Forfatter: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, osv. Kildemedier: Landbruksteknikk (drivhushagebruk)

Plantefabrikken kombinerer moderne industri, bioteknologi, næringshydroponikk og informasjonsteknologi for å implementere svært presis kontroll av miljøfaktorer i anlegget. Den er fullstendig lukket, har lave krav til det omkringliggende miljøet, forkorter plantehøsteperioden, sparer vann og gjødsel, og med fordelene med produksjon uten plantevernmidler og ingen avfallsutslipp, er enhetens arealbrukseffektivitet 40 til 108 ganger høyere enn ved produksjon på åpent jorde. Blant disse spiller den intelligente kunstige lyskilden og reguleringen av lysmiljøet en avgjørende rolle i produksjonseffektiviteten.

Som en viktig fysisk miljøfaktor spiller lys en nøkkelrolle i reguleringen av plantevekst og materialmetabolisme. «En av hovedfunksjonene ved plantefabrikken er den fulle kunstige lyskilden, og realiseringen av intelligent regulering av lysmiljøet» har blitt en generell enighet i bransjen.

Planters behov for lys

Lys er den eneste energikilden for plantefotosyntese. Lysintensitet, lyskvalitet (spektrum) og periodiske lysendringer har en betydelig innvirkning på vekst og utvikling av avlinger, og blant disse har lysintensiteten størst innvirkning på plantefotosyntese.

■ Lysintensitet

Lysintensiteten kan endre morfologien til avlinger, som blomstring, internodelengde, stilktykkelse og bladstørrelse og -tykkelse. Planters krav til lysintensitet kan deles inn i lyselskende, middels lyselskende og lavt lystolerante planter. Grønnsaker er for det meste lyselskende planter, og deres lyskompensasjonspunkter og lysmetningspunkter er relativt høye. I fabrikker for kunstig lys er de relevante kravene til avlinger til lysintensitet et viktig grunnlag for valg av kunstige lyskilder. Å forstå lyskravene til forskjellige planter er viktig for å designe kunstige lyskilder. Det er ekstremt nødvendig å forbedre systemets produksjonsytelse.

■ Lyskvalitet

Lyskvalitetsfordelingen (spektralfordelingen) har også en viktig innflytelse på planters fotosyntese og morfogenese (figur 1). Lys er en del av strålingen, og stråling er en elektromagnetisk bølge. Elektromagnetiske bølger har bølgekarakteristikker og kvante- (partikkel-)karakteristikker. Lysets kvante kalles foton i hagebruksfeltet. Stråling med et bølgelengdeområde på 300~800 nm kalles fysiologisk aktiv stråling av planter; og stråling med et bølgelengdeområde på 400~700 nm kalles fotosyntetisk aktiv stråling (PAR) av planter.

Klorofyll og karotener er de to viktigste pigmentene i plantefotosyntese. Figur 2 viser det spektrale absorpsjonsspekteret til hvert fotosyntetiske pigment, der klorofyllabsorpsjonsspekteret er konsentrert i det røde og blå båndet. Belysningssystemet er basert på avlingenes spektrale behov for kunstig lystilskudd for å fremme plantenes fotosyntese.

■ fotoperiode
Forholdet mellom fotosyntese og fotomorfogenese hos planter og daglengde (eller fotoperiodetid) kalles planters fotoperioditet. Fotoperioditeten er nært knyttet til lystimene, som refererer til tiden avlingen blir bestrålt av lys. Ulike avlinger trenger et visst antall lystimer for å fullføre fotoperioden for å blomstre og bære frukt. I henhold til de forskjellige fotoperiodene kan de deles inn i langdagsavlinger, som kål osv., som trenger mer enn 12–14 lystimer på et visst vekststadium; kortdagsavlinger, som løk, soyabønner osv., trenger mindre enn 12–14 lystimer; og middels solrike avlinger, som agurker, tomater, paprika osv., kan blomstre og bære frukt i lengre eller kortere sollys.
Blant de tre elementene i miljøet er lysintensitet et viktig grunnlag for valg av kunstige lyskilder. For tiden finnes det mange måter å uttrykke lysintensitet på, hovedsakelig inkludert de følgende tre.
(1) Belysning refererer til overflatetettheten av lysfluks (lysfluks per arealenhet) mottatt på det belyste planet, i lux (lx).

(2) Fotosyntetisk aktiv stråling, PAR, enhet: W/m².

(3) Fotosyntetisk effektiv fotonfluksdensitet (PPFD) eller PPF er mengden fotosyntetisk effektiv stråling som når eller passerer gjennom en tidsenhet og arealenhet, enhet: μmol/(m²·s). Refererer hovedsakelig til lysintensiteten på 400~700 nm som er direkte relatert til fotosyntese. Det er også den mest brukte lysintensitetsindikatoren innen planteproduksjon.

Lyskildeanalyse av typisk supplerende lyssystem
Kunstig lystilskudd brukes til å øke lysintensiteten i målområdet eller forlenge lystiden ved å installere et supplerende lyssystem for å dekke plantenes lysbehov. Generelt sett inkluderer supplerende lyssystemer supplerende lysutstyr, kretser og kontrollsystem. Supplerende lyskilder inkluderer hovedsakelig flere vanlige typer som glødelamper, lysrør, metallhalogenlamper, høytrykksnatriumlamper og LED-lamper. På grunn av glødelampers lave elektriske og optiske effektivitet, lav fotosyntetisk energieffektivitet og andre mangler, har det blitt eliminert av markedet, så denne artikkelen foretar ikke en detaljert analyse.

■ Lysstoffrør
Lysstoffrør tilhører typen lavtrykksgassutladningslamper. Glassrøret er fylt med kvikksølvdamp eller inert gass, og rørets indre vegg er belagt med lysstoffrør. Lysfargen varierer med det lysstoffrøret som er belagt i røret. Lysstoffrør har god spektral ytelse, høy lysutbytte, lavt strømforbruk, lengre levetid (12000 timer) sammenlignet med glødelamper og relativt lav kostnad. Fordi lysstoffrøret i seg selv avgir mindre varme, kan det være nært plantene for belysning og er egnet for tredimensjonal dyrking. Imidlertid er det spektrale oppsettet til lysstoffrøret urimelig. Den vanligste metoden i verden er å legge til reflektorer for å maksimere de effektive lyskildekomponentene til avlingene i dyrkingsområdet. Det japanske adv-agri-selskapet har også utviklet en ny type supplerende lyskilde HEFL. HEFL tilhører faktisk kategorien lysstoffrør. Det er den generelle betegnelsen for kaldkatodelysstoffrør (CCFL) og ekstern elektrodelysstoffrør (EEFL), og er en blandet elektrodelysstoffrør. HEFL-røret er ekstremt tynt, med en diameter på bare omtrent 4 mm, og lengden kan justeres fra 450 mm til 1200 mm i henhold til dyrkingens behov. Det er en forbedret versjon av den konvensjonelle lysrørlampen.

■ Metallhalogenlampe
Metallhalogenlampen er en høyintensitetsutladningslampe som kan eksitere forskjellige elementer for å produsere forskjellige bølgelengder ved å tilsette forskjellige metallhalogenider (tinnbromid, natriumjodid, etc.) i utladningsrøret basert på en høytrykkskvikksølvlampe. Halogenlamper har høy lyseffektivitet, høy effekt, god lysfarge, lang levetid og stort spektrum. Men fordi lyseffektiviteten er lavere enn for høytrykksnatriumlamper, og levetiden er kortere enn for høytrykksnatriumlamper, brukes den for tiden bare i noen få fabrikker.

■ Høytrykksnatriumlampe
Høytrykksnatriumlamper tilhører typen høytrykksgassutladningslamper. Høytrykksnatriumlampen er en høyeffektiv lampe der høytrykksnatriumdamp er fylt i utladningsrøret, og en liten mengde xenon (Xe) og kvikksølvmetallhalogenid er tilsatt. Fordi høytrykksnatriumlamper har høy elektrooptisk konverteringseffektivitet med lave produksjonskostnader, er høytrykksnatriumlamper for tiden de mest brukte i bruken av supplerende lys i landbruksanlegg. På grunn av manglene med lav fotosyntetisk effektivitet i spekteret har de imidlertid ulempene med lav energieffektivitet. På den annen side er de spektrale komponentene som sendes ut av høytrykksnatriumlamper hovedsakelig konsentrert i det gul-oransje lysbåndet, som mangler de røde og blå spektrene som er nødvendige for plantevekst.

■ Lysdiode
Som en ny generasjon lyskilder har lysdioder (LED) mange fordeler, som høyere elektrooptisk konverteringseffektivitet, justerbart spektrum og høy fotosyntetisk effektivitet. LED kan avgi monokromatisk lys som er nødvendig for plantevekst. Sammenlignet med vanlige lysrør og andre supplerende lyskilder har LED fordelene med energisparing, miljøvern, lang levetid, monokromatisk lys, kald lyskilde og så videre. Med ytterligere forbedring av LEDs elektrooptiske effektivitet og reduksjon av kostnader forårsaket av skaleringseffekten, vil LED-vekstbelysningssystemer bli det vanlige utstyret for supplerende lys i landbruksanlegg. Som et resultat har LED-vekstlys blitt brukt i over 99,9 % av plantefabrikker.

Gjennom sammenligning kan egenskapene til ulike supplerende lyskilder tydelig forstås, som vist i tabell 1.

Mobil belysningsenhet
Lysintensiteten er nært knyttet til veksten av avlinger. Tredimensjonal dyrking brukes ofte i plantefabrikker. På grunn av begrensningene i dyrkingsstativenes struktur, vil imidlertid den ujevne fordelingen av lys og temperatur mellom stativene påvirke avlingenes utbytte, og høsteperioden vil ikke bli synkronisert. Et selskap i Beijing utviklet med suksess en manuell løftende lystilskuddsenhet (HPS-lysarmatur og LED-dyrkingslysarmatur) i 2010. Prinsippet er å rotere drivakselen og opprulleren som er festet på den, ved å riste håndtaket for å rotere den lille filmspolen for å oppnå formålet med å trekke inn og av ståltauet. Ståltauet til vekstlyset er koblet til elevatorens opprullingshjul gjennom flere sett med reverserende hjul, for å oppnå effekten av å justere høyden på vekstlyset. I 2017 designet og utviklet det ovennevnte selskapet en ny mobil lystilskuddsenhet, som automatisk kan justere lystilskuddshøyden i sanntid i henhold til avlingens vekstbehov. Justeringsenheten er nå installert på det tredimensjonale dyrkingsstativet med 3-lags lyskildeløft. Det øverste laget av enheten er det nivået med de beste lysforholdene, så den er utstyrt med høytrykksnatriumlamper; det midterste laget og det nederste laget er utstyrt med LED-vekstlamper og et løftejusteringssystem. Den kan automatisk justere høyden på vekstlampen for å gi et passende lysmiljø for avlingene.

Sammenlignet med mobile lystilskuddsenheter skreddersydd for tredimensjonal dyrking, har Nederland utviklet en horisontalt bevegelig LED-vekstlystilskuddsenhet. For å unngå at skyggen fra vekstlyset påvirker plantenes vekst i solen, kan vekstlyssystemet skyves horisontalt til begge sider av braketten gjennom teleskopskinnen, slik at plantene får fullt lys fra solen. På overskyede og regnfulle dager uten sollys, skyv vekstlyssystemet til midten av braketten for å få lyset fra vekstlyssystemet til å fylle plantene jevnt. Flytt vekstlyssystemet horisontalt gjennom skinnen på braketten for å unngå hyppig demontering og fjerning av vekstlyssystemet, og redusere arbeidsintensiteten til de ansatte, noe som effektivt forbedrer arbeidseffektiviteten.

Designideer for typiske vekstlyssystemer
Det er ikke vanskelig å se ut fra designet til den mobile tilleggsbelysningsenheten at designet av det supplerende belysningssystemet til fabrikken vanligvis tar lysintensiteten, lyskvaliteten og fotoperiodeparametrene for ulike vekstperioder som kjerneinnholdet i designet, og er avhengig av det intelligente kontrollsystemet for å implementere det, for å oppnå det endelige målet om energisparing og høy avkastning.

For tiden har design og konstruksjon av supplerende lys for bladgrønnsaker gradvis modnet. For eksempel kan bladgrønnsaker deles inn i fire stadier: frøplantestadiet, mellomvekststadiet, senvekststadiet og sluttstadiet; fruktgrønnsaker kan deles inn i frøplantestadiet, vegetativ vekststadiet, blomstringsstadiet og høststadiet. Ut fra egenskapene til supplerende lysintensitet bør lysintensiteten i frøplantestadiet være litt lavere, på 60~200 μmol/(m²·s), og deretter gradvis øke. Bladgrønnsaker kan nå opptil 100~200 μmol/(m²·s), og fruktgrønnsaker kan nå 300~500 μmol/(m²·s) for å sikre lysintensitetskravene til plantefotosyntese i hver vekstperiode og oppfylle behovene for høy avling; Når det gjelder lyskvalitet, er forholdet mellom rødt og blått svært viktig. For å øke kvaliteten på frøplantene og forhindre overdreven vekst i frøplantestadiet, settes forholdet mellom rødt og blått vanligvis til et lavt nivå [(1~2):1], og reduseres deretter gradvis for å møte behovene til plantens lysmorfologi. Forholdet mellom rødt og blått og bladgrønnsaker kan settes til (3~6):1. For fotoperioden, i likhet med lysintensiteten, bør den vise en trend med å øke med forlengelsen av vekstperioden, slik at bladgrønnsaker har mer fotosyntetisk tid for fotosyntese. Lystilskuddsdesignet for frukt og grønnsaker vil være mer komplisert. I tillegg til de ovennevnte grunnleggende lovene, bør vi fokusere på innstillingen av fotoperioden i blomstringsperioden, og blomstring og frukting av grønnsaker må fremmes for ikke å slå tilbake.

Det er verdt å nevne at lysformelen bør inkludere sluttbehandling for lyse miljøer. For eksempel kan kontinuerlig lystilskudd forbedre avlingen og kvaliteten på hydroponiske bladgrønnsaksplanter betraktelig, eller bruk UV-behandling for å forbedre næringskvaliteten til spirer og bladgrønnsaker (spesielt lilla blader og rødbladet salat) betydelig.

I tillegg til å optimalisere lystilskudd for utvalgte avlinger, har lyskildekontrollsystemet til noen fabrikker for kunstig lysplanteutvikling også utviklet seg raskt de siste årene. Dette kontrollsystemet er generelt basert på B/S-strukturen. Fjernkontroll og automatisk kontroll av miljøfaktorer som temperatur, fuktighet, lys og CO2-konsentrasjon under veksten av avlinger realiseres via WIFI, og samtidig realiseres en produksjonsmetode som ikke er begrenset av ytre forhold. Denne typen intelligent supplerende lyssystem bruker LED-vekstlysarmatur som supplerende lyskilde, kombinert med et intelligent fjernkontrollsystem, kan dekke behovene til plantebølgelengdebelysning, er spesielt egnet for lysstyrte plantedyrkingsmiljøer og kan godt møte markedets etterspørsel.

Avsluttende bemerkninger
Plantefabrikker anses å være en viktig måte å løse verdens ressurs-, befolknings- og miljøproblemer i det 21. århundre, og en viktig måte å oppnå selvforsyning med mat i fremtidige høyteknologiske prosjekter. Som en ny type landbruksproduksjonsmetode er plantefabrikker fortsatt i lærings- og vekstfasen, og mer oppmerksomhet og forskning er nødvendig. Denne artikkelen beskriver egenskapene og fordelene ved vanlige supplerende belysningsmetoder i plantefabrikker, og introduserer designideene til typiske supplerende belysningssystemer for avlinger. Det er ikke vanskelig å finne ut gjennom sammenligning, for å takle det lave lyset forårsaket av uvær som kontinuerlig overskyet og dis og for å sikre høy og stabil produksjon av anleggsavlinger, er LED Grow-lyskildeutstyr mest i tråd med dagens utviklingstrender.

Den fremtidige utviklingsretningen for plantefabrikker bør fokusere på nye høypresisjons- og rimelige sensorer, fjernstyrte, justerbare lysspektrumssystemer og ekspertkontrollsystemer. Samtidig vil fremtidens plantefabrikker fortsette å utvikle seg mot rimelige, intelligente og selvtilpasningsdyktige løsninger. Bruken og populariseringen av LED-vekstlyskilder garanterer høypresisjons miljøkontroll av plantefabrikker. Regulering av LED-lysmiljø er en kompleks prosess som involverer omfattende regulering av lyskvalitet, lysintensitet og fotoperiode. Relevante eksperter og akademikere må gjennomføre grundig forskning som fremmer LED-tilleggsbelysning i kunstig lysfabrikk.