Tác giả: Yamin Li và Houcheng Liu, cùng các cộng sự, đến từ Khoa Làm vườn, Đại học Nông nghiệp Nam Trung Quốc.

Nguồn bài viết: Greenhouse Horticulture

Các loại nhà kính trồng trọt chủ yếu bao gồm nhà kính nhựa, nhà kính năng lượng mặt trời, nhà kính nhiều nhịp và nhà máy trồng cây. Do các công trình nhà kính này cản trở nguồn ánh sáng tự nhiên ở một mức độ nhất định, nên lượng ánh sáng trong nhà không đủ, dẫn đến giảm năng suất và chất lượng cây trồng. Vì vậy, ánh sáng bổ sung đóng vai trò không thể thiếu trong việc duy trì năng suất và chất lượng cây trồng cao trong nhà kính, nhưng đồng thời cũng trở thành yếu tố chính làm tăng tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành.

Từ lâu, các nguồn sáng nhân tạo được sử dụng trong lĩnh vực trồng trọt trong nhà kính chủ yếu bao gồm đèn natri cao áp, đèn huỳnh quang, đèn halogen kim loại, đèn sợi đốt, v.v. Nhược điểm nổi bật là sinh nhiệt cao, tiêu thụ năng lượng cao và chi phí vận hành cao. Sự phát triển của điốt phát quang (LED) thế hệ mới đã giúp việc sử dụng nguồn sáng nhân tạo tiết kiệm năng lượng trong lĩnh vực trồng trọt trong nhà kính trở nên khả thi. LED có ưu điểm là hiệu suất chuyển đổi quang điện cao, nguồn điện một chiều, kích thước nhỏ, tuổi thọ cao, tiêu thụ năng lượng thấp, bước sóng cố định, bức xạ nhiệt thấp và thân thiện với môi trường. So với đèn natri cao áp và đèn huỳnh quang thường được sử dụng hiện nay, LED không chỉ có thể điều chỉnh lượng và chất lượng ánh sáng (tỷ lệ các dải ánh sáng khác nhau) theo nhu cầu phát triển của cây trồng, mà còn có thể chiếu sáng cây ở khoảng cách gần nhờ ánh sáng lạnh. Do đó, số lượng tầng trồng và tỷ lệ sử dụng không gian có thể được cải thiện, đồng thời thực hiện được các chức năng tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và sử dụng không gian hiệu quả mà các nguồn sáng truyền thống không thể thay thế.

Dựa trên những ưu điểm này, đèn LED đã được sử dụng thành công trong chiếu sáng nông nghiệp công nghiệp, nghiên cứu cơ bản về môi trường điều khiển được, nuôi cấy mô thực vật, ươm cây giống trong nhà máy và hệ sinh thái hàng không vũ trụ. Trong những năm gần đây, hiệu suất của đèn LED chiếu sáng nông nghiệp đang được cải thiện, giá thành giảm xuống và các loại sản phẩm với bước sóng cụ thể đang dần được phát triển, do đó ứng dụng của nó trong lĩnh vực nông nghiệp và sinh học sẽ ngày càng rộng rãi hơn.

Bài viết này tóm tắt tình trạng nghiên cứu về đèn LED trong lĩnh vực trồng trọt trong nhà kính, tập trung vào ứng dụng ánh sáng bổ sung LED trong nền tảng sinh học ánh sáng, tác động của đèn LED lên quá trình hình thành ánh sáng, chất lượng dinh dưỡng và hiệu quả làm chậm quá trình lão hóa của cây trồng, việc xây dựng và ứng dụng công thức chiếu sáng, đồng thời phân tích và đánh giá triển vọng của các vấn đề hiện tại và tương lai của công nghệ ánh sáng bổ sung LED.

Ảnh hưởng của ánh sáng bổ sung LED đến sự sinh trưởng của cây trồng nông nghiệp

Tác động điều tiết của ánh sáng lên sự sinh trưởng và phát triển của thực vật bao gồm sự nảy mầm của hạt, sự kéo dài thân cây, sự phát triển của lá và rễ, hướng sáng, tổng hợp và phân hủy chất diệp lục, và sự cảm ứng ra hoa. Các yếu tố môi trường chiếu sáng trong cơ sở bao gồm cường độ ánh sáng, chu kỳ ánh sáng và phân bố quang phổ. Các yếu tố này có thể được điều chỉnh bằng cách bổ sung ánh sáng nhân tạo mà không bị hạn chế bởi điều kiện thời tiết.

Hiện nay, thực vật có ít nhất ba loại thụ thể quang học: phytochrome (hấp thụ ánh sáng đỏ và ánh sáng đỏ xa), cryptochrome (hấp thụ ánh sáng xanh và ánh sáng cực tím gần) và tia UV-A, UV-B. Việc sử dụng nguồn sáng có bước sóng cụ thể để chiếu xạ cây trồng có thể cải thiện hiệu quả quang hợp của cây, đẩy nhanh quá trình hình thành cấu trúc quang hợp và thúc đẩy sự sinh trưởng và phát triển của cây. Ánh sáng đỏ cam (610 ~ 720 nm) và ánh sáng xanh tím (400 ~ 510 nm) được sử dụng trong quá trình quang hợp của cây. Bằng công nghệ LED, ánh sáng đơn sắc (như ánh sáng đỏ với đỉnh 660nm, ánh sáng xanh với đỉnh 450nm, v.v.) có thể được phát ra phù hợp với dải hấp thụ mạnh nhất của chất diệp lục, và độ rộng vùng phổ chỉ là ± 20 nm.

Hiện nay, người ta tin rằng ánh sáng đỏ cam sẽ đẩy nhanh đáng kể sự phát triển của cây trồng, thúc đẩy sự tích lũy chất khô, hình thành củ, thân rễ, lá chồi và các cơ quan khác của cây, giúp cây ra hoa và kết trái sớm hơn, đồng thời đóng vai trò chủ đạo trong việc tăng cường màu sắc cho cây; ánh sáng xanh lam và tím có thể kiểm soát tính hướng sáng của lá cây, thúc đẩy sự mở khí khổng và chuyển động của lục lạp, ức chế sự kéo dài thân cây, ngăn ngừa sự vươn dài của cây, làm chậm quá trình ra hoa và thúc đẩy sự phát triển của các cơ quan sinh dưỡng; sự kết hợp của đèn LED đỏ và xanh lam có thể bù đắp cho sự thiếu hụt ánh sáng của từng màu riêng lẻ và tạo thành đỉnh hấp thụ quang phổ về cơ bản phù hợp với quá trình quang hợp và hình thái của cây trồng. Tỷ lệ sử dụng năng lượng ánh sáng có thể đạt từ 80% đến 90%, và hiệu quả tiết kiệm năng lượng là đáng kể.

Việc trang bị đèn LED chiếu sáng bổ sung trong canh tác nhà kính có thể đạt được sự gia tăng đáng kể về sản lượng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng số lượng quả, tổng sản lượng và trọng lượng của mỗi quả cà chua bi dưới ánh sáng bổ sung của đèn LED dạng dải và đèn LED ống với cường độ 300 μmol/(m²·s) trong 12 giờ (8:00-20:00) đã tăng lên đáng kể. Ánh sáng bổ sung từ đèn LED dạng dải đã tăng lần lượt 42,67%, 66,89% và 16,97%, và ánh sáng bổ sung từ đèn LED ống đã tăng lần lượt 48,91%, 94,86% và 30,86%. Ánh sáng bổ sung LED từ đèn chiếu sáng LED trong suốt chu kỳ sinh trưởng [tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh lam là 3:2, và cường độ ánh sáng là 300 μmol/(m²·s)] có thể làm tăng đáng kể chất lượng và năng suất quả trên mỗi đơn vị diện tích của cà tím và cà chua bi. Năng suất sa kê tăng 5,3% và 15,6%, còn năng suất cà tím tăng 7,6% và 7,8%. Thông qua chất lượng ánh sáng LED, cường độ và thời gian chiếu sáng trong suốt chu kỳ sinh trưởng, chu kỳ sinh trưởng của cây trồng có thể được rút ngắn, năng suất thương mại, chất lượng dinh dưỡng và giá trị hình thái của nông sản được cải thiện, từ đó hiện thực hóa sản xuất nông nghiệp hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng và thông minh trong nhà kính.

Ứng dụng đèn LED chiếu sáng bổ sung trong canh tác cây giống rau.

Điều chỉnh hình thái, sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng bằng nguồn sáng LED là một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực canh tác nhà kính. Thực vật bậc cao có thể cảm nhận và tiếp nhận tín hiệu ánh sáng thông qua hệ thống thụ thể quang học như phytochrome, cryptochrome và photoreceptor, và thực hiện các thay đổi hình thái thông qua các chất truyền tin nội bào để điều chỉnh các mô và cơ quan của cây. Quang hình thái học có nghĩa là thực vật dựa vào ánh sáng để kiểm soát sự biệt hóa tế bào, các thay đổi về cấu trúc và chức năng, cũng như sự hình thành các mô và cơ quan, bao gồm cả ảnh hưởng đến sự nảy mầm của một số loại hạt, thúc đẩy sự ưu thế ngọn, ức chế sự phát triển chồi bên, sự kéo dài thân và hướng động.

Việc ươm giống rau là một phần quan trọng của nông nghiệp nhà kính. Thời tiết mưa liên tục sẽ gây thiếu ánh sáng trong nhà kính, khiến cây con dễ bị vươn dài, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của rau, sự phân hóa nụ hoa và sự phát triển quả, cuối cùng ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng. Trong sản xuất, một số chất điều hòa sinh trưởng thực vật, như gibberellin, auxin, paclobutrazol và chlormequat, được sử dụng để điều chỉnh sự sinh trưởng của cây con. Tuy nhiên, việc sử dụng chất điều hòa sinh trưởng thực vật không hợp lý có thể dễ dàng gây ô nhiễm môi trường trồng rau và nhà kính, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người.

Ánh sáng bổ sung LED có nhiều ưu điểm độc đáo, và việc sử dụng ánh sáng bổ sung LED để ươm cây con là một phương pháp khả thi. Trong thí nghiệm sử dụng ánh sáng bổ sung LED [25±5 μmol/(m²·s)] được tiến hành trong điều kiện ánh sáng yếu [0~35 μmol/(m²·s)], người ta nhận thấy rằng ánh sáng xanh lá cây thúc đẩy sự kéo dài và phát triển của cây con dưa chuột. Ánh sáng đỏ và ánh sáng xanh lam ức chế sự phát triển của cây con. So với ánh sáng yếu tự nhiên, chỉ số cây con khỏe mạnh của cây con được bổ sung ánh sáng đỏ và xanh lam tăng lần lượt 151,26% và 237,98%. So với chất lượng ánh sáng đơn sắc, chỉ số cây con khỏe mạnh có chứa thành phần đỏ và xanh lam dưới sự xử lý của ánh sáng bổ sung hỗn hợp tăng 304,46%.

Việc bổ sung ánh sáng đỏ cho cây con dưa chuột có thể làm tăng số lượng lá thật, diện tích lá, chiều cao cây, đường kính thân, chất lượng khô và tươi, chỉ số cây con khỏe mạnh, sức sống của rễ, hoạt tính SOD và hàm lượng protein hòa tan của cây con dưa chuột. Bổ sung tia UV-B có thể làm tăng hàm lượng diệp lục a, diệp lục b và carotenoid trong lá cây con dưa chuột. So với ánh sáng tự nhiên, việc bổ sung ánh sáng LED đỏ và xanh lam có thể làm tăng đáng kể diện tích lá, chất lượng khô và chỉ số cây con khỏe mạnh của cây con cà chua. Bổ sung ánh sáng LED đỏ và xanh lá cây làm tăng đáng kể chiều cao và độ dày thân cây con cà chua. Xử lý bằng ánh sáng bổ sung LED xanh lá cây có thể làm tăng đáng kể sinh khối của cây con dưa chuột và cà chua, và trọng lượng tươi và khô của cây con tăng lên khi cường độ ánh sáng bổ sung xanh lá cây tăng, trong khi độ dày thân và chỉ số cây con khỏe mạnh của cây con cà chua đều tăng theo cường độ ánh sáng bổ sung xanh lá cây. Sự kết hợp của ánh sáng LED đỏ và xanh lam có thể làm tăng độ dày thân, diện tích lá, trọng lượng khô của toàn cây, tỷ lệ rễ/thân và chỉ số cây con khỏe mạnh của cây cà tím. So với ánh sáng trắng, ánh sáng đỏ LED có thể làm tăng sinh khối của cây cải bắp non và thúc đẩy sự phát triển chiều cao và mở rộng lá của cây cải bắp non. Ánh sáng xanh LED thúc đẩy sự phát triển thân dày, tích lũy chất khô và chỉ số sinh trưởng mạnh mẽ của cây cải bắp non, đồng thời làm cho cây cải bắp non trở nên lùn hơn. Các kết quả trên cho thấy rõ ràng ưu điểm của việc trồng cây rau non bằng công nghệ điều chỉnh ánh sáng.

Ảnh hưởng của ánh sáng bổ sung LED đến chất lượng dinh dưỡng của trái cây và rau quả.

Protein, đường, axit hữu cơ và vitamin có trong trái cây và rau quả là những chất dinh dưỡng có lợi cho sức khỏe con người. Chất lượng ánh sáng có thể ảnh hưởng đến hàm lượng vitamin C trong cây bằng cách điều chỉnh hoạt động của enzyme tổng hợp và phân giải vitamin C, đồng thời điều chỉnh quá trình chuyển hóa protein và tích lũy carbohydrate trong cây trồng. Ánh sáng đỏ thúc đẩy tích lũy carbohydrate, ánh sáng xanh có lợi cho sự hình thành protein, trong khi sự kết hợp giữa ánh sáng đỏ và xanh có thể cải thiện chất lượng dinh dưỡng của cây trồng cao hơn đáng kể so với ánh sáng đơn sắc.

Việc bổ sung đèn LED đỏ hoặc xanh dương có thể làm giảm hàm lượng nitrat trong rau diếp, bổ sung đèn LED xanh dương hoặc xanh lá cây có thể thúc đẩy sự tích lũy đường hòa tan trong rau diếp, và bổ sung đèn LED hồng ngoại có lợi cho sự tích lũy vitamin C trong rau diếp. Kết quả cho thấy, việc bổ sung ánh sáng xanh dương có thể cải thiện hàm lượng vitamin C và hàm lượng protein hòa tan trong cà chua; ánh sáng đỏ và ánh sáng kết hợp đỏ-xanh dương có thể thúc đẩy hàm lượng đường và axit trong quả cà chua, và tỷ lệ đường/axit cao nhất dưới ánh sáng kết hợp đỏ-xanh dương; ánh sáng kết hợp đỏ-xanh dương có thể cải thiện hàm lượng vitamin C trong quả dưa chuột.

Các hợp chất phenol, flavonoid, anthocyanin và các chất khác trong trái cây và rau quả không chỉ có ảnh hưởng quan trọng đến màu sắc, hương vị và giá trị thương phẩm của trái cây và rau quả, mà còn có hoạt tính chống oxy hóa tự nhiên, có thể ức chế hoặc loại bỏ hiệu quả các gốc tự do trong cơ thể người.

Việc sử dụng đèn LED ánh sáng xanh để bổ sung ánh sáng có thể làm tăng đáng kể hàm lượng anthocyanin trong vỏ cà tím lên 73,6%, trong khi sử dụng đèn LED ánh sáng đỏ và sự kết hợp giữa ánh sáng đỏ và xanh có thể làm tăng hàm lượng flavonoid và tổng phenol. Ánh sáng xanh có thể thúc đẩy sự tích lũy lycopene, flavonoid và anthocyanin trong quả cà chua. Sự kết hợp giữa ánh sáng đỏ và xanh thúc đẩy sản xuất anthocyanin ở một mức độ nhất định, nhưng lại ức chế quá trình tổng hợp flavonoid. So với xử lý bằng ánh sáng trắng, xử lý bằng ánh sáng đỏ có thể làm tăng đáng kể hàm lượng anthocyanin trong chồi rau diếp, nhưng xử lý bằng ánh sáng xanh lại cho hàm lượng anthocyanin thấp nhất. Tổng hàm lượng phenol của rau diếp lá xanh, lá tím và lá đỏ cao hơn khi xử lý bằng ánh sáng trắng, ánh sáng kết hợp đỏ-xanh và ánh sáng xanh, nhưng thấp nhất khi xử lý bằng ánh sáng đỏ. Bổ sung đèn LED tia cực tím hoặc ánh sáng cam có thể làm tăng hàm lượng các hợp chất phenolic trong lá rau diếp, trong khi bổ sung ánh sáng xanh có thể làm tăng hàm lượng anthocyanin. Do đó, việc sử dụng đèn LED chiếu sáng là một phương pháp hiệu quả để điều chỉnh chất lượng dinh dưỡng của rau quả trong canh tác nông nghiệp nhà kính.

Tác dụng của ánh sáng bổ sung LED đối với việc chống lão hóa thực vật

Sự thoái hóa diệp lục, mất protein nhanh chóng và thủy phân RNA trong quá trình lão hóa thực vật chủ yếu biểu hiện dưới dạng lão hóa lá. Lục lạp rất nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường ánh sáng bên ngoài, đặc biệt là bị ảnh hưởng bởi chất lượng ánh sáng. Ánh sáng đỏ, ánh sáng xanh lam và ánh sáng kết hợp đỏ-xanh lam có lợi cho sự hình thành lục lạp, ánh sáng xanh lam có lợi cho sự tích lũy tinh bột trong lục lạp, còn ánh sáng đỏ và ánh sáng hồng ngoại xa có tác động tiêu cực đến sự phát triển của lục lạp. Sự kết hợp của ánh sáng xanh lam và ánh sáng đỏ-xanh lam có thể thúc đẩy quá trình tổng hợp diệp lục trong lá cây con dưa chuột, và sự kết hợp của ánh sáng đỏ-xanh lam cũng có thể làm chậm sự suy giảm hàm lượng diệp lục trong lá ở giai đoạn sau. Hiệu quả này càng rõ rệt hơn khi tỷ lệ ánh sáng đỏ giảm và tỷ lệ ánh sáng xanh lam tăng. Hàm lượng diệp lục trong lá cây con dưa chuột được xử lý bằng ánh sáng LED kết hợp đỏ-xanh lam cao hơn đáng kể so với điều kiện đối chứng bằng ánh sáng huỳnh quang và xử lý bằng ánh sáng đơn sắc đỏ-xanh lam. Ánh sáng LED xanh lam có thể làm tăng đáng kể giá trị diệp lục a/b của cây con tỏi Vũ Hán và tỏi non.

Trong quá trình lão hóa, hàm lượng cytokinin (CTK), auxin (IAA), axit abscisic (ABA) thay đổi, cùng với nhiều thay đổi trong hoạt động của enzyme. Hàm lượng hormone thực vật dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường ánh sáng. Chất lượng ánh sáng khác nhau có tác động điều chỉnh khác nhau đến hormone thực vật, và các bước đầu tiên của con đường truyền tín hiệu ánh sáng liên quan đến cytokinin.

CTK thúc đẩy sự giãn nở của tế bào lá, tăng cường quá trình quang hợp của lá, đồng thời ức chế hoạt động của ribonuclease, deoxyribonuclease và protease, làm chậm quá trình phân hủy axit nucleic, protein và diệp lục, do đó có thể làm chậm đáng kể quá trình lão hóa lá. Có sự tương tác giữa ánh sáng và sự điều hòa phát triển do CTK trung gian, và ánh sáng có thể kích thích sự gia tăng nồng độ cytokinin nội sinh. Khi mô thực vật ở trạng thái lão hóa, hàm lượng cytokinin nội sinh của chúng giảm xuống.

IAA chủ yếu tập trung ở những bộ phận sinh trưởng mạnh, và có hàm lượng rất thấp trong các mô hoặc cơ quan già cỗi. Ánh sáng tím có thể làm tăng hoạt động của enzyme indole acetic acid oxidase, và nồng độ IAA thấp có thể ức chế sự kéo dài và tăng trưởng của cây.

ABA chủ yếu được hình thành trong các mô lá già cỗi, quả chín, hạt, thân cây, rễ và các bộ phận khác. Hàm lượng ABA trong dưa chuột và bắp cải khi chiếu sáng kết hợp ánh sáng đỏ và xanh lam thấp hơn so với khi chiếu sáng bằng ánh sáng trắng và xanh lam.

Peroxidase (POD), superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX), catalase (CAT) là những enzyme bảo vệ quan trọng và liên quan đến ánh sáng ở thực vật. Nếu cây già đi, hoạt động của các enzyme này sẽ giảm nhanh chóng.

Các chất lượng ánh sáng khác nhau có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của các enzyme chống oxy hóa trong thực vật. Sau 9 ngày chiếu sáng đỏ, hoạt động APX của cây cải dầu non tăng lên đáng kể, trong khi hoạt động POD giảm xuống. Hoạt động POD của cà chua sau 15 ngày chiếu sáng đỏ và xanh lam cao hơn so với chiếu sáng trắng lần lượt là 20,9% và 11,7%. Sau 20 ngày chiếu sáng xanh lục, hoạt động POD của cà chua thấp nhất, chỉ bằng 55,4% so với chiếu sáng trắng. Bổ sung 4 giờ chiếu sáng xanh lam có thể làm tăng đáng kể hàm lượng protein hòa tan, hoạt động của các enzyme POD, SOD, APX và CAT trong lá dưa chuột ở giai đoạn cây con. Ngoài ra, hoạt động của SOD và APX giảm dần khi thời gian chiếu sáng kéo dài. Hoạt động của SOD và APX dưới ánh sáng xanh lam và đỏ giảm chậm nhưng luôn cao hơn so với chiếu sáng trắng. Chiếu sáng đỏ làm giảm đáng kể hoạt động peroxidase và IAA peroxidase của lá cà chua và IAA peroxidase của lá cà tím, nhưng lại làm tăng đáng kể hoạt động peroxidase của lá cà tím. Do đó, việc áp dụng chiến lược chiếu sáng bổ sung bằng đèn LED hợp lý có thể làm chậm quá trình lão hóa của cây trồng trong nhà kính một cách hiệu quả, đồng thời cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm.

Cấu trúc và ứng dụng của công thức đèn LED

Sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng bị ảnh hưởng đáng kể bởi chất lượng ánh sáng và tỷ lệ các thành phần khác nhau của nó. Công thức chiếu sáng chủ yếu bao gồm một số yếu tố như tỷ lệ chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng. Vì các loại cây khác nhau có nhu cầu ánh sáng khác nhau và ở các giai đoạn sinh trưởng và phát triển khác nhau, nên cần phải tìm ra sự kết hợp tối ưu giữa chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng bổ sung cho cây trồng.

 ◆Tỷ lệ quang phổ ánh sáng

So với ánh sáng trắng và ánh sáng đỏ, xanh đơn lẻ, sự kết hợp giữa ánh sáng LED đỏ và xanh mang lại ưu điểm toàn diện hơn đối với sự sinh trưởng và phát triển của cây con dưa chuột và bắp cải.

Khi tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh lam là 8:2, độ dày thân cây, chiều cao cây, trọng lượng khô, trọng lượng tươi, chỉ số cây con khỏe mạnh, v.v., đều tăng lên đáng kể, đồng thời có lợi cho sự hình thành chất nền lục lạp và màng đáy cũng như sản lượng chất dinh dưỡng.

Việc sử dụng kết hợp ánh sáng đỏ, xanh lá và xanh dương có lợi cho sự tích lũy chất khô của giá đỗ, trong đó ánh sáng xanh lá có thể thúc đẩy sự tích lũy chất khô của giá đỗ. Sự sinh trưởng rõ rệt nhất khi tỷ lệ ánh sáng đỏ, xanh lá và xanh dương là 6:2:1. Hiệu quả kéo dài thân mầm của cây giá đỗ tốt nhất khi tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh dương là 8:1, và sự kéo dài thân mầm của giá đỗ bị ức chế rõ rệt khi tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh dương là 6:3, nhưng hàm lượng protein hòa tan lại cao nhất.

Khi tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh lam là 8:1 đối với cây mướp non, chỉ số sinh trưởng mạnh và hàm lượng đường hòa tan của cây mướp non đạt mức cao nhất. Khi sử dụng ánh sáng có tỷ lệ đỏ và xanh lam là 6:3, hàm lượng diệp lục a, tỷ lệ diệp lục a/b và hàm lượng protein hòa tan của cây mướp non đạt mức cao nhất.

Khi sử dụng tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh dương là 3:1 cho cây cần tây, có thể thúc đẩy hiệu quả sự gia tăng chiều cao cây, chiều dài cuống lá, số lá, chất lượng chất khô, hàm lượng vitamin C, hàm lượng protein hòa tan và hàm lượng đường hòa tan. Trong canh tác cà chua, tăng tỷ lệ ánh sáng xanh dương của đèn LED thúc đẩy sự hình thành lycopene, axit amin tự do và flavonoid, còn tăng tỷ lệ ánh sáng đỏ thúc đẩy sự hình thành axit chuẩn độ. Khi tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh dương chiếu vào lá rau diếp là 8:1, sẽ có lợi cho sự tích lũy carotenoid, đồng thời giảm hiệu quả hàm lượng nitrat và tăng hàm lượng vitamin C.

 ◆Cường độ ánh sáng

Cây trồng dưới ánh sáng yếu dễ bị ức chế quang hợp hơn so với dưới ánh sáng mạnh. Tốc độ quang hợp ròng của cây cà chua con tăng lên khi cường độ ánh sáng tăng [50, 150, 200, 300, 450, 550 μmol/(m²·s)], cho thấy xu hướng tăng rồi giảm, và đạt mức tối đa ở 300 μmol/(m²·s). Chiều cao cây, diện tích lá, hàm lượng nước và hàm lượng vitamin C của rau diếp tăng đáng kể dưới cường độ ánh sáng 150 μmol/(m²·s). Dưới cường độ ánh sáng 200 μmol/(m²·s), trọng lượng tươi, tổng trọng lượng và hàm lượng axit amin tự do tăng đáng kể, và dưới cường độ ánh sáng 300 μmol/(m²·s), diện tích lá, hàm lượng nước, chlorophyll a, chlorophyll a+b và carotenoid của rau diếp đều giảm. So với điều kiện tối, khi tăng cường độ ánh sáng LED [3, 9, 15 μmol/(m²·s)], hàm lượng diệp lục a, diệp lục b và diệp lục a+b trong giá đỗ đen tăng lên đáng kể. Hàm lượng vitamin C đạt mức cao nhất ở 3 μmol/(m²·s), và hàm lượng protein hòa tan, đường hòa tan và sucrose đạt mức cao nhất ở 9 μmol/(m²·s). Trong cùng điều kiện nhiệt độ, khi tăng cường độ ánh sáng [(2~2,5) lx×103 lx, (4~4,5) lx×103 lx, (6~6,5) lx×103 lx], thời gian nảy mầm của cây con ớt được rút ngắn, hàm lượng đường hòa tan tăng lên, nhưng hàm lượng diệp lục a và carotenoid giảm dần.

 ◆Thời gian ánh sáng

Việc kéo dài thời gian chiếu sáng hợp lý có thể làm giảm phần nào tình trạng căng thẳng do ánh sáng yếu gây ra bởi cường độ ánh sáng không đủ, giúp tích lũy các sản phẩm quang hợp của cây trồng, và đạt được hiệu quả tăng năng suất và cải thiện chất lượng. Hàm lượng vitamin C (VC) trong giá đỗ cho thấy xu hướng tăng dần khi kéo dài thời gian chiếu sáng (0, 4, 8, 12, 16, 20 giờ/ngày), trong khi hàm lượng axit amin tự do, hoạt tính SOD và CAT đều cho thấy xu hướng giảm. Khi kéo dài thời gian chiếu sáng (12, 15, 18 giờ), trọng lượng tươi của cây cải thảo tăng lên đáng kể. Hàm lượng VC trong lá và thân cải thảo đạt mức cao nhất lần lượt ở 15 và 12 giờ. Hàm lượng protein hòa tan trong lá cải thảo giảm dần, nhưng ở thân cải thảo đạt mức cao nhất sau 15 giờ. Hàm lượng đường hòa tan trong lá cải thảo tăng dần, trong khi ở thân cải thảo đạt mức cao nhất ở 12 giờ. Khi tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh lam là 1:2, so với thời gian chiếu sáng 12 giờ, việc chiếu sáng 20 giờ làm giảm hàm lượng tương đối của tổng phenol và flavonoid trong rau diếp lá xanh, nhưng khi tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh lam là 2:1, việc chiếu sáng 20 giờ làm tăng đáng kể hàm lượng tương đối của tổng phenol và flavonoid trong rau diếp lá xanh.

Từ những điều trên, có thể thấy rằng các công thức chiếu sáng khác nhau có tác động khác nhau đến quá trình quang hợp, hình thái quang hợp và quá trình chuyển hóa carbon và nitơ của các loại cây trồng khác nhau. Làm thế nào để có được công thức chiếu sáng tối ưu, cấu hình nguồn sáng và xây dựng chiến lược điều khiển thông minh cần phải bắt đầu từ loài cây trồng, và cần có những điều chỉnh phù hợp theo nhu cầu của cây trồng, mục tiêu sản xuất, các yếu tố sản xuất, v.v., để đạt được mục tiêu điều khiển thông minh môi trường chiếu sáng và sản xuất cây trồng chất lượng cao, năng suất cao trong điều kiện tiết kiệm năng lượng.

Các vấn đề hiện tại và triển vọng

Ưu điểm nổi bật của đèn LED trồng cây là khả năng điều chỉnh kết hợp thông minh dựa trên phổ ánh sáng cần thiết, đặc điểm quang hợp, hình thái, chất lượng và năng suất của các loại cây khác nhau. Các loại cây trồng khác nhau và các giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cùng một loại cây trồng đều có yêu cầu khác nhau về chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng và chu kỳ quang hợp. Điều này đòi hỏi phải tiếp tục phát triển và cải tiến nghiên cứu công thức ánh sáng để hình thành một cơ sở dữ liệu công thức ánh sáng khổng lồ. Kết hợp với nghiên cứu và phát triển các loại đèn chuyên dụng, giá trị tối đa của đèn LED chiếu sáng bổ sung trong ứng dụng nông nghiệp có thể được hiện thực hóa, từ đó tiết kiệm năng lượng hơn, nâng cao hiệu quả sản xuất và lợi ích kinh tế. Ứng dụng đèn LED trồng cây trong trồng trọt công nghiệp đã cho thấy sức sống mạnh mẽ, nhưng giá thành của thiết bị chiếu sáng LED tương đối cao và chi phí đầu tư ban đầu lớn. Yêu cầu về ánh sáng bổ sung của các loại cây trồng khác nhau trong các điều kiện môi trường khác nhau chưa rõ ràng, phổ ánh sáng bổ sung, cường độ và thời gian chiếu sáng không hợp lý chắc chắn sẽ gây ra nhiều vấn đề trong ứng dụng ngành chiếu sáng trồng trọt.

Tuy nhiên, với sự tiến bộ và cải thiện công nghệ cùng với việc giảm chi phí sản xuất đèn LED trồng cây, chiếu sáng bổ sung bằng đèn LED sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong nông nghiệp nhà kính. Đồng thời, sự phát triển và tiến bộ của hệ thống công nghệ chiếu sáng bổ sung bằng đèn LED và sự kết hợp với năng lượng mới sẽ cho phép phát triển nhanh chóng nông nghiệp nhà kính, nông nghiệp gia đình, nông nghiệp đô thị và nông nghiệp vũ trụ để đáp ứng nhu cầu của người dân về cây trồng trong môi trường đặc biệt.