一, Fotobiologian perusteet: Kuinka kasvit imevät valoa ja reagoivat siihen
Kasvien kloroplastit sisältävät fotosynteettisiä pigmenttejä, jotka antavat niiden absorboida tiettyjä valon aallonpituuksia. Tärkeimmät fotosynteesiä ohjaavat vyöhykkeet ovat punainen valo (600–700 nm) ja sininen valo (400–500 nm). Punainen valo ohjaa valon morfogeneesiä käyttämällä valoherkkiä pigmenttejä saamaan varret kasvamaan pidemmiksi ja tuottamaan hiilihydraatteja; sininen valo pysäyttää liiallisen kasvun, saa klorofyllin ja proteiinin kerääntymään kryptokromin kautta ja saa varret kasvamaan pidemmiksi. Kun punaisen ja sinisen valon suhde on 4:1, on kokeet osoittaneet, että salaatin kuiva-ainekertymä kasvaa 30 % monokromaattiseen valoon verrattuna ja klorofyllipitoisuus 22 %.
Kaukopunaisen valon (700–800 nm) suhde punaiseen valoon (R/FR) on myös erittäin tärkeä kasvien kasvun kannalta. Kasvit pidentävät varren solmuja ja laajentavat lehtien pinta-alaa "varjostusreaktion" avulla kilpaillakseen valoista, kun R/FR-suhde laskee. Tämä tekniikka on erittäin tärkeä kasveille, jotka istutetaan lähelle toisiaan, kuten pystysuunnassa kasvatetuille tomaateille, joissa R/FR-suhteen muuttaminen voi alentaa kasvin korkeutta 18 % ja lisätä hedelmän tuottoa 15 %.
2, LED-tekniikan edut: Tarkka ohjaus ja vallankumous energiatehokkuudessa
1. Spektrivirittävyys: iso askel eteenpäin monokromaattisesta valosta koko spektriin
Perinteiset valonlähteet, kuten korkeapaineiset natriumlamput (HPS), fokusoivat spektrinsä keltaiseen-vihreään valoon (550–600 nm). Kasvit sen sijaan imevät vain alle 5 % vihreästä valosta. LED-tekniikka voi muuttaa valon spektriä erittäin tarkasti ohjaamalla punaisia, sinisiä ja valkoisia valosiruja erikseen. Esimerkiksi FloraFlex-sarjan LED-kasvulamppu käyttää 660nm syvän punaista valoa, 450nm sinistä valoa ja 5000K valkoista valoa. Sen fotosynteettinen fotonivuon tiheys (PPFD) on 1 200 μmol/m²/s, mikä on 40 % energiatehokkaampi kuin HPS-lamput.
2. Kylmän valonlähteen ominaisuudet: Maantieteellisten rajojen ylittäminen
LEDit ovat yli 200 lm/W kirkkaita, ja ne tuottavat vain 1/5 niin paljon lämpöä kuin HPS-lamput. Tämän ominaisuuden ansiosta LED-valotaulu voidaan sijoittaa lähelle kasvin katosta (10–30 cm:n etäisyydelle), jolloin valovoima pinta-alayksikköä kohti on 3–5 kertaa vahvempi. Shenzhenissä sijaitsevalla pystysuoralla maatilalla käytetään monikerroksista LED-kolmiulotteista{10}}viljelyjärjestelmää. Tämä tekniikka käyttää maata 8 kertaa tehokkaammin kuin tyypilliset maatilat ja käyttää 92 % vähemmän vettä.
3. Dynaamisen valoympäristön ohjaus, joka jäljittelee luonnollisia rytmejä
LED voi muuttaa valon kirkkautta, väriä ja kestoa dynaamisesti älykkään ohjausjärjestelmän avulla. Esimerkiksi salaatin taimivaiheessa 16 tunnin sinisen valon ja 8 tunnin punaisen valon sykli voi nostaa siementen itämisastetta 78 %:sta 92 %:iin. Myös kukinnan induktiojakson aikana kaukopunaisen valon määrän lisääminen 5 %:sta 15 %:iin voi saada krysanteemit kukkimaan 7 päivää aikaisemmin.
3, Käyttötapaukset teollisuudessa: laboratoriosta kaupalliseen tuotantoon
1. Kasvien tehdas: standardi asioiden tekemiseen tehtaissa
Mirai Corporationilla on maailman suurin tehdas Japanissa, jonka pinta-ala on 23 000 neliömetriä ja joka käyttää vain LED-valoja. Se tuottaa 30 000 kg kasviksia vuodessa. Järjestelmä voi automaattisesti muuttaa spektrikaavaa seuraamalla ympäristötekijöitä reaaliajassa. Esimerkiksi punainen ja sininen valo ovat päävärejä ravinnon kasvujakson aikana (suhde 3:1), ja kaukopunaista valoa lisätään lisääntymiskasvujakson aikana (R/FR=0.8). Tämä johtaa VC-pitoisuuteen, joka on 1,8 kertaa korkeampi kuin ulkona istutettaessa salaatteja.
2. Vertikaalinen maatalous: muutos tavassa, jolla kaupungit käyttävät tilaa
Sky Greens Singaporessa suunnitteli A-muotoisen kolmiulotteisen-kasvatustelineen, jonka jokaisessa kerroksessa on LED-valonauhat, joita voidaan säätää eri kulmiin. "Aamun punainen valo + iltapäivän sininen valo" -aika-valonjakomenetelmää käytetään lehtivihanneksien kasvattamiseen. Tämä parantaa pinta-alayksikkösatoa neljä kertaa tyypilliseen tasomaiseen viljelyyn verrattuna. Tämä tekniikka on työnnetty paikkoihin, joissa vettä on vaikea saada, kuten Dubaihin, jossa se käyttää vain 2,5 litraa vettä kilogrammaa kohti kasviksia.
3. Kotipuutarhanhoito: henkilökohtaisen istutuksen tekeminen suositummaksi
Parvekekasveihin on nyt saatavana LED-istutuslaatikoita säädettävällä spektrillä. Esimerkiksi AeroGarden-sarjassa on punaisia, sinisiä ja valkoisia LED-valoja, joita voidaan säädellä sovelluksella ja leikkaamaan vaniljakasvien kasvusykliä 30 % valojen pituuden ja kirkkauden suhteen. LED-valojen lisääminen paikkoihin, joissa valoa on rajoitettu, kuten pohjoiseen päin oleviin parvekkeisiin, voi saada vihreän muratin varret kasvamaan 44 % pidemmiksi ja lehdet 15 % leveämmiksi.
4, Alan ongelmat ja trendit
1. Tekninen tiesulku: spektrin optimointi ja kustannusten pitäminen kurissa
LED-kasvulamppujen ostokustannukset ovat edelleen 2–3 kertaa HPS-lamppuihin verrattuna. Vaikka pitkä käyttöikä (yli 50 000 tuntia) voi säästää pitkällä-käyttökustannuksissa, spektrin mukauttamistekniikan on silti edistyttävä. "Kevyen kaavan" tietokanta eri viljelykasveille ei ole vielä valmis, ja se tarvitsee paljon enemmän kenttäkokeita saadakseen tarpeeksi tietoa.
2. Ei standardeja: porsaanreikiä markkinoiden sääntelyssä
LED-kasvivalaistuksen globaaleilla markkinoilla ei ole yhdenmukaisia standardeja, ja joillakin tuotteilla on vaikeuksia, kuten spektrin väärät merkinnät ja energiatehokkuuspetokset. "Technical Specification for LED Lamps for Plant Growth" on Kiinan maatalous- ja maaseutuministeriön laatima. Siinä määritellään vaaditut standardit tärkeille tekijöille, mukaan lukien PPFD ja R/FR-suhde.
3. Innovaatioiden kehityskulku on kohti älykkyyttä ja monimuotoista integraatiota.
Tulevaisuudessa LED-kasvuvalot pystyvät ohjaamaan "valolämpötilan kosteusilmaa" kerralla. Esimerkiksi Philipsin GrowWise-järjestelmä Alankomaissa käyttää LED-valotauluja, joissa on anturit, jotka pitävät silmällä, kuinka nopeasti kasvit hengittävät, ja muuttavat automaattisesti valon voimakkuutta. Tämä parantaa vesivarojen käyttöä 60 %.
