Giriş

İşıq bitki böyüməsi prosesində əsas rol oynayır. Bitki xlorofilinin udulmasını və karotin kimi müxtəlif bitki böyümə keyfiyyətlərinin udulmasını təşviq edən ən yaxşı gübrədir. Bununla belə, bitkilərin böyüməsini müəyyən edən həlledici amil təkcə işıqla əlaqəli deyil, həm də su, torpaq və gübrə konfiqurasiyası, böyümə mühiti şəraiti və hərtərəfli texniki nəzarətdən ayrılmaz olan hərtərəfli amildir.

Son iki-üç ildə yarımkeçirici işıqlandırma texnologiyasının üçölçülü bitki fabrikləri və ya bitki böyüməsi ilə bağlı tətbiqi ilə bağlı saysız-hesabsız hesabatlar dərc olunub. Lakin diqqətlə oxuduqdan sonra həmişə narahatlıq hissi yaranır. Ümumiyyətlə, işığın bitki böyüməsində hansı rol oynaması lazım olduğu barədə real bir anlayış yoxdur.

Əvvəlcə, Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, günəşin spektrini başa düşək. Göründüyü kimi, günəş spektri davamlı bir spektrdir, burada mavi və yaşıl spektr qırmızı spektrdən daha güclüdür və görünən işıq spektri 380 ilə 780 nm arasında dəyişir. Təbiətdə orqanizmlərin böyüməsi spektrin intensivliyi ilə əlaqədardır. Məsələn, ekvator yaxınlığındakı ərazidəki əksər bitkilər çox sürətlə böyüyür və eyni zamanda onların böyüməsinin ölçüsü nisbətən böyükdür. Lakin günəş şüalanmasının yüksək intensivliyi həmişə daha yaxşı olmur və heyvanların və bitkilərin böyüməsi üçün müəyyən dərəcədə selektivlik mövcuddur.

Şəkil 1, Günəş spektrinin və onun görünən işıq spektrinin xüsusiyyətləri

İkincisi, bitki böyüməsinin bir neçə əsas udma elementinin ikinci spektr diaqramı Şəkil 2-də göstərilmişdir.

Şəkil 2, Bitki böyüməsində bir neçə auksinin udma spektrləri

Şəkil 2-dən görünür ki, bitki böyüməsinə təsir edən bir neçə əsas auksinin işığın udma spektrləri əhəmiyyətli dərəcədə fərqlidir. Buna görə də, LED bitki böyümə işıqlarının tətbiqi sadə məsələ deyil, çox məqsədyönlüdür. Burada ən vacib iki fotosintetik bitki böyümə elementi anlayışlarını təqdim etmək lazımdır.

• Xlorofil

Xlorofil fotosintezlə əlaqəli ən vacib piqmentlərdən biridir. Yaşıl bitkilər, prokaryotik mavi-yaşıl yosunlar (siyanobakteriyalar) və ökaryotik yosunlar da daxil olmaqla, fotosintez yarada bilən bütün orqanizmlərdə mövcuddur. Xlorofil işığın enerjisini udur və daha sonra karbon qazını karbohidratlara çevirmək üçün istifadə olunur.

Xlorofil a əsasən qırmızı işığı, xlorofil b isə əsasən mavi-bənövşəyi işığı udur ki, bu da əsasən kölgə bitkilərini günəş bitkilərindən ayırd etsin. Kölgə bitkilərində xlorofil b-nin xlorofil a-ya nisbəti azdır, buna görə də kölgə bitkiləri mavi işığı güclü şəkildə istifadə edə və kölgədə böyüməyə uyğunlaşa bilir. Xlorofil a mavi-yaşıl, xlorofil b isə sarı-yaşıl rəngdədir. Xlorofil a və xlorofil b-nin iki güclü udulma nöqtəsi var: biri 630-680 nm dalğa uzunluğunda qırmızı bölgədə, digəri isə 400-460 nm dalğa uzunluğunda mavi-bənövşəyi bölgədə.

• Karotenoidlər

Karotenoidlər, heyvanlarda, ali bitkilərdə, göbələklərdə və yosunlarda sarı, narıncı-qırmızı və ya qırmızı piqmentlərdə tez-tez rast gəlinən vacib təbii piqmentlər sinfinin ümumi adıdır. İndiyə qədər 600-dən çox təbii karotenoid aşkar edilmişdir.

Karotenoidlərin işığın udulması OD303~505 nm diapazonunu əhatə edir ki, bu da qidanın rəngini təmin edir və bədənin qida qəbuluna təsir göstərir. Yosunlarda, bitkilərdə və mikroorqanizmlərdə onun rəngi xlorofil ilə örtülür və görünə bilmir. Bitki hüceyrələrində istehsal olunan karotenoidlər yalnız fotosintezə kömək etmək üçün enerjini udur və ötürmür, həm də hüceyrələri həyəcanlanmış tək elektron rabitə oksigen molekulları tərəfindən məhv olmaqdan qorumaq funksiyasına malikdir.

Bəzi konseptual anlaşılmazlıqlar

Enerjiyə qənaət effektindən, işığın seçiciliyindən və işığın koordinasiyasından asılı olmayaraq, yarımkeçirici işıqlandırma böyük üstünlüklər göstərmişdir. Bununla belə, son iki ilin sürətli inkişafından işığın dizaynı və tətbiqində bir çox anlaşılmazlıqlar da müşahidə etmişik ki, bunlar əsasən aşağıdakı aspektlərdə öz əksini tapır.

①Müəyyən bir dalğa uzunluğundakı qırmızı və mavi çiplər müəyyən bir nisbətdə birləşdirildiyi müddətcə, onlar bitki becərilməsində istifadə edilə bilər, məsələn, qırmızı ilə mavinin nisbəti 4:1, 6:1, 9:1 və s.-dir.

②Ağ işıq olduğu müddətcə, Yaponiyada geniş istifadə olunan üç əsaslı ağ işıq borusu kimi günəş işığını əvəz edə bilər. Bu spektrlərin istifadəsi bitkilərin böyüməsinə müəyyən təsir göstərir, lakin təsir LED-in yaratdığı işıq mənbəyi qədər yaxşı deyil.

③İşıqlandırmanın vacib parametri olan PPFD (işıq kvant axını sıxlığı) müəyyən bir indeksə çatdığı müddətcə, məsələn, PPFD 200 μmol·m-2·s-1-dən böyükdür. Lakin, bu göstəricidən istifadə edərkən, onun kölgə bitkisi və ya günəş bitkisi olduğuna diqqət yetirməlisiniz. Bu bitkilərin işıq kompensasiya doyma nöqtəsini, yəni işıq kompensasiya nöqtəsini soruşmalı və ya tapmalısınız, bu da işıq kompensasiya nöqtəsi adlanır. Həqiqi tətbiqlərdə fidanlar tez-tez yandırılır və ya quruyur. Buna görə də, bu parametrin dizaynı bitki növünə, böyümə mühitinə və şərtlərinə uyğun olaraq hazırlanmalıdır.

Girişdə təqdim edildiyi kimi, birinci aspektə gəldikdə, bitki böyüməsi üçün tələb olunan spektr müəyyən bir paylanma genişliyinə malik davamlı bir spektr olmalıdır. Çox dar bir spektrə malik qırmızı və mavi iki spesifik dalğa uzunluğu çipindən ibarət işıq mənbəyindən istifadə etmək açıq-aydın uyğun deyil (Şəkil 3(a)-da göstərildiyi kimi). Təcrübələrdə bitkilərin sarımtıl olmağa meylli olduğu, yarpaq gövdələrinin çox açıq və yarpaq gövdələrinin çox nazik olduğu aşkar edilmişdir.

Əvvəlki illərdə geniş istifadə edilən üç əsas rəngə malik flüoresan lampalar üçün ağ rəng sintez olunsa da, qırmızı, yaşıl və mavi spektrlər ayrılır (Şəkil 3(b)-də göstərildiyi kimi) və spektrin eni çox dardır. Növbəti davamlı hissənin spektral intensivliyi nisbətən zəifdir və güc LED-lərlə müqayisədə hələ də nisbətən böyükdür, enerji istehlakının 1,5-3 qatıdır. Buna görə də, istifadə effekti LED işıqları qədər yaxşı deyil.

Şəkil 3, Qırmızı və mavi çipli LED bitki işığı və üç əsas rəngli flüoresan işıq spektri

PPFD, fotosintezdə işığın effektiv şüalanma işıq axını sıxlığına aid olan işıq kvant axını sıxlığıdır və vahid vaxt və vahid sahə üçün 400 ilə 700 nm arasında dalğa uzunluğu diapazonunda bitki yarpaq gövdələrinə düşən işıq kvantlarının ümumi sayını təmsil edir. Onun vahidi μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1)-dir. Fotosintetik aktiv şüalanma (PAR) dalğa uzunluğu 400 ilə 700 nm arasında olan ümumi günəş şüalanmasına aiddir. Bu, ya işıq kvantları, ya da şüalanma enerjisi ilə ifadə edilə bilər.

Keçmişdə illüminometr tərəfindən əks olunan işıq intensivliyi parlaqlıq idi, lakin bitki böyümə spektri işıqlandırma qurğusunun bitkidən hündürlüyünə, işığın əhatə dairəsinə və işığın yarpaqlardan keçib-keçib-keçib-keçib-keçirməməsinə görə dəyişir. Buna görə də, fotosintezin öyrənilməsində par-dan işıq intensivliyinin göstəricisi kimi istifadə etmək düzgün deyil.

Ümumiyyətlə, fotosintez mexanizmi günəşi sevən bitkinin PPFD-si 50 μmol·m-2·s-1-dən böyük olduqda, kölgəli bitkinin PPFD-si isə yalnız 20 μmol·m-2·s-1-ə ehtiyac duyduqda başlaya bilər. Buna görə də, LED böyümə işıqları alarkən, bu istinad dəyərinə və əkdiyiniz bitki növünə əsasən LED böyümə işıqlarının sayını seçə bilərsiniz. Məsələn, tək bir LED işığının PPFD-si 20 μmol·m-2·s-1-dirsə, günəşi sevən bitkilər yetişdirmək üçün 3-dən çox LED bitki lampası tələb olunur.

Yarımkeçirici işıqlandırmanın bir neçə dizayn həlli

Yarımkeçirici işıqlandırma bitki böyüməsi və ya əkilməsi üçün istifadə olunur və iki əsas istinad metodu mövcuddur.

• Hazırda Çində qapalı məkanlarda əkin modeli çox populyardır. Bu modelin bir neçə xüsusiyyəti var:

①LED işıqlarının rolu bitki işıqlandırmasının tam spektrini təmin etməkdir və bütün işıqlandırma enerjisini təmin etmək üçün işıqlandırma sistemi tələb olunur və istehsal dəyəri nisbətən yüksəkdir;
②LED böyümə işıqlarının dizaynı spektrin davamlılığını və bütövlüyünü nəzərə almalıdır;
③İşıqlandırma vaxtını və işıqlandırma intensivliyini effektiv şəkildə idarə etmək lazımdır, məsələn, bitkilərin bir neçə saat dincəlməsinə icazə vermək, şüalanmanın intensivliyi kifayət deyil və ya çox güclüdür və s.;
④Bütün proses açıq havada bitkilərin faktiki optimal böyümə mühitinin tələb etdiyi şərtləri, məsələn, rütubət, temperatur və CO2 konsentrasiyasını təqlid etməlidir.

• Yaxşı açıq hava istixanası əkin təməli ilə açıq hava əkin rejimi. Bu modelin xüsusiyyətləri aşağıdakılardır:

①LED işıqlarının rolu işığı tamamlamaqdır. Biri bitkilərin fotosintezini təşviq etmək üçün gündüz günəş işığı altında mavi və qırmızı sahələrdə işıq intensivliyini artırmaq, digəri isə gecə günəş işığı olmadıqda kompensasiya etmək və bitkilərin böyümə sürətini artırmaqdır.
②Əlavə işıqlandırma bitkinin hansı böyümə mərhələsində olduğunu, məsələn, fidan dövrü və ya çiçəkləmə və meyvə vermə dövrü nəzərə almalıdır.

Buna görə də, LED bitki yetişdirmə işıqlarının dizaynı əvvəlcə iki əsas dizayn rejiminə malik olmalıdır: 24 saatlıq işıqlandırma (qapalı məkan) və bitki böyüməsi əlavə işıqlandırması (açıq hava). Qapalı məkanda bitki becərilməsi üçün LED bitki yetişdirmə işıqlarının dizaynı Şəkil 4-də göstərildiyi kimi üç aspekti nəzərə almalıdır. Çipləri müəyyən bir nisbətdə üç əsas rənglə qablaşdırmaq mümkün deyil.

Şəkil 4, 24 saat işıqlandırma üçün qapalı LED bitki gücləndirici işıqlarından istifadənin dizayn ideyası

Məsələn, körpələr evi mərhələsindəki spektr üçün, köklərin və gövdələrin böyüməsini, yarpaqların budaqlanmasını gücləndirməli olduğunu və işıq mənbəyinin qapalı məkanda istifadə edildiyini nəzərə alsaq, spektr Şəkil 5-də göstərildiyi kimi dizayn edilə bilər.

Şəkil 5, LED qapalı uşaq bağçası dövrü üçün uyğun spektral strukturlar

İkinci növ LED böyümə lampasının dizaynı üçün, əsasən açıq hava istixanasının bazasında əkinləri təşviq etmək üçün əlavə işığın dizayn həllinə yönəldilmişdir. Dizayn ideyası Şəkil 6-da göstərilmişdir.

Şəkil 6, Açıq havada yetişdirilən işıqların dizayn ideyaları 

Müəllif təklif edir ki, daha çox əkin şirkəti bitki böyüməsini təşviq etmək üçün LED işıqlarından istifadə etmək üçün ikinci variantı tətbiq edir.

Əvvəla, Çinin açıq hava istixana becərilməsi həm cənubda, həm də şimalda onilliklər boyu böyük təcrübəyə və geniş təcrübəyə malikdir. İstixana becərilməsi texnologiyasının yaxşı təməlinə malikdir və ətraf şəhərlər üçün bazara çoxlu sayda təzə meyvə və tərəvəz təqdim edir. Xüsusilə torpaq, su və gübrə əkilməsi sahəsində zəngin tədqiqat nəticələri əldə edilmişdir.

İkincisi, bu cür əlavə işıq həlli lazımsız enerji istehlakını əhəmiyyətli dərəcədə azalda bilər və eyni zamanda meyvə və tərəvəz məhsuldarlığını effektiv şəkildə artıra bilər. Bundan əlavə, Çinin geniş coğrafi ərazisi təşviq üçün çox əlverişlidir.

LED bitki işıqlandırmasının elmi tədqiqatı olaraq, bu, həm də daha geniş təcrübi baza təmin edir. Şəkil 7, bu tədqiqat qrupu tərəfindən hazırlanmış və istixanalarda yetişdirmək üçün uyğun olan bir növ LED böyümə lampasıdır və onun spektri Şəkil 8-də göstərilmişdir.

Şəkil 7, Bir növ LED böyümə lampası

Şəkil 8, bir növ LED böyümə işığının spektri

Yuxarıda göstərilən dizayn ideyalarına əsasən, tədqiqat qrupu bir sıra təcrübələr aparıb və təcrübi nəticələr çox əhəmiyyətlidir. Məsələn, tinglik zamanı böyümə işığı üçün istifadə edilən orijinal lampa 32 Vt gücündə və 40 günlük tinglik dövrünə malik flüoresan lampadır. Biz 12 Vt gücündə LED işıq təmin edirik ki, bu da tinglik dövrünü 30 günə qədər qısaldır, tinglik emalatxanasında lampaların temperaturunun təsirini effektiv şəkildə azaldır və kondisionerin enerji istehlakına qənaət edir. Fidanların qalınlığı, uzunluğu və rəngi orijinal tinglik yetişdirmə həllindən daha yaxşıdır. Adi tərəvəzlərin tingləri üçün də yaxşı yoxlama nəticələri əldə edilmişdir ki, bunlar aşağıdakı cədvəldə ümumiləşdirilib.

Bunların arasında əlavə işıq qrupu PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1 və qırmızı-mavi nisbəti: 0.6-0.7 idi. Təbii qrupun gündüz PPFD dəyərinin diapazonu 40~800 μmol·m-2·s-1, qırmızının maviyə nisbəti isə 0.6~1.2 idi. Göründüyü kimi, yuxarıdakı göstəricilər təbii şəkildə yetişdirilən fidanların göstəricilərindən daha yaxşıdır.

Nəticə

Bu məqalədə bitki becərilməsində LED böyümə işıqlarının tətbiqindəki ən son inkişaflar təqdim olunur və bitki becərilməsində LED böyümə işıqlarının tətbiqindəki bəzi anlaşılmazlıqlar qeyd olunur. Nəhayət, bitki becərilməsi üçün istifadə edilən LED böyümə işıqlarının hazırlanması üçün texniki ideyalar və sxemlər təqdim olunur. Qeyd etmək lazımdır ki, işığın quraşdırılması və istifadəsində işıqla bitki arasındakı məsafə, lampanın şüalanma diapazonu və işığın normal su, gübrə və torpaqla necə tətbiq edilməsi kimi bəzi amillər də nəzərə alınmalıdır.

Müəllif: Yi Wang et al. Mənbə: CNKI