Giới thiệu

Ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng của cây trồng.Đây là loại phân bón tốt nhất để thúc đẩy sự hấp thụ chất diệp lục của thực vật và sự hấp thụ các chất tăng trưởng thực vật khác nhau như carotene.Tuy nhiên, yếu tố quyết định đến sự phát triển của cây trồng là một yếu tố toàn diện, không chỉ liên quan đến ánh sáng mà còn không thể tách rời cấu hình của nước, đất và 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 áp dụng công nghệ chiếu sáng bán dẫn liên quan đến các nhà máy thực vật ba chiều hoặc sự phát triển của thực vật.Nhưng sau khi đọc kỹ, luôn có một số cảm giác khó chịu.Nói chung, không có sự hiểu biết thực sự về vai trò của ánh sáng đối với sự phát triển của thực vật.

Trước tiên, hãy tìm hiểu quang phổ của mặt trời, như trong Hình 1. Có thể thấy rằng quang phổ của mặt trời là quang phổ liên tục, trong đó quang phổ màu xanh lam và xanh lá cây mạnh hơn quang phổ màu đỏ và quang phổ ánh sáng khả kiến ​​nằm trong khoảng từ 380 đến 780nm.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 đều phát triển rất nhanh, đồng thời, quy mô sinh trưởng của chúng cũng tương đối lớn.Nhưng cường độ cao của bức xạ 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 quang phổ ánh sáng khả kiến ​​của nó

Thứ hai, sơ đồ quang phổ thứ hai của một số nguyên tố hấp thụ chính của sự phát triển của thực vật được thể hiện trong Hình 2.

Hình 2, Phổ hấp thụ của một số auxin trong quá trình sinh trưởng của thực vật

Có thể thấy từ Hình 2 rằng quang phổ hấp thụ ánh sáng của một số auxin chính ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật là khác nhau đáng kể.Do đó, 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 nguyên tố tăng trưởng thực vật quang hợp quan trọng nhất.

• Chất diệp lục

Chất diệp lục là một trong những sắc tố quan trọng nhất liên quan đến 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 lam nhân sơ (vi khuẩn lam) và tảo nhân thực.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 chất diệp lục b chủ yếu hấp thụ ánh sáng xanh tím, chủ yếu để phân biệt cây che bóng với cây mặt trời.Tỷ lệ diệp lục b so với diệp lục a của cây che bóng nhỏ nên cây che bóng có thể sử dụng mạnh ánh sáng xanh 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 vàng lục.Có hai sự hấp thụ mạnh của diệp lục a và diệp lục b, một ở vùng màu đỏ với bước sóng 630-680 nm, và một ở vùng màu xanh tím với bước sóng 400-460 nm.

• Carotenoid

Carotenoid là thuật ngữ chung cho một loại 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, người ta đã phát hiện hơn 600 loại carotenoid tự nhiên.

Sự hấp thụ ánh sáng của carotenoids bao gồm phạm vi OD303 ~ 505nm, cung cấp màu sắc của thực phẩm và ảnh hưởng đến lượng thức ăn của cơ thể.Ở tảo, thực vật và vi sinh vật, màu sắc của nó được bao phủ bởi chất diệp lục và không thể xuất hiện.Trong tế bào thực vật, các carotenoit được tạo 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 có liên kết đơn electron bị kích thích.

Một số hiểu lầm về khái niệm

Bất kể tác dụng tiết kiệm năng lượng, độ chọn lọc của ánh sáng và sự phối hợp của ánh sáng, ánh sáng bán dẫn đã cho thấy những ưu điểm tuyệt vời.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 các khía cạnh sau.

①Miễn là các chip 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, ví dụ: tỷ lệ đỏ và xanh lam là 4:1, 6:1, 9:1, v.v. TRÊN.

②Miễn 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. không tốt bằng nguồn sáng do đèn LED tạo ra.

③Miễn là PPFD (mật độ thông lượng lượng tử ánh sáng), một thông số chiếu sáng quan trọng, đạt đến một chỉ số nhất định, chẳng hạn như PPFD lớn hơn 200 μmol·m-2·s-1.Tuy nhiên khi sử dụng chỉ tiêu này bạn phải chú ý xem đó là cây ưa bóng hay cây ưa nắng.Bạn cần truy vấn hoặc tìm điểm bão hòa bù sáng của các loại cây này hay còn gọi là điểm bù sáng.Trong ứng dụng thực tế, cây con thường bị cháy hoặc khô héo.Do đó, việc thiết kế tham số này phải được thiết kế tùy theo loài thực vật, 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 có bước sóng cụ thể là đỏ và xanh lam với phổ rất hẹp (như trong Hình 3(a)).Trong các thí nghiệm, người ta thấy rằng cây có xu hướng hơi 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 phổ màu đỏ, lục và lam bị tách ra (như trong Hình 3(b)) và độ rộng của phổ rất hẹp.Cường độ quang phổ của phần liên tục sau 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.Do đó, hiệu quả sử dụng không tốt bằng đèn LED.

Hình 3, Đèn LED nhà máy chip đỏ và xanh lam và phổ ánh sáng huỳnh quang ba màu cơ bản

PPFD là mật độ thông lượng 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, đại diện cho tổng số lượng tử ánh sáng tới thân lá cây trong dải bước sóng từ 400 đến 700nm trên một đơn vị thời gian và 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 thị bằng lượng tử ánh sáng hoặc bằng năng lượng bức xạ.

Trước đây, cường độ ánh sáng được phản ánh bởi máy đo độ sáng là độ sáng, nhưng phổ phát triển của cây thay đổi do chiều cao của vật cố định ánh sáng so với cây, độ che phủ của ánh sáng và liệu ánh sáng có thể xuyên qua lá hay không.Do đó, việc sử dụng par như một chỉ số về cường độ ánh sáng trong nghiên cứu về quang hợp là không chính xác.

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

Một số giải pháp thiết kế chiếu sáng bán dẫn

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

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

①Vai trò của đèn LED là cung cấp toàn bộ quang phổ ánh sáng cho nhà máy, hệ thống chiếu sáng phải cung cấp toàn bộ năng lượng chiếu sáng, chi phí sản xuất tương đối cao;
②Thiết kế của đèn LED trồng trọt cần xem xét tính liên tục và tính 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 bắt chước các điều kiện cần thiết cho môi trường sinh trưởng tối ưu thực tế của cây ngoài trời, chẳng hạn như độ ẩm, nhiệt độ và nồng độ CO2.

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

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

Do đó, thiết kế của đèn LED trồng cây trước tiên phải có hai chế độ thiết kế cơ bản, đó là chiếu sáng 24h (trong nhà) và chiếu sáng hỗ trợ tăng trưởng thực vật (ngoài trời).Đối với việc trồng cây trong nhà, thiết kế của đèn LED trồng trọt cần xem xét ba khía cạnh, như thể hiện 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 áp thực vật trong nhà chiếu sáng 24h

Ví dụ, đối với quang phổ trong giai đoạn vườn ươm, xét thấy nó 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, thì quang phổ có thể được thiết kế như trong Hình 5.

Hình 5, Cấu trúc phổ thích hợp cho giai đoạn vườn ươm LED trong nhà

Đối với thiết kế của loại đèn LED trồng trọt thứ hai, nó chủ yếu nhằm vào 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 sẽ 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 nhiều kinh nghiệm trong nhiều thập kỷ, cả ở phía nam và phía bắc.Nó có một nền tảng tốt về công nghệ canh tác nhà kính và cung cấp một số lượng lớn trái cây và rau quả tươi trên thị trường cho các thành phố xung quanh.Đặc biệt trong lĩnh vực đất nước và phân bón trồng trọt đã có nhiều kết quả nghiên cứu phong phú.

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

Khi nghiên cứu khoa học về chiếu sáng nhà máy bằng đèn LED, nó cũng cung cấp cơ sở thử nghiệm rộng hơn cho nó.Hình 7 là một loại đèn LED trồng trọt do nhóm nghiên cứu này phát triển, phù hợp để trồng trọt trong nhà kính và quang phổ của nó được thể hiện trong 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, đối với ánh sáng phát triển trong vườn ươm, đèn ban đầu được sử dụng là đèn huỳnh quang có công suất 32 W và chu kỳ vườn 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 giống và tiết kiệm điện năng tiêu thụ của máy điều hòa.Độ dày, chiều dài và màu sắc của cây con tốt hơn so với giải pháp nuôi cây con ban đầu.Đối với cây con của các loại rau thông thường, cũng đã thu được kết luận xác minh tốt, được tóm tắt trong bảng sau.

Trong số đó, nhóm ánh sáng bổ sung PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 và tỷ lệ đỏ-lam: 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 màu đỏ so với màu xanh lam là 0,6~1,2.Có thể thấy các chỉ tiêu trên đều tốt hơn so với cây giống mọc tự nhiên.

Phần kết luận

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

Tác giả: Yi Wang et al.Nguồn: CNKI