Giới thiệu

Ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng của cây trồng. Nó là loại phân bón tốt nhất giúp thúc đẩy sự hấp thụ chất diệp lục và các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cây như caroten. Tuy nhiên, yếu tố quyết định sự sinh trưởng của cây trồng là một yếu tố tổng hợp, không chỉ liên quan đến ánh sáng mà còn không thể tách rời khỏi cấu hình nước, đất và phân bón, điều kiện môi trường sinh trưởng và sự kiểm soát kỹ thuật tổng thể.

Trong hai hoặc ba năm trở lại đây, đã có vô số báo cáo về việc ứng dụng công nghệ chiếu sáng bán dẫn trong các nhà máy trồng cây ba chiều hoặc sự phát triển của cây trồng. Nhưng sau khi đọc kỹ, người ta vẫn luôn cảm thấy không thoải mái. Nói chung, vẫn chưa thực sự hiểu được vai trò của ánh sáng trong sự phát triển của cây trồng là gì.

Trước tiên, chúng ta hãy tìm hiểu về quang phổ mặt trời, như thể hiện trong Hình 1. Có thể thấy rằng quang phổ mặt trời là một quang phổ liên tục, trong đó quang phổ xanh lam và xanh lục mạnh hơn quang phổ đỏ, và quang phổ ánh sáng nhìn thấy trải dài từ 380 đến 780 nm. Sự phát triển của các sinh vật trong tự nhiên có liên quan đến cường độ của quang phổ. Ví dụ, hầu hết các loài thực vật ở khu vực gần xích đạo phát triển rất nhanh, và đồng thời, kích thước của chúng cũng tương đối lớn. Nhưng cường độ bức xạ mặt trời cao không phải lúc nào cũng tốt hơn, và có một mức độ chọn lọc nhất định đối với sự phát triển của động thực vật.

Hình 1, Đặc điểm của quang phổ mặt trời và quang phổ ánh sáng nhìn thấy của nó.

Thứ hai, sơ đồ quang phổ thứ hai của một số yếu tố hấp thụ quan trọng trong quá trình sinh trưởng của thực vật được thể hiện trong Hình 2.

Hình 2, Phổ hấp thụ của một số auxin trong quá trình sinh trưởng của cây.

Như thể hiện trong Hình 2, phổ hấp thụ ánh sáng của một số auxin quan trọng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng là khác nhau đáng kể. Do đó, việc ứng dụng đèn LED chiếu sáng cho cây trồng không phải là vấn đề đơn giản mà cần phải nhắm mục tiêu cụ thể. Ở đây, cần phải giới thiệu khái niệm về hai yếu tố quan trọng nhất trong quá trình quang hợp và sinh trưởng của cây trồng.

• Diệp lục

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 khả năng quang hợp, bao gồm thực vật xanh, tảo lam (vi khuẩn lam) và tảo nhân chuẩn. Diệp lục hấp thụ năng lượng từ ánh sáng, sau đó được sử dụng để chuyển hóa carbon dioxide thành carbohydrate.

Diệp lục a chủ yếu hấp thụ ánh sáng đỏ, còn diệp lục b chủ yếu hấp thụ ánh sáng xanh tím, đây là điểm khác biệt chính giữa cây ưa bóng râm và cây ưa nắng. Tỷ lệ diệp lục b so với diệp lục a ở cây ưa bóng râm thấp, do đó cây ưa bóng râm có thể sử dụng ánh sáng xanh mạnh mẽ và thích nghi tốt với điều kiện sinh trưởng trong bóng râm. Diệp lục a có màu xanh lam, còn diệp lục b có màu vàng lục. Diệp lục a và diệp lục b có hai vùng hấp thụ mạnh, một vùng ở vùng đỏ với bước sóng 630-680 nm, và vùng còn lại ở vùng xanh tím với 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 dưới dạng sắc tố vàng, đỏ cam hoặc đỏ trong động vật, thực vật bậc cao, nấm và tảo. Cho đến nay, hơn 600 carotenoid tự nhiên đã được phát hiện.

Khả năng hấp thụ ánh sáng của carotenoid bao phủ dải bước sóng OD303~505 nm, tạo nên màu sắc của thực phẩm và ảnh hưởng đến sự hấp thụ thức ăn của cơ thể. Ở tảo, thực vật và vi sinh vật, màu sắc của chúng bị che khuất bởi chất diệp lục và không thể hiện rõ. Trong tế bào thực vật, carotenoid được tạo ra không chỉ hấp thụ và truyền năng lượng để hỗ trợ quá trình quang hợp, mà còn có chức năng bảo vệ tế bào khỏi bị phá hủy bởi các phân tử oxy liên kết đơn electron ở trạng thái kích thích.

Một số hiểu lầm về mặt khái niệm

Bất kể hiệu quả tiết kiệm năng lượng, tính chọn lọc ánh sáng và khả năng phối hợp ánh sáng, chiếu sáng bán dẫn đã thể hiện những ưu điểm vượt trội. Tuy nhiên, từ sự phát triển nhanh chóng trong hai năm qua, chúng ta cũng đã chứng kiến ​​nhiều hiểu lầm trong thiết kế và ứng dụng ánh sáng, chủ yếu thể hiện ở các khía cạnh sau.

①Chỉ cần 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 việc trồng trọt, ví dụ, tỷ lệ đỏ so với xanh lam là 4:1, 6:1, 9:1, v.v.

②Miễn là ánh sáng trắng, nó có thể thay thế ánh sáng mặt trời, ví dụ như đèn huỳnh quang ba màu trắng được sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản, v.v. Việc sử dụng các quang phổ này có tác động nhất định đến sự phát triển của cây trồng, nhưng hiệu quả không tốt bằng nguồn sáng do đèn LED tạo ra.

③ Chỉ cần PPFD (mật độ quang thông), một thông số quan trọng của 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 số này, bạn phải chú ý xem đó là cây ưa bóng râm hay cây ưa nắng. Bạn cần tra cứu hoặc tìm điểm bão hòa bù sáng của các loại cây này, còn được gọi là điểm bù sáng. Trong thực tế ứng dụng, cây con thường bị cháy nắng hoặc héo rũ. Do đó, việc thiết kế thông số này phải dựa trên loài cây, môi trường và điều kiện sinh trưởng.

Về khía cạnh đầu tiên, như đã giới thiệu ở phần mở đầu, quang phổ cần thiết cho sự phát triển của cây trồng phải là quang phổ liên tục với độ rộng phân bố nhất định. Rõ ràng là không phù hợp khi sử dụng nguồn sáng được tạo thành từ hai chip có bước sóng cụ thể là đỏ và xanh lam với quang phổ rất hẹp (như thể hiện trong Hình 3(a)). Trong các thí nghiệm, người ta nhận thấy rằng cây có xu hướng bị vàng, cuống lá rất nhạt màu và rất mỏng.

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

Hình 3, Đèn LED chip đỏ và xanh dương dùng cho cây trồng và quang phổ ánh sáng huỳnh quang ba màu cơ bản.

PPFD là mật độ thông lượng lượng tử ánh sáng, đề cập đến mật độ thông lượng ánh sáng bức xạ hiệu quả trong quá trình quang hợp, thể hiện tổng số lượng tử ánh sáng chiếu vào thân lá cây trong dải 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 dải từ 400 đến 700 nm. Nó có thể được biểu thị bằng lượng tử ánh sáng hoặc bằng năng lượng bức xạ.

Trước đây, cường độ ánh sáng phản xạ bởi máy đo độ sáng được dùng để đo độ sáng, nhưng quang phổ sinh trưởng của thực vật thay đổi do khoảng cách từ nguồn sáng đến cây, độ che phủ của ánh sáng và khả năng xuyên qua lá. Do đó, việc sử dụng PAR làm chỉ số cường độ ánh sáng trong nghiên cứu quang hợp là không chính xác.

Nhìn chung, cơ chế quang hợp có thể được khởi phát 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 cây, bạn có thể chọn số lượng đèn LED dựa trên giá trị tham khảo này và loại cây bạn trồng. Ví dụ, nếu PPFD của một đèn LED là 20 μmol·m⁻²·s⁻¹, thì cần hơn 3 bóng đèn LED để trồng cây ưa nắng.

Một số giải pháp thiết kế chiếu sáng bán dẫn

Đèn bán dẫn được sử dụng để chiếu sáng cho sự phát triển hoặc trồng cây, và có hai phương pháp tham chiếu cơ bản.

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

①Vai trò của đèn LED là cung cấp ánh sáng toàn phổ cho cây trồng, và hệ thống chiếu sáng cần phải cung cấp toàn bộ năng lượng chiếu sáng, do đó chi phí sản xuất tương đối cao;
②Thiết kế đèn LED trồng cây 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 cho cây nghỉ ngơi vài giờ, cường độ chiếu xạ không đủ hoặc quá mạnh, v.v.;
④Toàn bộ quy trình cần mô phỏng các điều kiện cần thiết cho môi trường sinh trưởng 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 nhà kính ngoài trời tốt. Đặc điểm của mô hình này là:

① Vai trò của đèn LED là bổ sung ánh sáng. Thứ nhất, nó tăng cường cường độ ánh sáng ở vùng màu xanh lam và đỏ dưới ánh nắng mặt trời ban ngày để thúc đẩy quá trình quang hợp của cây, và thứ hai, nó bù đắp khi không có ánh nắng mặt trời vào ban đêm để thúc đẩy tốc độ sinh trưởng của cây.
② Ánh sáng bổ sung cần xem xét giai đoạn sinh trưởng của cây, chẳng hạn như giai đoạn cây con hay giai đoạn ra hoa và kết trái.

Do đó, thiết kế đèn LED trồng cây cần có hai chế độ thiết kế cơ bản, đó là chiếu sáng 24 giờ (trong nhà) và chiếu sáng bổ sung hỗ trợ sinh trưởng cây (ngoài trời). Đối với việc trồng cây trong nhà, thiết kế đèn LED cần xem xét ba khía cạnh, như thể hiện trong Hình 4. Không thể đóng gói các chip với ba màu cơ bản theo một tỷ lệ nhất định.

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

Ví dụ, đối với quang phổ trong giai đoạn ươm cây, xét đến việc cần tăng cường sự phát triển của rễ và thân cây, 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 giai đoạn ươm cây trong nhà bằng đèn LED.

Đối với thiết kế loại đèn LED trồng cây thứ hai, mục tiêu chính là tìm ra giải pháp chiếu sáng bổ sung để thúc đẩy sự phát triển của cây trồng trong 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 đề xuất rằng nhiều công ty trồng trọt nên áp dụng phương án thứ hai, sử dụng đèn LED để thúc đẩy sự phát triển của cây trồng.

Trước hết, ngành trồng trọt nhà kính ngoài trời của Trung Quốc đã có hàng chục năm kinh nghiệm với quy mô lớn và đa dạng, cả ở miền Nam và miền Bắc. Nước này có nền tảng vững chắc về công nghệ trồng trọt nhà kính và cung cấp một lượng lớn rau quả tươi cho thị trường các thành phố lân cận. Đặc biệt, trong lĩnh vực đất, nước và phân bón, đã có nhiều kết quả nghiên cứu phong phú.

Thứ hai, giải pháp chiếu sáng bổ sung này có thể giảm đáng kể lượng tiêu thụ năng lượng không cần thiết, đồng thời tăng hiệu quả năng suất cây trồng và rau quả. Ngoài ra, diện tích địa lý rộng lớn của Trung Quốc rất thuận lợi cho việc quảng bá.

Nghiên cứu khoa học về chiếu sáng LED cho cây trồng cũng cung cấp cơ sở thực nghiệm rộng hơn cho lĩnh vực này. Hình 7 là một loại đèn LED trồng cây do nhóm nghiên cứu này phát triển, phù hợp để trồng trong nhà kính, và quang phổ của nó được thể hiện trong Hình 8.

Hình 7, Một loại đèn LED dùng để trồng cây.

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

Dựa trên các ý tưởng thiết kế nêu trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một loạt thí nghiệm và kết quả thí nghiệm rất đáng kể. Ví dụ, đối với đèn chiếu sáng trong giai đoạn ươm cây, đèn ban đầu được sử dụng là đèn huỳnh quang công suất 32W với chu kỳ ươm 40 ngày. Chúng tôi cung cấp đèn LED 12W, giúp rút ngắn chu kỳ ươm cây xuống còn 30 ngày, giảm thiểu hiệu quả ảnh hưởng của nhiệt độ đèn trong xưởng ươm cây và tiết kiệm điện năng tiêu thụ của máy điều hòa. Độ dày, chiều dài và màu sắc của cây con cũng tốt hơn so với giải pháp ươm cây ban đầu. Đối với cây con của các loại rau thông thường, cũng đã thu được những kết luận kiểm chứng tốt, được tóm tắt trong bảng dưới đây.

Trong đó, nhóm chiếu sáng bổ sung có PPFD: 70-80 μmol·m⁻²·s⁻¹, và tỷ lệ đỏ/xanh lam: 0,6-0,7. Phạm vi giá trị PPFD ban ngày của nhóm chiếu sáng tự nhiên là 40~800 μmol·m⁻²·s⁻¹, và tỷ lệ đỏ/xanh lam là 0,6~1,2. Có thể thấy rằng các chỉ số trên tốt hơn so với cây con được trồng tự nhiên.

Phần kết luận

Bài viết này giới thiệu những phát triển mới nhất trong ứng dụng đèn LED trồng cây, đồng thời chỉ ra một số hiểu lầm trong việc sử dụng đèn LED trồng cây. Cuối cùng, bài viết giới thiệu các ý tưởng và phương án kỹ thuật để phát triển đèn LED trồng cây. Cần lưu ý rằng cũng có một số yếu tố cần xem xét trong việc lắp đặt và sử dụng đèn, chẳng hạn như khoảng cách giữa đèn và cây, phạm vi chiếu sáng của đèn, và cách sử dụng đèn sao cho phù hợp với điều kiện nước, phân bón và đất thông thường.

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