ungeeignet, eine Lichtquelle zu verwenden, die aus zwei spezifischen Wellenlängenchips in Rot und Blau mit einem sehr schmalen Spektrum besteht (wie in Abbildung 3(a) dargestellt). In Versuchen wurde festgestellt, dass Pflanzen eher gelblich sind, die Blattstiele sehr hell sind und die Blattstiele sehr dünn sind.

Bei Leuchtstoffröhren mit drei Primärfarben, die in früheren Jahren häufig verwendet wurden, wird zwar Weiß synthetisiert, die roten, grünen und blauen Spektren sind jedoch getrennt (wie in Abbildung 3(b) dargestellt) und die Breite des Spektrums ist sehr schmal. Die spektrale Intensität des folgenden kontinuierlichen Teils ist relativ schwach und die Leistung ist im Vergleich zu LEDs immer noch relativ groß und beträgt das 1,5- bis 3-fache des Energieverbrauchs. Daher ist der Nutzungseffekt nicht so gut wie bei LED-Leuchten.

Abbildung 3: LED-Pflanzenlicht mit rotem und blauem Chip und fluoreszierendes Lichtspektrum mit drei Primärfarben

PPFD ist die Lichtquantenflussdichte, die sich auf die effektive Strahlungslichtflussdichte von Licht bei der Photosynthese bezieht, die die Gesamtzahl der Lichtquanten darstellt, die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit auf Pflanzenblattstiele im Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm einfallen . Seine Einheit ist μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Unter der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) versteht man die gesamte Sonnenstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 400 bis 700 nm. Sie kann entweder durch Lichtquanten oder durch Strahlungsenergie ausgedrückt werden.

In der Vergangenheit war die vom Beleuchtungsmesser reflektierte Lichtintensität die Helligkeit, aber das Spektrum des Pflanzenwachstums ändert sich aufgrund der Höhe der Leuchte von der Pflanze, der Lichtabdeckung und der Frage, ob das Licht durch die Blätter dringen kann. Daher ist es nicht korrekt, Par als Indikator für die Lichtintensität bei der Untersuchung der Photosynthese zu verwenden.

Im Allgemeinen kann der Photosynthesemechanismus eingeleitet werden, wenn der PPFD der sonnenliebenden Pflanze größer als 50 μmol·m-2·s-1 ist, während der PPFD der Schattenpflanze nur 20 μmol·m-2·s-1 benötigt . Daher können Sie beim Kauf von LED-Wachstumslampen die Anzahl der LED-Wachstumslampen basierend auf diesem Referenzwert und der Art der Pflanzen, die Sie pflanzen, auswählen. Wenn beispielsweise der PPFD einer einzelnen LED-Leuchte 20 μmol·m-2·s-1 beträgt, sind mehr als 3 LED-Pflanzenlampen erforderlich, um sonnenliebende Pflanzen zu züchten.

Mehrere Designlösungen für Halbleiterbeleuchtung

Halbleiterbeleuchtung wird für das Pflanzenwachstum oder das Pflanzen verwendet, und es gibt zwei grundlegende Referenzmethoden.

• Derzeit ist das Indoor-Pflanzmodell in China sehr beliebt. Dieses Modell weist mehrere Eigenschaften auf:

①Die Aufgabe von LED-Leuchten besteht darin, das gesamte Spektrum der Pflanzenbeleuchtung bereitzustellen, und das Beleuchtungssystem muss die gesamte Lichtenergie bereitstellen, und die Produktionskosten sind relativ hoch;
②Beim Design von LED-Wachstumslampen muss die Kontinuität und Integrität des Spektrums berücksichtigt werden.
③Es ist notwendig, die Beleuchtungszeit und die Beleuchtungsintensität effektiv zu steuern, z. B. die Pflanzen einige Stunden ruhen zu lassen, die Intensität der Bestrahlung ist nicht ausreichend oder zu stark usw.;
④Der gesamte Prozess muss die Bedingungen nachahmen, die für die tatsächliche optimale Wachstumsumgebung von Pflanzen im Freien erforderlich sind, wie z. B. Luftfeuchtigkeit, Temperatur und CO2-Konzentration.

• Pflanzmodus im Freien mit guter Grundlage für die Bepflanzung von Gewächshäusern im Freien. Die Merkmale dieses Modells sind:

①Die Aufgabe von LED-Leuchten besteht darin, das Licht zu ergänzen. Eine davon besteht darin, die Lichtintensität in den blauen und roten Bereichen bei Sonneneinstrahlung während des Tages zu erhöhen, um die Photosynthese von Pflanzen zu fördern, und die andere darin, die Lichtintensität in den blauen und roten Bereichen zu erhöhen, wenn nachts kein Sonnenlicht vorhanden ist, um die Wachstumsrate der Pflanzen zu fördern
②Bei der Zusatzbeleuchtung muss berücksichtigt werden, in welcher Wachstumsphase sich die Pflanze befindet, beispielsweise in der Sämlingsperiode oder in der Blüte- und Fruchtperiode.

Daher sollte das Design von LED-Pflanzenlampen zunächst zwei grundlegende Designmodi aufweisen, nämlich 24-Stunden-Beleuchtung (innen) und Beleuchtung zur Ergänzung des Pflanzenwachstums (außen). Für den Pflanzenanbau in Innenräumen müssen beim Design von LED-Wachstumslampen drei Aspekte berücksichtigt werden, wie in Abbildung 4 dargestellt. Es ist nicht möglich, die Chips mit drei Primärfarben in einem bestimmten Verhältnis zu verpacken.

Abbildung 4: Die Designidee der Verwendung von LED-Pflanzenverstärkerleuchten für den Innenbereich für eine 24-Stunden-Beleuchtung

Wenn man beispielsweise für ein Spektrum im Kindergartenstadium das Wachstum von Wurzeln und Stängeln sowie die Verzweigung der Blätter stärken muss und die Lichtquelle in Innenräumen verwendet wird, kann das Spektrum wie in Abbildung 5 dargestellt gestaltet werden.

Abbildung 5: Spektralstrukturen, die für die LED-Kinderzimmerzeit im Innenbereich geeignet sind

Bei der Gestaltung des zweiten Typs von LED-Wachstumslichtern geht es hauptsächlich um die Designlösung, das Licht zu ergänzen, um die Bepflanzung am Boden des Gewächshauses im Freien zu fördern. Die Designidee ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6, Designideen für Outdoor-Wachstumslampen 

Der Autor schlägt vor, dass immer mehr Pflanzenbauunternehmen die zweite Möglichkeit nutzen, LED-Leuchten zur Förderung des Pflanzenwachstums einzusetzen.

Erstens verfügt China sowohl im Süden als auch im Norden über jahrzehntelange Erfahrung im Freilandanbau unter Gewächshäusern. Es verfügt über eine gute Grundlage der Gewächshausanbautechnologie und bietet den umliegenden Städten eine große Menge an frischem Obst und Gemüse auf dem Markt. Insbesondere auf dem Gebiet der Boden- und Wasser- und Düngemittelbepflanzung wurden umfangreiche Forschungsergebnisse erzielt.

Zweitens kann eine solche zusätzliche Lichtlösung den unnötigen Energieverbrauch erheblich reduzieren und gleichzeitig den Ertrag von Obst und Gemüse effektiv steigern. Darüber hinaus eignet sich Chinas riesiges geografisches Gebiet sehr gut für die Werbung.

Als wissenschaftliche Forschung zur LED-Pflanzenbeleuchtung bietet sie auch eine breitere experimentelle Basis dafür. Abb. 7 ist eine Art LED-Wachstumslicht, das von diesem Forschungsteam entwickelt wurde und für den Anbau in Gewächshäusern geeignet ist. Sein Spektrum ist in Abb. 8 dargestellt.

Abbildung 7: Eine Art LED-Wachstumslicht

Abbildung 8, Spektrum einer Art LED-Wachstumslicht

Gemäß den oben genannten Designideen führte das Forschungsteam eine Reihe von Experimenten durch, und die experimentellen Ergebnisse sind sehr bedeutsam. Für das Wachstumslicht während der Baumschule wird beispielsweise als Originallampe eine Leuchtstofflampe mit einer Leistung von 32 W und einem Wachstumszyklus von 40 Tagen verwendet. Wir stellen ein 12-W-LED-Licht zur Verfügung, das den Setzlingszyklus auf 30 Tage verkürzt, den Einfluss der Temperatur der Lampen in der Setzlingswerkstatt wirksam reduziert und den Stromverbrauch der Klimaanlage spart. Die Dicke, Länge und Farbe der Sämlinge sind besser als bei der ursprünglichen Lösung zur Sämlingsaufzucht. Für die Sämlinge gewöhnlicher Gemüsesorten wurden ebenfalls gute Verifizierungsergebnisse erzielt, die in der folgenden Tabelle zusammengefasst sind.

Darunter die zusätzliche leichte Gruppe PPFD: 70–80 μmol·m-2·s-1 und das Rot-Blau-Verhältnis: 0,6–0,7. Der Tages-PPFD-Wertbereich der natürlichen Gruppe betrug 40–800 μmol·m-2·s-1 und das Verhältnis von Rot zu Blau betrug 0,6–1,2. Es ist ersichtlich, dass die oben genannten Indikatoren besser sind als die von natürlich gewachsenen Sämlingen.

Abschluss

Dieser Artikel stellt die neuesten Entwicklungen bei der Anwendung von LED-Wachstumslichtern im Pflanzenanbau vor und weist auf einige Missverständnisse bei der Anwendung von LED-Wachstumslichtern im Pflanzenanbau hin. Abschließend werden die technischen Ideen und Schemata für die Entwicklung von LED-Wachstumslampen für den Pflanzenanbau vorgestellt. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass bei der Installation und Verwendung der Leuchte auch einige Faktoren berücksichtigt werden müssen, wie z. B. der Abstand zwischen der Leuchte und der Pflanze, der Strahlungsbereich der Lampe und die Art und Weise, wie das Licht eingesetzt wird normales Wasser, Dünger und Erde.

Autor: Yi Wang et al. Quelle: CNKI