Кіріспе

Жарық өсімдіктердің өсу процесінде маңызды рөл атқарады. Бұл өсімдік хлорофиллінің сіңуін және каротин сияқты әртүрлі өсімдік өсу қасиеттерінің сіңуін ынталандыратын ең жақсы тыңайтқыш. Дегенмен, өсімдіктердің өсуін анықтайтын шешуші фактор - бұл тек жарықпен ғана емес, сонымен қатар судың, топырақтың және тыңайтқыштың конфигурациясымен, өсу ортасының жағдайларымен және кешенді техникалық бақылаумен ажырамас кешенді фактор.

Соңғы екі-үш жылда үш өлшемді өсімдік зауыттарына немесе өсімдіктердің өсуіне қатысты жартылай өткізгіш жарықтандыру технологиясын қолдану туралы шексіз есептер болды. Бірақ оны мұқият оқығаннан кейін әрқашан мазасыздық сезімі пайда болады. Жалпы алғанда, өсімдіктердің өсуінде жарықтың қандай рөл атқаруы керектігі туралы нақты түсінік жоқ.

Алдымен, 1-суретте көрсетілгендей, күннің спектрін түсінейік. Күн спектрі үздіксіз спектр екенін көруге болады, онда көк және жасыл спектрлер қызыл спектрден күштірек, ал көрінетін жарық спектрі 380-нен 780 нм-ге дейін болады. Табиғаттағы организмдердің өсуі спектрдің қарқындылығымен байланысты. Мысалы, экваторға жақын аймақтағы өсімдіктердің көпшілігі өте тез өседі, сонымен бірге олардың өсу мөлшері салыстырмалы түрде үлкен. Бірақ күн сәулесінің жоғары қарқындылығы әрқашан жақсы бола бермейді және жануарлар мен өсімдіктердің өсуі үшін белгілі бір дәрежеде селективтілік бар.

1-сурет, Күн спектрінің және оның көрінетін жарық спектрінің сипаттамалары

Екіншіден, өсімдік өсуінің бірнеше негізгі сіңіру элементтерінің екінші спектрлік диаграммасы 2-суретте көрсетілген.

2-сурет, Өсімдік өсуіндегі бірнеше ауксиндердің сіңіру спектрлері

2-суреттен өсімдіктердің өсуіне әсер ететін бірнеше негізгі ауксиндердің жарық сіңіру спектрлері айтарлықтай ерекшеленетінін көруге болады. Сондықтан, жарықдиодты өсімдіктердің өсу шамдарын қолдану қарапайым мәселе емес, бірақ өте мақсатты. Мұнда фотосинтетикалық өсімдіктердің өсу элементтерінің ең маңызды екі тұжырымдамасын енгізу қажет.

• Хлорофилл

Хлорофилл - фотосинтезге байланысты ең маңызды пигменттердің бірі. Ол фотосинтез жасай алатын барлық организмдерде, соның ішінде жасыл өсімдіктерде, прокариоттық көк-жасыл балдырларда (цианобактерияларда) және эукариоттық балдырларда кездеседі. Хлорофилл жарықтан энергияны сіңіреді, содан кейін ол көмірқышқыл газын көмірсуларға айналдыру үшін қолданылады.

Хлорофилл a негізінен қызыл жарықты сіңіреді, ал хлорофилл b негізінен көк-күлгін жарықты сіңіреді, бұл негізінен көлеңкелі өсімдіктерді күн өсімдіктерінен ажырату үшін. Көлеңкелі өсімдіктердегі хлорофилл b мен хлорофилл a қатынасы аз, сондықтан көлеңкелі өсімдіктер көк жарықты күшті пайдалана алады және көлеңкеде өсуге бейімделе алады. Хлорофилл a көк-жасыл, ал хлорофилл b сары-жасыл. Хлорофилл a мен хлорофилл b екі күшті сіңіру бар, біреуі толқын ұзындығы 630-680 нм болатын қызыл аймақта, ал екіншісі толқын ұзындығы 400-460 нм болатын көк-күлгін аймақта.

• Каротиноидтар

Каротиноидтар - жануарларда, жоғары сатыдағы өсімдіктерде, саңырауқұлақтарда және балдырларда сары, қызғылт сары-қызыл немесе қызыл пигменттерде жиі кездесетін маңызды табиғи пигменттер класының жалпы атауы. Қазіргі уақытта 600-ден астам табиғи каротиноидтар ашылды.

Каротиноидтардың жарықты сіңіруі OD303 ~ 505 нм диапазонын қамтиды, бұл тағамның түсін береді және ағзаның тағамды қабылдауына әсер етеді. Балдырларда, өсімдіктерде және микроорганизмдерде оның түсі хлорофиллмен жабылған және пайда бола алмайды. Өсімдік жасушаларында өндірілген каротиноидтар фотосинтезге көмектесу үшін энергияны сіңіріп, беріп қана қоймай, сонымен қатар жасушаларды қозған бір электронды байланыс оттегі молекулаларының бұзылуынан қорғау функциясын да атқарады.

Кейбір тұжырымдамалық түсінбеушіліктер

Энергия үнемдеу әсеріне, жарықтың селективтілігіне және жарықтың үйлесімділігіне қарамастан, жартылай өткізгіш жарықтандыру үлкен артықшылықтар көрсетті. Дегенмен, соңғы екі жылдағы қарқынды дамудан бастап, жарықты жобалау мен қолдануда көптеген түсініспеушіліктерді байқадық, олар негізінен келесі аспектілерде көрініс табады.

①Белгілі бір толқын ұзындығындағы қызыл және көк чиптер белгілі бір қатынаста біріктірілгенше, оларды өсімдік өсіруде пайдалануға болады, мысалы, қызыл мен көктің қатынасы 4:1, 6:1, 9:1 және т.б.

②Ақ жарық болғанша, ол күн сәулесін алмастыра алады, мысалы, Жапонияда кеңінен қолданылатын үш негізгі ақ жарық түтігі және т.б. Бұл спектрлерді пайдалану өсімдіктердің өсуіне белгілі бір әсер етеді, бірақ бұл әсер жарықдиодты жарық көзі сияқты жақсы емес.

③Жарықтандырудың маңызды параметрі болып табылатын PPFD (жарық кванттық ағынының тығыздығы) белгілі бір индекске жеткенше, мысалы, PPFD 200 мкмоль·м-2·с-1-ден жоғары болады. Дегенмен, бұл индикаторды пайдаланған кезде, оның көлеңкелі өсімдік пе, әлде күн өсімдігі ме екеніне назар аудару керек. Бұл өсімдіктердің жарықтың өтемақысының қанығу нүктесін сұрау немесе табу керек, ол жарықтың өтемақы нүктесі деп те аталады. Нақты қолданбаларда көшеттер көбінесе күйіп кетеді немесе солып қалады. Сондықтан, бұл параметрдің дизайны өсімдік түріне, өсу ортасына және жағдайларына сәйкес жасалуы керек.

Бірінші аспектке келетін болсақ, кіріспеде айтылғандай, өсімдіктің өсуі үшін қажетті спектр белгілі бір таралу ені бар үздіксіз спектр болуы керек. Өте тар спектрлі қызыл және көк түсті екі толқын ұзындығы чиптерінен жасалған жарық көзін пайдалану орынсыз екені анық (3(a) суретте көрсетілгендей). Тәжірибелер барысында өсімдіктердің сарғыш түске бейім екені, жапырақ сабақтарының өте ашық және жапырақ сабақтарының өте жұқа екені анықталды.

Алдыңғы жылдары жиі қолданылатын үш негізгі түсі бар люминесцентті лампалар үшін ақ синтезделгенімен, қызыл, жасыл және көк спектрлер бөлінеді (3(b) суретте көрсетілгендей), ал спектрдің ені өте тар. Келесі үздіксіз бөліктің спектрлік қарқындылығы салыстырмалы түрде әлсіз, ал қуаты жарықдиодтармен салыстырғанда әлі де салыстырмалы түрде үлкен, энергия тұтынуынан 1,5-тен 3 есеге дейін. Сондықтан, пайдалану әсері жарықдиодты шамдар сияқты жақсы емес.

3-сурет, Қызыл және көк чипті жарықдиодты өсімдік шамы және үш негізгі түсті флуоресцентті жарық спектрі

PPFD - жарық кванттық ағынының тығыздығы, ол фотосинтездегі жарықтың тиімді сәулелену жарық ағынының тығыздығын білдіреді, ол уақыт бірлігіне және аудан бірлігіне 400-ден 700 нм-ге дейінгі толқын ұзындығы диапазонында өсімдік жапырағы сабақтарына түсетін жарық кванттарының жалпы санын білдіреді. Оның бірлігі μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Фотосинтетикалық белсенді сәулелену (PAR) толқын ұзындығы 400-ден 700 нм-ге дейінгі диапазондағы жалпы күн радиациясын білдіреді. Оны жарық кванттарымен немесе сәулелік энергиямен көрсетуге болады.

Бұрын иллюминометр шағылысатын жарық қарқындылығы жарықтық болды, бірақ өсімдіктің өсу спектрі жарық шамының өсімдіктен биіктігіне, жарықтың қамтуына және жарықтың жапырақтар арқылы өте алатындығына байланысты өзгереді. Сондықтан фотосинтезді зерттеуде жарық қарқындылығының индикаторы ретінде парды пайдалану дұрыс емес.

Әдетте, фотосинтез механизмі күн сүйгіш өсімдіктің PPFD 50 мкмоль·м-2·с-1-ден үлкен болған кезде басталуы мүмкін, ал көлеңкелі өсімдіктің PPFD-сына тек 20 мкмоль·м-2·с-1 қажет. Сондықтан, жарықдиодты өсу шамдарын сатып алғанда, сіз осы анықтамалық мәнге және отырғызатын өсімдіктердің түріне негізделген жарықдиодты өсу шамдарының санын таңдай аласыз. Мысалы, егер бір жарықдиодты шамның PPFD 20 мкмоль·м-2·с-1 болса, күн сүйгіш өсімдіктерді өсіру үшін 3-тен астам жарықдиодты өсімдік шамдары қажет.

Жартылай өткізгішті жарықтандырудың бірнеше жобалық шешімдері

Жартылай өткізгішті жарықтандыру өсімдіктердің өсуі немесе отырғызылуы үшін қолданылады және екі негізгі анықтамалық әдіс бар.

• Қазіргі уақытта Қытайда жабық өсімдіктерді отырғызу моделі өте танымал. Бұл модельдің бірнеше ерекшеліктері бар:

①Жарықдиодты шамдардың рөлі - өсімдіктерді жарықтандырудың толық спектрін қамтамасыз ету, ал жарықтандыру жүйесі барлық жарықтандыру энергиясын қамтамасыз ету үшін қажет, ал өндіріс құны салыстырмалы түрде жоғары;
②Жарықдиодты өсу шамдарын жобалау спектрдің үздіксіздігі мен тұтастығын ескеруі керек;
③Жарықтандыру уақытын және жарықтандыру қарқындылығын тиімді бақылау қажет, мысалы, өсімдіктерді бірнеше сағатқа демалдыру, сәулелену қарқындылығы жеткіліксіз немесе тым күшті болуы және т.б.;
④Барлық процесс өсімдіктердің ашық ауадағы нақты оңтайлы өсу ортасы талап ететін жағдайларды, мысалы, ылғалдылықты, температураны және CO2 концентрациясын имитациялауы керек.

• Жақсы ашық жылыжай отырғызу негізі бар ашық ауада отырғызу режимі. Бұл модельдің сипаттамалары:

①Жарықдиодты шамдардың рөлі - жарықты толықтыру. Біріншісі - өсімдіктердің фотосинтезін ынталандыру үшін күндізгі күн сәулесінің әсерінен көк және қызыл аймақтардағы жарық қарқындылығын арттыру, ал екіншісі - өсімдіктердің өсу қарқынын ынталандыру үшін түнде күн сәулесі болмаған кездегі жағдайды өтеу.
②Қосымша жарықтандыру өсімдіктің қай өсу кезеңінде екенін, мысалы, көшет кезеңін немесе гүлдену мен жеміс беру кезеңін ескеруі керек.

Сондықтан, LED өсімдік өсіру шамдарын жобалауда алдымен екі негізгі жобалау режимі болуы керек, атап айтқанда, 24 сағаттық жарықтандыру (үй ішінде) және өсімдік өсуіне арналған қосымша жарықтандыру (сыртқы). Үй ішінде өсімдіктерді өсіру үшін LED өсу шамдарын жобалауда 4-суретте көрсетілгендей үш аспектіні ескеру қажет. Чиптерді белгілі бір пропорцияда үш негізгі түспен қаптау мүмкін емес.

4-сурет, Тәулік бойы жарықтандыру үшін үй ішіндегі жарықдиодты өсімдіктерді күшейтетін шамдарды пайдаланудың жобалау идеясы

Мысалы, питомник кезеңіндегі спектр үшін, оның тамырлар мен сабақтардың өсуін күшейту, жапырақтардың тармақталуын күшейту қажет екенін және жарық көзі үй ішінде қолданылатынын ескере отырып, спектрді 5-суретте көрсетілгендей жобалауға болады.

5-сурет, Жарықдиодты питомниктің ішкі кезеңіне жарамды спектрлік құрылымдар

Екінші типтегі жарықдиодты өсу шамын жобалау үшін, ол негізінен ашық жылыжайдың түбіне отырғызуды ынталандыру үшін қосымша жарықтандырудың жобалық шешіміне бағытталған. Дизайн идеясы 6-суретте көрсетілген.

6-сурет, Сыртқы өсіру шамдарының дизайн идеялары 

Автор өсімдіктердің өсуін ынталандыру үшін жарықдиодты шамдарды пайдаланудың екінші нұсқасын көбірек отырғызу компаниялары қабылдайтынын айтады.

Біріншіден, Қытайдың ашық ауадағы жылыжай өсіруі оңтүстікте де, солтүстігінде де ондаған жылдар бойы көп және кең тәжірибеге ие. Ол жылыжай өсіру технологиясының жақсы негізіне ие және айналадағы қалалар үшін нарықта көптеген жаңа жемістер мен көкөністерді ұсынады. Әсіресе топырақ, су және тыңайтқыштар отырғызу саласында бай зерттеу нәтижелері жасалды.

Екіншіден, мұндай қосымша жарық шешімі энергияны қажетсіз тұтынуды айтарлықтай азайта алады және сонымен бірге жеміс-жидек пен көкөніс өнімділігін тиімді түрде арттыра алады. Сонымен қатар, Қытайдың кең географиялық аумағы насихаттау үшін өте қолайлы.

Жарықдиодты өсімдіктерді жарықтандырудың ғылыми зерттеуі ретінде ол оған кеңірек тәжірибелік негіз береді. 7-сурет - осы зерттеу тобы әзірлеген, жылыжайларда өсіруге жарамды жарықдиодты өсу шамының бір түрі, оның спектрі 8-суретте көрсетілген.

7-сурет, Жарықдиодты өсу шамының бір түрі

8-сурет, жарықдиодты өсу шамының спектрі

Жоғарыда аталған жобалау идеяларына сәйкес, зерттеу тобы бірқатар тәжірибелер жүргізді, және тәжірибелік нәтижелер өте маңызды. Мысалы, питомник кезінде өсіруге арналған жарық үшін бастапқы шам ретінде 32 Вт қуаттылығы және 40 күндік питомник циклі бар люминесцентті шам қолданылды. Біз көшет циклін 30 күнге дейін қысқартатын, көшет шеберханасындағы шамдардың температурасының әсерін тиімді түрде азайтатын және кондиционердің қуат тұтынуын үнемдейтін 12 Вт жарықдиодты шамды ұсынамыз. Көшеттердің қалыңдығы, ұзындығы және түсі бастапқы көшет өсіру ерітіндісіне қарағанда жақсырақ. Кәдімгі көкөністердің көшеттері үшін де жақсы тексеру қорытындылары алынды, олар келесі кестеде қорытындыланған.

Олардың ішінде қосымша жарық тобы PPFD: 70-80 мкмоль·м-2·с-1, ал қызыл-көк қатынасы: 0,6-0,7. Табиғи топтың күндізгі PPFD мәнінің диапазоны 40~800 мкмоль·м-2·с-1, ал қызыл мен көк түстің қатынасы 0,6~1,2 болды. Жоғарыда көрсетілген көрсеткіштер табиғи түрде өсірілген көшеттерге қарағанда жақсы екенін көруге болады.

Қорытынды

Бұл мақалада өсімдік өсіруде жарықдиодты өсу шамдарын қолданудағы соңғы жаңалықтармен таныстырылады және өсімдік өсіруде жарықдиодты өсу шамдарын қолданудағы кейбір түсініспеушіліктер көрсетіледі. Соңында, өсімдік өсіру үшін қолданылатын жарықдиодты өсу шамдарын әзірлеудің техникалық идеялары мен схемалары енгізіледі. Жарықты орнату және пайдалану кезінде ескеру қажет кейбір факторлар бар екенін атап өткен жөн, мысалы, жарық пен өсімдік арасындағы қашықтық, шамның сәулелену диапазоны және жарықты кәдімгі сумен, тыңайтқышпен және топырақпен қалай қолдану керек.

Авторы: Yi Wang et al. Дереккөз: CNKI