كيفية اختيار وتصميم أضواء LED للنمو؟

باعتبارها فرعًا مهمًا من الزراعة الحديثة، أصبح مفهوم المصانع النباتية شائعًا للغاية. في بيئة الزراعة الداخلية، تعد إضاءة النبات مصدرًا أساسيًا للطاقة لعملية التمثيل الضوئي.ضوء LED للنمو تتمتع بمزايا هائلة لا تتمتع بها الأضواء التكميلية التقليدية، وستصبح بالتأكيد الخيار الأول للأضواء الرئيسية أو التكميلية في التطبيقات التجارية الكبيرة مثل المزارع العمودية والدفيئات الزراعية.

تعد النباتات أحد أكثر أشكال الحياة تعقيدًا على هذا الكوكب. زراعة النباتات بسيطة ولكنها صعبة ومعقدة. بالإضافة إلى إضاءة النمو، تؤثر العديد من المتغيرات على بعضها البعض، وتعد موازنة هذه المتغيرات فنًا رائعًا يحتاج المزارعون إلى فهمه وإتقانه. ولكن فيما يتعلق بإضاءة النباتات، لا تزال هناك العديد من العوامل التي تحتاج إلى النظر فيها بعناية.

أولاً، دعونا نفهم طيف الشمس وامتصاص النباتات لهذا الطيف. وكما يتبين من الشكل أدناه، فإن الطيف الشمسي هو طيف مستمر، يكون فيه الطيف الأزرق والأخضر أقوى من الطيف الأحمر، ويتراوح طيف الضوء المرئي من 380 إلى 780 نانومتر. هناك العديد من عوامل الامتصاص الرئيسية في نمو النبات، ويختلف أطياف امتصاص الضوء للعديد من الأوكسينات الرئيسية التي تؤثر على نمو النبات بشكل كبير. ولذلك فإن تطبيقضوء LED للنموإنها ليست مسألة بسيطة، ولكنها مستهدفة للغاية. ومن الضروري هنا التعريف بمفاهيم أهم عنصرين في نمو النبات القائم على التمثيل الضوئي.

تعتمد عملية التمثيل الضوئي للنباتات على الكلوروفيل الموجود في أوراق البلاستيدات الخضراء، وهو من أهم الصبغات المرتبطة بعملية التمثيل الضوئي. وهو موجود في جميع الكائنات الحية التي يمكنها القيام بعملية التمثيل الضوئي، بما في ذلك النباتات الخضراء والنباتات بدائية النواة. الطحالب الخضراء المزرقة (البكتيريا الزرقاء) والطحالب حقيقية النواة. يمتص الكلوروفيل طاقة الضوء ويحول ثاني أكسيد الكربون والماء إلى هيدروكربونات.

الكلوروفيل أ لونه أخضر مزرق ويمتص الضوء الأحمر بشكل أساسي؛ الكلوروفيل ب لونه أصفر-أخضر ويمتص بشكل أساسي الضوء الأزرق البنفسجي. أساسا لتمييز نباتات الظل عن نباتات الشمس. نسبة الكلوروفيل ب إلى الكلوروفيل أ في نباتات الظل صغيرة، لذلك يمكن لنباتات الظل استخدام الضوء الأزرق بقوة والتكيف مع النمو في الظل. هناك نوعان من الامتصاص القوي للكلوروفيل أ والكلوروفيل ب: المنطقة الحمراء ذات الطول الموجي 630 ~ 680 نانومتر، والمنطقة الزرقاء البنفسجية ذات الطول الموجي 400 ~ 460 نانومتر.

الكاروتينات (الكاروتينات) هو مصطلح عام لفئة من الأصباغ الطبيعية الهامة، والتي توجد عادة في الأصباغ الصفراء أو البرتقالية الحمراء أو الحمراء في الحيوانات والنباتات العليا والفطريات والطحالب. وقد تم اكتشاف أكثر من 600 نوع من الكاروتينات الطبيعية حتى الآن. الكاروتينات المنتجة في الخلايا النباتية لا تمتص الطاقة وتنقلها للمساعدة في عملية التمثيل الضوئي فحسب، بل لها أيضًا وظيفة حماية الخلايا من التدمير بواسطة جزيئات الأكسجين المثارة أحادية الإلكترون. يغطي امتصاص الكاروتينات الضوء في نطاق 303 ~ 505 نانومتر. يوفر لون الطعام، ويؤثر على تناول جسم الإنسان للطعام؛ أما في الطحالب والنباتات والكائنات الحية الدقيقة فلا يمكن إظهار لونها لأنها مغطاة بالكلوروفيل.

في عملية التصميم والاختيارمصابيح LED للنمو، هناك العديد من حالات سوء الفهم التي يجب تجنبها، خاصة في الجوانب التالية.

1. نسبة الطول الموجي الأحمر إلى الطول الموجي للضوء الأزرق

باعتبارها منطقتي الامتصاص الرئيسيتين لعملية التمثيل الضوئي للنباتين، فإن الطيف المنبعث منهاضوء LED للنمويجب أن يكون الضوء الأحمر والضوء الأزرق بشكل أساسي. لكن لا يمكن قياسه ببساطة بنسبة اللون الأحمر إلى اللون الأزرق. على سبيل المثال، نسبة اللون الأحمر إلى اللون الأزرق هي 4:1، 6:1، 9:1 وهكذا.

هناك العديد من أنواع النباتات المختلفة ذات العادات المختلفة، كما أن مراحل النمو المختلفة لها أيضًا احتياجات مختلفة لتركيز الضوء. يجب أن يكون الطيف المطلوب لنمو النبات طيفًا مستمرًا بعرض توزيع معين. من الواضح أنه من غير المناسب استخدام مصدر ضوء مصنوع من شريحتين محددتين من الطول الموجي باللونين الأحمر والأزرق مع طيف ضيق جدًا. وفي التجارب وجد أن النباتات تميل إلى اللون الأصفر، وسيقان الأوراق خفيفة جداً، وسيقان الأوراق رقيقة جداً. لقد تم إجراء عدد كبير من الدراسات حول استجابة النباتات للأطياف المختلفة في الدول الأجنبية، مثل تأثير الجزء تحت الأحمر على فترة الضوء، وتأثير الجزء الأصفر والأخضر على تأثير التظليل، وتأثير الجزء الأخضر على تأثير التظليل. الجزء البنفسجي على مقاومة الآفات والأمراض والعناصر الغذائية وغيرها.

في التطبيقات العملية، غالبًا ما يتم حرق الشتلات أو ذبولها. لذلك، يجب تصميم تصميم هذه المعلمة وفقًا لأنواع النباتات وبيئة النمو وظروفه.

2. الضوء الأبيض العادي والطيف الكامل

يختلف تأثير الضوء الذي "تراه" النباتات عن تأثير العين البشرية. مصابيح الضوء الأبيض شائعة الاستخدام غير قادرة على استبدال ضوء الشمس، مثل أنابيب الضوء الأبيض الأساسية الثلاثة المستخدمة على نطاق واسع في اليابان، وما إلى ذلك. إن استخدام هذه الأطياف له تأثير معين على نمو النباتات، لكن التأثير ليس كذلك جيدة مثل مصدر الضوء الذي تصنعه مصابيح LED. .

بالنسبة لأنابيب الفلورسنت بثلاثة ألوان أساسية شائعة الاستخدام في السنوات السابقة، على الرغم من تصنيع اللون الأبيض، يتم فصل الأطياف الحمراء والخضراء والزرقاء، ويكون عرض الطيف ضيقًا جدًا، والجزء المستمر من الطيف ضعيف نسبيًا. وفي الوقت نفسه، لا تزال الطاقة كبيرة نسبيًا مقارنة بمصابيح LED، حيث تستهلك 1.5 إلى 3 أضعاف الطاقة. تعمل المجموعة الكاملة من مصابيح LED المصممة خصيصًا لإضاءة نمو النباتات على تحسين الطيف. على الرغم من أن التأثير البصري لا يزال أبيض اللون، إلا أنه يحتوي على أجزاء ضوئية مهمة مطلوبة لعملية التمثيل الضوئي للنبات.

3. معلمة شدة الإضاءة PPFD

تعد كثافة تدفق التمثيل الضوئي (PPFD) معلمة مهمة لقياس شدة الضوء في النباتات. يمكن التعبير عنها إما بالكميات الضوئية أو الطاقة الإشعاعية. ويشير إلى كثافة التدفق الإشعاعي الفعال للضوء في عملية التمثيل الضوئي، والتي تمثل إجمالي عدد الكمات الضوئية التي تسقط على أوراق النبات في نطاق الطول الموجي من 400 إلى 700 نانومتر لكل وحدة زمنية ووحدة مساحة. الوحدة هيμE·م-2·ق-1 (μمول·م-2·ق-1). يشير الإشعاع النشط ضوئيًا (PAR) إلى إجمالي الإشعاع الشمسي بطول موجي يتراوح بين 400 إلى 700 نانومتر.

نقطة تشبع تعويض الضوء للنباتات، وتسمى أيضًا نقطة تعويض الضوء، تعني أن PPFD يجب أن يكون أعلى من هذه النقطة، ويمكن أن يكون التمثيل الضوئي أكبر من التنفس، ونمو النباتات أكبر من الاستهلاك قبل أن تتمكن النباتات من النمو. تختلف نقاط تعويض الضوء في النباتات المختلفة، ولا يمكن اعتبارها ببساطة أنها تصل إلى مؤشر معين، مثل PPFD أكبر من 200μمول·م-2·ق-1.

شدة الضوء التي يعكسها مقياس الإضاءة المستخدم قديما هي السطوع، ولكن لأن طيف نمو النبات يتغير بسبب ارتفاع مصدر الضوء من النبات، وتغطية الضوء، وما إذا كان الضوء يمكن أن يمر عبر الأوراق، وما إلى ذلك، يتم استخدامه كضوء عند دراسة عملية التمثيل الضوئي. المؤشرات القوية ليست دقيقة بما فيه الكفاية، ويتم الآن استخدام PAR في الغالب.

بشكل عام، النبات الإيجابي PPFD> 50μمول·م-2·يمكن لـ s-1 بدء آلية التمثيل الضوئي؛ بينما نبات الظل PPFD يحتاج فقط إلى 20μمول·م-2·ق-1. لذلك، عند تثبيت ضوء النبات LED، يمكنك تثبيته وضبطه وفقًا لهذه القيمة المرجعية، واختيار ارتفاع التثبيت المناسب، وتحقيق قيمة PPFD المثالية والتوحيد على سطح الورقة.

4. تركيبة خفيفة

صيغة الضوء هي مفهوم جديد تم اقتراحه مؤخرًا، والذي يتضمن بشكل أساسي ثلاثة عوامل: جودة الضوء وكمية الضوء ومدته. افهم ببساطة أن جودة الضوء هي الطيف الأكثر ملاءمة لعملية التمثيل الضوئي للنبات؛ الكمية الخفيفة هي قيمة PPFD والتوحيد المناسب؛ المدة هي القيمة التراكمية للإشعاع ونسبة النهار إلى الليل. اكتشف المزارعون الهولنديون أن النباتات تستخدم نسبة الأشعة تحت الحمراء إلى الضوء الأحمر للحكم على تغيرات النهار والليل. وتزداد نسبة الأشعة تحت الحمراء بشكل ملحوظ عند غروب الشمس، وتستجيب النباتات بسرعة للنوم. وبدون هذه العملية، سوف يستغرق الأمر عدة ساعات حتى تكتمل النباتات هذه العملية.

وفي التطبيقات العملية، من الضروري تجميع الخبرة من خلال الاختبار واختيار أفضل مجموعة.