Giới thiệu

Ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng của thực vật. Đây là loại phân bón tốt nhất để thúc đẩy sự hấp thụ chất diệp lục thực vật và sự hấp thụ các phẩm chất tăng trưởng thực vật khác nhau như carotene. Tuy nhiên, yếu tố quyết định sự sinh trưởng của cây trồng là yếu tố toàn diện, không chỉ liên quan đến ánh sáng mà còn không thể tách rời khỏi cấu hình nước, đất, phân bón, điều kiện môi trường sinh trưởng và kiểm soát kỹ thuật toàn diện.

Trong hai hoặc ba năm qua, đã có vô số báo cáo về việc ứng dụng công nghệ chiếu sáng bán dẫn liên quan đến các nhà máy sản xuất thực vật ba chiều hoặc sự phát triển của thực vật. Nhưng sau khi đọc kỹ, luôn có cảm giác bất an. Nói chung, chưa có sự hiểu biết thực sự về vai trò của ánh sáng đối với sự phát triển của thực vật.

Đầu tiên chúng ta hãy tìm hiểu quang phổ của mặt trời như trên hình 1. Có thể thấy quang phổ mặt trời là quang phổ liên tục, trong đó phổ màu xanh lam và xanh lục mạnh hơn phổ màu đỏ và phổ ánh sáng khả kiến ​​nằm trong khoảng từ 380 đến 780nm. Sự phát triển của sinh vật trong tự nhiên có liên quan đến cường độ quang phổ. Ví dụ, hầu hết thực vật ở khu vực gần xích đạo đều phát triển rất nhanh, đồng thời quy mô sinh trưởng của chúng tương đối lớn. Nhưng cường độ chiếu xạ cao của mặt trời không phải lúc nào cũng tốt hơn và có một mức độ chọn lọc nhất định đối với sự phát triển của động vật và thực vật.

Hình 1, Đặc điểm của quang phổ mặt trời và phổ ánh sáng khả kiến ​​của nó

Thứ hai, biểu đồ phổ thứ hai của một số yếu tố hấp thụ chính trong quá trình phát triển của thực vật được thể hiện trên Hình 2.

Hình 2. Phổ hấp thụ của một số auxin trong sinh trưởng thực vật

Có thể thấy từ Hình 2 rằng phổ hấp thụ ánh sáng của một số auxin quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật là khác nhau đáng kể. Vì vậy, việc ứng dụng đèn LED tăng trưởng thực vật không phải là vấn đề đơn giản mà rất có mục tiêu. Ở đây cần giới thiệu các khái niệm về hai yếu tố quang hợp quan trọng nhất của cây trồng.

• Chất diệp lục

Chất diệp lục là một trong những sắc tố quan trọng nhất liên quan đến quá trình quang hợp. Nó tồn tại trong tất cả các sinh vật có thể tạo ra quá trình quang hợp, bao gồm thực vật xanh, tảo xanh lam nhân sơ (vi khuẩn lam) và tảo nhân chuẩn. Chất diệp lục hấp thụ năng lượng từ ánh sáng, sau đó được sử dụng để chuyển đổi carbon dioxide thành carbohydrate.

Chất diệp lục a chủ yếu hấp thụ ánh sáng đỏ và diệp lục b chủ yếu hấp thụ ánh sáng xanh tím, chủ yếu để phân biệt cây bóng mát với cây ưa nắng. Tỷ lệ diệp lục b và diệp lục a của cây che bóng nhỏ nên cây che bóng có khả năng hấp thụ ánh sáng xanh mạnh và thích nghi với việc phát triển trong bóng râm. Chất diệp lục a có màu xanh lam và chất diệp lục b có màu xanh vàng. Có hai sự hấp thụ mạnh của diệp lục a và diệp lục b, một ở vùng màu đỏ có bước sóng 630-680 nm và một ở vùng xanh tím có bước sóng 400-460 nm.

• Carotenoid

Carotenoid là thuật ngữ chung cho một nhóm các sắc tố tự nhiên quan trọng, thường được tìm thấy trong các sắc tố màu vàng, đỏ cam hoặc đỏ ở động vật, thực vật bậc cao, nấm và tảo. Cho đến nay, hơn 600 carotenoid tự nhiên đã được phát hiện.

Sự hấp thụ ánh sáng của carotenoids bao phủ phạm vi OD303 ~ 505nm, tạo ra màu sắc của thực phẩm và ảnh hưởng đến việc hấp thụ thức ăn của cơ thể. Ở tảo, thực vật và vi sinh vật, màu sắc của nó bị diệp lục bao phủ và không thể xuất hiện. Ở tế bào thực vật, carotenoid sản sinh ra không chỉ hấp thụ và truyền năng lượng giúp quang hợp mà còn có chức năng bảo vệ tế bào khỏi bị phá hủy bởi các phân tử oxy liên kết electron đơn bị kích thích.

Một số hiểu lầm về khái niệm

Bất chấp tác dụng tiết kiệm năng lượng, tính chọn lọc ánh sáng và sự phối hợp ánh sáng, chiếu sáng bán dẫn đều cho thấy những ưu điểm vượt trội. Tuy nhiên, từ sự phát triển nhanh chóng trong hai năm qua, chúng ta cũng đã thấy rất nhiều hiểu lầm trong thiết kế và ứng dụng ánh sáng, chủ yếu thể hiện ở những khía cạnh sau.

①Miễn là các chip màu đỏ và xanh lam có bước sóng nhất định được kết hợp theo một tỷ lệ nhất định, chúng có thể được sử dụng trong trồng trọt thực vật, ví dụ, tỷ lệ giữa đỏ và xanh là 4:1, 6:1, 9:1, v.v. TRÊN.

②Chỉ cần là ánh sáng trắng, nó có thể thay thế ánh sáng mặt trời, chẳng hạn như ống ánh sáng trắng ba cấp được sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản, v.v. Việc sử dụng các quang phổ này có ảnh hưởng nhất định đến sự phát triển của thực vật, nhưng hiệu quả là không tốt bằng nguồn sáng được tạo ra bởi đèn LED.

③Miễn là PPFD (mật độ thông lượng tử ánh sáng), một thông số quan trọng của độ chiếu sáng, đạt đến một chỉ số nhất định, ví dụ: PPFD lớn hơn 200 μmol·m-2·s-1. Tuy nhiên, khi sử dụng chỉ báo này bạn phải chú ý xem đó là cây che bóng hay cây ưa nắng. Bạn cần truy vấn hoặc tìm điểm bão hòa bù ánh sáng của những loại cây này hay còn gọi là điểm bù ánh sáng. Trong ứng dụng thực tế, cây con thường bị cháy hoặc héo. Vì vậy, việc thiết kế thông số này phải thiết kế phù hợp với loài cây, môi trường và điều kiện sinh trưởng.

Về khía cạnh thứ nhất, như đã giới thiệu trong phần giới thiệu, phổ cần thiết cho sự phát triển của thực vật phải là phổ liên tục với độ rộng phân bố nhất định. Rõ ràng là không phù hợp khi sử dụng nguồn sáng làm từ hai chip bước sóng cụ thể màu đỏ và xanh lam với phổ rất hẹp (như trong Hình 3(a)). Qua thí nghiệm, người ta thấy cây có xu hướng màu vàng, thân lá rất nhẹ và thân lá rất mỏng.

Đối với các ống huỳnh quang có ba màu cơ bản thường được sử dụng trong những năm trước, mặc dù màu trắng được tổng hợp nhưng các quang phổ đỏ, xanh lá cây và xanh lam được tách ra (như trong Hình 3(b)) và độ rộng của phổ rất hẹp. Cường độ quang phổ của phần liên tục sau đây tương đối yếu và công suất vẫn tương đối lớn so với đèn LED, mức tiêu thụ năng lượng gấp 1,5 đến 3 lần. Vì vậy, hiệu quả sử dụng không tốt bằng đèn LED.

Hình 3, Đèn LED thực vật màu đỏ và xanh lam và phổ ánh sáng huỳnh quang ba màu cơ bản

PPFD là mật độ thông lượng tử ánh sáng, dùng để chỉ mật độ thông lượng ánh sáng bức xạ hiệu quả của ánh sáng trong quá trình quang hợp, biểu thị tổng số lượng tử ánh sáng tới trên thân lá cây trong phạm vi bước sóng từ 400 đến 700 nm trên một đơn vị thời gian và một đơn vị diện tích . Đơn vị của nó là μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Bức xạ hoạt động quang hợp (PAR) đề cập đến tổng bức xạ mặt trời có bước sóng trong khoảng 400 đến 700 nm. Nó có thể được biểu diễn bằng lượng tử ánh sáng hoặc bằng năng lượng bức xạ.

Trước đây, cường độ ánh sáng được phản chiếu bởi máy đo độ sáng là độ sáng, nhưng quang phổ phát triển của thực vật thay đổi do chiều cao của vật cố ánh sáng từ cây, độ che phủ ánh sáng và liệu ánh sáng có thể xuyên qua lá cây hay không. Vì vậy, việc sử dụng par làm chỉ thị cường độ ánh sáng trong nghiên cứu quang hợp là không chính xác.

Nói chung, cơ chế quang hợp có thể được bắt đầu khi PPFD của cây ưa nắng lớn hơn 50 μmol·m-2·s-1, trong khi PPFD của cây ưa bóng râm chỉ cần 20 μmol·m-2·s-1 . Do đó, khi mua đèn LED trồng trọt, bạn có thể chọn số lượng đèn LED trồng trọt dựa trên giá trị tham chiếu này và loại cây bạn trồng. Ví dụ: nếu PPFD của một đèn LED đơn là 20 μmol·m-2·s-1 thì cần nhiều hơn 3 bóng đèn LED để trồng cây ưa nắng.

Một số giải pháp thiết kế chiếu sáng bán dẫn

Chiếu sáng bán dẫn được sử dụng để trồng hoặc trồng cây và có hai phương pháp tham khảo cơ bản.

• Hiện nay mô hình trồng cây trong nhà đang rất hot ở Trung Quốc. Mô hình này có một số đặc điểm:

① Vai trò của đèn LED là cung cấp toàn bộ quang phổ chiếu sáng của nhà máy, hệ thống chiếu sáng cần phải cung cấp toàn bộ năng lượng chiếu sáng và chi phí sản xuất tương đối cao;
②Thiết kế của đèn LED trồng trọt cần xem xét tính liên tục và toàn vẹn của quang phổ;
③Cần kiểm soát hiệu quả thời gian chiếu sáng và cường độ chiếu sáng, chẳng hạn như để cây nghỉ ngơi trong vài giờ, cường độ chiếu xạ không đủ hoặc quá mạnh, v.v.;
④Toàn bộ quá trình cần mô phỏng các điều kiện theo yêu cầu của môi trường phát triển tối ưu thực tế của cây trồng ngoài trời, chẳng hạn như độ ẩm, nhiệt độ và nồng độ CO2.

• Chế độ trồng ngoài trời với nền tảng trồng nhà kính ngoài trời tốt. Đặc điểm của mô hình này là:

① Vai trò của đèn LED là bổ sung ánh sáng. Một là tăng cường cường độ ánh sáng ở các vùng xanh và đỏ dưới sự chiếu xạ của ánh sáng mặt trời vào ban ngày để thúc đẩy quá trình quang hợp của thực vật, hai là bù đắp khi không có ánh sáng mặt trời vào ban đêm để thúc đẩy tốc độ tăng trưởng của thực vật
②Ánh sáng bổ sung cần xem xét cây đang ở giai đoạn sinh trưởng nào, chẳng hạn như thời kỳ cây con hay thời kỳ ra hoa và đậu quả.

Vì vậy, thiết kế đèn LED trồng cây trước tiên phải có hai chế độ thiết kế cơ bản là chiếu sáng 24h (trong nhà) và chiếu sáng bổ sung tăng trưởng cây trồng (ngoài trời). Đối với việc trồng cây trong nhà, thiết kế đèn LED trồng trọt cần phải xem xét ba khía cạnh, như trong Hình 4. Không thể đóng gói các chip có ba màu cơ bản theo một tỷ lệ nhất định.

Hình 4, Ý tưởng thiết kế sử dụng đèn LED tăng cường cây trồng trong nhà để chiếu sáng 24h

Ví dụ, đối với quang phổ ở giai đoạn vườn ươm, cần tăng cường sự phát triển của rễ và thân, tăng cường sự phân nhánh của lá và nguồn sáng được sử dụng trong nhà, quang phổ có thể được thiết kế như trong Hình 5.

Hình 5, Cấu trúc quang phổ phù hợp cho đèn LED trong nhà giai đoạn ươm mầm

Đối với việc thiết kế loại đèn LED phát triển thứ hai, nó chủ yếu nhắm đến giải pháp thiết kế bổ sung ánh sáng để thúc đẩy việc trồng cây trong nền nhà kính ngoài trời. Ý tưởng thiết kế được thể hiện trong Hình 6.

Hình 6, Ý tưởng thiết kế đèn trồng cây ngoài trời 

Tác giả gợi ý rằng nhiều công ty trồng trọt nên áp dụng phương án thứ hai là sử dụng đèn LED để thúc đẩy sự phát triển của cây trồng.

Trước hết, việc trồng trọt trong nhà kính ngoài trời của Trung Quốc đã có số lượng lớn và kinh nghiệm phong phú trong nhiều thập kỷ, cả ở phía nam và phía bắc. Nó có nền tảng tốt về công nghệ trồng trọt trong nhà kính và cung cấp một lượng lớn trái cây và rau quả tươi cho thị trường cho các thành phố xung quanh. Đặc biệt trong lĩnh vực đất, nước và phân bón đã đạt được nhiều kết quả nghiên cứu phong phú.

Thứ hai, loại giải pháp ánh sáng bổ sung này có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng không cần thiết, đồng thời có thể tăng năng suất rau quả một cách hiệu quả. Ngoài ra, khu vực địa lý rộng lớn của Trung Quốc rất thuận tiện cho việc quảng bá.

Là nghiên cứu khoa học về chiếu sáng thực vật bằng đèn LED, nó cũng cung cấp cơ sở thử nghiệm rộng hơn cho nó. Hình 7 là loại đèn LED trồng trọt do nhóm nghiên cứu này phát triển, thích hợp để trồng trong nhà kính và quang phổ của nó được thể hiện trên Hình 8.

Hình 7, Một loại đèn LED trồng cây

Hình 8, quang phổ của một loại đèn LED trồng cây

Theo ý tưởng thiết kế trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một loạt thí nghiệm và kết quả thí nghiệm rất có ý nghĩa. Ví dụ, để chiếu sáng cây trồng trong vườn ươm, đèn ban đầu được sử dụng là đèn huỳnh quang có công suất 32 W và chu kỳ ươm là 40 ngày. Chúng tôi cung cấp đèn LED 12 W, giúp rút ngắn chu kỳ gieo hạt xuống còn 30 ngày, giảm hiệu quả ảnh hưởng của nhiệt độ đèn trong xưởng ươm cây giống và tiết kiệm điện năng tiêu thụ của điều hòa. Độ dày, chiều dài và màu sắc của cây con tốt hơn so với giải pháp ươm cây ban đầu. Đối với cây giống các loại rau thông thường, cũng đã thu được kết luận xác minh tốt, được tóm tắt trong bảng sau.

Trong đó, nhóm ánh sáng bổ sung PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 và tỷ lệ đỏ-xanh: 0,6-0,7. Phạm vi giá trị PPFD ban ngày của nhóm tự nhiên là 40~800 μmol·m-2·s-1 và tỷ lệ giữa màu đỏ và màu xanh là 0,6 ~ 1,2. Có thể thấy các chỉ tiêu trên tốt hơn so với cây con mọc tự nhiên.

Phần kết luận

Bài viết này giới thiệu những phát triển mới nhất trong việc ứng dụng đèn LED trồng trọt trong trồng trọt và chỉ ra một số hiểu lầm trong việc ứng dụng đèn LED trồng trọt trong trồng trọt. Cuối cùng, các ý tưởng và đề án kỹ thuật phát triển đèn LED trồng trọt dùng cho trồng trọt được giới thiệu. Cần chỉ ra rằng cũng có một số yếu tố cần được xem xét trong việc lắp đặt và sử dụng đèn, chẳng hạn như khoảng cách giữa đèn và cây, phạm vi chiếu xạ của đèn và cách áp dụng ánh sáng với nước, phân bón và đất thông thường.

Tác giả: Yi Wang và cộng sự. Nguồn: CNKI