Introduzione

A luce ghjoca un rollu chjave in u prucessu di crescita di e piante. Hè u megliu fertilizante per prumove l'assorbimentu di a clorofilla vegetale è l'assorbimentu di varie qualità di crescita di e piante cum'è u carotene. Tuttavia, u fattore decisivu chì determina a crescita di e piante hè un fattore cumpletu, micca solu ligatu à a luce, ma ancu inseparabile da a cunfigurazione di l'acqua, di u terrenu è di u fertilizante, di e cundizioni di l'ambiente di crescita è di u cuntrollu tecnicu cumpletu.

In l'ultimi dui o trè anni, ci sò stati numerosi rapporti nantu à l'applicazione di a tecnulugia di l'illuminazione à semiconduttori in quantu à e fabbriche di piante tridimensionali o a crescita di e piante. Ma dopu avè lettu attentamente, ci hè sempre una sensazione di disagiu. In generale, ùn ci hè micca una vera comprensione di u rolu chì a luce deve ghjucà in a crescita di e piante.

Prima, capimu u spettru di u sole, cum'è mostratu in a Figura 1. Si pò vede chì u spettru solare hè un spettru cuntinuu, in u quale u spettru blu è verde sò più forti di u spettru rossu, è u spettru di a luce visibile varieghja da 380 à 780 nm. A crescita di l'organismi in natura hè ligata à l'intensità di u spettru. Per esempiu, a maiò parte di e piante in a zona vicinu à l'equatore crescenu assai prestu, è à u listessu tempu, a dimensione di a so crescita hè relativamente grande. Ma l'alta intensità di l'irradiazione di u sole ùn hè micca sempre a megliu, è ci hè un certu gradu di selettività per a crescita di l'animali è di e piante.

Figura 1, E caratteristiche di u spettru solare è u so spettru di luce visibile

Sicundamente, u secondu diagrama di spettru di parechji elementi chjave di assorbimentu di a crescita di e piante hè mostratu in a Figura 2.

Figura 2, Spettri d'assorbimentu di parechje auxine in a crescita di e piante

Si pò vede da a Figura 2 chì i spettri d'assorbimentu di a luce di parechje auxine chjave chì affettanu a crescita di e piante sò significativamente diffirenti. Dunque, l'applicazione di luci LED per a crescita di e piante ùn hè micca una questione simplice, ma assai mirata. Quì hè necessariu introduce i cuncetti di i dui elementi fotosintetici più impurtanti per a crescita di e piante.

• Clorofilla

A clorofilla hè unu di i pigmenti i più impurtanti ligati à a fotosintesi. Esiste in tutti l'organismi chì ponu creà a fotosintesi, cumprese e piante verdi, l'alghe procariote blu-verdi (cianobatterie) è l'alghe eucariote. A clorofilla assorbe l'energia da a luce, chì hè poi aduprata per cunvertisce u diossidu di carbonu in carboidrati.

A clorofilla a assorbe principalmente a luce rossa, è a clorofilla b assorbe principalmente a luce blu-viola, principalmente per distingue e piante d'ombra da e piante di sole. U rapportu trà a clorofilla b è a clorofilla a di e piante d'ombra hè chjucu, dunque e piante d'ombra ponu aduprà a luce blu forte è adattassi à a crescita in ombra. A clorofilla a hè blu-verde, è a clorofilla b hè giallu-verde. Ci sò dui forti assorbimenti di clorofilla a è clorofilla b, unu in a regione rossa cù una lunghezza d'onda di 630-680 nm, è l'altru in a regione blu-viola cù una lunghezza d'onda di 400-460 nm.

• Carotenoidi

I carotenoidi sò u termine generale per una classa di pigmenti naturali impurtanti, chì si trovanu cumunemente in pigmenti gialli, aranciu-rossi o rossi in l'animali, e piante superiori, i funghi è l'alghe. Finu à avà, sò stati scuperti più di 600 carotenoidi naturali.

L'assorbimentu di luce di i carotenoidi copre a gamma di OD303 ~ 505 nm, chì furnisce u culore di l'alimentu è influenza l'assunzione di alimenti da u corpu. In l'alghe, e piante è i microorganismi, u so culore hè cupertu da a clorofilla è ùn pò micca cumparisce. In e cellule vegetali, i carotenoidi prudutti ùn solu assorbenu è trasferiscenu energia per aiutà a fotosintesi, ma anu ancu a funzione di prutege e cellule da esse distrutte da e molecule d'ossigenu à ligame unicu elettrone eccitate.

Certi malintesi cuncettuali

Indipendentemente da l'effettu di risparmiu energeticu, a selettività di a luce è a coordinazione di a luce, l'illuminazione à semiconduttori hà dimustratu grandi vantaghji. Tuttavia, da u rapidu sviluppu di l'ultimi dui anni, avemu ancu vistu assai malintesi in a cuncepzione è l'applicazione di a luce, chì si riflettenu principalmente in i seguenti aspetti.

①Finchè i chips rossi è blu di una certa lunghezza d'onda sò cumminati in un certu rapportu, ponu esse aduprati in a cultura di e piante, per esempiu, u rapportu di rossu à blu hè 4: 1, 6: 1, 9: 1 è cusì.

② Finchè si tratta di luce bianca, pò rimpiazzà a luce di u sole, cum'è u tubu di luce bianca à trè lampadine primarie largamente utilizatu in Giappone, ecc. L'usu di sti spettri hà un certu effettu nantu à a crescita di e piante, ma l'effettu ùn hè micca cusì bonu cum'è a fonte di luce fatta da LED.

③Finchè a PPFD (densità di flussu quanticu di luce), un parametru impurtante di l'illuminazione, righjunghji un certu indice, per esempiu, a PPFD hè più grande di 200 μmol·m-2·s-1. Tuttavia, quandu si usa questu indicatore, ci vole à fà attenzione à s'ellu si tratta di una pianta d'ombra o di una pianta di sole. Ci vole à dumandà o truvà u puntu di saturazione di compensazione di a luce di ste piante, chì hè ancu chjamatu puntu di compensazione di a luce. In l'applicazioni attuali, e piantine sò spessu brusgiate o appassite. Dunque, u cuncepimentu di questu parametru deve esse cuncipitu secondu a spezia di a pianta, l'ambiente di crescita è e cundizioni.

Riguardu à u primu aspettu, cum'è introduttu in l'introduzione, u spettru necessariu per a crescita di e piante deve esse un spettru cuntinuu cù una certa larghezza di distribuzione. Hè ovviamente inappropriatu aduprà una fonte di luce fatta di dui chip di lunghezza d'onda specifichi di rossu è blu cù un spettru assai strettu (cum'è mostratu in a Figura 3 (a)). In l'esperimenti, hè statu trovu chì e piante tendenu à esse gialle, i steli di e foglie sò assai chjari, è i steli di e foglie sò assai fini.

Per i tubi fluorescenti cù trè culori primari cumunimenti usati in l'anni precedenti, ancu s'è u biancu hè sintetizatu, i spettri rossi, verdi è turchini sò separati (cum'è mostratu in a Figura 3 (b)), è a larghezza di u spettru hè assai stretta. L'intensità spettrale di a parte cuntinua seguente hè relativamente debule, è a putenza hè sempre relativamente grande paragunata à i LED, da 1,5 à 3 volte u cunsumu energeticu. Dunque, l'effettu d'usu ùn hè micca cusì bonu cum'è e luci LED.

Figura 3, Luce di pianta LED rossa è blu è spettru di luce fluorescente à trè culori primari

PPFD hè a densità di flussu quanticu di luce, chì si riferisce à a densità di flussu di luce di radiazione efficace di a luce in a fotosintesi, chì rapprisenta u numeru tutale di quanti di luce incidenti nantu à i steli di e foglie di e piante in a gamma di lunghezza d'onda da 400 à 700 nm per unità di tempu è unità di area. A so unità hè μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). A radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) si riferisce à a radiazione solare tutale cù una lunghezza d'onda in a gamma da 400 à 700 nm. Pò esse espressa sia da quanti di luce sia da energia radiante.

In u passatu, l'intensità luminosa riflessa da l'iluminometru era a luminosità, ma u spettru di a crescita di e piante cambia per via di l'altezza di l'apparecchiu luminosu da a pianta, a cupertura luminosa è s'ellu a luce pò passà per e foglie. Dunque, ùn hè micca currettu aduprà u par cum'è indicatore di l'intensità luminosa in u studiu di a fotosintesi.

In generale, u mecanismu di fotosintesi pò esse iniziatu quandu u PPFD di a pianta chì ama u sole hè più grande di 50 μmol·m-2·s-1, mentre chì u PPFD di a pianta ombrosa hà bisognu solu di 20 μmol·m-2·s-1. Dunque, quandu cumprate luci di crescita LED, pudete sceglie u numeru di luci di crescita LED basatu annantu à questu valore di riferimentu è u tipu di piante chì piantate. Per esempiu, se u PPFD di una sola luce LED hè 20 μmol·m-2·s-1, sò necessarie più di 3 lampadine LED per cultivà piante chì amanu u sole.

Parechje suluzioni di cuncepimentu di l'illuminazione à semiconduttori

L'illuminazione à semiconduttori hè aduprata per a crescita o a piantazione di e piante, è ci sò dui metudi di riferimentu basi.

• Attualmente, u mudellu di piantazione in interni hè assai pupulare in Cina. Stu mudellu hà parechje caratteristiche:

①U rolu di e luci LED hè di furnisce u spettru cumpletu di l'illuminazione di e piante, è u sistema di illuminazione hè necessariu per furnisce tutta l'energia di l'illuminazione, è u costu di pruduzzione hè relativamente altu;
②U cuncepimentu di e luci di crescita LED deve cunsiderà a continuità è l'integrità di u spettru;
③ Hè necessariu cuntrullà efficacemente u tempu di illuminazione è l'intensità di l'illuminazione, cum'è lascià ripusà e piante per qualchì ora, l'intensità di l'irradiazione ùn hè micca abbastanza o troppu forte, ecc.;
④Tuttu u prucessu deve imità e cundizioni richieste da l'ambiente di crescita ottimale attuale di e piante à l'apertu, cum'è l'umidità, a temperatura è a cuncentrazione di CO2.

• Modu di piantazione esterna cù una bona basa di piantazione in serra esterna. E caratteristiche di stu mudellu sò:

①U rolu di e luci LED hè di cumplementà a luce. Unu hè di aumentà l'intensità di a luce in e zone blu è rosse sottu à l'irradiazione di u sole durante u ghjornu per prumove a fotosintesi di e piante, è l'altru hè di cumpensà quandu ùn ci hè micca sole di notte per prumove u ritmu di crescita di e piante.
② A luce supplementaria deve tene contu di a fase di crescita in cui si trova a pianta, cum'è u periodu di piantina o u periodu di fioritura è fruttificazione.

Dunque, u cuncepimentu di e luci di crescita di e piante à LED deve prima avè duie modalità di cuncepimentu basiche, vale à dì, illuminazione 24 ore (interna) è illuminazione supplementare di crescita di e piante (esterna). Per a cultura di e piante in interni, u cuncepimentu di e luci di crescita à LED deve cunsiderà trè aspetti, cum'è mostratu in a Figura 4. Ùn hè micca pussibule imballà i chip cù trè culori primari in una certa proporzione.

Figura 4, L'idea di cuncepimentu di l'usu di luci di rinfurzamentu di piante LED interne per l'illuminazione 24 ore su 24

Per esempiu, per un spettru in a fase di vivaiu, cunsiderendu chì hà bisognu di rinfurzà a crescita di e radiche è di i steli, rinfurzà a ramificazione di e foglie, è a fonte di luce hè aduprata in interni, u spettru pò esse cuncipitu cum'è mostratu in a Figura 5.

Figura 5, Strutture spettrali adatte per u periodu di nursery internu à LED

Per a cuncepzione di u secondu tipu di luce di crescita LED, si tratta principalmente di a suluzione di cuncepzione di supplementà a luce per prumove a piantazione in a basa di a serra esterna. L'idea di cuncepzione hè mostrata in a Figura 6.

Figura 6, Idee di cuncepimentu di luci di crescita per esterni 

L'autore suggerisce chì più cumpagnie di piantazione aduttinu a seconda opzione per aduprà luci LED per prumove a crescita di e piante.

Prima di tuttu, a cultura di serra à l'apertu di a Cina hà decennii di grande sperienza, sia in u sudu sia in u nordu. Hà una bona basa di tecnulugia di cultura di serra è furnisce un gran numeru di frutti è ligumi freschi nantu à u mercatu per e cità circundanti. In particulare in u campu di a terra, di l'acqua è di a piantazione di fertilizanti, sò stati ottenuti ricchi risultati di ricerca.

Siconda, stu tipu di suluzione di luce supplementaria pò riduce assai u cunsumu inutile d'energia, è à u listessu tempu pò aumentà efficacemente u rendimentu di frutti è ligumi. Inoltre, a vasta area geografica di a Cina hè assai cunveniente per a prumuzione.

Cum'è a ricerca scientifica di l'illuminazione di e piante à LED, furnisce ancu una basa sperimentale più larga per ella. A Fig. 7 hè un tipu di luce di crescita à LED sviluppata da sta squadra di ricerca, chì hè adatta per a cultura in serre, è u so spettru hè mostratu in a Fig. 8.

Figura 7, Un tipu di luce di crescita LED

Figura 8, spettru di un tipu di luce di crescita LED

Sicondu l'idee di cuncepimentu sopra, a squadra di ricerca hà realizatu una seria di esperimenti, è i risultati sperimentali sò assai significativi. Per esempiu, per a luce di crescita durante a vivaia, a lampada originale aduprata hè una lampada fluorescente cù una putenza di 32 W è un ciclu di vivaia di 40 ghjorni. Fornemu una luce LED di 12 W, chì accurta u ciclu di piantina à 30 ghjorni, riduce efficacemente l'influenza di a temperatura di e lampade in l'attellu di piantina, è risparmia u cunsumu energeticu di u climatizzatore. U spessore, a lunghezza è u culore di e piantine sò megliu cà a suluzione originale di crescita di piantine. Per e piantine di ligumi cumuni, sò state ottenute ancu bone cunclusioni di verificazione, chì sò riassunte in a seguente tabella.

Trà elli, u gruppu di luce supplementaria PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, è u rapportu rossu-blu: 0,6-0,7. A gamma di u valore PPFD di ghjornu di u gruppu naturale era 40 ~ 800 μmol·m-2·s-1, è u rapportu trà rossu è blu era 0,6 ~ 1,2. Si pò vede chì l'indicatori sopra sò megliu cà quelli di e piantine cultivate naturalmente.

Cunclusione

Questu articulu presenta l'ultimi sviluppi in l'applicazione di luci di crescita LED in a cultura di e piante, è mette in evidenza alcuni malintesi in l'applicazione di luci di crescita LED in a cultura di e piante. Infine, sò presentate l'idee tecniche è i schemi per u sviluppu di luci di crescita LED aduprate per a cultura di e piante. Ci vole à signalà chì ci sò ancu alcuni fattori chì devenu esse cunsiderati in l'installazione è l'usu di a luce, cum'è a distanza trà a luce è a pianta, a gamma di irradiazione di a lampada, è cumu applicà a luce cù acqua nurmale, fertilizante è terra.

Autori: Yi Wang et al. Fonte: CNKI