Perkenalan

Cahaya memainkan peran kunci dalam proses pertumbuhan tanaman. Cahaya merupakan pupuk terbaik untuk mendorong penyerapan klorofil tanaman dan penyerapan berbagai zat penunjang pertumbuhan tanaman seperti karoten. Namun, faktor penentu pertumbuhan tanaman adalah faktor komprehensif, tidak hanya terkait dengan cahaya, tetapi juga tidak terlepas dari konfigurasi air, tanah dan pupuk, kondisi lingkungan pertumbuhan, dan pengendalian teknis yang komprehensif.

Dalam dua atau tiga tahun terakhir, terdapat banyak sekali laporan tentang penerapan teknologi pencahayaan semikonduktor terkait pabrik tanaman tiga dimensi atau pertumbuhan tanaman. Namun setelah membacanya dengan saksama, selalu ada perasaan tidak nyaman. Secara umum, belum ada pemahaman yang sebenarnya tentang peran apa yang seharusnya dimainkan cahaya dalam pertumbuhan tanaman.

Pertama, mari kita pahami spektrum matahari, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Dapat dilihat bahwa spektrum matahari adalah spektrum kontinu, di mana spektrum biru dan hijau lebih kuat daripada spektrum merah, dan spektrum cahaya tampak berkisar dari 380 hingga 780 nm. Pertumbuhan organisme di alam berkaitan dengan intensitas spektrum. Misalnya, sebagian besar tumbuhan di daerah dekat khatulistiwa tumbuh sangat cepat, dan pada saat yang sama, ukuran pertumbuhannya relatif besar. Tetapi intensitas radiasi matahari yang tinggi tidak selalu lebih baik, dan ada tingkat selektivitas tertentu untuk pertumbuhan hewan dan tumbuhan.

Gambar 1, Karakteristik spektrum matahari dan spektrum cahaya tampak

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

Gambar 2, Spektrum absorbsi beberapa auksin dalam pertumbuhan tanaman

Dari Gambar 2 dapat dilihat bahwa spektrum penyerapan cahaya dari beberapa auksin kunci yang memengaruhi pertumbuhan tanaman sangat berbeda. Oleh karena itu, penerapan lampu pertumbuhan tanaman LED bukanlah hal yang sederhana, tetapi sangat terarah. Di sini perlu diperkenalkan konsep dua elemen pertumbuhan tanaman fotosintetik yang paling penting.

• Klorofil

Klorofil adalah salah satu pigmen terpenting yang berkaitan dengan fotosintesis. Klorofil terdapat di semua organisme yang dapat melakukan fotosintesis, termasuk tumbuhan hijau, alga biru-hijau prokariotik (sianobakteri), dan alga 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 teduh dari tanaman yang menyukai sinar matahari. Rasio klorofil b terhadap klorofil a pada tanaman teduh kecil, sehingga tanaman teduh dapat menggunakan cahaya biru secara kuat dan beradaptasi untuk tumbuh di tempat teduh. Klorofil a berwarna biru kehijauan, dan klorofil b berwarna kuning kehijauan. Terdapat dua penyerapan kuat klorofil a dan klorofil b, satu di daerah merah dengan panjang gelombang 630-680 nm, dan yang lainnya di daerah biru-ungu dengan panjang gelombang 400-460 nm.

• Karotenoid

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

Penyerapan cahaya karotenoid mencakup rentang OD303~505 nm, yang memberikan warna pada makanan dan memengaruhi asupan makanan oleh tubuh. Pada alga, tumbuhan, dan mikroorganisme, warnanya tertutupi oleh klorofil dan tidak dapat terlihat. Dalam sel tumbuhan, karotenoid yang dihasilkan tidak hanya menyerap dan mentransfer energi untuk membantu fotosintesis, tetapi juga memiliki fungsi melindungi sel dari kerusakan akibat molekul oksigen dengan ikatan elektron tunggal yang tereksitasi.

Beberapa kesalahpahaman konseptual

Terlepas dari efek penghematan energi, selektivitas cahaya, dan koordinasi cahaya, pencahayaan semikonduktor telah menunjukkan keunggulan yang besar. Namun, dari perkembangan pesat dua tahun terakhir, kita juga telah melihat banyak kesalahpahaman dalam desain dan aplikasi pencahayaan, yang terutama tercermin dalam aspek-aspek berikut.

①Selama chip merah dan biru dengan panjang gelombang tertentu digabungkan dalam rasio tertentu, chip tersebut dapat digunakan dalam budidaya tanaman, misalnya, rasio merah terhadap biru adalah 4:1, 6:1, 9:1 dan seterusnya.

②Selama itu adalah cahaya putih, cahaya tersebut dapat menggantikan cahaya matahari, seperti lampu tabung putih tiga warna yang banyak digunakan di Jepang, dll. Penggunaan spektrum ini memiliki efek tertentu pada pertumbuhan tanaman, tetapi efeknya tidak sebaik sumber cahaya yang dibuat oleh LED.

③Selama PPFD (kepadatan fluks kuantum cahaya), parameter penting pencahayaan, mencapai indeks tertentu, misalnya, PPFD lebih besar dari 200 μmol·m⁻²·s⁻¹. Namun, saat menggunakan indikator ini, Anda harus memperhatikan apakah itu tanaman teduh atau tanaman yang membutuhkan sinar matahari. Anda perlu menanyakan atau menemukan titik saturasi kompensasi cahaya tanaman tersebut, yang juga disebut titik kompensasi cahaya. Dalam aplikasi sebenarnya, bibit sering terbakar atau layu. Oleh karena itu, desain parameter ini harus dirancang sesuai dengan spesies tanaman, lingkungan pertumbuhan, dan kondisinya.

Mengenai aspek pertama, seperti yang telah diperkenalkan pada pendahuluan, spektrum yang dibutuhkan untuk pertumbuhan tanaman harus berupa spektrum kontinu dengan lebar distribusi tertentu. Jelas tidak tepat menggunakan sumber cahaya yang terbuat dari dua chip panjang gelombang spesifik merah dan biru dengan spektrum yang sangat sempit (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(a)). Dalam percobaan, ditemukan bahwa tanaman cenderung kekuningan, batang daun sangat terang, dan batang daun sangat tipis.

Untuk lampu neon dengan tiga warna primer yang umum digunakan pada tahun-tahun sebelumnya, meskipun warna putih dihasilkan, spektrum merah, hijau, dan biru terpisah (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(b)), dan lebar spektrumnya sangat sempit. Intensitas spektrum bagian kontinu berikutnya relatif lemah, dan konsumsi dayanya masih relatif besar dibandingkan dengan LED, yaitu 1,5 hingga 3 kali lipat konsumsi energinya. Oleh karena itu, efek penggunaannya tidak sebaik lampu LED.

Gambar 3, Lampu tanaman LED chip merah dan biru serta spektrum cahaya fluoresen tiga warna primer

PPFD adalah kerapatan fluks kuantum cahaya, yang mengacu pada kerapatan fluks radiasi cahaya efektif dalam fotosintesis, yang mewakili jumlah total kuanta cahaya yang mengenai 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 fotosintetik (PAR) mengacu pada total radiasi matahari dengan panjang gelombang dalam rentang 400 hingga 700 nm. PAR dapat dinyatakan baik dengan kuanta cahaya maupun dengan energi radiasi.

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

Secara umum, mekanisme fotosintesis dapat dimulai ketika PPFD (Potensial Daya Fotosintesis) tanaman yang menyukai sinar matahari lebih besar dari 50 μmol·m⁻²·s⁻¹, sedangkan PPFD tanaman yang menyukai tempat teduh hanya membutuhkan 20 μmol·m⁻²·s⁻¹. Oleh karena itu, saat membeli lampu LED untuk pertumbuhan tanaman, Anda dapat memilih jumlah lampu LED berdasarkan nilai referensi ini dan jenis tanaman yang Anda tanam. Misalnya, jika PPFD dari satu lampu LED adalah 20 μmol·m⁻²·s⁻¹, maka dibutuhkan lebih dari 3 lampu LED untuk menumbuhkan tanaman yang menyukai sinar matahari.

Beberapa solusi desain pencahayaan semikonduktor

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

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

①Peran lampu LED adalah untuk menyediakan spektrum pencahayaan tanaman yang lengkap, dan sistem pencahayaan tersebut harus menyediakan seluruh energi pencahayaan, sehingga biaya produksinya relatif tinggi;
2. Desain lampu LED untuk pertumbuhan tanaman perlu mempertimbangkan kontinuitas dan integritas spektrum;
③Penting untuk mengontrol waktu pencahayaan dan intensitas pencahayaan secara efektif, misalnya dengan membiarkan tanaman beristirahat selama beberapa jam, intensitas penyinaran yang terlalu rendah atau terlalu tinggi, dan sebagainya;
④Seluruh proses perlu meniru kondisi yang dibutuhkan oleh lingkungan pertumbuhan optimal tanaman di luar ruangan, seperti kelembaban, suhu, dan konsentrasi CO2.

• Mode penanaman di luar ruangan dengan fondasi penanaman rumah kaca luar ruangan yang baik. Karakteristik model ini adalah:

①Peran lampu LED adalah untuk menambah cahaya. Pertama, untuk meningkatkan intensitas cahaya di area biru dan merah di bawah penyinaran sinar matahari pada siang hari guna mendorong fotosintesis tanaman, dan kedua, untuk mengkompensasi ketika tidak ada sinar matahari di malam hari guna mendorong laju pertumbuhan tanaman.
②Pencahayaan tambahan perlu mempertimbangkan tahap pertumbuhan tanaman, seperti periode bibit atau periode berbunga dan berbuah.

Oleh karena itu, desain lampu LED untuk pertumbuhan tanaman sebaiknya memiliki dua mode desain dasar terlebih dahulu, yaitu pencahayaan 24 jam (dalam ruangan) dan pencahayaan tambahan untuk pertumbuhan tanaman (luar ruangan). Untuk budidaya tanaman dalam ruangan, desain lampu LED perlu mempertimbangkan tiga aspek, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Tidak mungkin untuk mengemas chip dengan tiga warna primer dalam proporsi tertentu.

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

Sebagai contoh, untuk spektrum pada tahap pembibitan, dengan mempertimbangkan bahwa hal itu diperlukan untuk memperkuat pertumbuhan akar dan batang, memperkuat percabangan daun, dan sumber cahaya digunakan di dalam ruangan, spektrum dapat dirancang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

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

Untuk desain lampu tumbuh LED tipe kedua, tujuan utamanya adalah solusi desain untuk menambah pencahayaan guna mendorong pertumbuhan tanaman di dasar rumah kaca luar ruangan. Ide desainnya ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6, Ide desain lampu pertumbuhan luar ruangan 

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

Pertama-tama, budidaya rumah kaca di luar ruangan di Tiongkok memiliki pengalaman yang luas dan mendalam selama beberapa dekade, baik di selatan maupun di utara. Negara ini memiliki fondasi teknologi budidaya rumah kaca yang baik dan menyediakan sejumlah besar buah dan sayuran segar untuk pasar kota-kota sekitarnya. Terutama di bidang tanah, air, dan pemupukan, telah banyak hasil penelitian yang dihasilkan.

Kedua, solusi pencahayaan tambahan semacam ini dapat mengurangi konsumsi energi yang tidak perlu secara signifikan, dan pada saat yang sama dapat secara efektif meningkatkan hasil panen buah dan sayuran. Selain itu, wilayah geografis Tiongkok yang luas sangat memudahkan promosinya.

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

Gambar 7, Salah satu jenis lampu LED untuk pertumbuhan tanaman

Gambar 8, spektrum sejenis lampu LED pertumbuhan tanaman

Berdasarkan ide desain di atas, tim peneliti melakukan serangkaian eksperimen, dan hasil eksperimennya sangat signifikan. Misalnya, untuk lampu pertumbuhan selama pembibitan, lampu asli yang digunakan adalah lampu neon dengan daya 32 W dan siklus pembibitan 40 hari. Kami menyediakan lampu LED 12 W, yang mempersingkat siklus bibit menjadi 30 hari, secara efektif mengurangi pengaruh suhu lampu di bengkel pembibitan, dan menghemat konsumsi daya AC. Ketebalan, panjang, dan warna bibit lebih baik daripada solusi pembibitan asli. Untuk bibit sayuran umum, kesimpulan verifikasi yang baik juga telah diperoleh, yang dirangkum dalam tabel berikut.

Di antara kelompok tersebut, PPFD kelompok cahaya tambahan adalah 70-80 μmol·m-2·s-1, dan rasio merah-biru adalah 0,6-0,7. Kisaran nilai PPFD siang hari kelompok alami adalah 40~800 μmol·m-2·s-1, dan rasio merah terhadap biru adalah 0,6~1,2. Dapat dilihat bahwa indikator-indikator di atas lebih baik daripada indikator pada bibit yang tumbuh secara alami.

Kesimpulan

Artikel ini memperkenalkan perkembangan terbaru dalam penerapan lampu LED untuk budidaya tanaman, dan menunjukkan beberapa kesalahpahaman dalam penerapan lampu LED tersebut. Terakhir, ide dan skema teknis untuk pengembangan lampu LED yang digunakan untuk budidaya tanaman diperkenalkan. Perlu ditekankan bahwa ada beberapa faktor yang perlu dipertimbangkan dalam pemasangan dan penggunaan lampu, seperti jarak antara lampu dan tanaman, jangkauan radiasi lampu, dan cara mengaplikasikan lampu dengan air, pupuk, dan tanah biasa.

Penulis: Yi Wang dkk. Sumber: CNKI