परिचय

पौधों की वृद्धि प्रक्रिया में प्रकाश की महत्वपूर्ण भूमिका होती है। यह पौधों द्वारा क्लोरोफिल के अवशोषण और कैरोटीन जैसे विभिन्न पोषक तत्वों के अवशोषण को बढ़ावा देने के लिए सर्वोत्तम उर्वरक है। हालांकि, पौधों की वृद्धि को निर्धारित करने वाला निर्णायक कारक व्यापक होता है, जो केवल प्रकाश से ही संबंधित नहीं होता, बल्कि जल, मिट्टी और उर्वरक की संरचना, वृद्धि के लिए उपयुक्त वातावरण और व्यापक तकनीकी नियंत्रण से भी अविभाज्य रूप से जुड़ा होता है।

पिछले दो-तीन वर्षों में, त्रि-आयामी पौध संयंत्रों या पौध वृद्धि के संबंध में अर्धचालक प्रकाश प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग पर अनगिनत रिपोर्टें आई हैं। लेकिन इन्हें ध्यानपूर्वक पढ़ने के बाद हमेशा कुछ अनसुलझा सा लगता है। सामान्यतः, पौध वृद्धि में प्रकाश की क्या भूमिका होनी चाहिए, इस बारे में कोई ठोस समझ नहीं है।

सबसे पहले, आइए सूर्य के स्पेक्ट्रम को समझते हैं, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। यह देखा जा सकता है कि सौर स्पेक्ट्रम एक सतत स्पेक्ट्रम है, जिसमें नीला और हरा स्पेक्ट्रम लाल स्पेक्ट्रम की तुलना में अधिक प्रबल होता है, और दृश्य प्रकाश स्पेक्ट्रम 380 से 780 एनएम तक फैला होता है। प्रकृति में जीवों की वृद्धि स्पेक्ट्रम की तीव्रता से संबंधित होती है। उदाहरण के लिए, भूमध्य रेखा के निकट के क्षेत्र में अधिकांश पौधे बहुत तेजी से बढ़ते हैं, और साथ ही, उनका आकार भी अपेक्षाकृत बड़ा होता है। लेकिन सूर्य की विकिरण की उच्च तीव्रता हमेशा बेहतर नहीं होती, और जानवरों और पौधों की वृद्धि में एक निश्चित स्तर की चयनात्मकता होती है।

चित्र 1, सौर स्पेक्ट्रम और उसके दृश्य प्रकाश स्पेक्ट्रम की विशेषताएं

दूसरे, पादप वृद्धि के कई प्रमुख अवशोषण तत्वों का दूसरा स्पेक्ट्रम आरेख चित्र 2 में दिखाया गया है।

चित्र 2, पादप वृद्धि में विभिन्न ऑक्सिनों के अवशोषण स्पेक्ट्रा

चित्र 2 से देखा जा सकता है कि पौधों की वृद्धि को प्रभावित करने वाले कई प्रमुख ऑक्सिनों के प्रकाश अवशोषण स्पेक्ट्रम में काफी अंतर है। इसलिए, एलईडी पादप वृद्धि प्रकाशों का अनुप्रयोग सरल नहीं, बल्कि अत्यंत लक्षित होना चाहिए। यहाँ दो सबसे महत्वपूर्ण प्रकाश संश्लेषक पादप वृद्धि तत्वों की अवधारणाओं को समझना आवश्यक है।

• क्लोरोफिल

क्लोरोफिल प्रकाश संश्लेषण से संबंधित सबसे महत्वपूर्ण वर्णकों में से एक है। यह उन सभी जीवों में पाया जाता है जो प्रकाश संश्लेषण कर सकते हैं, जिनमें हरे पौधे, प्रोकैरियोटिक नीले-हरे शैवाल (सायनोबैक्टीरिया) और यूकेरियोटिक शैवाल शामिल हैं। क्लोरोफिल प्रकाश से ऊर्जा अवशोषित करता है, जिसका उपयोग कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बोहाइड्रेट में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है।

क्लोरोफिल 'ए' मुख्य रूप से लाल प्रकाश को अवशोषित करता है, और क्लोरोफिल 'बी' मुख्य रूप से नीले-बैंगनी प्रकाश को अवशोषित करता है, जिससे छाया में उगने वाले पौधों को धूप में उगने वाले पौधों से अलग किया जा सकता है। छाया में उगने वाले पौधों में क्लोरोफिल 'बी' और क्लोरोफिल 'ए' का अनुपात कम होता है, इसलिए छाया में उगने वाले पौधे नीले प्रकाश का अधिक उपयोग कर सकते हैं और छाया में उगने के लिए अनुकूलित हो जाते हैं। क्लोरोफिल 'ए' नीले-हरे रंग का होता है, और क्लोरोफिल 'बी' पीले-हरे रंग का होता है। क्लोरोफिल 'ए' और क्लोरोफिल 'बी' के दो प्रबल अवशोषण क्षेत्र होते हैं, एक लाल क्षेत्र में 630-680 एनएम तरंगदैर्ध्य के साथ, और दूसरा नीले-बैंगनी क्षेत्र में 400-460 एनएम तरंगदैर्ध्य के साथ।

• कैरोटीनॉयड

कैरोटीनॉयड महत्वपूर्ण प्राकृतिक वर्णकों के एक वर्ग के लिए सामान्य शब्द है, जो आमतौर पर जानवरों, उच्च पौधों, कवक और शैवाल में पीले, नारंगी-लाल या लाल रंग के वर्णकों में पाए जाते हैं। अब तक 600 से अधिक प्राकृतिक कैरोटीनॉयड की खोज की जा चुकी है।

कैरोटीनॉयड का प्रकाश अवशोषण OD303~505 nm की सीमा में होता है, जो भोजन को रंग प्रदान करता है और शरीर द्वारा भोजन ग्रहण करने को प्रभावित करता है। शैवाल, पौधों और सूक्ष्मजीवों में, इसका रंग क्लोरोफिल द्वारा ढका होता है और दिखाई नहीं देता। पादप कोशिकाओं में उत्पादित कैरोटीनॉयड न केवल प्रकाश संश्लेषण में सहायता के लिए ऊर्जा को अवशोषित और स्थानांतरित करते हैं, बल्कि उत्तेजित एकल-इलेक्ट्रॉन बंध ऑक्सीजन अणुओं द्वारा कोशिकाओं को नष्ट होने से बचाने का कार्य भी करते हैं।

कुछ वैचारिक गलतफहमियाँ

ऊर्जा बचत, प्रकाश की चयनात्मकता और प्रकाश के समन्वय जैसे गुणों के बावजूद, अर्धचालक प्रकाश व्यवस्था ने कई महत्वपूर्ण लाभ दिखाए हैं। हालांकि, पिछले दो वर्षों के तीव्र विकास के कारण, प्रकाश के डिजाइन और अनुप्रयोग में कई गलतफहमियां भी सामने आई हैं, जो मुख्य रूप से निम्नलिखित पहलुओं में परिलक्षित होती हैं।

①जब तक किसी निश्चित तरंगदैर्ध्य के लाल और नीले चिप्स को एक निश्चित अनुपात में मिलाया जाता है, तब तक उनका उपयोग पौधों की खेती में किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, लाल से नीले का अनुपात 4:1, 6:1, 9:1 इत्यादि है।

2. जब तक यह सफेद प्रकाश है, यह सूर्य के प्रकाश का स्थान ले सकता है, जैसे कि जापान में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली तीन प्राथमिक सफेद प्रकाश ट्यूब आदि। इन स्पेक्ट्रमों का उपयोग पौधों की वृद्धि पर एक निश्चित प्रभाव डालता है, लेकिन यह प्रभाव एलईडी द्वारा निर्मित प्रकाश स्रोत जितना अच्छा नहीं होता है।

③ प्रकाश क्वांटम प्रवाह घनत्व (PPFD), जो प्रकाश का एक महत्वपूर्ण मापदंड है, जब तक एक निश्चित स्तर तक नहीं पहुँच जाता, उदाहरण के लिए, PPFD 200 μmol·m⁻²·s⁻¹ से अधिक हो। हालांकि, इस मापदंड का उपयोग करते समय, यह ध्यान रखना आवश्यक है कि पौधा छाया में उगता है या धूप में। आपको इन पौधों के प्रकाश क्षतिपूर्ति संतृप्ति बिंदु का पता लगाना होगा, जिसे प्रकाश क्षतिपूर्ति बिंदु भी कहा जाता है। वास्तविक उपयोग में, अक्सर पौधे जल जाते हैं या मुरझा जाते हैं। इसलिए, इस मापदंड का निर्धारण पौधे की प्रजाति, विकास के वातावरण और परिस्थितियों के अनुसार किया जाना चाहिए।

पहले पहलू के संबंध में, जैसा कि प्रस्तावना में बताया गया है, पौधों की वृद्धि के लिए आवश्यक स्पेक्ट्रम एक निश्चित वितरण चौड़ाई वाला सतत स्पेक्ट्रम होना चाहिए। लाल और नीले रंग की दो विशिष्ट तरंगदैर्ध्य वाली चिप्स से बने प्रकाश स्रोत का उपयोग करना स्पष्ट रूप से अनुपयुक्त है, क्योंकि इसका स्पेक्ट्रम बहुत संकीर्ण होता है (जैसा कि चित्र 3(a) में दिखाया गया है)। प्रयोगों में पाया गया कि पौधे पीले पड़ने लगते हैं, पत्तियों के तने बहुत हल्के और पतले होते हैं।

पिछले वर्षों में आमतौर पर इस्तेमाल होने वाली तीन प्राथमिक रंगों वाली फ्लोरोसेंट ट्यूबों में, हालांकि सफेद रंग संश्लेषित होता है, लाल, हरा और नीला स्पेक्ट्रम अलग-अलग होते हैं (जैसा कि चित्र 3(b) में दिखाया गया है), और स्पेक्ट्रम की चौड़ाई बहुत कम होती है। इसके बाद के निरंतर भाग की स्पेक्ट्रम तीव्रता अपेक्षाकृत कमजोर होती है, और एलईडी की तुलना में बिजली की खपत अपेक्षाकृत अधिक होती है, जो 1.5 से 3 गुना अधिक है। इसलिए, इसका उपयोग प्रभाव एलईडी लाइटों जितना अच्छा नहीं होता है।

चित्र 3, लाल और नीले चिप वाले एलईडी प्लांट लाइट और तीन प्राथमिक रंग वाले फ्लोरोसेंट लाइट स्पेक्ट्रम

PPFD प्रकाश क्वांटम प्रवाह घनत्व है, जो प्रकाश संश्लेषण में प्रकाश के प्रभावी विकिरण प्रवाह घनत्व को दर्शाता है। यह प्रति इकाई समय और इकाई क्षेत्रफल में 400 से 700 एनएम तरंगदैर्ध्य सीमा में पौधे की पत्तियों पर आपतित प्रकाश क्वांटमों की कुल संख्या को दर्शाता है। इसकी इकाई μE·m⁻²·s⁻¹ (μmol·m⁻²·s⁻¹) है। प्रकाश संश्लेषकीय सक्रिय विकिरण (PAR) 400 से 700 एनएम तरंगदैर्ध्य सीमा में कुल सौर विकिरण को संदर्भित करता है। इसे प्रकाश क्वांटमों या विकिरण ऊर्जा द्वारा व्यक्त किया जा सकता है।

पहले, प्रकाशमापी द्वारा परावर्तित प्रकाश की तीव्रता को चमक माना जाता था, लेकिन पौधे की वृद्धि का स्पेक्ट्रम प्रकाश यंत्र की पौधे से ऊंचाई, प्रकाश के फैलाव और पत्तियों से प्रकाश के गुजरने की क्षमता के कारण बदलता रहता है। इसलिए, प्रकाश संश्लेषण के अध्ययन में प्रकाश की तीव्रता के सूचक के रूप में पार (PAR) का उपयोग करना सटीक नहीं है।

सामान्यतः, प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया तब शुरू हो सकती है जब सूर्य के प्रकाश में उगने वाले पौधों के लिए प्रति पौधा प्रकाश घनत्व (PPFD) 50 μmol·m⁻²·s⁻¹ से अधिक हो, जबकि छाया में उगने वाले पौधों के लिए यह केवल 20 μmol·m⁻²·s⁻¹ होता है। इसलिए, एलईडी ग्रो लाइट खरीदते समय, आप इस संदर्भ मान और लगाए जाने वाले पौधों के प्रकार के आधार पर एलईडी ग्रो लाइटों की संख्या चुन सकते हैं। उदाहरण के लिए, यदि एक एलईडी लाइट का PPFD 20 μmol·m⁻²·s⁻¹ है, तो सूर्य के प्रकाश में उगने वाले पौधों को उगाने के लिए 3 से अधिक एलईडी बल्बों की आवश्यकता होगी।

सेमीकंडक्टर प्रकाश व्यवस्था के कई डिजाइन समाधान

पौधों की वृद्धि या रोपण के लिए सेमीकंडक्टर प्रकाश व्यवस्था का उपयोग किया जाता है, और इसके दो बुनियादी संदर्भ तरीके हैं।

• वर्तमान में, चीन में इनडोर प्लांटिंग मॉडल बहुत लोकप्रिय है। इस मॉडल में कई विशेषताएं हैं:

①एलईडी लाइटों की भूमिका पौधों को प्रकाश की पूरी श्रृंखला प्रदान करना है, और प्रकाश व्यवस्था के लिए सभी प्रकाश ऊर्जा प्रदान करना आवश्यक है, और उत्पादन लागत अपेक्षाकृत अधिक है;
2. एलईडी ग्रो लाइट्स के डिजाइन में स्पेक्ट्रम की निरंतरता और अखंडता को ध्यान में रखना आवश्यक है;
③प्रकाश के समय और प्रकाश की तीव्रता को प्रभावी ढंग से नियंत्रित करना आवश्यक है, जैसे कि पौधों को कुछ घंटों के लिए आराम देना, विकिरण की तीव्रता अपर्याप्त या बहुत अधिक होना आदि।
④पूरी प्रक्रिया को पौधों के वास्तविक इष्टतम विकास वातावरण के लिए आवश्यक स्थितियों, जैसे कि आर्द्रता, तापमान और CO2 सांद्रता, की नकल करनी होगी।

• बाहरी रोपण मोड, जिसमें बाहरी ग्रीनहाउस रोपण के लिए उपयुक्त आधार है। इस मॉडल की विशेषताएं इस प्रकार हैं:

① एलईडी लाइटों का कार्य प्रकाश की पूर्ति करना है। एक तो दिन के दौरान सूर्य के प्रकाश की उपस्थिति में नीले और लाल क्षेत्रों में प्रकाश की तीव्रता को बढ़ाकर पौधों के प्रकाश संश्लेषण को बढ़ावा देना है, और दूसरा रात में सूर्य के प्रकाश की अनुपस्थिति में पौधों की वृद्धि दर को बढ़ाने के लिए प्रकाश प्रदान करना है।
2. पूरक प्रकाश प्रदान करते समय इस बात का ध्यान रखना आवश्यक है कि पौधा किस विकास अवस्था में है, जैसे कि अंकुरण काल ​​या पुष्पन और फल लगने का काल।

इसलिए, एलईडी प्लांट ग्रो लाइट्स के डिज़ाइन में सबसे पहले दो बुनियादी डिज़ाइन मोड होने चाहिए, अर्थात् 24 घंटे की रोशनी (इनडोर) और पौधों की वृद्धि के लिए सहायक रोशनी (आउटडोर)। इनडोर पौधों की खेती के लिए, एलईडी ग्रो लाइट्स के डिज़ाइन में तीन पहलुओं पर विचार करना आवश्यक है, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। तीन प्राथमिक रंगों वाले चिप्स को एक निश्चित अनुपात में पैक करना संभव नहीं है।

चित्र 4, 24 घंटे प्रकाश व्यवस्था के लिए इनडोर एलईडी प्लांट बूस्टर लाइट का उपयोग करने का डिज़ाइन विचार

उदाहरण के लिए, नर्सरी अवस्था में एक स्पेक्ट्रम के लिए, यह ध्यान में रखते हुए कि जड़ों और तनों की वृद्धि को मजबूत करने, पत्तियों की शाखाओं को मजबूत करने की आवश्यकता है, और प्रकाश स्रोत का उपयोग घर के अंदर किया जाता है, स्पेक्ट्रम को चित्र 5 में दिखाए अनुसार डिजाइन किया जा सकता है।

चित्र 5, एलईडी इंडोर नर्सरी अवधि के लिए उपयुक्त वर्णक्रमीय संरचनाएं

दूसरे प्रकार की एलईडी ग्रो लाइट के डिजाइन का मुख्य उद्देश्य बाहरी ग्रीनहाउस के आधार में पौधों की वृद्धि को बढ़ावा देने के लिए अतिरिक्त प्रकाश प्रदान करना है। डिजाइन का विचार चित्र 6 में दर्शाया गया है।

चित्र 6, आउटडोर ग्रो लाइट्स के डिजाइन संबंधी विचार 

लेखक का सुझाव है कि अधिक से अधिक पौधरोपण कंपनियां पौधों की वृद्धि को बढ़ावा देने के लिए एलईडी लाइटों का उपयोग करने के दूसरे विकल्प को अपनाएं।

सर्वप्रथम, चीन में खुले ग्रीनहाउस में खेती का दशकों का व्यापक अनुभव है, जो दक्षिण और उत्तर दोनों क्षेत्रों में व्याप्त है। ग्रीनहाउस खेती की तकनीक में इसकी मजबूत नींव है और यह आसपास के शहरों के बाजारों में बड़ी मात्रा में ताजे फल और सब्जियां उपलब्ध कराता है। विशेष रूप से मिट्टी, पानी और उर्वरक के क्षेत्र में व्यापक शोध कार्य संपन्न हुआ है।

दूसरे, इस प्रकार के पूरक प्रकाश समाधान से ऊर्जा की अनावश्यक खपत में काफी कमी आ सकती है और साथ ही फलों और सब्जियों की पैदावार में प्रभावी रूप से वृद्धि हो सकती है। इसके अलावा, चीन का विशाल भौगोलिक क्षेत्र इसके प्रचार-प्रसार के लिए बहुत सुविधाजनक है।

एलईडी पौध प्रकाश व्यवस्था के वैज्ञानिक अनुसंधान के साथ-साथ, यह इसके लिए एक व्यापक प्रायोगिक आधार भी प्रदान करता है। चित्र 7 इस शोध दल द्वारा विकसित एक प्रकार की एलईडी ग्रो लाइट को दर्शाता है, जो ग्रीनहाउस में पौधों की खेती के लिए उपयुक्त है, और इसका स्पेक्ट्रम चित्र 8 में दिखाया गया है।

चित्र 7, एक प्रकार की एलईडी ग्रो लाइट

चित्र 8, एक प्रकार की एलईडी ग्रो लाइट का स्पेक्ट्रम

उपरोक्त डिज़ाइन विचारों के आधार पर, शोध दल ने कई प्रयोग किए और प्रयोगात्मक परिणाम अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। उदाहरण के लिए, नर्सरी में पौधों को उगाने के लिए, मूल रूप से 32 वाट की फ्लोरोसेंट लैंप का उपयोग किया जाता था, जिसका नर्सरी चक्र 40 दिनों का होता था। हमने 12 वाट की एलईडी लाइट प्रदान की, जिससे पौध चक्र 30 दिनों तक कम हो गया, पौध कार्यशाला में लैंप के तापमान का प्रभाव काफी कम हो गया और एयर कंडीशनर की बिजली की खपत में भी बचत हुई। पौधों की मोटाई, लंबाई और रंग मूल पौध संवर्धन विधि से बेहतर हैं। सामान्य सब्जियों के पौधों के लिए भी अच्छे सत्यापन निष्कर्ष प्राप्त हुए हैं, जिन्हें निम्नलिखित तालिका में संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है।

इनमें से, पूरक प्रकाश समूह का पीपीएफडी मान 70-80 μmol·m⁻²·s⁻¹ था, और लाल-नीला अनुपात 0.6-0.7 था। प्राकृतिक समूह के दिन के समय पीपीएफडी मान की सीमा 40~800 μmol·m⁻²·s⁻¹ थी, और लाल से नीले का अनुपात 0.6~1.2 था। इससे स्पष्ट है कि उपरोक्त संकेतक प्राकृतिक रूप से उगाए गए पौधों की तुलना में बेहतर हैं।

निष्कर्ष

यह लेख पौध संवर्धन में एलईडी ग्रो लाइट के उपयोग में हुए नवीनतम विकासों का परिचय देता है और पौध संवर्धन में एलईडी ग्रो लाइट के उपयोग से जुड़ी कुछ गलतफहमियों को दूर करता है। अंत में, पौध संवर्धन के लिए उपयोग की जाने वाली एलईडी ग्रो लाइट के विकास हेतु तकनीकी विचारों और योजनाओं का परिचय दिया गया है। यह ध्यान देने योग्य है कि लाइट की स्थापना और उपयोग में कुछ कारकों पर भी विचार करना आवश्यक है, जैसे कि लाइट और पौधे के बीच की दूरी, लैंप की विकिरण सीमा और सामान्य पानी, उर्वरक और मिट्टी के साथ लाइट का उपयोग करने का तरीका।

लेखक: यी वांग एट अल। स्रोत: सीएनकेआई