Кіріспе

Өсімдіктердің өсу процесінде жарық негізгі рөл атқарады.Бұл өсімдік хлорофиллінің сіңуіне және каротин сияқты өсімдіктердің әртүрлі өсу қасиеттерінің сіңуіне ықпал ететін ең жақсы тыңайтқыш.Дегенмен, өсімдіктердің өсуін анықтайтын шешуші фактор тек жарыққа ғана байланысты емес, сонымен қатар судың, топырақтың және тыңайтқыштың конфигурациясынан, өсу ортасының жағдайларынан және кешенді техникалық бақылаудан бөлінбейтін кешенді фактор болып табылады.

Соңғы екі-үш жылда үш өлшемді зауыт фабрикаларына немесе өсімдіктердің өсуіне қатысты жартылай өткізгіш жарықтандыру технологиясын қолдану туралы шексіз есептер болды.Бірақ оны мұқият оқып шыққаннан кейін, әрқашан жағымсыз сезім пайда болады.Жалпы алғанда, өсімдіктердің өсуінде жарық қандай рөл атқаратыны туралы нақты түсінік жоқ.

Алдымен, 1-суретте көрсетілгендей күн спектрін түсінейік. Күн спектрі үздіксіз спектр болып табылатынын көруге болады, онда көк және жасыл спектр қызыл спектрден күштірек, ал көрінетін жарық спектрі - 380 - 780 нм.Табиғаттағы ағзалардың өсуі спектрдің қарқындылығымен байланысты.Мысалы, экваторға жақын аймақтағы өсімдіктердің көпшілігі өте жылдам өседі және 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 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

Өсімдіктердің өсуіне әсер ететін бірнеше негізгі ауксиндердің жарық сіңіру спектрлері айтарлықтай ерекшеленетінін 2-суреттен көруге болады.Сондықтан жарықдиодты өсімдіктерді өсіру шамдарын қолдану қарапайым мәселе емес, бірақ өте мақсатты.Бұл жерде фотосинтездеуші өсімдіктердің өсу элементінің екі маңызды ұғымдарымен таныстыру қажет.

• Хлорофилл

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

Хлорофилл а негізінен қызыл сәулені жұтады, ал хлорофилл б негізінен көлеңкелі өсімдіктерді күн өсімдіктерінен ажырату үшін көк-күлгін сәулелерді сіңіреді.Көлеңкелі өсімдіктерде хлорофилл b мен хлорофилл а қатынасы аз, сондықтан көлеңке өсімдіктері көк жарықты қатты пайдаланып, көлеңкеде өсуге бейімделеді.Хлорофилл а көк-жасыл, ал хлорофилл б сары-жасыл.Хлорофилл а және хлорофилл b екі күшті жұтылуы бар, біреуі 630-680 нм толқын ұзындығымен қызыл аймақта, екіншісі толқын ұзындығы 400-460 нм көк-күлгін аймақта.

• Каротиноидтар

Каротиноидтар жануарларда, жоғары сатыдағы өсімдіктерде, саңырауқұлақтарда және балдырларда әдетте сары, қызғылт сары-қызыл немесе қызыл пигменттерде кездесетін маңызды табиғи пигменттер класының жалпы термині.Осы уақытқа дейін 600-ден астам табиғи каротиноидтар табылды.

Каротиноидтардың жарық сіңіруі OD303~505 нм диапазонын қамтиды, бұл тағамның түсін қамтамасыз етеді және ағзаның тағамды қабылдауына әсер етеді.Балдырларда, өсімдіктерде және микроорганизмдерде оның түсі хлорофиллмен жабылған және көрінбейді.Өсімдік жасушаларында өндірілген каротиноидтар фотосинтезге көмектесу үшін энергияны жұтып, тасымалдап қана қоймайды, сонымен қатар жасушаларды қозған бір электронды байланыс оттегі молекулалары арқылы жойылудан қорғау функциясына ие.

Кейбір концептуалды түсінбеушілік

Энергияны үнемдейтін әсерге қарамастан, жарықтың селективтілігі және жарықты үйлестіру, жартылай өткізгіш жарықтандыру үлкен артықшылықтарды көрсетті.Дегенмен, соңғы екі жылдағы қарқынды дамудан біз жарықты жобалау мен қолдануда да көптеген түсінбеушіліктерді көрдік, олар негізінен келесі аспектілерде көрінеді.

①Белгілі бір толқын ұзындығының қызыл және көк чиптері белгілі бір қатынаста біріктірілген болса, оларды өсімдік өсіруде қолдануға болады, мысалы, қызыл мен көктің қатынасы 4:1, 6:1, 9:1 және т.б. қосулы.

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 әсері жарық диоды арқылы жасалған 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.Дегенмен, бұл индикаторды пайдаланған кезде оның көлеңкелі немесе күндік өсімдік екеніне назар аудару керек.Бұл өсімдіктердің жарық компенсациясының қанығу нүктесін сұрау немесе табу керек, оны жарық өтеу нүктесі деп те атайды.Нақты қолданбаларда көшеттер жиі күйіп кетеді немесе қурап қалады.Сондықтан бұл параметрдің дизайны өсімдік түріне, өсу ортасына және жағдайларына сәйкес жобалануы керек.

Кіріспеде енгізілген бірінші аспектіге келетін болсақ, өсімдіктердің өсуіне қажетті спектр белгілі бір таралу ені бар үздіксіз спектр болуы керек.Өте тар спектрі бар қызыл және көк түсті екі нақты толқын ұзындығы микросхемаларынан жасалған жарық көзін пайдалану орынсыз екені анық (3(а) суретте көрсетілгендей).Тәжірибе барысында өсімдіктердің сарғыш, жапырақ сабағы өте ақшыл, жапырақ сабағы өте жұқа болатыны анықталды.

Алдыңғы жылдары жиі қолданылатын үш негізгі түсі бар флуоресцентті түтіктер үшін ақ синтезделгенімен, қызыл, жасыл және көк спектрлер бөлінген (3(b) суретте көрсетілгендей), спектрдің ені өте тар.Келесі үздіксіз бөліктің спектрлік қарқындылығы салыстырмалы түрде әлсіз және қуат диодты шамдармен салыстырғанда әлі де салыстырмалы түрде үлкен, энергияны тұтынудан 1,5-тен 3 есеге дейін.Сондықтан пайдалану әсері LED шамдары сияқты жақсы емес.

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

PPFD – жарық кванттық ағынының тығыздығы, ол фотосинтездегі жарықтың тиімді сәулелену жарық ағынының тығыздығына жатады, 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 өлшем бірлігі μE·m-2·s-1 (μмоль·м-2·с-1).Фотосинтетикалық белсенді сәулелену (PAR) толқын ұзындығы 400-ден 700 нм-ге дейінгі диапазондағы жалпы күн радиациясын білдіреді.Оны жарық кванттарымен де, сәулелену энергиясымен де көрсетуге болады.

Бұрын иллюминометр көрсететін жарық интенсивтілігі жарықтық болды, бірақ өсімдіктің өсу спектрі өсімдіктен түсетін жарық шамының биіктігіне, жарықтың жабылуына және жарықтың жапырақтардан өтуіне байланысты өзгереді.Сондықтан фотосинтезді зерттеуде жарық интенсивтілігінің көрсеткіші ретінде парды пайдалану дұрыс емес.

Жалпы, фотосинтез механизмін күнді жақсы көретін өсімдіктің PPFD мөлшері 50 мкмоль·м-2·с-1-ден жоғары болғанда бастауға болады, ал көлеңкелі өсімдіктің PPFD-іне бар болғаны 20 мкмоль·м-2·с-1 қажет. .Сондықтан, жарықдиодты өсіретін шамдарды сатып алғанда, осы анықтамалық мәнге және отырғызатын өсімдіктер түріне негізделген жарықдиодты шамдардың санын таңдауға болады.Мысалы, егер бір жарықдиодты шамның PPFD көрсеткіші 20 мкмоль·м-2·с-1 болса, күнді жақсы көретін өсімдіктерді өсіру үшін 3-тен астам жарықдиодты шамдар қажет.

Жартылай өткізгішті жарықтандырудың бірнеше жобалық шешімдері

Жартылай өткізгішті жарықтандыру өсімдіктерді өсіру немесе отырғызу үшін қолданылады және екі негізгі анықтамалық әдіс бар.

• Қазіргі уақытта Қытайда жабық отырғызу үлгісі өте ыстық.Бұл модель бірнеше сипаттамаларға ие:

①Жарықдиодты шамдардың рөлі зауытты жарықтандырудың толық спектрін қамтамасыз ету болып табылады, ал жарықтандыру жүйесі барлық жарықтандыру энергиясын қамтамасыз ету үшін қажет, ал өндіріс құны салыстырмалы түрде жоғары;
②Жарық диодты шамдардың дизайны спектрдің үздіксіздігі мен тұтастығын ескеруі керек;
③Жарықтандыру уақытын және жарықтандыру қарқындылығын тиімді бақылау қажет, мысалы, өсімдіктерді бірнеше сағат демалуға мүмкіндік беру, сәулеленудің қарқындылығы жеткіліксіз немесе тым күшті және т.б.;
④Бүкіл процесс ылғалдылық, температура және CO2 концентрациясы сияқты көшеде өсімдіктердің нақты оңтайлы өсу ортасы талап ететін жағдайларға ұқсауы керек.

• Ашық жерде жылыжай отырғызу негізі жақсы ашық жерге отырғызу режимі.Бұл модельдің сипаттамалары:

①Жарық диодты шамдардың рөлі жарықты толықтыру болып табылады.Бірі - өсімдіктердің фотосинтезін ілгерілету үшін күндізгі күн сәулесінің әсерінен көк және қызыл аймақтардағы жарық қарқындылығын арттыру, екіншісі - өсімдіктердің өсу жылдамдығын арттыру үшін түнде күн сәулесі болмаған кезде өтемақы.
②Қосымша жарықтандыру өсімдіктің өсу кезеңін, мысалы, көшет немесе гүлдену және жеміс беру кезеңін ескеруі керек.

Сондықтан, жарықдиодты өсімдіктерді өсіру шамдарының дизайнында алдымен екі негізгі дизайн режимі болуы керек, атап айтқанда, 24 сағаттық жарықтандыру (ішкі бөлме) және өсімдіктердің өсуіне арналған қосымша жарықтандыру (сыртқы).Жабық өсімдіктерді өсіру үшін, жарықдиодты өсетін шамдардың дизайны 4-суретте көрсетілгендей үш аспектіні қарастыруы керек. Белгілі бір пропорцияда үш негізгі түсті фишкаларды орау мүмкін емес.

4-сурет, 24 сағаттық жарықтандыру үшін жабық жарықдиодты қондырғы шамдарын пайдаланудың дизайн идеясы

Мысалы, питомниктік кезеңдегі спектр үшін оның тамыры мен сабағының өсуін күшейту, жапырақтардың тармақталуын күшейту қажет екенін және жарық көзі үй-жайда қолданылатынын ескере отырып, спектрді 5-суретте көрсетілгендей жобалауға болады.

5-сурет, жарықдиодты жабық питомник кезеңіне жарамды спектрлік құрылымдар

Жарық диодты өсетін жарықтың екінші түрін жобалау үшін ол негізінен ашық жылыжайдың негізіне отырғызуды ынталандыру үшін қосымша жарықтандырудың жобалық шешіміне бағытталған.Дизайн идеясы 6-суретте көрсетілген.

6-сурет, Сыртқы жарықтандыру шамдарының дизайн идеялары 

Автор көбірек отырғызу компаниялары өсімдіктердің өсуіне ықпал ету үшін жарықдиодты шамдарды пайдаланудың екінші нұсқасын қабылдауды ұсынады.

Біріншіден, Қытайдың ашық ауада жылыжай өсіруі оңтүстікте де, солтүстікте де ондаған жылдар бойы үлкен көлемде және кең тәжірибеге ие.Ол жылыжай өсіру технологиясының жақсы негізіне ие және айналадағы қалалар үшін нарықта жаңа піскен жемістер мен көкөністердің үлкен санын қамтамасыз етеді.Әсіресе, топырақ-су және тыңайтқыш егу саласында бай ғылыми-зерттеу нәтижелері жасалды.

Екіншіден, мұндай қосымша жарық ерітіндісі энергияны қажетсіз тұтынуды айтарлықтай азайтады және сонымен бірге жемістер мен көкөністердің өнімділігін тиімді арттырады.Сонымен қатар, Қытайдың кең географиялық аймағы жарнамалауға өте қолайлы.

Жарықдиодты зауытты жарықтандырудың ғылыми зерттеуі ретінде ол оған кеңірек тәжірибелік базаны қамтамасыз етеді.7-суретте осы зерттеу тобы әзірлеген жарықдиодты өсіретін жарықтың бір түрі, ол жылыжайларда өсіруге жарамды және оның спектрі 8-суретте көрсетілген.

7-сурет, Жарық диодты өсу шамының бір түрі

8-сурет, жарық диодты өсу шамының спектрі

Жоғарыда келтірілген конструкторлық идеяларға сәйкес, зерттеу тобы бірқатар эксперименттер жүргізді және эксперименттік нәтижелер өте маңызды.Мысалы, питомник кезінде жарықтандыру үшін пайдаланылатын түпнұсқа шам - қуаты 32 Вт және 40 күндік питомник циклі бар люминесцентті шам.Біз 12 Вт жарық диодты шамын береміз, ол көшеттерді отырғызу циклін 30 күнге дейін қысқартады, көшет цехындағы шамдар температурасының әсерін тиімді төмендетеді және кондиционердің қуат тұтынуын үнемдейді.Көшеттердің қалыңдығы, ұзындығы және түсі бастапқы көшет өсіру ерітіндісіне қарағанда жақсы.Кәдімгі көкөністердің көшеттері үшін де жақсы тексеру қорытындылары алынды, олар келесі кестеде жинақталған.

Олардың ішінде PPFD қосымша жарық тобы: 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 көктің қатынасы 0,6~1,2 болды.Табиғи өсірілген көшеттерге қарағанда жоғарыда көрсетілген көрсеткіштер жақсы екенін байқауға болады.

Қорытынды

Бұл мақала өсімдік өсіруде жарықдиодты шамдарды қолданудағы соңғы әзірлемелермен таныстырады және өсімдіктерді өсіруде жарықдиодты шамдарды қолданудағы кейбір түсінбеушіліктерге назар аударады.Соңында өсімдіктерді өсіру үшін қолданылатын жарықдиодты шамдарды дамытудың техникалық идеялары мен схемалары таныстырылды.Жарықты орнату және пайдалану кезінде жарық пен өсімдік арасындағы қашықтық, шамның сәулелену диапазоны және жарықтандыруды қалай қолдану керектігі сияқты кейбір факторларды ескеру қажет екенін атап өткен жөн. қалыпты су, тыңайтқыш және топырақ.

Авторы: Yi Wang et al.Дереккөз: CNKI