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 yang menentukan pertumbuhan tanaman adalah faktor yang menyeluruh, tidak hanya terkait 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, ada banyak sekali laporan tentang penerapan teknologi pencahayaan semikonduktor terkait pabrik tanaman tiga dimensi atau pertumbuhan tanaman.Tapi setelah membacanya dengan seksama, selalu ada perasaan tidak enak.Secara umum, tidak ada pemahaman nyata tentang apa peran cahaya dalam pertumbuhan tanaman.

Pertama, mari kita pahami spektrum matahari, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Terlihat bahwa spektrum matahari adalah spektrum kontinu, di mana spektrum biru dan hijau lebih kuat dari spektrum merah, dan spektrum cahaya tampak berkisar dari 380 hingga 780 nm.Pertumbuhan organisme di alam berhubungan dengan intensitas spektrum.Misalnya, sebagian besar tanaman di daerah dekat garis khatulistiwa tumbuh sangat cepat, dan pada saat yang sama ukuran pertumbuhannya relatif besar.Tetapi intensitas penyinaran matahari yang tinggi tidak selalu lebih baik, dan ada 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 kunci serapan pertumbuhan tanaman ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2, Spektrum serapan beberapa auksin dalam pertumbuhan tanaman

Terlihat dari Gambar 2 bahwa spektrum serapan cahaya beberapa auksin kunci yang mempengaruhi pertumbuhan tanaman berbeda nyata.Oleh karena itu, penerapan lampu pertumbuhan tanaman LED bukanlah hal yang sederhana, tetapi sangat tepat sasaran.Di sini perlu untuk memperkenalkan 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 membuat 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 naungan dari tanaman matahari.Rasio klorofil b terhadap klorofil a tanaman naungan kecil, sehingga tanaman penaung dapat menggunakan cahaya biru secara kuat dan beradaptasi untuk tumbuh di tempat teduh.Klorofil a berwarna biru kehijauan, dan klorofil b berwarna kuning kehijauan.Ada dua serapan 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 yang penting, yang umumnya ditemukan dalam pigmen kuning, oranye-merah atau merah pada hewan, tumbuhan tingkat tinggi, jamur, dan ganggang.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 tertutup oleh klorofil dan tidak dapat muncul.Pada sel tumbuhan, karotenoid yang dihasilkan tidak hanya menyerap dan mentransfer energi untuk membantu fotosintesis, tetapi juga memiliki fungsi melindungi sel dari kehancuran oleh molekul oksigen ikatan elektron tunggal.

Beberapa kesalahpahaman konseptual

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

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

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

③Selama PPFD (kerapatan fluks kuantum cahaya), parameter pencahayaan yang penting, 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 peneduh atau tanaman matahari.Anda perlu menanyakan atau menemukan titik saturasi kompensasi cahaya dari tanaman ini, yang juga disebut titik kompensasi cahaya.Dalam aplikasi sebenarnya, bibit sering terbakar atau layu.Oleh karena itu, desain parameter ini harus dirancang sesuai dengan jenis tanaman, lingkungan tumbuh, dan kondisinya.

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

Untuk tabung fluoresen dengan tiga warna primer yang biasa digunakan pada tahun-tahun sebelumnya, meskipun putih disintesis, spektrum merah, hijau, dan biru dipisahkan (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3(b)), dan lebar spektrumnya sangat sempit.Intensitas spektral dari bagian kontinu berikutnya relatif lemah, dan dayanya masih relatif besar dibandingkan dengan LED, 1,5 hingga 3 kali konsumsi energi.Oleh karena itu, efek penggunaannya tidak sebagus 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 dalam kisaran 400 hingga 700 nm.Itu dapat diekspresikan baik dengan kuanta cahaya atau dengan energi radiasi.

Di masa lalu, intensitas cahaya yang dipantulkan oleh iluminometer adalah kecerahan, tetapi spektrum pertumbuhan tanaman berubah karena ketinggian lampu dari tanaman, cakupan cahaya, dan apakah cahaya dapat melewati daun.Oleh karena itu, penggunaan par sebagai indikator intensitas cahaya dalam kajian fotosintesis tidaklah tepat.

Secara umum, mekanisme fotosintesis dapat dimulai ketika PPFD dari tanaman yang menyukai matahari lebih besar dari 50 μmol·m-2·s-1, sedangkan PPFD dari tanaman yang teduh hanya membutuhkan 20 μmol·m-2·s-1 .Oleh karena itu, saat membeli lampu tumbuh LED, Anda dapat memilih jumlah lampu tumbuh LED berdasarkan nilai referensi ini dan jenis tanaman yang Anda tanam.Misalnya, jika PPFD dari cahaya LED tunggal adalah 20 μmol·m-2·s-1, diperlukan lebih dari 3 umbi 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 dalam ruangan sangat panas di Cina.Model ini memiliki beberapa karakteristik:

①Peran lampu LED adalah menyediakan spektrum penuh penerangan pabrik, dan sistem penerangan diperlukan untuk menyediakan semua energi penerangan, dan biaya produksinya relatif tinggi;
②Desain lampu tumbuh LED perlu mempertimbangkan kontinuitas dan integritas spektrum;
③Perlu untuk 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 tanaman yang optimal di luar ruangan, seperti kelembapan, suhu, dan konsentrasi CO2.

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

①Peran lampu LED adalah untuk melengkapi 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 mengkompensasi ketika tidak ada sinar matahari di malam hari untuk meningkatkan laju pertumbuhan tanaman.
②Lampu tambahan perlu mempertimbangkan pada tahap pertumbuhan mana tanaman berada, seperti periode pembibitan atau periode pembungaan dan pembuahan.

Oleh karena itu, desain lampu tumbuh tanaman LED pertama-tama harus memiliki dua mode desain dasar, yaitu pencahayaan 24 jam (indoor) dan pencahayaan suplemen pertumbuhan tanaman (outdoor).Untuk budidaya tanaman dalam ruangan, desain lampu tumbuh LED perlu mempertimbangkan tiga aspek, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Tidak mungkin mengemas keripik dengan tiga warna primer dalam proporsi tertentu.

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

Misalnya untuk spektrum pada tahap pembibitan, mengingat perlu untuk memperkuat pertumbuhan akar dan batang, memperkuat percabangan daun, dan sumber cahaya digunakan di dalam ruangan, spektrum dapat dirancang seperti pada Gambar 5.

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

Untuk desain tipe kedua lampu tumbuh LED, ini terutama ditujukan pada solusi desain untuk melengkapi cahaya untuk mempromosikan 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 untuk menggunakan lampu LED untuk mendorong pertumbuhan tanaman.

Pertama-tama, penanaman rumah kaca luar ruangan China memiliki jumlah yang besar selama beberapa dekade dan pengalaman yang luas, baik di selatan maupun utara.Ini memiliki dasar teknologi penanaman rumah kaca yang baik dan menyediakan sejumlah besar buah dan sayuran segar di pasar untuk kota-kota sekitarnya.Khususnya di bidang penanaman tanah dan air serta pupuk, hasil penelitian yang kaya telah dibuat.

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 China yang luas sangat nyaman untuk promosi.

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

Gambar 7, Semacam LED grow light

Gambar 8, spektrum sejenis lampu tumbuh LED

Sesuai dengan ide desain di atas, tim peneliti melakukan serangkaian eksperimen, dan hasil eksperimen tersebut sangat signifikan.Misalnya untuk grow light pada masa 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 pembibitan menjadi 30 hari, secara efektif mengurangi pengaruh suhu lampu di bengkel pembibitan, dan menghemat konsumsi daya AC.Ketebalan, panjang dan warna bibit lebih baik dari larutan pembibitan asli.Untuk pembibitan sayuran biasa juga telah diperoleh kesimpulan verifikasi yang baik yang dirangkum dalam tabel berikut.

Di antara mereka, PPFD kelompok cahaya tambahan: 70-80 μmol·m-2·s-1, dan rasio merah-biru: 0,6-0,7.Kisaran nilai PPFD siang hari dari kelompok alami adalah 40~800 μmol·m-2·s-1, dan rasio merah ke biru adalah 0,6~1,2.Terlihat bahwa indikator di atas lebih baik dibandingkan dengan semai yang ditanam secara alami.

Kesimpulan

Artikel ini memperkenalkan perkembangan terbaru dalam penerapan lampu tumbuh LED dalam budidaya tanaman, dan menunjukkan beberapa kesalahpahaman dalam penerapan lampu tumbuh LED dalam budidaya tanaman.Terakhir, ide dan skema teknis untuk pengembangan lampu tumbuh 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, jarak penyinaran lampu, dan cara pengaplikasian lampu dengan air biasa, pupuk, dan tanah.

Penulis: Yi Wang dkk.Sumber: CNKI