Introdução

A luz desempenha um papel fundamental no processo de crescimento das plantas.É o melhor fertilizante para promover a absorção da clorofila da planta e a absorção de várias qualidades de crescimento da planta, como o caroteno.No entanto, o fator decisivo que determina o crescimento das plantas é um fator abrangente, não apenas relacionado à luz, mas também inseparável da configuração da água, do solo e do fertilizante, das condições do ambiente de crescimento e do controle técnico abrangente.

Nos últimos dois ou três anos, houve inúmeros relatórios sobre a aplicação da tecnologia de iluminação de semicondutores em fábricas de plantas tridimensionais ou crescimento de plantas.Mas depois de lê-lo com cuidado, sempre há algum sentimento desconfortável.De um modo geral, não há uma compreensão real do papel que a luz deve desempenhar no crescimento das plantas.

Primeiro, vamos entender o espectro do sol, conforme mostrado na Figura 1. Pode-se ver que o espectro solar é um espectro contínuo, no qual o espectro azul e verde são mais fortes que o espectro vermelho, e o espectro de luz visível varia de 380 a 780 nm.O crescimento dos organismos na natureza está relacionado com a intensidade do espectro.Por exemplo, a maioria das plantas na área próxima ao equador cresce muito rápido e, ao mesmo tempo, o tamanho de seu crescimento é relativamente grande.Mas nem sempre a alta intensidade da irradiação solar é a melhor, e há certa seletividade para o crescimento de animais e plantas.

Figura 1, As características do espectro solar e seu espectro de luz visível

Em segundo lugar, o segundo diagrama de espectro de vários elementos-chave de absorção do crescimento da planta é mostrado na Figura 2.

Figura 2, Espectros de absorção de várias auxinas no crescimento da planta

Pode ser visto na Figura 2 que os espectros de absorção de luz de várias auxinas chave que afetam o crescimento da planta são significativamente diferentes.Portanto, a aplicação de luzes de crescimento de plantas de LED não é uma questão simples, mas muito direcionada.Aqui é necessário introduzir os conceitos dos dois elementos fotossintéticos mais importantes para o crescimento das plantas.

• Clorofila

A clorofila é um dos pigmentos mais importantes relacionados à fotossíntese.Existe em todos os organismos que podem criar fotossíntese, incluindo plantas verdes, algas azul-esverdeadas procarióticas (cianobactérias) e algas eucarióticas.A clorofila absorve energia da luz, que é então usada para converter dióxido de carbono em carboidratos.

A clorofila a absorve principalmente a luz vermelha e a clorofila b absorve principalmente a luz azul-violeta, principalmente para distinguir as plantas de sombra das plantas de sol.A proporção de clorofila b para clorofila a das plantas de sombra é pequena, então as plantas de sombra podem usar fortemente a luz azul e se adaptar ao crescimento na sombra.A clorofila a é verde-azulada e a clorofila b é verde-amarelada.Existem duas fortes absorções de clorofila a e clorofila b, uma na região vermelha com comprimento de onda de 630-680 nm e outra na região azul-violeta com comprimento de onda de 400-460 nm.

• Carotenóides

Carotenóides são o termo geral para uma classe de pigmentos naturais importantes, que são comumente encontrados em pigmentos amarelos, laranja-avermelhados ou vermelhos em animais, plantas superiores, fungos e algas.Até agora, mais de 600 carotenóides naturais foram descobertos.

A absorção de luz dos carotenóides cobre a faixa de OD303~505 nm, que fornece a cor dos alimentos e afeta a ingestão de alimentos pelo corpo.Em algas, plantas e microorganismos, sua cor é coberta pela clorofila e não pode aparecer.Nas células vegetais, os carotenóides produzidos não apenas absorvem e transferem energia para ajudar na fotossíntese, mas também têm a função de proteger as células de serem destruídas por moléculas de oxigênio ligadas por um único elétron excitadas.

Alguns mal-entendidos conceituais

Independentemente do efeito de economia de energia, da seletividade da luz e da coordenação da luz, a iluminação de semicondutores mostrou grandes vantagens.No entanto, com o rápido desenvolvimento dos últimos dois anos, também vimos muitos mal-entendidos no design e na aplicação da luz, que se refletem principalmente nos seguintes aspectos.

①Desde que os chips vermelho e azul de um determinado comprimento de onda sejam combinados em uma determinada proporção, eles podem ser usados ​​no cultivo de plantas, por exemplo, a proporção de vermelho para azul é 4:1, 6:1, 9:1 e assim sobre.

②Contanto que seja luz branca, pode substituir a luz do sol, como o tubo de luz branca primária amplamente usado no Japão, etc. O uso desses espectros tem um certo efeito no crescimento das plantas, mas o efeito é não tão boa quanto a fonte de luz feita por LED.

③Enquanto o PPFD (densidade de fluxo quântico de luz), um importante parâmetro de iluminação, atinge um determinado índice, por exemplo, PPFD é maior que 200 μmol·m-2·s-1.No entanto, ao usar este indicador, você deve prestar atenção se é uma planta de sombra ou de sol.Você precisa consultar ou encontrar o ponto de saturação de compensação de luz dessas plantas, que também é chamado de ponto de compensação de luz.Em aplicações reais, as mudas são frequentemente queimadas ou murchas.Portanto, o dimensionamento desse parâmetro deve ser pensado de acordo com a espécie vegetal, ambiente e condições de crescimento.

Em relação ao primeiro aspecto, conforme introduzido na introdução, o espectro necessário para o crescimento da planta deve ser um espectro contínuo com uma certa largura de distribuição.É obviamente inapropriado usar uma fonte de luz feita de dois chips de comprimento de onda específicos de vermelho e azul com um espectro muito estreito (como mostrado na Figura 3(a)).Em experimentos, descobriu-se que as plantas tendem a ser amareladas, os caules das folhas são muito claros e os caules das folhas são muito finos.

Para lâmpadas fluorescentes com três cores primárias comumente usadas em anos anteriores, embora o branco seja sintetizado, os espectros vermelho, verde e azul são separados (como mostrado na Figura 3(b)) e a largura do espectro é muito estreita.A intensidade espectral da parte contínua seguinte é relativamente fraca e a potência ainda é relativamente grande em comparação com os LEDs, 1,5 a 3 vezes o consumo de energia.Portanto, o efeito de uso não é tão bom quanto as luzes LED.

Figura 3, luz de planta de LED de chip vermelho e azul e espectro de luz fluorescente de três cores primárias

PPFD é a densidade de fluxo quântico de luz, que se refere à densidade de fluxo de luz de radiação efetiva da luz na fotossíntese, que representa o número total de quanta de luz incidentes nos caules das folhas das plantas na faixa de comprimento de onda de 400 a 700 nm por unidade de tempo e unidade de área .Sua unidade é μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1).A radiação fotossinteticamente ativa (PAR) refere-se à radiação solar total com um comprimento de onda na faixa de 400 a 700 nm.Ela pode ser expressa por quanta de luz ou por energia radiante.

Antigamente, a intensidade da luz refletida pelo iluminômetro era o brilho, mas o espectro de crescimento da planta muda devido à altura da luminária da planta, a cobertura de luz e se a luz pode passar pelas folhas.Portanto, não é correto usar par como um indicador de intensidade de luz no estudo da fotossíntese.

Geralmente, o mecanismo de fotossíntese pode ser iniciado quando a PPFD da planta que gosta de sol é maior que 50 μmol·m-2·s-1, enquanto a PPFD da planta sombreada precisa apenas de 20 μmol·m-2·s-1 .Portanto, ao comprar luzes LED para cultivo, você pode escolher o número de luzes LED para cultivo com base nesse valor de referência e no tipo de planta que planta.Por exemplo, se o PPFD de uma única luz de LED for 20 μmol·m-2·s-1, mais de 3 lâmpadas LED de planta são necessárias para cultivar plantas que gostam de sol.

Várias soluções de design de iluminação de semicondutores

A iluminação semicondutora é usada para o crescimento ou plantio de plantas, e existem dois métodos básicos de referência.

• Atualmente, o modelo de plantio interno é muito popular na China.Este modelo tem várias características:

①O papel das luzes LED é fornecer todo o espectro de iluminação da planta, e o sistema de iluminação é necessário para fornecer toda a energia de iluminação, e o custo de produção é relativamente alto;
②O design das luzes LED para cultivo precisa considerar a continuidade e a integridade do espectro;
③É necessário controlar efetivamente o tempo de iluminação e a intensidade da iluminação, como deixar as plantas descansar por algumas horas, a intensidade da irradiação é insuficiente ou muito forte, etc.;
④Todo o processo precisa imitar as condições exigidas pelo ambiente ideal de crescimento real das plantas ao ar livre, como umidade, temperatura e concentração de CO2.

• Modo de plantio ao ar livre com boa base de plantio de estufa ao ar livre.As características deste modelo são:

①O papel das luzes LED é complementar a luz.Uma é aumentar a intensidade da luz nas áreas azul e vermelha sob a irradiação da luz solar durante o dia para promover a fotossíntese das plantas, e a outra é compensar quando não há luz solar à noite para promover a taxa de crescimento da planta.
②A luz suplementar precisa considerar em qual estágio de crescimento a planta está, como o período de muda ou o período de floração e frutificação.

Portanto, o design das luzes LED para cultivo de plantas deve primeiro ter dois modos básicos de design, ou seja, iluminação 24 horas (interior) e iluminação complementar ao crescimento de plantas (exterior).Para o cultivo de plantas em ambientes internos, o projeto das luminárias de cultivo de LED precisa considerar três aspectos, conforme mostra a Figura 4. Não é possível empacotar os chips com três cores primárias em uma determinada proporção.

Figura 4, A ideia de design de usar luzes de reforço de plantas de LED internas para iluminação 24 horas

Por exemplo, para um espectro na fase de viveiro, considerando que precisa fortalecer o crescimento de raízes e caules, fortalecer a ramificação das folhas e a fonte de luz é utilizada em ambientes fechados, o espectro pode ser desenhado conforme a Figura 5.

Figura 5, Estruturas espectrais adequadas para período de berçário interno de LED

Para o projeto do segundo tipo de luz LED para cultivo, visa-se principalmente a solução de projeto de luz suplementar para promover o plantio na base da estufa externa.A ideia do projeto é mostrada na Figura 6.

Figura 6, Idéias de design de luzes de cultivo ao ar livre 

O autor sugere que mais empresas plantadoras adotem a segunda opção de usar luzes de LED para promover o crescimento das plantas.

Em primeiro lugar, o cultivo em estufa ao ar livre na China tem décadas de experiência e uma ampla gama de experiências, tanto no sul quanto no norte.Possui uma boa base de tecnologia de cultivo em estufa e fornece um grande número de frutas e vegetais frescos no mercado para as cidades vizinhas.Especialmente no campo de solo e água e plantio de fertilizantes, resultados de pesquisa ricos foram feitos.

Em segundo lugar, este tipo de solução de luz suplementar pode reduzir significativamente o consumo desnecessário de energia e, ao mesmo tempo, pode aumentar efetivamente o rendimento de frutas e vegetais.Além disso, a vasta área geográfica da China é muito conveniente para promoção.

Como a pesquisa científica da iluminação de plantas LED, também fornece uma base experimental mais ampla para isso.A Fig. 7 é um tipo de luz LED desenvolvida por esta equipe de pesquisa, que é adequada para cultivo em estufas, e seu espectro é mostrado na Fig. 8.

Figura 7, um tipo de luz de crescimento de LED

Figura 8, espectro de um tipo de luz de crescimento LED

De acordo com as ideias de projeto acima, a equipe de pesquisa realizou uma série de experimentos e os resultados experimentais são muito significativos.Por exemplo, para luz de crescimento durante o berçário, a lâmpada original utilizada é uma lâmpada fluorescente com potência de 32 W e um ciclo de berçário de 40 dias.Fornecemos uma lâmpada LED de 12 W, que encurta o ciclo das mudas para 30 dias, reduz efetivamente a influência da temperatura das lâmpadas na oficina de mudas e economiza o consumo de energia do ar condicionado.A espessura, comprimento e cor das mudas são melhores do que a solução original de cultivo de mudas.Para as mudas de hortaliças comuns também foram obtidas boas conclusões de verificação, que estão resumidas na tabela a seguir.

Entre eles, o grupo de luz suplementar PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, e a relação vermelho-azul: 0,6-0,7.A faixa do valor diurno de PPFD do grupo natural foi de 40~800 μmol·m-2·s-1, e a proporção de vermelho para azul foi de 0,6~1,2.Pode-se observar que os indicadores acima são melhores que os das mudas cultivadas naturalmente.

Conclusão

Este artigo apresenta os últimos desenvolvimentos na aplicação de luzes LED de cultivo no cultivo de plantas e aponta alguns mal-entendidos na aplicação da luz LED de cultivo no cultivo de plantas.Por fim, são apresentadas as ideias técnicas e esquemas para o desenvolvimento de luzes LED para cultivo usadas no cultivo de plantas.Vale ressaltar que também existem alguns fatores que precisam ser considerados na instalação e utilização da luz, como a distância entre a luz e a planta, o raio de irradiação da lâmpada e como aplicar a luz com água normal, fertilizante e solo.

Autor: Yi Wang e outros.Fonte: CNKI