Introduction

La lumière joue un rôle clé dans le processus de croissance des plantes. C'est le meilleur engrais pour favoriser l'absorption de la chlorophylle végétale et l'absorption de diverses qualités de croissance des plantes comme le carotène. Cependant, le facteur décisif qui détermine la croissance des plantes est un facteur global, non seulement lié à la lumière, mais également indissociable de la configuration de l'eau, du sol et des engrais, des conditions environnementales de croissance et d'un contrôle technique complet.

Au cours des deux ou trois dernières années, de nombreux rapports ont été publiés sur l'application de la technologie d'éclairage à semi-conducteurs aux usines tridimensionnelles ou à la croissance des plantes. Mais après une lecture attentive, il y a toujours un sentiment de malaise. D’une manière générale, on ne comprend pas vraiment quel rôle la lumière devrait jouer dans la croissance des plantes.

Commençons par comprendre le spectre du soleil, comme le montre la figure 1. On peut voir que le spectre solaire est un spectre continu, dans lequel les spectres bleu et vert sont plus forts que le spectre rouge, et le spectre de la lumière visible va de 380 à 780 nm. La croissance des organismes dans la nature est liée à l'intensité du spectre. Par exemple, la plupart des plantes de la zone proche de l’équateur poussent très rapidement et, en même temps, leur taille est relativement importante. Mais la forte intensité du rayonnement solaire n'est pas toujours la meilleure, et il existe un certain degré de sélectivité pour la croissance des animaux et des plantes.

Figure 1, Les caractéristiques du spectre solaire et son spectre de lumière visible

Deuxièmement, le deuxième diagramme spectral de plusieurs éléments d’absorption clés de la croissance végétale est présenté à la figure 2.

Figure 2, Spectres d'absorption de plusieurs auxines dans la croissance des plantes

La figure 2 montre que les spectres d’absorption de la lumière de plusieurs auxines clés qui affectent la croissance des plantes sont très différents. Par conséquent, l’application de lampes LED pour la croissance des plantes n’est pas une question simple, mais très ciblée. Ici, il est nécessaire d’introduire les concepts des deux éléments photosynthétiques les plus importants pour la croissance des plantes.

• Chlorophylle

La chlorophylle est l'un des pigments les plus importants liés à la photosynthèse. Il existe dans tous les organismes capables de créer la photosynthèse, notamment les plantes vertes, les algues bleu-vert procaryotes (cyanobactéries) et les algues eucaryotes. La chlorophylle absorbe l'énergie de la lumière, qui est ensuite utilisée pour convertir le dioxyde de carbone en glucides.

La chlorophylle a absorbe principalement la lumière rouge et la chlorophylle b absorbe principalement la lumière bleu-violet, principalement pour distinguer les plantes d'ombre des plantes solaires. Le rapport entre la chlorophylle b et la chlorophylle a des plantes d'ombre est faible, de sorte que les plantes d'ombre peuvent utiliser fortement la lumière bleue et s'adapter à la croissance à l'ombre. La chlorophylle a est bleu-vert et la chlorophylle b est jaune-vert. Il existe deux fortes absorptions de chlorophylle a et de chlorophylle b, l'une dans la région rouge avec une longueur d'onde de 630 à 680 nm et l'autre dans la région bleu-violet avec une longueur d'onde de 400 à 460 nm.

• Caroténoïdes

Les caroténoïdes sont le terme général désignant une classe de pigments naturels importants, que l'on trouve couramment dans les pigments jaunes, orange-rouge ou rouges chez les animaux, les plantes supérieures, les champignons et les algues. Jusqu’à présent, plus de 600 caroténoïdes naturels ont été découverts.

L'absorption lumineuse des caroténoïdes couvre la plage de OD303 ~ 505 nm, qui donne la couleur des aliments et affecte la consommation alimentaire du corps. Chez les algues, les plantes et les micro-organismes, sa couleur est recouverte par la chlorophylle et ne peut apparaître. Dans les cellules végétales, les caroténoïdes produits non seulement absorbent et transfèrent de l'énergie pour faciliter la photosynthèse, mais ont également pour fonction de protéger les cellules contre la destruction par les molécules d'oxygène excitées à liaison monoélectronique.

Quelques malentendus conceptuels

Indépendamment de l'effet d'économie d'énergie, de la sélectivité de la lumière et de la coordination de la lumière, l'éclairage à semi-conducteurs a montré de grands avantages. Cependant, suite au développement rapide des deux dernières années, nous avons également constaté de nombreux malentendus dans la conception et l'application de la lumière, qui se reflètent principalement dans les aspects suivants.

①Tant que les chips rouges et bleues d'une certaine longueur d'onde sont combinées dans un certain rapport, elles peuvent être utilisées dans la culture des plantes, par exemple, le rapport du rouge au bleu est de 4:1, 6:1, 9:1 et ainsi de suite. sur.

②Tant qu'il s'agit de lumière blanche, elle peut remplacer la lumière du soleil, comme le tube de lumière blanche à trois primaires largement utilisé au Japon, etc. L'utilisation de ces spectres a un certain effet sur la croissance des plantes, mais l'effet est pas aussi bon que la source de lumière fabriquée par LED.

③Tant que le PPFD (densité de flux quantique lumineux), un paramètre important de l'éclairage, atteint un certain indice, par exemple, le PPFD est supérieur à 200 μmol·m-2·s-1. Cependant, lorsque vous utilisez cet indicateur, vous devez faire attention à savoir s’il s’agit d’une plante d’ombre ou d’une plante solaire. Vous devez interroger ou trouver le point de saturation de compensation lumineuse de ces plantes, également appelé point de compensation lumineuse. Dans les applications réelles, les plants sont souvent brûlés ou flétris. Par conséquent, la conception de ce paramètre doit être conçue en fonction de l’espèce végétale, de l’environnement et des conditions de croissance.

Concernant le premier aspect, tel qu'introduit dans l'introduction, le spectre requis pour la croissance des plantes doit être un spectre continu avec une certaine largeur de distribution. Il est évidemment inapproprié d’utiliser une source lumineuse composée de deux puces de longueur d’onde spécifique, rouge et bleue, avec un spectre très étroit (comme le montre la figure 3(a)). Lors d'expériences, il a été constaté que les plantes ont tendance à être jaunâtres, que les tiges des feuilles sont très claires et que les tiges des feuilles sont très fines.

Pour les tubes fluorescents à trois couleurs primaires couramment utilisés les années précédentes, bien que le blanc soit synthétisé, les spectres rouge, vert et bleu sont séparés (comme le montre la figure 3(b)) et la largeur du spectre est très étroite. L'intensité spectrale de la partie continue suivante est relativement faible, et la puissance est encore relativement importante par rapport aux LED, 1,5 à 3 fois la consommation d'énergie. Par conséquent, l'effet d'utilisation n'est pas aussi bon que celui des lumières LED.

Figure 3, Lumière d'usine à puces rouges et bleues et spectre de lumière fluorescente à trois couleurs primaires

PPFD est la densité de flux quantique de lumière, qui fait référence à la densité de flux lumineux de rayonnement efficace de la lumière lors de la photosynthèse, qui représente le nombre total de quanta de lumière incidents sur les tiges des feuilles des plantes dans la plage de longueurs d'onde de 400 à 700 nm par unité de temps et de surface. . Son unité est μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). Le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) fait référence au rayonnement solaire total dont la longueur d'onde est comprise entre 400 et 700 nm. Elle peut s'exprimer soit par des quanta de lumière, soit par de l'énergie rayonnante.

Dans le passé, l'intensité lumineuse réfléchie par l'illuminamètre était la luminosité, mais le spectre de croissance des plantes change en raison de la hauteur du luminaire par rapport à la plante, de la couverture lumineuse et de la capacité de la lumière à traverser les feuilles. Par conséquent, il n’est pas exact d’utiliser le par comme indicateur de l’intensité lumineuse dans l’étude de la photosynthèse.

Généralement, le mécanisme de photosynthèse peut être déclenché lorsque le PPFD de la plante qui aime le soleil est supérieur à 50 μmol·m-2·s-1, alors que le PPFD de la plante ombragée n'a besoin que de 20 μmol·m-2·s-1. . Par conséquent, lors de l'achat de lampes de culture à LED, vous pouvez choisir le nombre de lampes de culture à LED en fonction de cette valeur de référence et du type de plantes que vous plantez. Par exemple, si le PPFD d'une seule lumière LED est de 20 μmol·m-2·s-1, plus de 3 ampoules LED sont nécessaires pour faire pousser des plantes qui aiment le soleil.

Plusieurs solutions de conception d'éclairage à semi-conducteurs

L'éclairage à semi-conducteurs est utilisé pour la croissance ou la plantation des plantes, et il existe deux méthodes de référence de base.

• À l'heure actuelle, le modèle de plantation en intérieur est très en vogue en Chine. Ce modèle présente plusieurs caractéristiques :

①Le rôle des lumières LED est de fournir le spectre complet de l'éclairage des plantes, et le système d'éclairage doit fournir toute l'énergie d'éclairage, et le coût de production est relativement élevé ;
②La conception des lampes de culture à LED doit prendre en compte la continuité et l'intégrité du spectre ;
③Il est nécessaire de contrôler efficacement la durée et l'intensité de l'éclairage, par exemple en laissant les plantes reposer pendant quelques heures, l'intensité de l'irradiation n'est pas suffisante ou trop forte, etc.
④L'ensemble du processus doit imiter les conditions requises par l'environnement de croissance optimal réel des plantes en extérieur, telles que l'humidité, la température et la concentration de CO2.

• Mode de plantation en extérieur avec une bonne base de plantation en serre extérieure. Les caractéristiques de ce modèle sont :

①Le rôle des lumières LED est de compléter la lumière. L'une consiste à augmenter l'intensité lumineuse dans les zones bleues et rouges sous l'irradiation du soleil pendant la journée pour favoriser la photosynthèse des plantes, et l'autre consiste à compenser lorsqu'il n'y a pas de soleil la nuit pour favoriser le taux de croissance des plantes.
②La lumière supplémentaire doit tenir compte du stade de croissance dans lequel se trouve la plante, comme la période de semis ou la période de floraison et de fructification.

Par conséquent, la conception des lampes de culture de plantes à LED doit d'abord avoir deux modes de conception de base, à savoir l'éclairage 24 heures sur 24 (intérieur) et l'éclairage supplémentaire pour la croissance des plantes (extérieur). Pour la culture de plantes en intérieur, la conception des lampes de culture à LED doit prendre en compte trois aspects, comme le montre la figure 4. Il n'est pas possible de conditionner les puces avec trois couleurs primaires dans une certaine proportion.

Figure 4, L'idée de conception consistant à utiliser des lampes d'appoint pour plantes d'intérieur à LED pour un éclairage 24h/24

Par exemple, pour un spectre au stade de pépinière, étant donné qu'il doit renforcer la croissance des racines et des tiges, renforcer la ramification des feuilles et que la source lumineuse est utilisée à l'intérieur, le spectre peut être conçu comme le montre la figure 5.

Figure 5, Structures spectrales adaptées à la période de pépinière intérieure à LED

Pour la conception du deuxième type de lampe de culture à LED, elle vise principalement la solution de conception consistant à compléter la lumière pour favoriser la plantation à la base de la serre extérieure. L'idée de conception est illustrée à la figure 6.

Figure 6, Idées de conception de lampes de culture extérieures 

L’auteur suggère que davantage d’entreprises de plantation adoptent la deuxième option consistant à utiliser des lumières LED pour favoriser la croissance des plantes.

Tout d'abord, la culture en serre extérieure en Chine possède des décennies d'expérience considérable et variée, tant dans le sud que dans le nord. Elle dispose d'une bonne base de technologie de culture en serre et fournit un grand nombre de fruits et légumes frais sur le marché des villes environnantes. En particulier dans le domaine de la plantation des sols, de l'eau et des engrais, de riches résultats de recherche ont été obtenus.

Deuxièmement, ce type de solution d’éclairage supplémentaire peut réduire considérablement la consommation inutile d’énergie tout en augmentant efficacement le rendement des fruits et légumes. En outre, la vaste zone géographique de la Chine est très propice à la promotion.

En tant que recherche scientifique sur l’éclairage des plantes à LED, elle fournit également une base expérimentale plus large. La figure 7 est une sorte de lampe de culture à LED développée par cette équipe de recherche, adaptée à la culture en serre, et son spectre est illustré à la figure 8.

Figure 7, Une sorte de lampe de culture à LED

Figure 8, spectre d'une sorte de lumière de croissance LED

Selon les idées de conception ci-dessus, l'équipe de recherche a mené une série d'expériences et les résultats expérimentaux sont très significatifs. Par exemple, pour la culture en pépinière, la lampe originale utilisée est une lampe fluorescente d'une puissance de 32 W et d'un cycle de pépinière de 40 jours. Nous fournissons une lumière LED de 12 W, qui raccourcit le cycle de semis à 30 jours, réduit efficacement l'influence de la température des lampes dans l'atelier de semis et économise la consommation électrique du climatiseur. L'épaisseur, la longueur et la couleur des plants sont meilleures que la solution originale de culture des plants. Pour les plants de légumes communs, de bonnes conclusions de vérification ont également été obtenues, qui sont résumées dans le tableau suivant.

Parmi eux, le groupe de lumière supplémentaire PPFD : 70-80 μmol·m-2·s-1, et le rapport rouge-bleu : 0,6-0,7. La plage de valeurs PPFD diurnes du groupe naturel était de 40 à 800 μmol·m-2·s-1 et le rapport du rouge au bleu était de 0,6 à 1,2. On peut voir que les indicateurs ci-dessus sont meilleurs que ceux des plants cultivés naturellement.

Conclusion

Cet article présente les derniers développements dans l'application des lampes de culture à LED dans la culture des plantes et souligne certains malentendus dans l'application des lampes de culture à LED dans la culture des plantes. Enfin, les idées et schémas techniques pour le développement de lampes de culture à LED utilisées pour la culture des plantes sont présentés. Il convient de souligner que certains facteurs doivent également être pris en compte lors de l'installation et de l'utilisation de la lumière, tels que la distance entre la lumière et la plante, la plage d'irradiation de la lampe et la manière d'appliquer la lumière avec eau normale, engrais et terre.

Auteur : Yi Wang et al. Source : CNKI