შესავალი

სინათლე მნიშვნელოვან როლს ასრულებს მცენარის ზრდის პროცესში. ის საუკეთესო სასუქია მცენარის ქლოროფილის და სხვადასხვა მცენარის ზრდის თვისებების, მაგალითად, კაროტინის, შეწოვის ხელშესაწყობად. თუმცა, გადამწყვეტი ფაქტორი, რომელიც განსაზღვრავს მცენარეთა ზრდას, არის ყოვლისმომცველი ფაქტორი, რომელიც არა მხოლოდ სინათლესთანაა დაკავშირებული, არამედ განუყოფელია წყლის, ნიადაგისა და სასუქის კონფიგურაციისგან, ზრდის გარემო პირობებისგან და ყოვლისმომცველი ტექნიკური კონტროლისგან.

ბოლო ორი-სამი წლის განმავლობაში, დაუსრულებელი ცნობები გამოქვეყნდა ნახევარგამტარული განათების ტექნოლოგიის სამგანზომილებიანი ქარხნების ან მცენარეთა ზრდის შესახებ. თუმცა, მათი ყურადღებით წაკითხვის შემდეგ, ყოველთვის რჩება გარკვეული დისკომფორტის განცდა. ზოგადად, არ არსებობს რეალური გაგება იმის შესახებ, თუ რა როლი უნდა შეასრულოს სინათლემ მცენარეთა ზრდაში.

პირველ რიგში, მოდით გავიგოთ მზის სპექტრი, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 1-ში. ჩანს, რომ მზის სპექტრი უწყვეტი სპექტრია, რომელშიც ლურჯი და მწვანე სპექტრი უფრო ძლიერია, ვიდრე წითელი სპექტრი, ხოლო ხილული სინათლის სპექტრი მერყეობს 380-დან 780 ნმ-მდე. ბუნებაში ორგანიზმების ზრდა დაკავშირებულია სპექტრის ინტენსივობასთან. მაგალითად, ეკვატორთან ახლოს მდებარე ტერიტორიაზე მცენარეების უმეტესობა ძალიან სწრაფად იზრდება და ამავდროულად, მათი ზრდის ზომა შედარებით დიდია. თუმცა, მზის დასხივების მაღალი ინტენსივობა ყოველთვის უკეთესი არ არის და ცხოველებისა და მცენარეების ზრდისთვის გარკვეული ხარისხის სელექციურობა არსებობს.

სურათი 1, მზის სპექტრისა და მისი ხილული სინათლის სპექტრის მახასიათებლები

მეორეც, მცენარის ზრდის რამდენიმე ძირითადი შთანთქმის ელემენტის მეორე სპექტრული დიაგრამა ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში.

სურათი 2, რამდენიმე აუქსინის შთანთქმის სპექტრები მცენარის ზრდაში

სურათი 2-დან ჩანს, რომ მცენარის ზრდაზე მოქმედი რამდენიმე ძირითადი აუქსინის სინათლის შთანთქმის სპექტრები მნიშვნელოვნად განსხვავდება. ამიტომ, მცენარეთა ზრდის LED განათების გამოყენება მარტივი საკითხი არ არის, არამედ ძალიან მიზანმიმართულია. აქ აუცილებელია მცენარის ზრდის ორი ყველაზე მნიშვნელოვანი ფოტოსინთეზური ელემენტის კონცეფციების გაცნობა.

• ქლოროფილი

ქლოროფილი ფოტოსინთეზთან დაკავშირებული ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი პიგმენტია. ის არსებობს ყველა ორგანიზმში, რომელსაც შეუძლია ფოტოსინთეზის წარმოება, მათ შორის მწვანე მცენარეებში, პროკარიოტულ ლურჯ-მწვანე წყალმცენარეებში (ციანობაქტერიები) და ეუკარიოტულ წყალმცენარეებში. ქლოროფილი შთანთქავს სინათლის ენერგიას, რომელიც შემდეგ გამოიყენება ნახშირორჟანგის ნახშირწყლებად გარდასაქმნელად.

ქლოროფილი a ძირითადად შთანთქავს წითელ სინათლეს, ხოლო ქლოროფილი b - ლურჯ-იისფერ სინათლეს, ძირითადად ჩრდილის მცენარეების მზისგან განასხვავებლად. ჩრდილის მცენარეების ქლოროფილ b-სა და ქლოროფილ a-ს შორის თანაფარდობა მცირეა, ამიტომ ჩრდილის მცენარეებს შეუძლიათ ლურჯი სინათლის ძლიერად გამოყენება და ჩრდილში ზრდასთან ადაპტირება. ქლოროფილი a ლურჯ-მწვანეა, ხოლო ქლოროფილი b - ყვითელ-მწვანე. ქლოროფილ a-სა და ქლოროფილ b-ს ორი ძლიერი შთანთქმა არსებობს, ერთი წითელ რეგიონში 630-680 ნმ ტალღის სიგრძით, ხოლო მეორე ლურჯ-იისფერ რეგიონში 400-460 ნმ ტალღის სიგრძით.

• კაროტინოიდები

კაროტინოიდები მნიშვნელოვანი ბუნებრივი პიგმენტების კლასის ზოგადი ტერმინია, რომლებიც ხშირად გვხვდება ყვითელ, ნარინჯისფერ-წითელ ან წითელ პიგმენტებში ცხოველებში, უმაღლეს მცენარეებში, სოკოებსა და წყალმცენარეებში. დღემდე აღმოჩენილია 600-ზე მეტი ბუნებრივი კაროტინოიდი.

კაროტინოიდების სინათლის შთანთქმა მოიცავს OD303~505 ნმ დიაპაზონს, რაც განსაზღვრავს საკვების ფერს და გავლენას ახდენს ორგანიზმის მიერ საკვების მიღებაზე. წყალმცენარეებში, მცენარეებსა და მიკროორგანიზმებში მისი ფერი დაფარულია ქლოროფილით და არ ჩანს. მცენარეულ უჯრედებში წარმოქმნილი კაროტინოიდები არა მხოლოდ შთანთქავენ და გადასცემენ ენერგიას ფოტოსინთეზის დასახმარებლად, არამედ ასრულებენ უჯრედების დაცვის ფუნქციას აგზნებული ერთელექტრონული ბმიანი ჟანგბადის მოლეკულების მიერ განადგურებისგან.

ზოგიერთი კონცეპტუალური გაუგებრობა

ენერგიის დაზოგვის ეფექტის, სინათლის სელექციურობისა და კოორდინაციის მიუხედავად, ნახევარგამტარულმა განათებამ დიდი უპირატესობები აჩვენა. თუმცა, ბოლო ორი წლის სწრაფი განვითარების შედეგად, სინათლის დიზაინსა და გამოყენებაში ასევე ბევრი გაუგებრობა შევნიშნეთ, რაც ძირითადად შემდეგ ასპექტებში აისახება.

① თუ გარკვეული ტალღის სიგრძის წითელი და ლურჯი ჩიპები გარკვეული თანაფარდობით არის შერწყმული, მათი გამოყენება შესაძლებელია მცენარეთა კულტივაციაში, მაგალითად, წითელისა და ლურჯის თანაფარდობაა 4:1, 6:1, 9:1 და ა.შ.

② სანამ ეს თეთრი სინათლეა, მას შეუძლია მზის სინათლის ჩანაცვლება, მაგალითად, იაპონიაში ფართოდ გამოყენებული სამძირიანი თეთრი სინათლის მილი და ა.შ. ამ სპექტრების გამოყენებას გარკვეული გავლენა აქვს მცენარეების ზრდაზე, მაგრამ ეფექტი ისეთი კარგი არ არის, როგორც LED-ის მიერ შექმნილი სინათლის წყაროს.

③სანამ განათების მნიშვნელოვანი პარამეტრი, სინათლის კვანტური ნაკადის სიმკვრივე (PPFD), გარკვეულ ინდექსს მიაღწევს, მაგალითად, PPFD 200 μmol·m-2·s-1-ზე მეტია. თუმცა, ამ ინდიკატორის გამოყენებისას ყურადღება უნდა მიაქციოთ, ჩრდილის მცენარეა თუ მზის. თქვენ უნდა გამოიკვლიოთ ან იპოვოთ ამ მცენარეების სინათლის კომპენსაციის გაჯერების წერტილი, რომელსაც ასევე სინათლის კომპენსაციის წერტილს უწოდებენ. რეალურ პირობებში, ნერგები ხშირად იწვის ან ხმება. ამიტომ, ამ პარამეტრის დიზაინი უნდა იყოს შემუშავებული მცენარის სახეობის, ზრდის გარემოსა და პირობების შესაბამისად.

პირველ ასპექტთან დაკავშირებით, როგორც შესავალში იყო წარმოდგენილი, მცენარის ზრდისთვის საჭირო სპექტრი უნდა იყოს უწყვეტი სპექტრი გარკვეული განაწილების სიგანით. ცხადია, შეუსაბამოა წითელი და ლურჯი ორი სპეციფიკური ტალღის სიგრძის ჩიპისგან დამზადებული სინათლის წყაროს გამოყენება ძალიან ვიწრო სპექტრით (როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 3(ა)-ზე). ექსპერიმენტებში აღმოჩნდა, რომ მცენარეები, როგორც წესი, მოყვითალო ფერისაა, ფოთლის ღეროები ძალიან ღიაა, ხოლო ფოთლის ღეროები ძალიან თხელი.

წინა წლებში ხშირად გამოყენებული სამი ძირითადი ფერის ფლუორესცენტური ნათურებისთვის, მიუხედავად იმისა, რომ თეთრი სინთეზირებულია, წითელი, მწვანე და ლურჯი სპექტრები გამოყოფილია (როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 3(ბ)-ზე) და სპექტრის სიგანე ძალიან ვიწროა. შემდეგი უწყვეტი ნაწილის სპექტრული ინტენსივობა შედარებით სუსტია და სიმძლავრე კვლავ შედარებით დიდია LED-ებთან შედარებით, ენერგიის მოხმარება 1.5-დან 3-ჯერ მეტი. ამიტომ, გამოყენების ეფექტი ისეთი კარგი არ არის, როგორც LED ნათურების.

სურათი 3, წითელი და ლურჯი ჩიპიანი LED ნათურა მცენარისთვის და სამძირიანი ფერის ფლუორესცენტური სინათლის სპექტრი

PPFD არის სინათლის კვანტური ნაკადის სიმკვრივე, რომელიც ეხება ფოტოსინთეზში სინათლის ეფექტური გამოსხივების სინათლის ნაკადის სიმკვრივეს, რომელიც წარმოადგენს მცენარის ფოთლის ღეროებზე დაცემული სინათლის კვანტების საერთო რაოდენობას 400-დან 700 ნმ-მდე ტალღის სიგრძის დიაპაზონში დროის ერთეულზე და ფართობის ერთეულზე. მისი ერთეულია μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). ფოტოსინთეზურად აქტიური გამოსხივება (PAR) ეხება მზის მთლიან გამოსხივებას, რომლის ტალღის სიგრძეა 400-დან 700 ნმ-მდე დიაპაზონში. მისი გამოხატვა შესაძლებელია როგორც სინათლის კვანტებით, ასევე გამოსხივების ენერგიით.

წარსულში, ილუმინომეტრით არეკლილი სინათლის ინტენსივობა სიკაშკაშეს წარმოადგენდა, თუმცა მცენარის ზრდის სპექტრი იცვლება მცენარიდან ნათურის სიმაღლის, სინათლის დაფარვისა და ფოთლებში სინათლის გავლის უნარის გამო. ამიტომ, ფოტოსინთეზის შესწავლაში სინათლის ინტენსივობის ინდიკატორად par-ის გამოყენება ზუსტი არ არის.

ზოგადად, ფოტოსინთეზის მექანიზმის დაწყება შესაძლებელია მაშინ, როდესაც მზის მოყვარული მცენარის PPFD 50 μmol·m-2·s-1-ზე მეტია, მაშინ როდესაც ჩრდილში მყოფი მცენარის PPFD-ს მხოლოდ 20 μmol·m-2·s-1 სჭირდება. ამიტომ, LED განათების შეძენისას, შეგიძლიათ აირჩიოთ LED განათების რაოდენობა ამ საცნობარო მნიშვნელობისა და დარგული მცენარეების ტიპის მიხედვით. მაგალითად, თუ ერთი LED განათების PPFD 20 μmol·m-2·s-1-ია, მზის მოყვარული მცენარეების გასაზრდელად საჭიროა 3-ზე მეტი LED ნათურა.

ნახევარგამტარული განათების რამდენიმე დიზაინის გადაწყვეტა

ნახევარგამტარული განათება გამოიყენება მცენარეთა ზრდის ან დარგვისთვის და არსებობს ორი ძირითადი საცნობარო მეთოდი.

• ამჟამად, ჩინეთში ძალიან პოპულარულია ოთახის დარგვის მოდელი. ამ მოდელს რამდენიმე მახასიათებელი აქვს:

① LED განათების როლი მცენარის განათების სრული სპექტრის უზრუნველყოფაა, განათების სისტემა კი საჭიროა განათების მთელი ენერგიის უზრუნველსაყოფად, ხოლო წარმოების ღირებულება შედარებით მაღალია;
② LED განათების დიზაინის შექმნისას უნდა იქნას გათვალისწინებული სპექტრის უწყვეტობა და მთლიანობა;
③ აუცილებელია განათების დროისა და ინტენსივობის ეფექტურად კონტროლი, მაგალითად, მცენარეების რამდენიმე საათით დასვენებით, დასხივების ინტენსივობის არარსებობა ან სიძლიერე და ა.შ.
④მთელი პროცესი უნდა იმიტაციას უკეთებდეს იმ პირობებს, რომლებიც საჭიროა მცენარეების ზრდის ოპტიმალური გარემოსთვის გარეთ, როგორიცაა ტენიანობა, ტემპერატურა და CO2 კონცენტრაცია.

• გარე დარგვის რეჟიმი კარგი სათბურის დარგვის საფუძვლით. ამ მოდელის მახასიათებლებია:

① LED ნათურების როლი სინათლის დამატებაა. ერთი არის დღის განმავლობაში მზის სხივების ქვეშ ლურჯ და წითელ ადგილებში სინათლის ინტენსივობის გაზრდა მცენარეების ფოტოსინთეზის ხელშესაწყობად, ხოლო მეორე არის ღამით მზის არარსებობის კომპენსირება მცენარის ზრდის ტემპის ხელშესაწყობად.
② დამატებითი განათებისას უნდა გაითვალისწინოთ მცენარის ზრდის ეტაპი, მაგალითად, ნერგების გამოყვანის ან ყვავილობისა და ნაყოფიერების პერიოდი.

ამიტომ, LED მცენარეთა ზრდის ნათურების დიზაინს თავდაპირველად უნდა ჰქონდეს ორი ძირითადი დიზაინის რეჟიმი, კერძოდ, 24-საათიანი განათება (შიდა სივრცეში) და მცენარის ზრდის დამატებითი განათება (გარე სივრცეში). შიდა მცენარეების მოყვანისთვის, LED ზრდის ნათურების დიზაინში უნდა იქნას გათვალისწინებული სამი ასპექტი, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 4-ში. შეუძლებელია ჩიპების შეფუთვა სამი ძირითადი ფერით გარკვეული პროპორციით.

სურათი 4, 24-საათიანი განათებისთვის შიდა LED მცენარეების გამაძლიერებელი ნათურების გამოყენების დიზაინის იდეა.

მაგალითად, სანერგე ეტაპზე მყოფი სპექტრისთვის, იმის გათვალისწინებით, რომ მას სჭირდება ფესვებისა და ღეროების ზრდის გაძლიერება, ფოთლების განშტოების გაძლიერება და სინათლის წყარო გამოიყენება შენობაში, სპექტრის დაპროექტება შესაძლებელია ისე, როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 5-ში.

სურათი 5, სპექტრული სტრუქტურები, რომლებიც შესაფერისია LED-ების შიდა სანერგე პერიოდისთვის.

მეორე ტიპის LED განათების დიზაინი ძირითადად მიზნად ისახავს დამატებითი სინათლის დიზაინს, რათა ხელი შეუწყოს დარგვას გარე სათბურის ძირში. დიზაინის იდეა ნაჩვენებია ნახაზ 6-ში.

სურათი 6, გარე ზრდის ნათურების დიზაინის იდეები 

ავტორი გვთავაზობს, რომ მეტმა გამწვანების კომპანიამ აირჩიოს მეორე ვარიანტი და გამოიყენოს LED ნათურები მცენარის ზრდის ხელშესაწყობად.

უპირველეს ყოვლისა, ჩინეთში ღია ცის ქვეშ სათბურის მოყვანას ათწლეულების განმავლობაში დიდი გამოცდილება და ფართო სპექტრი აქვს, როგორც სამხრეთში, ასევე ჩრდილოეთში. მას სათბურის მოყვანის ტექნოლოგიის კარგი საფუძველი აქვს და მიმდებარე ქალაქების ბაზარზე დიდი რაოდენობით ახალ ხილსა და ბოსტნეულს სთავაზობს. განსაკუთრებით ნიადაგის, წყლისა და სასუქების დარგვის სფეროში, მიღწეულია მდიდარი კვლევითი შედეგები.

მეორეც, ამ ტიპის დამატებითი განათების გადაწყვეტა მნიშვნელოვნად ამცირებს ენერგიის არასაჭირო მოხმარებას და ამავდროულად ეფექტურად ზრდის ხილისა და ბოსტნეულის მოსავლიანობას. გარდა ამისა, ჩინეთის უზარმაზარი გეოგრაფიული არეალი ძალიან მოსახერხებელია პოპულარიზაციისთვის.

როგორც მცენარეთა LED განათების სამეცნიერო კვლევა, ის ასევე უზრუნველყოფს მისთვის უფრო ფართო ექსპერიმენტულ ბაზას. ნახ. 7 წარმოადგენს ამ კვლევითი ჯგუფის მიერ შემუშავებულ LED განათების სახეობას, რომელიც შესაფერისია სათბურებში გასაზრდელად და მისი სპექტრი ნაჩვენებია ნახ. 8-ში.

სურათი 7, LED განათების სახეობა

სურათი 8, LED ნათურის სპექტრი

ზემოთ მოცემული დიზაინის იდეების მიხედვით, კვლევითმა ჯგუფმა ჩაატარა ექსპერიმენტების სერია და ექსპერიმენტის შედეგები ძალიან მნიშვნელოვანია. მაგალითად, სანერგეში განათებისთვის, თავდაპირველად გამოყენებული ნათურა იყო 32 ვატიანი სიმძლავრის ფლუორესცენტური ნათურა 40 დღიანი სანერგე ციკლით. ჩვენ გთავაზობთ 12 ვატიან LED ნათურას, რომელიც ამცირებს ნერგების ციკლს 30 დღემდე, ეფექტურად ამცირებს ნათურების ტემპერატურის გავლენას ნერგების სახელოსნოში და ზოგავს კონდიციონერის ენერგომოხმარებას. ნერგების სისქე, სიგრძე და ფერი უკეთესია, ვიდრე ნერგების გაზრდის ორიგინალური გადაწყვეტა. ჩვეულებრივი ბოსტნეულის ნერგებისთვის ასევე მიღებულია კარგი დასკვნები, რომლებიც შეჯამებულია შემდეგ ცხრილში.

მათ შორის, დამატებითი სინათლის ჯგუფი PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, ხოლო წითელ-ლურჯი თანაფარდობა: 0.6-0.7. ბუნებრივი ჯგუფის დღის PPFD მნიშვნელობის დიაპაზონი იყო 40~800 μmol·m-2·s-1, ხოლო წითელი და ლურჯი თანაფარდობა იყო 0.6~1.2. ჩანს, რომ ზემოთ ჩამოთვლილი მაჩვენებლები უკეთესია, ვიდრე ბუნებრივად გაზრდილი ნერგების მაჩვენებლები.

დასკვნა

ეს სტატია წარმოგვიდგენს მცენარეთა მოყვანაში LED განათების გამოყენების უახლეს მიღწევებს და მიუთითებს მცენარეთა მოყვანაში LED განათების გამოყენებასთან დაკავშირებულ ზოგიერთ გაუგებრობაზე. და ბოლოს, წარმოდგენილია მცენარეთა მოყვანისთვის გამოყენებული LED განათების შემუშავების ტექნიკური იდეები და სქემები. უნდა აღინიშნოს, რომ განათების დამონტაჟებისა და გამოყენებისას ასევე გასათვალისწინებელია რამდენიმე ფაქტორი, როგორიცაა განათებასა და მცენარეს შორის მანძილი, ნათურის დასხივების დიაპაზონი და სინათლის ჩვეულებრივ წყალთან, სასუქთან და ნიადაგთან ერთად გამოყენების წესი.

ავტორი: Yi Wang და სხვ. წყარო: CNKI