إن ضوء النمو LED هو مصدر ضوء صناعي يستخدم LED كجسم مضيء لتلبية ظروف الإضاءة لعملية التمثيل الضوئي للنبات. لديها أنواع كثيرة, ينتمي إلى الجيل الثالث من النباتات التي تملأ الضوء.
في غياب ضوء الشمس, هذا النوع من المصابيح يمكن أن يلعب دور ضوء الشمس, حتى تنمو النباتات بشكل طبيعي أو أفضل.
هذا النوع من المصابيح له وظائف تقوية الجذور, تنظيم مدة الإزهار ولونه, تعزيز نضج الثمار وتلوينها, إلى جانب تحسين الذوق والجودة.
ما هو ضوء النمو?
ضوء النمو هو نوع من الضوء الكهربائي لمساعدة النباتات على النمو. يوفر ضوء النمو طيفًا مشابهًا للطيف الشمسي, أو طيف أكثر ملاءمة لاحتياجات النبات. تحاكي أضواء النمو الظروف الخارجية من خلال تغيير لونها, درجة الحرارة والإخراج الطيفي, وكذلك شدة الضوء. يمكننا ضبط النطاق الطيفي, كفاءة مضيئة ودرجة حرارة اللون من ضوء النمو, حسب نوع النبات المزروع, مرحلة النمو (على سبيل المثال, فترة الإنبات/النمو الخضري أو الإزهار/الإثمار), والفترة الضوئية التي يحتاجها النبات.
ما هو ضوء LED?
مصباح LED أو لمبة LED هو مصدر ضوء كهربائي يستخدم الصمام الثنائي الباعث للضوء لإصدار الضوء. يتمتع مصباح LED التجاري الأكثر كفاءة بكفاءة 200 لامينات لكل واط (إل إم / ث). عمر خدمة مصابيح LED التجارية أطول بعدة مرات من عمر المصابيح المتوهجة.
يحتاج مصباح LED إلى سائق LED الإلكترونية الدائرة للعمل من خلال خط الكهرباء الرئيسي. يعني فقدان الدائرة أن كفاءة مصباح LED أقل من كفاءة شريحة LED. قد تتطلب دائرة السائق وظائف خاصة متوافقة مع المخفتات المتوهجة. بشكل عام, يحتوي الشكل الموجي الحالي على درجة معينة من التشويه, والذي يعتمد على تقنية المصباح.
ومن المتوقع أن ينمو سوق LED من الولايات المتحدة $2 مليار دولار في وقت مبكر 2014 لنا $25 مليار في 2023.
يضيء مصباح LED على الفور دون تأخير التسخين المسبق. التبديل المتكرر لا يقلل من العمر المتوقع مثل مصابيح الفلورسنت. خلال عمر خدمة LED, ينخفض إنتاج الضوء تدريجياً (راجع قسم "تقليل الكفاءة".).
بعض مصابيح LED هي بدائل مباشرة للمصابيح المتوهجة أو الفلورسنت. يمكن استخدام مصابيح LED متعددة حزم الصمام لتحسين انتشار الضوء, تبديد الحرارة, والتكلفة الإجمالية. يمكن عرض النص الموجود على عبوة LED للبيع بالتجزئة مع إخراج الضوء باللومن, استهلاك الطاقة بالواط, درجة حرارة اللون في كلفن, أو وصف اللون, مثل “أبيض دافئ”, “أبيض بارد” أو “ضوء النهار”.
مبدأ عمل ضوء النمو LED
الضوء هو عامل ضروري في نمو النبات. بدون ضوء, النباتات لا تستطيع البقاء على قيد الحياة. يعد التحكم في نمو النبات من خلال تكييف الهواء وسيلة مهمة للبستنة. ضوء النمو LED أكثر كفاءة وفعالية. يوفر ضوء النمو LED مصدر ضوء فعال للنباتات, يعزز عملية التمثيل الضوئي للنباتات, تقصير وقت ازدهار النباتات, يسرع نمو النباتات, ويوفر محصول النباتات. إنه عنصر مهم لتحقيق التطور الذكي للتحديث الزراعي.
متطلبات ضوء النبات
المدة, كمية, ونوعية الضوء تنظم تطور ونمو النباتات. بشكل عام, إذا كان النبات لا يحصل على ما يكفي من الضوء, لا يمكنها الحصول على ما يكفي من التمثيل الضوئي, تَغذِيَة, ولا يمكن أن تنمو بشكل طبيعي. كما يتناقص الصباغ, يبدأ بالاختباء من الضوء. النباتات التي لا تتلقى نوعية الضوء المناسبة قد تظهر اختلافات فسيولوجية مقارنة بنفس النباتات المزروعة في ظل أفضل ظروف الإضاءة.
في الماضي, كانت كمية ونوعية أضواء النبات محدودة من الناحية الفنية. لا تزال مصابيح الهاليد المعدنية ومصابيح الصوديوم عالية الضغط من مصادر الضوء المساعدة الشائعة بسبب مزاياها الخاصة, خاصة بالنسبة للدفيئة وبعض عمليات مصدر الضوء الفردي. يتكون ضوء النمو LED الأقدم من المصابيح الزرقاء والحمراء لأنها تحول الطاقة الكهربائية إلى كفاءة الفوتونات وكفاءة قيادة عملية التمثيل الضوئي. حيث أصبحت مصابيح LED أرخص وأكثر كفاءة, ارتفع الاهتمام بجودة الضوء في علوم النبات.
أ. صالإشعاع النشط صناعيا (قدم المساواة)
يتم استخدام منحنى ترجيح الفوتون للتحويل PPFD إلى ypf; يتم استخدام منحنى ترجيح الطاقة لوزن القيمة الاسمية بالواط أو الجول.
اللومن واللوكس هما وحدتان ضوئيتان لشدة الضوء, وهي تعمل على قياس شدة الضوء التي تراها العين البشرية.
المستوى الطيفي للضوء الذي يتم قياسه بواسطة اللومن يشبه المستوى المستخدم في عملية التمثيل الضوئي ولكنه يختلف عنه. النطاق الطيفي للإشعاع الشمسي من 400 ل 700 نانومتر هو النطاق الطيفي المقابل لعملية التمثيل الضوئي. يمكن للنباتات استخدام هذا النطاق من الطيف لعملية التمثيل الضوئي, والضوء الموجود في هذا النطاق هو أيضًا إشعاع نشط من الناحية الضوئية أو مساوٍ للاختصار. لذلك, عند قياس كمية الضوء التي يمكن للنباتات استخدامها لعملية التمثيل الضوئي, يقوم علماء النبات عادة بقياس كمية التكافؤ التي تتلقاها النباتات.
يمكن التعبير عن إشعاع PAR كتدفق للطاقة (ث / m2), والذي يرتبط بتوازن الطاقة في الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. يستخدم علماء النبات عادةً عدد الفوتونات أو كثافة تدفق الفوتون الضوئي في نطاق 400-700 نانومتر لكل وحدة مساحة يتم تلقيها في وقت معين لتحديد الكمية, لأن عملية التمثيل الضوئي هي عملية كمومية, وكمية الطاقة التي يتم الحصول عليها عن طريق التفاعل الكيميائي لعملية التمثيل الضوئي تعتمد على عدد الفوتونات أكثر من الطاقة الموجودة في الفوتونات. يتم قياس ذلك عادةً باستخدام mol m-2 s-1, لكن القيمة المرتبطة بنمو النبات هي تكامل ضوء النهار (DLI), مع PPFD لا يتجزأ أكثر 24 ساعات.
سوف تنمو معظم أنواع النباتات جيدًا عند مؤشر DLI لـ 5-15 مول م-2 د-1. يمكن التعامل بسهولة مع الأنواع التي تتحمل الضوء 30-50 مول م -2 يوم -1, ويمكن للأنواع التي تتحمل الظل أن تنمو عند قيم DLI تبلغ 1-3 مول م -2 يوم -1.
ب. أجبل من الضوء
كمية الضوء هي كمية الضوء التي تحتاجها النباتات لتنمو بشكل أفضل كل يوم. تاريخيا, تم التعبير عن كمية الضوء بوحدات WM-2, تجويف, أو لوكس. على الرغم من أنه يمكن استخدام هذه الوحدات لحسابات الطاقة لـ WM -2 أو إضاءة الإنسان (لومن ولوكس), يفضل علماء النبات الآن استخدام كثافة تدفق الفوتون الضوئي (PPFD) تقاس بالمول م-2 ث-1. PPFD هي طريقة قياس فعالة, والتي يمكن أن تقيس بدقة عدد الفوتونات لكل متر مربع في الثانية التي تؤثر على السطح, وذلك لاستنتاج التعاون المباشر بين الفوتونات والنباتات.
يعد تكامل DLI أو Solar أيضًا وسيلة فعالة لقياس كمية الضوء. يأخذ DLI في الاعتبار PPFD وإجمالي ساعات تعرض النبات لـ PPFD للحصول على إجمالي كمية الفوتون يوميًا بالمول م-2 D-1. بافتراض أن PPFD ثابت, صيغة تحويل PPFD إلى DLI هي كما يلي:
DLI (أمي م-2 د-1 ) =0.0036 * PPFD ( م مول م -2 ق-1) * وقت الإضاءة
بشكل عام, إن متطلبات الضوء لمحاصيل معينة تكون أكبر بالنسبة للمحاصيل التي تؤتي ثمارها وتزهر, ولكن أقل بالنسبة للمحاصيل التي تحافظ على التغذية. نحن نعتبر عمومًا الخضار الورقية الخضراء مثل الخس, سبانخ, واللفت كمحاصيل الإضاءة المنخفضة, تتطلب DLI من 12 ل 17 مول م-2 د-1. طماطم, خيار, وحاجة الفلفل 20-30 مول م -2 د-1. الماريجوانا هي واحدة من النباتات الأكثر تطلبا للضوء, الذي يحتاج إلى ما يصل إلى 40 القالب m-2 DLL.
ج. لجودة جيدة
نوعية الضوء هي التوزيع الطيفي, ونوعية الضوء التي تؤثر على نمو النبات تشير إلى التوزيع الطيفي الذي يؤثر على نمو النبات. نحن عادة نقيس أطياف الامتصاص للكلوروفيل الحر ب (أحمر) و أ (أزرق) في المذيب. وفقا للتفاعل المحدد بين البروتين الصباغ, يتغير طيف التفاعل لجزيء الكلوروفيل قليلاً.
الأطوال الموجية المختلفة للضوء لها ألوان مختلفة; 700-750 نانومتر أحمر بعيد, 600-700 نانومتر أحمر, 500-600 نانومتر باللون الأخضر, 400-500 نانومتر باللون الأزرق, و 320-400 نانومتر هو UVA. يمكن أيضًا التعبير عن جودة الضوء على أنها ذروة الإشعاع, مثل 660 نانومتر الأحمر و 450 نانومتر الأزرق, أو في بعض الأحيان كنسبة, مثل أ 2:3 نسبة الأزرق إلى الأحمر. يمكن للنباتات أن تستشعر الطيف من خلال بعض المواد الخاصة الحساسة للضوء, مثل الزين, فيتوكروم, تشفير, والانتحاء الضوئي. كل مادة حساسة للضوء لها حساسية مختلفة للضوء المختلف. التشكل الضوئي هو نوع من تفاعل النبات مع الطيف بوساطة الضوء. نطاق يمكنها إرسال إشارات مختلفة إلى النباتات, وسوف تعطي النباتات ردود فعل مختلفة وفقًا لهذه الإشارات, والتي يمكن أن تؤثر على عملية التمثيل الغذائي للنباتات, حالة نمو النباتات, مثل التزهير والإنبات, وسرعة نمو النباتات.
د. صفترة ساخنة
الفترة الضوئية هي الفترة المظلمة وفترة الضوء التي تحتاجها النباتات. تغيير الفترة الضوئية يمكن أن يؤدي إلى الإزهار. لذلك, من الضروري ضبط وقت تشغيل أو إيقاف تشغيل الضوء. اضبط وقت التبديل الأمثل وفقًا لأنواع النباتات وتفضيلاتها, لأن بعض النباتات تحب الليالي الطويلة والنهار القصير, بينما بعض النباتات تحب الليالي القصيرة والنهارات الطويلة, وبعض النباتات تحب نفس طول النهار والليل.
تعد الفترة الضوئية عاملاً مهمًا في نمو النبات وتطوره, ويجب علينا الاهتمام به. لكن, يمكن أن يؤثر وقت الظلام على حكم النبات على طول اليوم. بشكل عام, “أشعة الشمس القصيرة” يشير إلى ضوء الشمس مع فترة ضوئية لا تزيد عن 12 ساعات" “أشعة الشمس الطويلة” يشير إلى ضوء الشمس مع فترة ضوئية لا تقل عن 14 ساعات. نباتات النهار الطويل هي تلك التي تزدهر فقط عندما تكون الفترة الضوئية أكبر من المدة الحرجة. نباتات النهار القصير هي تلك التي تزدهر عندما يكون طول النهار أقل من المدة الحرجة. النباتات المحايدة أثناء النهار هي تلك التي تزهر بغض النظر عن فترة الضوء.
قد يكون للنباتات المزهرة استجابةً للفترة الضوئية استجابات اختيارية أو محددة. الاستجابة الاختيارية تعني ذلك بغض النظر عن الفترة الضوئية, سوف يزدهر النبات في النهاية, ولكن إذا كان ينمو تحت فترة ضوئية محددة, سيكون معدل الإزهار أسرع. الاستجابة المحددة تعني أن النباتات لا يمكن أن تزدهر إلا في فترة ضوئية محددة.
ميزات ضوء النمو LED
بالإضافة إلى توفير الطاقة وحماية البيئة, يتميز LED بالعديد من الخصائص التي تختلف عن مصادر الإضاءة الأخرى. إنه مصدر الإضاءة من الجيل الرابع. بسبب الطيف الموجي الغني, يتوافق الضوء المنبعث من LED مع النطاق الطيفي لتشكل ضوء النبات والتمثيل الضوئي, لذا فإن LED مناسب بشكل خاص لزراعة النباتات.
عن طريق انكسار الطيف, تختلف زاوية الانكسار للأطوال الموجية المختلفة للضوء. بهذه الطريقة, يمكننا الحصول على ضوء أحادي اللون نقي والطيف المركب كما هو مطلوب, ويمكنه تركيز ضوء الطول الموجي المحدد لتشعيع المحاصيل بالتساوي. من خلال التحكم في تغيير ضوء النمو لتنظيم الإنبات, نمو, وإثمار المحاصيل, ويمكنه أيضًا التحكم في الاتجاه الصعودي والمغذيات للمحاصيل. يمكن استخدام ضوء النمو LED في نظام زراعة مشترك ثلاثي الأبعاد متعدد الطبقات لتحقيق تصغير مساحة الإنتاج والحمل الحراري المنخفض. فضلاً عن ذلك, إن المتانة القوية والطاقة المنخفضة لمصابيح النمو LED تقلل من تكاليف التشغيل. بسبب هذه الخصائص الرائعة, مصابيح LED مناسبة جدًا لزراعة النباتات, مثل تربية الشتلات, زراعة الأنسجة النباتية, البستنة المنشأة, وحتى نظام حماية الحياة البيئية الفضائية.
تطبيق ضوء LED للنمو
أ. يمكن أن تعمل كإضاءة تكميلية لعملية التمثيل الضوئي للنبات عندما تكون كمية ضوء الشمس صغيرة أو وقت ضوء الشمس قصير.
ب. مثل الإضاءة المستحثة للفترة الضوئية للنبات وتشكل الضوء.
- ينمو ضوء LED كإضاءة مستحثة لتشكل الضوء والفترة الضوئية للنبات
سيؤثر الطول الموجي المحدد لمصباح LED على وقت التفتح, مدة, وعدد الزهور. يمكن لبعض الأطوال الموجية لمصابيح LED ضبط طول فترة الإزهار والساق, بعض الأطوال الموجية يمكن أن تقلل من عدد الزهور, وبعض الأطوال الموجية يمكن أن تزيد من عدد الزهور والبراعم. يمكن تنظيم حالة ازدهار ونمو النباتات بواسطة LED, مما يفضي إلى إنتاج وتسويق الزهور والمحاصيل.
- البحث عن تطبيق LED ينمو الضوء في النظام البيئي للفضاء
من أجل حل مشكلة دعم الحياة على المدى الطويل لرحلات الفضاء, يعد إنشاء نظام دعم الحياة البيئية الخاضع للرقابة بمثابة حلقة وصل رئيسية, حيث تعتبر زراعة النباتات العليا جزءًا مهمًا, والضوء هو أحد العوامل الرئيسية.
تختلف بيئة الفضاء عن البيئة الداخلية العامة. يعد اختيار مصادر الضوء لزراعة النباتات الفضائية أكثر صرامة وقسوة. يجب أن تكون الأضواء آمنة وموثوقة, دون تلوث البيئة, حجم صغير, خفيفة الوزن, حياة طويلة, عالية الكفاءة, والطول الموجي للضوء الناتج مناسب لعملية التمثيل الضوئي والتشكل للنبات. مقارنة مع مصادر الضوء الأخرى, يمكن لـ LED تحويل الطاقة الضوئية إلى إشعاع نشط ضوئيًا; فضلاً عن ذلك, يتميز LED بخصائص الوزن الخفيف, حجم صغير, حياة طويلة, وهكذا, والتي جذبت الكثير من الاهتمام في مجال زراعة النباتات الفضائية. أظهرت النتائج أن هذه الخصائص لإضاءة LED تجعلها مصدر الضوء الأكثر ملاءمة لزراعة النباتات الفضائية. ربما في المستقبل القريب, سنقوم بإنشاء نظام التداول البيئي الخاص بنا من خلال تقنية زراعة LED في الفضاء وعلى القمر.
- ضوء LED ينمو كإضاءة تكميلية لعملية التمثيل الضوئي للنبات
مصدر الضوء التقليدي ينتج الكثير من الحرارة. إذا كان مصدر الضوء الإضافي للمقعد يهدر الطاقة, سيزيد من التكلفة, ودرجة الحرارة المرتفعة جدًا لا تساعد على نمو المحاصيل. نسبيا, الحرارة الناتجة عن LED صغيرة نسبيًا. إذا تم دمجها مع النظام المائي, يمكن استخدام الهواء, ويمكن إزالة الحرارة الزائدة والماء. لأن مصدر الضوء الناتج عن LED يشبه طيف عملية التمثيل الضوئي, يمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى إشعاع ضوئي فعال, وأخيراً إلى الطاقة الحيوية. أظهرت النتائج أن معدل التمثيل الضوئي ومعدل نمو الخس سيزيد بأكثر من 20% باستخدام إضاءة LED. من الممكن استخدام مصابيح LED في مصانع النباتات.
بالمقارنة مع مصباح الهاليد المعدني العادي, تغيرت سيقان وأوراق الفليفلة السنوية ومشاهد فاكهة بريلا المزروعة تحت ضوء LED ذو الطول الموجي المحدد بشكل ملحوظ, ويزداد معدل التمثيل الضوئي مع زيادة كثافة الضوء. يمكن لمصابيح LED ذات الطول الموجي المركب أن تزيد من عدد ثغور سالفيا multirrhiza والقطيفة.
النتائج تظهر ذلك, مقارنة بمصادر الضوء الأخرى, ال مصدر ضوء LED كامل الطيف يمكن أن تحسن بشكل كبير معدل نمو الخس, سبانخ, والفجل. يمكن أن يجعل الكتلة الحيوية البنجر الحد الأقصى, يعد تراكم عنصر البنجر في الجذور المشعرة هو الأكثر أهمية, وإنتاج أعلى تراكم للسكر والنشا في الجذر المشعر.
خاتمة
مع التطور الواسع للصناعة الزراعية الحديثة, يعد ضوء النمو LED بلا شك فرصة لتجديد هذه المؤسسات. لكن, على الرغم من الآفاق المشرقة لنمو النباتات الخفيفة, ولا يزال تطوير المصانع النباتية يواجه البعض “الاختناقات”. على سبيل المثال, إذا كان الاستثمار الأولي كبيرا جدا, مصنع مصنع للضوء الاصطناعي بإنتاج يومي يبلغ 1000 تحتاج نباتات الخس عمومًا إلى استثمار أولي مرتفع نسبيًا. حتى لو دعمت الحكومة 30%, عادة ما يستغرق الأمر عامين لتحقيق الربح. فضلاً عن ذلك, تكنولوجيا الزراعة في عصر زراعة المصانع لم تنضج بعد, وما زال وضع مراقبة الجودة والمبيعات اللوجستية ذات الصلة في مرحلة الاستكشاف.
