Perkenalan

Cahaya memegang peranan penting dalam proses pertumbuhan tanaman. Ini adalah pupuk terbaik untuk meningkatkan penyerapan klorofil tanaman dan penyerapan berbagai kualitas pertumbuhan tanaman seperti karoten. Namun faktor penentu pertumbuhan tanaman merupakan faktor yang menyeluruh, tidak hanya berkaitan dengan cahaya, tetapi juga tidak terlepas dari konfigurasi air, tanah dan pupuk, kondisi lingkungan tumbuh dan pengendalian teknis yang menyeluruh.

Dalam dua atau tiga tahun terakhir, banyak sekali laporan tentang penerapan teknologi pencahayaan semikonduktor pada pabrik tanaman tiga dimensi atau pertumbuhan tanaman. Namun setelah membacanya dengan cermat, selalu ada perasaan tidak enak. Secara umum, tidak ada pemahaman nyata tentang peran cahaya dalam pertumbuhan tanaman.

Pertama, mari kita pahami spektrum matahari seperti terlihat pada Gambar 1. Terlihat bahwa spektrum matahari merupakan spektrum kontinu, dimana spektrum biru dan hijau lebih kuat dari spektrum merah, dan spektrum cahaya tampak berkisar dari 380 hingga 780nm. Pertumbuhan organisme di alam berhubungan dengan intensitas spektrum. Misalnya, sebagian besar tumbuhan di daerah dekat khatulistiwa tumbuh sangat cepat, dan pada saat yang sama, ukuran pertumbuhannya relatif besar. Namun intensitas penyinaran matahari yang tinggi tidak selalu lebih baik, dan terdapat tingkat selektivitas tertentu untuk pertumbuhan hewan dan tumbuhan.

Gambar 1, Ciri-ciri spektrum matahari dan spektrum cahaya tampak

Kedua, diagram spektrum kedua dari beberapa elemen serapan utama pertumbuhan tanaman ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Spektrum serapan beberapa auksin pada pertumbuhan tanaman

Terlihat dari Gambar 2 bahwa spektrum serapan cahaya beberapa auksin utama yang mempengaruhi pertumbuhan tanaman berbeda nyata. Oleh karena itu, penerapan lampu pertumbuhan tanaman LED bukanlah perkara sederhana, namun sangat tepat sasaran. Di sini perlu diperkenalkan konsep dua elemen pertumbuhan tanaman fotosintesis yang paling penting.

• Klorofil

Klorofil adalah salah satu pigmen terpenting yang terkait dengan fotosintesis. Itu ada di semua organisme yang dapat melakukan fotosintesis, termasuk tumbuhan hijau, ganggang biru-hijau prokariotik (cyanobacteria) dan ganggang eukariotik. Klorofil menyerap energi dari cahaya, yang kemudian digunakan untuk mengubah karbon dioksida menjadi karbohidrat.

Klorofil a terutama menyerap cahaya merah, dan klorofil b terutama menyerap cahaya biru-ungu, terutama untuk membedakan tanaman peneduh dari tanaman matahari. Rasio klorofil b terhadap klorofil a tanaman peneduh kecil, sehingga tanaman peneduh dapat menggunakan cahaya biru dengan kuat dan beradaptasi untuk tumbuh di tempat teduh. Klorofil a berwarna biru kehijauan, dan klorofil b berwarna kuning kehijauan. Terdapat dua serapan kuat klorofil a dan klorofil b, satu pada daerah merah dengan panjang gelombang 630-680 nm, dan satu lagi pada daerah biru-ungu dengan panjang gelombang 400-460 nm.

• Karotenoid

Karotenoid adalah istilah umum untuk sekelompok pigmen alami penting, yang umumnya ditemukan pada pigmen kuning, oranye-merah atau merah pada hewan, tumbuhan tingkat tinggi, jamur, dan alga. Sejauh ini, lebih dari 600 karotenoid alami telah ditemukan.

Penyerapan cahaya karotenoid mencakup kisaran OD303~505 nm, yang memberikan warna makanan dan mempengaruhi asupan makanan tubuh. Pada alga, tumbuhan, dan mikroorganisme, warnanya ditutupi oleh klorofil dan tidak dapat muncul. Dalam sel tumbuhan, karotenoid yang dihasilkan tidak hanya menyerap dan mentransfer energi untuk membantu fotosintesis, tetapi juga memiliki fungsi melindungi sel agar tidak dihancurkan oleh molekul oksigen ikatan elektron tunggal yang tereksitasi.

Beberapa kesalahpahaman konseptual

Terlepas dari efek hemat energi, selektivitas cahaya dan koordinasi cahaya, pencahayaan semikonduktor telah menunjukkan keuntungan besar. Namun dari pesatnya perkembangan dua tahun terakhir, kita juga melihat banyak kesalahpahaman dalam desain dan penerapan lampu, yang terutama tercermin pada aspek-aspek berikut.

①Selama keping merah dan biru dengan panjang gelombang tertentu digabungkan dalam perbandingan tertentu, maka dapat digunakan dalam budidaya tanaman, misalnya perbandingan warna merah dan biru adalah 4:1, 6:1, 9:1 dan sebagainya pada.

②Selama cahayanya putih, maka dapat menggantikan cahaya matahari, seperti tabung cahaya putih tiga primer yang banyak digunakan di Jepang, dll. Penggunaan spektrum ini mempunyai pengaruh tertentu terhadap pertumbuhan tanaman, namun pengaruhnya adalah tidak sebagus sumber cahaya berbahan LED.

③Selama PPFD (kepadatan fluks kuantum cahaya), yang merupakan parameter penting penerangan, mencapai indeks tertentu, misalnya PPFD lebih besar dari 200 mol·m-2·s-1. Namun dalam menggunakan indikator ini, Anda harus memperhatikan apakah itu tanaman peneduh atau tanaman matahari. Anda perlu menanyakan atau menemukan titik saturasi kompensasi cahaya pada tanaman ini, yang disebut juga titik kompensasi cahaya. Dalam penerapannya, bibit sering kali terbakar atau layu. Oleh karena itu, perancangan parameter ini harus dirancang sesuai dengan spesies tanaman, lingkungan pertumbuhan dan kondisi.

Mengenai aspek pertama, sebagaimana diperkenalkan pada pendahuluan, spektrum yang diperlukan untuk pertumbuhan tanaman harus berupa spektrum kontinu dengan lebar sebaran tertentu. Jelas tidak tepat menggunakan sumber cahaya yang terbuat dari dua keping panjang gelombang tertentu yaitu merah dan biru dengan spektrum yang sangat sempit (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(a)). Dalam percobaan ditemukan tanaman cenderung berwarna kekuningan, batang daun sangat ringan, dan batang daun sangat tipis.

Untuk tabung fluoresen dengan tiga warna primer yang umum digunakan pada tahun-tahun sebelumnya, meskipun putih disintesis, spektrum merah, hijau, dan biru dipisahkan (seperti ditunjukkan pada Gambar 3(b)), dan lebar spektrumnya sangat sempit. Intensitas spektral bagian kontinu berikut ini relatif lemah, dan dayanya masih relatif besar dibandingkan LED, konsumsi energi 1,5 hingga 3 kali lipat. Sebab, efek penggunaannya tidak sebaik lampu LED.

Gambar 3, Lampu tanaman LED chip merah dan biru dan spektrum lampu neon tiga warna primer

PPFD adalah kerapatan fluks kuantum cahaya, yang mengacu pada kerapatan fluks cahaya radiasi efektif cahaya dalam fotosintesis, yang mewakili jumlah total insiden kuanta cahaya pada batang daun tanaman dalam rentang panjang gelombang 400 hingga 700 nm per satuan waktu dan satuan luas. . Satuannya adalah μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Radiasi aktif fotosintesis (PAR) mengacu pada total radiasi matahari dengan panjang gelombang berkisar antara 400 hingga 700 nm. Hal ini dapat dinyatakan dengan kuanta cahaya atau energi radiasi.

Dahulu, intensitas cahaya yang dipantulkan oleh iluminometer adalah kecerahan, namun spektrum pertumbuhan tanaman berubah karena ketinggian lampu dari tanaman, cakupan cahaya, dan apakah cahaya dapat menembus daun. Oleh karena itu, penggunaan par sebagai indikator intensitas cahaya dalam studi fotosintesis tidaklah akurat.

Secara umum, mekanisme fotosintesis dapat dimulai ketika PPFD tanaman yang menyukai sinar matahari lebih besar dari 50 μmol·m-2·s-1, sedangkan PPFD pada tanaman yang teduh hanya membutuhkan 20 μmol·m-2·s-1 . Oleh karena itu, saat membeli lampu LED tumbuh, Anda dapat memilih jumlah lampu LED tumbuh berdasarkan nilai referensi dan jenis tanaman yang Anda tanam. Misalnya, jika PPFD dari satu lampu LED adalah 20 μmol·m-2·s-1, diperlukan lebih dari 3 bohlam tanaman LED untuk menumbuhkan tanaman yang menyukai sinar matahari.

Beberapa solusi desain pencahayaan semikonduktor

Pencahayaan semikonduktor digunakan untuk pertumbuhan atau penanaman tanaman, dan ada dua metode referensi dasar.

• Saat ini, model penanaman di dalam ruangan sedang sangat populer di Tiongkok. Model ini memiliki beberapa ciri:

①Peran lampu LED adalah untuk menyediakan spektrum penuh pencahayaan pabrik, dan sistem pencahayaan diperlukan untuk menyediakan semua energi pencahayaan, dan biaya produksinya relatif tinggi;
②Desain lampu pertumbuhan LED perlu mempertimbangkan kontinuitas dan integritas spektrum;
③Perlu mengontrol waktu pencahayaan dan intensitas pencahayaan secara efektif, seperti membiarkan tanaman beristirahat selama beberapa jam, intensitas penyinaran tidak cukup atau terlalu kuat, dll.;
④Seluruh proses perlu meniru kondisi yang dibutuhkan oleh lingkungan pertumbuhan optimal tanaman di luar ruangan, seperti kelembapan, suhu, dan konsentrasi CO2.

• Modus penanaman di luar ruangan dengan fondasi penanaman rumah kaca luar ruangan yang baik. Ciri-ciri model ini adalah:

①Peran lampu LED adalah untuk menambah cahaya. Salah satunya adalah untuk meningkatkan intensitas cahaya di area biru dan merah di bawah penyinaran sinar matahari pada siang hari untuk mendorong fotosintesis tanaman, dan yang lainnya adalah untuk mengimbangi ketika tidak ada sinar matahari di malam hari untuk meningkatkan laju pertumbuhan tanaman.
②Pencahayaan tambahan perlu mempertimbangkan tahap pertumbuhan tanaman, seperti masa semai atau masa berbunga dan berbuah.

Oleh karena itu, desain lampu pertumbuhan tanaman LED pertama-tama harus memiliki dua mode desain dasar, yaitu pencahayaan 24 jam (dalam ruangan) dan pencahayaan pelengkap pertumbuhan tanaman (luar ruangan). Untuk budidaya tanaman dalam ruangan, desain lampu pertumbuhan LED perlu mempertimbangkan tiga aspek, seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Chip dengan tiga warna primer tidak dapat dikemas dalam proporsi tertentu.

Gambar 4, Ide desain penggunaan lampu penguat tanaman LED dalam ruangan untuk penerangan 24 jam

Misalnya untuk spektrum pada tahap persemaian, mengingat perlunya penguatan pertumbuhan akar dan batang, penguatan percabangan daun, dan sumber cahaya digunakan di dalam ruangan, maka spektrum dapat dirancang seperti pada Gambar 5.

Gambar 5, Struktur spektral yang cocok untuk periode pembibitan dalam ruangan dengan LED

Untuk desain lampu pertumbuhan LED jenis kedua, hal ini terutama ditujukan pada solusi desain penambahan cahaya untuk mendorong penanaman di dasar rumah kaca luar ruangan. Ide desain ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6, Ide desain lampu tumbuh luar ruangan 

Penulis menyarankan agar lebih banyak perusahaan penanaman mengadopsi opsi kedua dengan menggunakan lampu LED untuk mendorong pertumbuhan tanaman.

Pertama-tama, budidaya rumah kaca luar ruangan di Tiongkok memiliki jumlah besar dan pengalaman yang luas selama puluhan tahun, baik di selatan maupun utara. Kota ini memiliki dasar yang baik dalam teknologi budidaya rumah kaca dan menyediakan sejumlah besar buah-buahan dan sayuran segar di pasar kota-kota sekitarnya. Khususnya di bidang penanaman tanah dan air serta pupuk, banyak hasil penelitian yang diperoleh.

Kedua, solusi cahaya tambahan semacam ini dapat sangat mengurangi konsumsi energi yang tidak perlu, dan pada saat yang sama dapat secara efektif meningkatkan hasil buah dan sayuran. Selain itu, wilayah geografis Tiongkok yang luas sangat nyaman untuk promosi.

Sebagai penelitian ilmiah tentang pencahayaan tanaman LED, penelitian ini juga memberikan dasar eksperimental yang lebih luas. Gambar 7 adalah jenis lampu pertumbuhan LED yang dikembangkan oleh tim peneliti ini, yang cocok untuk ditanam di rumah kaca, dan spektrumnya ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 7, Semacam lampu pertumbuhan LED

Gambar 8, spektrum sejenis lampu pertumbuhan LED

Berdasarkan ide desain di atas, tim peneliti melakukan serangkaian percobaan, dan hasil percobaan sangat signifikan. Misalnya untuk lampu tanam pada saat persemaian, lampu asli yang digunakan adalah lampu neon dengan daya 32 W dan siklus persemaian 40 hari. Kami menyediakan lampu LED 12 W yang memperpendek siklus pembibitan menjadi 30 hari, efektif mengurangi pengaruh suhu lampu di bengkel pembibitan, dan menghemat konsumsi daya AC. Ketebalan, panjang dan warna bibit lebih baik dibandingkan dengan larutan pemeliharaan bibit asli. Untuk bibit sayuran biasa juga telah diperoleh kesimpulan verifikasi yang baik, yang dirangkum dalam tabel berikut.

Diantaranya, PPFD gugus cahaya tambahan: 70-80 mol·m-2·s-1, dan rasio merah-biru: 0,6-0,7. Kisaran nilai PPFD siang hari kelompok alami adalah 40~800 mol·m-2·s-1, dan rasio merah dan biru adalah 0,6~1,2. Terlihat bahwa indikator-indikator di atas lebih baik dibandingkan dengan bibit yang ditanam secara alami.

Kesimpulan

Artikel ini memperkenalkan perkembangan terkini dalam penerapan lampu pertumbuhan LED dalam budidaya tanaman, dan menunjukkan beberapa kesalahpahaman dalam penerapan lampu pertumbuhan LED dalam budidaya tanaman. Terakhir, ide dan skema teknis untuk pengembangan lampu pertumbuhan LED yang digunakan untuk budidaya tanaman diperkenalkan. Perlu diketahui bahwa ada juga beberapa faktor yang perlu diperhatikan dalam pemasangan dan penggunaan lampu, seperti jarak antara lampu dan tanaman, jangkauan penyinaran lampu, dan cara pengaplikasian lampu dengan air biasa, pupuk, dan tanah.

Penulis: Yi Wang dkk. Sumber: CNKI