Höfundur: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, o.fl. Heimild: Landbúnaðarverkfræðitækni (gróðurhúsarækt)

Verksmiðjan sameinar nútíma iðnað, líftækni, næringarefnafræðilega vatnsrækt og upplýsingatækni til að innleiða nákvæma stjórnun á umhverfisþáttum í aðstöðunni. Hún er fullkomlega lokuð, hefur litlar kröfur til umhverfisins, styttir uppskerutíma plantnanna, sparar vatn og áburð og með þeim kostum að framleiða ekki skordýraeitur og losa ekki úrgang er skilvirkni landnýtingar einingarinnar 40 til 108 sinnum meiri en við ræktun á opnu svæði. Meðal þeirra gegna snjallar gerviljósgjafar og stjórnun á ljósumhverfi hennar lykilhlutverki í framleiðsluhagkvæmni hennar.

Ljós, sem mikilvægur efnislegur umhverfisþáttur, gegnir lykilhlutverki í stjórnun vaxtar plantna og efnaskipta. „Einn helsti eiginleiki verksmiðjunnar er að nota gerviljós og að framkvæma snjalla stjórnun á ljósumhverfinu“ hefur orðið almenn samstaða í greininni.

Ljósþörf plantna

Ljós er eina orkugjafinn fyrir ljóstillífun plantna. Ljósstyrkur, ljósgæði (ljóslitróf) og reglubundnar breytingar á ljósi hafa djúpstæð áhrif á vöxt og þroska nytjaplantna, þar á meðal hefur ljósstyrkur mest áhrif á ljóstillífun plantna.

■ Ljósstyrkur

Ljósstyrkur getur breytt formgerð ræktunar, svo sem blómgun, lengd milliblaða, þykkt stilka og stærð og þykkt blaða. Kröfur plantna um ljósstyrk má skipta í ljóselskandi, miðlungs ljóselskandi og lágljósþolnar plöntur. Grænmeti eru að mestu leyti ljóselskandi plöntur og ljósjöfnunarpunktar þeirra og ljósmettunarpunktar eru tiltölulega háir. Í verksmiðjum fyrir gerviljós eru viðeigandi kröfur ræktunarplantna um ljósstyrk mikilvægur grundvöllur fyrir val á gerviljósgjöfum. Að skilja ljóskröfur mismunandi plantna er mikilvægt fyrir hönnun gerviljósgjafa. Það er afar nauðsynlegt að bæta framleiðslugetu kerfisins.

■ Ljósgæði

Dreifing ljósgæða (litrófsdreifing) hefur einnig mikilvæg áhrif á ljóstillífun og formgerð plantna (Mynd 1). Ljós er hluti af geislun og geislun er rafsegulbylgja. Rafsegulbylgjur hafa bylgjueiginleika og skammtafræðilega (agna) eiginleika. Skammtastærð ljóss kallast ljóseind ​​í garðyrkju. Geislun með bylgjulengdarbil 300~800 nm er kölluð lífeðlisfræðilega virk geislun plantna; og geislun með bylgjulengdarbil 400~700 nm er kölluð ljóstillífandi virk geislun plantna (PAR).

Klórófyll og karótín eru tvö mikilvægustu litarefnin í ljóstillífun plantna. Mynd 2 sýnir litrófsgleypniróf hvers ljóstillífandi litarefnis, þar sem blaðrófyllsgleypnirófið er einbeitt í rauðu og bláu böndunum. Lýsingarkerfið byggir á litrófsþörfum plantna til að bæta við ljósi til að stuðla að ljóstillífun plantna.

■ ljóstímabil
Tengslin milli ljóstillífunar og ljósmyndunar plantna og daglengdar (eða ljóstímabils) kallast ljóslotutími plantna. Ljóslotutími er nátengdur ljósstundum, sem vísar til þess tíma sem ræktunin er geisluð af ljósi. Mismunandi ræktun þarf ákveðinn fjölda ljósstunda til að ljúka ljóstímabilinu til að blómstra og bera ávöxt. Samkvæmt mismunandi ljóstímabilum má skipta henni í langdagsræktun, svo sem hvítkál o.s.frv., sem þarfnast meira en 12-14 klst. ljósstunda á ákveðnu vaxtarstigi; skammdagsræktun, svo sem laukur, sojabaunir o.s.frv., þarfnast færri en 12-14 klst. lýsingarstunda; og meðalsólríkar ræktun, svo sem gúrkur, tómatar, paprikur o.s.frv., geta blómstrað og borið ávöxt í lengri eða styttri sólarljósi.
Meðal þriggja þátta umhverfisins er ljósstyrkur mikilvægur grundvöllur fyrir val á gerviljósgjöfum. Nú á dögum eru margar leiðir til að tjá ljósstyrk, aðallega eftirfarandi þrjár.
(1) Lýsing vísar til yfirborðsþéttleika ljósflæðis (ljósflæði á flatarmálseiningu) sem berst á upplýsta fleti, í lúx (lx).

(2) Ljóstillífandi geislun, PAR, eining: W/m².

(3) Ljóstillífunarvirk ljóseindaflæðisþéttleiki (PPFD eða PPF) er fjöldi ljóstillífunarvirkrar geislunar sem nær til eða fer í gegnum tímaeiningu og flatarmálseiningu, eining: μmol/(m²·s). Vísar aðallega til ljósstyrks á bilinu 400~700 nm sem tengist beint ljóstillífun. Það er einnig algengasta ljósstyrksvísirinn á sviði plönturæktar.

Ljósgjafagreining á dæmigerðu viðbótarljósakerfi
Viðbótarljósgjöf er til að auka ljósstyrk á marksvæðinu eða lengja ljóstímann með því að setja upp viðbótarljósakerfi til að uppfylla ljósþörf plantna. Almennt séð inniheldur viðbótarljósakerfi viðbótarljósabúnað, rafrásir og stjórnkerfi hans. Viðbótarljósgjafar eru aðallega nokkrar algengar gerðir eins og glóperur, flúrperur, málmhalíðperur, háþrýsnatríumperur og LED-perur. Vegna lágrar rafmagns- og ljósnýtni glópera, lágrar ljóstillífunarorkunýtni og annarra galla hefur hún verið útrýmt af markaðnum, þannig að þessi grein gerir ekki ítarlega greiningu.

■ Flúrljós
Flúrperur tilheyra lágþrýstingsgasútblásturslampa. Glerrörið er fyllt með kvikasilfursgufu eða óvirku gasi og innvegg rörsins er húðað með flúrljómandi dufti. Ljóslitur er breytilegur eftir flúrljómandi efninu sem er húðað í rörinu. Flúrperur hafa góða litrófsafköst, mikla ljósnýtni, lága orkunotkun, lengri líftíma (12000 klst.) samanborið við glóperur og tiltölulega lágan kostnað. Vegna þess að flúrperan sjálf gefur frá sér minni hita er hægt að lýsa hana nálægt plöntunum og hentar fyrir þrívíddarræktun. Hins vegar er litrófsuppsetning flúrperunnar óeðlileg. Algengasta aðferðin í heiminum er að bæta við endurskinsmerkjum til að hámarka skilvirkni ljósgjafaþátta ræktunarinnar á ræktunarsvæðinu. Japanska fyrirtækið adv-agri hefur einnig þróað nýja gerð af viðbótarljósgjafa HEFL. HEFL tilheyrir í raun flokki flúrpera. Það er almennt hugtak fyrir kalt katóðuflúrperur (CCFL) og utanaðkomandi rafskautsflúrperur (EEFL) og er blandaður rafskautsflúrpera. HEFL-rörið er afar þunnt, aðeins um 4 mm í þvermál, og hægt er að stilla lengdina frá 450 mm upp í 1200 mm eftir þörfum ræktunarinnar. Þetta er endurbætt útgáfa af hefðbundinni flúrperu.

■ Málmhalíðlampi
Málmhalíðlampa er hástyrks útskriftarlampa sem getur örvað mismunandi frumefni til að framleiða mismunandi bylgjulengdir með því að bæta ýmsum málmhalíðum (tínbrómíði, natríumjoðíði o.s.frv.) í útskriftarrörið á grundvelli háþrýstikvikasilfurslampa. Halógenlampar hafa mikla ljósnýtni, mikið afl, góðan ljóslit, langan líftíma og breitt litróf. Hins vegar, vegna þess að ljósnýtnin er lægri en hjá háþrýstikvikasilfurlampum og líftími þeirra er styttri, er hún nú aðeins notuð í fáum verksmiðjum.

■ Háþrýstisnatríumlampi
Háþrýstisnatríumlampar tilheyra gerð háþrýstisgasútblásturslampa. Háþrýstisnatríumlampar eru hánýtnilampar þar sem háþrýstisnatríumgufa er fyllt í útblástursrörið og lítið magn af xenoni (Xe) og kvikasilfursmálmhalíði er bætt við. Vegna þess að háþrýstisnatríumlampar hafa mikla rafsegulfræðilega umbreytingarnýtni með lægri framleiðslukostnaði eru háþrýstisnatríumlampar nú mest notaðir í viðbótarljósum í landbúnaðarmannvirkjum. Hins vegar, vegna galla í ljóstillífunarnýtni í litrófinu, hafa þeir galla í orkunýtni. Á hinn bóginn eru litrófsþættirnir sem háþrýstisnatríumlampar gefa frá sér aðallega einbeittir í gul-appelsínugula ljósröndinni, sem skortir rauðu og bláu litrófin sem eru nauðsynleg fyrir vöxt plantna.

■ Ljósdíóða
Sem ný kynslóð ljósgjafa hafa ljósdíóður (LED) marga kosti eins og meiri rafsegulfræðilega umbreytingarnýtni, stillanlegt litróf og mikla ljóstillífunarnýtni. LED getur gefið frá sér einlita ljós sem er nauðsynlegt fyrir vöxt plantna. Í samanburði við venjulegar flúrperur og aðrar viðbótarljósgjafar hefur LED kosti eins og orkusparnað, umhverfisvernd, langan líftíma, einlita ljós, kalt ljós og svo framvegis. Með frekari umbótum á rafsegulfræðilegri skilvirkni LED og lækkun kostnaðar vegna stærðaráhrifa, munu LED ræktunarlýsingarkerfi verða aðalbúnaðurinn til viðbótarljóss í landbúnaðarmannvirkjum. Fyrir vikið hafa LED ræktunarljós verið notuð í yfir 99,9% verksmiðjum.

Með samanburði er hægt að skilja eiginleika mismunandi viðbótarljósgjafa betur, eins og sést í töflu 1.

Færanlegt ljósatæki
Ljósstyrkur tengist náið vexti uppskeru. Þrívíddarræktun er oft notuð í verksmiðjum. Hins vegar, vegna takmarkana á uppbyggingu ræktunargrindanna, mun ójöfn dreifing ljóss og hitastigs milli grindanna hafa áhrif á uppskeru uppskerunnar og uppskerutíminn verður ekki samstilltur. Fyrirtæki í Peking þróaði með góðum árangri handvirkt lyftibúnað fyrir ljós (HPS ljósastæði og LED ræktunarljósastæði) árið 2010. Meginreglan er að snúa drifásnum og vindunni sem er fest á honum með því að hrista handfangið til að snúa litlu filmuhjólinu til að ná því markmiði að draga til baka og vinda vírreipin. Vírareipin í ræktunarljósinu er tengd við vindhjól lyftunnar með mörgum settum af afturhjólum til að ná fram áhrifum þess að stilla hæð ræktunarljóssins. Árið 2017 hannaði og þróaði fyrrnefnt fyrirtæki nýtt færanlegt ljósastæði sem getur sjálfkrafa stillt hæð ljósastæðisins í rauntíma í samræmi við þarfir uppskerunnar. Stillingarbúnaðurinn er nú settur upp á þrívíddarræktunargrind með þriggja laga ljósgjafa sem lyftir. Efsta lag tækisins er það sem býður upp á bestu birtuskilyrðin, þannig að það er búið háþrýstisnatríumlömpum; miðlagið og neðra lagið eru búin LED ræktunarljósum og lyftikerfi. Það getur sjálfkrafa stillt hæð ræktunarljóssins til að veita viðeigandi birtuskilyrði fyrir ræktunina.

Í samanburði við færanlegan ljósabúnað sem er sniðinn að þrívíddarræktun hefur Holland þróað lárétt færanlegan LED ljósabúnað fyrir ræktunarljós. Til að forðast áhrif skugga ræktunarljóssins á vöxt plantna í sólinni er hægt að ýta ræktunarljósakerfinu lárétt til beggja hliða festingarinnar með sjónaukasleða, þannig að sólin skíni að fullu á plönturnar. Á skýjuðum og rigningardögum án sólarljóss er hægt að ýta ræktunarljósakerfinu að miðju festingarinnar til að láta ljós ræktunarljósakerfisins fylla plönturnar jafnt. Færið ræktunarljósakerfið lárétt með rennilásnum á festingunni til að forðast tíðar sundurgreiningu og fjarlægingu ræktunarljósakerfisins og draga úr vinnuaflsálagi starfsmanna og bæta þannig vinnuhagkvæmni á áhrifaríkan hátt.

Hönnunarhugmyndir fyrir dæmigert vaxtarljósakerfi
Það er ekki erfitt að sjá út frá hönnun færanlegs viðbótarlýsingarbúnaðar að hönnun viðbótarlýsingarkerfis verksmiðjunnar tekur venjulega ljósstyrk, ljósgæði og ljóstímabilsbreytur mismunandi vaxtartímabila sem kjarnaefni hönnunarinnar, með því að treysta á snjallt stjórnkerfi til að ná lokamarkmiði um orkusparnað og mikla uppskeru.

Eins og er hefur hönnun og smíði viðbótarljóss fyrir laufgrænmeti smám saman þróast. Til dæmis má skipta laufgrænmeti í fjögur stig: fræplöntustig, miðvaxtarstig, seinvaxtarstig og lokastig; ávaxtagrænmeti má skipta í fræplöntustig, gróðurstig, blómgunarstig og uppskerustig. Miðað við eiginleika viðbótarljósstyrks ætti ljósstyrkurinn á fræplöntustiginu að vera örlítið lægri, eða 60~200 míkrómól/(m²·s), og síðan að aukast smám saman. Laufgrænmeti getur náð allt að 100~200 míkrómól/(m²·s) og ávaxtagrænmeti getur náð 300~500 míkrómól/(m²·s) til að tryggja ljósstyrkskröfur fyrir ljóstillífun plantna á hverju vaxtarskeiði og uppfylla kröfur um mikla uppskeru; Hvað varðar ljósgæði er hlutfall rauðs og blás mjög mikilvægt. Til að auka gæði plöntunnar og koma í veg fyrir óhóflegan vöxt á plöntustigi er hlutfall rauðs og blás almennt lágt [(1~2):1] og síðan smám saman minnkað til að mæta þörfum ljósbyggingar plantna. Hægt er að stilla hlutfall rauðs og blás og laufgrænmetis á (3~6):1. Fyrir ljóstímabilið, svipað og ljósstyrkurinn, ætti það að sýna tilhneigingu til að aukast með lengd vaxtartímabilsins, þannig að laufgrænmeti hafi meiri ljóstillífunartíma fyrir ljóstillífun. Hönnun ljósuppbótar fyrir ávexti og grænmeti verður flóknari. Auk ofangreindra grunnreglna ættum við að einbeita okkur að stillingu ljóstímabilsins á blómgunartímabilinu og stuðla að blómgun og ávaxtamyndun grænmetisins til að koma í veg fyrir bakslag.

Það er vert að nefna að ljósformúlan ætti að innihalda lokameðferð fyrir lýsingarumhverfi. Til dæmis getur stöðug ljósgjöf bætt uppskeru og gæði vatnsræktaðra laufgrænmetisplöntum til muna, eða notkun útfjólublárrar meðferðar til að bæta næringargæði spíra og laufgrænmetis (sérstaklega fjólublá lauf og rauðsalat) verulega.

Auk þess að hámarka ljósgjafauppbót fyrir valdar ræktanir hefur ljósgjafastýringarkerfi sumra verksmiðja fyrir gerviljós einnig þróast hratt á undanförnum árum. Þetta stýrikerfi byggir almennt á B/S uppbyggingu. Fjarstýring og sjálfvirk stjórnun á umhverfisþáttum eins og hitastigi, rakastigi, ljósi og CO2 styrk meðan á vexti ræktunar stendur er möguleg með WIFI, og á sama tíma er hægt að ná framleiðsluaðferð sem er ekki takmörkuð af ytri aðstæðum. Þessi tegund af snjallt viðbótarljósakerfi notar LED ræktunarljós sem viðbótarljósgjafa, ásamt fjarstýrðu snjallstýringarkerfi, getur uppfyllt þarfir plantna með bylgjulengdum, er sérstaklega hentugt fyrir ljósstýrt ræktunarumhverfi og getur vel mætt markaðsþörfum.

Lokaorð
Gróðurhúsaáætlanir eru taldar vera mikilvæg leið til að leysa auðlinda-, íbúafjölda- og umhverfisvandamál heimsins á 21. öldinni og mikilvæg leið til að ná sjálfbærni í matvælaframleiðslu í framtíðar hátækniverkefnum. Sem ný tegund landbúnaðarframleiðsluaðferðar eru plöntuhúsaáætlanir enn á náms- og vaxtarstigi og meiri athygli og rannsóknir eru nauðsynlegar. Þessi grein lýsir einkennum og kostum algengra viðbótarlýsingaraðferða í plöntuhúsaáætlanir og kynnir hönnunarhugmyndir fyrir dæmigerð viðbótarlýsingarkerfi fyrir ræktun. Það er ekki erfitt að bera saman að takast á við lágt ljós af völdum slæms veðurs eins og stöðugs skýjaðs og misturs og tryggja mikla og stöðuga framleiðslu á ræktun aðstöðunnar, LED ræktunarljósgjafabúnaður er í samræmi við núverandi þróunarþróun.

Framtíðarþróun verksmiðja ætti að einbeita sér að nýjum, nákvæmum og ódýrum skynjurum, fjarstýrðum, stillanlegum lýsingarkerfum og sérfræðistýrikerfum. Á sama tíma munu framtíðarverksmiðjur halda áfram að þróast í átt að ódýrum, greindum og sjálfstýrandi kerfum. Notkun og vinsældir LED ræktunarljósa tryggja nákvæma umhverfisstjórnun í verksmiðjum. Stjórnun LED ljósumhverfis er flókið ferli sem felur í sér alhliða stjórnun á ljósgæðum, ljósstyrk og ljóslengd. Viðeigandi sérfræðingar og fræðimenn þurfa að framkvæma ítarlegar rannsóknir og kynna LED viðbótarlýsingu í verksmiðjum gervilýsingar.