Forfatter: Jing Zhao，Zengchan Zhou，Yunlong Bu osv.Kildemedier:Agricultural Engineering Technology (drivhusgartneri)

Plantefabrikken kombinerer moderne industri, bioteknologi, næringsstofhydroponik og informationsteknologi for at implementere højpræcisionskontrol af miljøfaktorer i anlægget.Det er helt lukket, har lave krav til det omgivende miljø, forkorter plantehøstperioden, sparer vand og gødning, og med fordelene ved ikke-pesticidproduktion og ingen affaldsudledning er enhedsarealudnyttelseseffektiviteten 40 til 108 gange af åben markproduktion.Blandt dem spiller den intelligente kunstige lyskilde og dens lysmiljøregulering en afgørende rolle for dens produktionseffektivitet.

Som en vigtig fysisk miljøfaktor spiller lys en nøglerolle i regulering af plantevækst og materialestofskifte."Et af hovedtrækkene ved plantefabrikken er den fulde kunstige lyskilde og realiseringen af ​​intelligent regulering af lysmiljøet" er blevet en generel konsensus i branchen.

Planters behov for lys

Lys er den eneste energikilde til plantefotosyntese.Lysintensitet, lyskvalitet (spektrum) og periodiske lysændringer har en dyb indvirkning på vækst og udvikling af afgrøder, blandt hvilke lysintensiteten har den største indflydelse på planternes fotosyntese.

■ Lysintensitet

Lysintensiteten kan ændre afgrødernes morfologi, såsom blomstring, internodelængde, stængeltykkelse og bladstørrelse og -tykkelse.Planters krav til lysintensitet kan opdeles i lyselskende, medium-lyselskende og svagt-lys-tolerante planter.Grøntsager er for det meste lyselskende planter, og deres lyskompensationspunkter og lysmætningspunkter er relativt høje.I kunstige lysplantefabrikker er de relevante krav til afgrøder til lysintensitet et vigtigt grundlag for udvælgelse af kunstige lyskilder.At forstå lyskravene fra forskellige planter er vigtigt for at designe kunstige lyskilder. Det er yderst nødvendigt at forbedre systemets produktionsydelse.

■ Let kvalitet

Lyskvalitetsfordelingen (spektral) har også en vigtig indflydelse på planternes fotosyntese og morfogenese (figur 1).Lys er en del af stråling, og stråling er en elektromagnetisk bølge.Elektromagnetiske bølger har bølgekarakteristika og kvante(partikel)karakteristika.Lysets kvantum kaldes foton i havebrugsområdet.Stråling med et bølgelængdeområde på 300~800nm ​​kaldes fysiologisk aktiv stråling af planter;og stråling med et bølgelængdeområde på 400~700nm kaldes fotosyntetisk aktiv stråling (PAR) af planter.

Klorofyl og carotener er de to vigtigste pigmenter i planters fotosyntese.Figur 2 viser det spektrale absorptionsspektrum for hvert fotosyntetisk pigment, hvor klorofylabsorptionsspektret er koncentreret i de røde og blå bånd.Belysningssystemet er baseret på afgrødernes spektrale behov for kunstigt at supplere lyset for at fremme planternes fotosyntese.

■ fotoperiode
Forholdet mellem fotosyntese og fotomorfogenese af planter og dagslængde (eller fotoperiodetid) kaldes planters fotoperioditet.Fotoperioditeten er tæt forbundet med lystimerne, hvilket refererer til det tidspunkt, hvor afgrøden bestråles af lys.Forskellige afgrøder kræver et vist antal timers lys for at fuldføre fotoperioden for at blomstre og bære frugt.I henhold til de forskellige fotoperioder kan den opdeles i langdagsafgrøder, såsom kål osv., som kræver mere end 12-14 timers lystimer på et bestemt trin af dens vækst;kortdagsafgrøder, såsom løg, sojabønner osv., kræver mindre end 12-14 timer.medium-sol afgrøder, såsom agurker, tomater, peberfrugter osv., kan blomstre og bære frugt under længere eller kortere sollys.
Blandt de tre elementer i miljøet er lysintensiteten et vigtigt grundlag for valg af kunstige lyskilder.På nuværende tidspunkt er der mange måder at udtrykke lysintensitet på, hovedsageligt herunder de følgende tre.
（1）Belysning refererer til overfladetætheden af ​​lysstrøm (lysstrøm pr. arealenhed) modtaget på det belyste plan, i lux (lx).

（2） Fotosyntetisk aktiv stråling, PAR，Enhed：W/m²。

(3) Den fotosyntetisk effektive fotonfluxtæthed PPFD eller PPF er antallet af fotosyntetisk effektiv stråling, der når eller passerer gennem enhedstid og arealenhed, enhed: μmol/(m²·s). Refererer hovedsageligt til lysintensiteten på 400~700nm direkte relateret til fotosyntese.Det er også den mest almindeligt anvendte lysintensitetsindikator inden for planteproduktion.

Lyskildeanalyse af typisk supplerende lyssystem
Kunstigt lystilskud er at øge lysintensiteten i målområdet eller forlænge lystiden ved at installere et tilskudslyssystem for at opfylde planternes lysbehov.Generelt omfatter det supplerende lyssystem supplerende lysudstyr, kredsløb og dets styresystem.Supplerende lyskilder omfatter hovedsageligt flere almindelige typer såsom glødelamper, fluorescerende lamper, metalhalogenlamper, højtryksnatriumlamper og LED'er.På grund af den lave elektriske og optiske effektivitet af glødelamper, lav fotosyntetisk energieffektivitet og andre mangler, er den blevet elimineret af markedet, så denne artikel foretager ikke en detaljeret analyse.

■ Fluorescerende lampe
Fluorescerende lamper hører til typen af ​​lavtryksgasudladningslamper.Glasrøret er fyldt med kviksølvdamp eller inert gas, og den indvendige væg af røret er belagt med fluorescerende pulver.Lysfarven varierer med det fluorescerende materiale, der er belagt i røret.Fluorescerende lamper har god spektral ydeevne, høj lyseffektivitet, lav effekt, længere levetid (12000h) sammenlignet med glødelamper og relativt lave omkostninger.Fordi selve lysstofrøret udsender mindre varme, kan det være tæt på planterne til belysning og er velegnet til tredimensionel dyrkning.Det spektrale layout af lysstofrøret er dog urimeligt.Den mest almindelige metode i verden er at tilføje reflektorer for at maksimere de effektive lyskildekomponenter af afgrøderne i dyrkningsområdet.Japansk adv-agri selskab har også udviklet en ny type supplerende lyskilde HEFL.HEFL hører faktisk til kategorien af ​​lysstofrør.Det er den generelle betegnelse for kold katode fluorescerende lamper (CCFL) og eksterne elektrode fluorescerende lamper (EEFL), og er en blandet elektrode fluorescerende lampe.HEFL-røret er ekstremt tyndt med en diameter på kun omkring 4 mm, og længden kan justeres fra 450 mm til 1200 mm i henhold til dyrkningens behov.Det er en forbedret version af den konventionelle lysstofrør.

■ Metalhalogenlampe
Metalhalogenlampen er en høj-intensitets udladningslampe, der kan excitere forskellige elementer til at producere forskellige bølgelængder ved at tilsætte forskellige metalhalogenider (tinbromid, natriumiodid osv.) i udladningsrøret på basis af en højtrykskviksølvlampe.Halogenlamper har høj lyseffektivitet, høj effekt, god lysfarve, lang levetid og stort spektrum.Men fordi lyseffektiviteten er lavere end højtryksnatriumlamper, og levetiden er kortere end højtryksnatriumlamper, bruges den i øjeblikket kun på få plantefabrikker.

■ Højtryksnatriumlampe
Højtryksnatriumlamper hører til typen af ​​højtryksgasudladningslamper.Højtryksnatriumlampen er en højeffektiv lampe, hvor højtryksnatriumdamp fyldes i udledningsrøret, og en lille mængde xenon (Xe) og kviksølvmetalhalogenid tilsættes.Fordi højtryksnatriumlamper har høj elektro-optisk konverteringseffektivitet med lavere produktionsomkostninger, er højtryksnatriumlamper i øjeblikket de mest udbredte til anvendelse af supplerende lys i landbrugsanlæg.Men på grund af manglerne ved lav fotosyntetisk effektivitet i deres spektrum, har de manglerne ved lav energieffektivitet.På den anden side er de spektrale komponenter, der udsendes af højtryksnatriumlamper, hovedsageligt koncentreret i det gul-orange lysbånd, som mangler de røde og blå spektre, der er nødvendige for plantevækst.

■ Lysdiode
Som en ny generation af lyskilder har lysemitterende dioder (LED'er) mange fordele, såsom højere elektro-optisk konverteringseffektivitet, justerbart spektrum og høj fotosyntetisk effektivitet.LED kan udsende monokromatisk lys, der er nødvendigt for plantevækst.Sammenlignet med almindelige fluorescerende lamper og andre supplerende lyskilder har LED fordelene ved energibesparelse, miljøbeskyttelse, lang levetid, monokromatisk lys, kold lyskilde og så videre.Med den yderligere forbedring af den elektro-optiske effektivitet af LED'er og reduktionen af ​​omkostninger forårsaget af skalaeffekten, vil LED grow belysningssystemer blive det almindelige udstyr til at supplere lys i landbrugsfaciliteter.Som følge heraf er LED vækstlys blevet anvendt på 99,9% plantefabrikker.

Gennem sammenligning kan egenskaberne af forskellige supplerende lyskilder tydeligt forstås, som vist i tabel 1.

Mobil belysningsenhed
Lysintensiteten er tæt forbundet med væksten af ​​afgrøder.Tredimensionel dyrkning bruges ofte på plantefabrikker.Men på grund af begrænsningen af ​​strukturen af ​​dyrkningsreolerne vil den ujævne fordeling af lys og temperatur mellem stativerne påvirke afgrødernes udbytte, og høstperioden vil ikke blive synkroniseret.En virksomhed i Beijing har med succes udviklet en manuel løftelystilskudsenhed (HPS-lysarmatur og LED grow-lysarmatur) i 2010. Princippet er at rotere drivakslen og oprulleren fastgjort på den ved at ryste håndtaget for at rotere den lille filmrulle for at opnå formålet med at trække og afvikle ståltovet.Vækstlysets stålwire er forbundet med elevatorens viklingshjul gennem flere sæt vendehjul for at opnå effekten af ​​at justere højden af ​​vækstlyset.I 2017 designede og udviklede ovennævnte virksomhed en ny mobil lystilskudsenhed, som automatisk kan justere lystilskudshøjden i realtid efter behov for afgrødevækst.Justeringsanordningen er nu installeret på 3-lags lyskilde løftetype tredimensionelle dyrkningsstativ.Det øverste lag af enheden er niveauet med den bedste lystilstand, så den er udstyret med højtryksnatriumlamper;det midterste lag og det nederste lag er udstyret med LED vækstlys og et løftejusteringssystem.Den kan automatisk justere højden på vækstlyset for at give et passende belysningsmiljø til afgrøderne.

Sammenlignet med den mobile lystilskudsenhed, der er skræddersyet til tredimensionel dyrkning, har Holland udviklet en vandret bevægelig LED vækstlystilskudslysenhed.For at undgå påvirkningen af ​​vækstlysets skygge på planters vækst i solen, kan vækstlyssystemet skubbes til begge sider af beslaget gennem teleskopskyderen i vandret retning, så solen står helt bestrålet på planterne;på overskyede og regnfulde dage uden sollys, Skub vækstlyssystemet til midten af ​​beslaget for at få lyset fra vækstlyssystemet til at fylde planterne jævnt;flyt vækstlyssystemet vandret gennem slæden på beslaget, undgå hyppig demontering og fjernelse af vækstlyssystemet og reducer medarbejdernes arbejdsintensitet, hvilket effektivt forbedrer arbejdseffektiviteten.

Designideer af typiske vækstlyssystem
Det er ikke svært at se ud fra designet af den supplerende belysningsenhed, at designet af det supplerende belysningssystem på plantefabrikken normalt tager lysintensiteten, lyskvaliteten og fotoperiodeparametrene for forskellige afgrødevækstperioder som kerneindholdet i designet , der er afhængig af det intelligente kontrolsystem til at implementere, for at nå det ultimative mål om energibesparelse og højt udbytte.

På nuværende tidspunkt er designet og konstruktionen af ​​supplerende lys til bladgrøntsager gradvist modnet.For eksempel kan bladgrøntsager opdeles i fire stadier: frøplantestadie, mellemvækst, senvækst og slutstadie;frugt-grøntsager kan opdeles i frøplantestadium, vegetativt vækststadium, blomstringsstadium og høststadium.Ud fra egenskaberne for supplerende lysintensitet bør lysintensiteten i frøplantestadiet være lidt lavere, ved 60~200 μmol/(m²·s), og derefter gradvist stige.Bladgrøntsager kan nå op til 100~200 μmol/(m²·s), og frugtgrøntsager kan nå 300~500 μmol/(m²·s) for at sikre lysintensitetskravene til plantefotosyntese i hver vækstperiode og opfylde behovene for højt udbytte;Med hensyn til lyskvalitet er forholdet mellem rød og blå meget vigtig.For at øge kvaliteten af ​​frøplanter og forhindre overdreven vækst i frøplantestadiet indstilles forholdet mellem rød og blå generelt på et lavt niveau [(1~2):1] og reduceres derefter gradvist for at imødekomme plantens behov lys morfologi.Forholdet mellem røde og blå og bladgrøntsager kan indstilles til (3~6):1.For fotoperioden skulle den, i lighed med lysintensiteten, vise en tendens til stigende med forlængelse af vækstperioden, således at bladgrøntsager får mere fotosyntetisk tid til fotosyntese.Det lette tilskudsdesign af frugt og grøntsager vil være mere kompliceret.Ud over de ovennævnte grundlove bør vi fokusere på indstillingen af ​​fotoperioden i blomstringsperioden, og blomstringen og frugtsætningen af ​​grøntsager skal fremmes for ikke at give bagslag.

Det er værd at nævne, at lysformlen bør omfatte slutbehandlingen for lysmiljøindstillinger.For eksempel kan kontinuerlig lystilskud i høj grad forbedre udbyttet og kvaliteten af ​​hydroponiske bladgrøntsagsfrøplanter, eller brug UV-behandling til markant at forbedre spirer og bladgrøntsager (især lilla blade og røde blade) ernæringskvaliteten.

Udover at optimere lystilskud til udvalgte afgrøder, har lyskildestyringssystemet på nogle kunstlysplantefabrikker også udviklet sig hurtigt i de senere år.Dette kontrolsystem er generelt baseret på B/S-strukturen.Fjernstyring og automatisk styring af miljøfaktorer som temperatur, fugtighed, lys og CO2-koncentration under vækst af afgrøder realiseres gennem WIFI, og samtidig realiseres en produktionsmetode, der ikke er begrænset af ydre forhold.Denne form for intelligent supplerende lyssystem bruger LED grow lysarmatur som supplerende lyskilde, kombineret med fjernt intelligent kontrolsystem, kan opfylde behovene for plantebølgelængdebelysning, er særligt velegnet til lyskontrolleret plantedyrkningsmiljø og kan godt imødekomme markedets efterspørgsel .

Afsluttende bemærkninger
Plantefabrikker anses for at være en vigtig måde at løse verdens ressource-, befolknings- og miljøproblemer i det 21. århundrede, og en vigtig måde at opnå fødevareselvforsyning i fremtidige højteknologiske projekter.Som en ny type landbrugsproduktionsmetode er plantefabrikker stadig i lærings- og vækststadiet, og der er behov for mere opmærksomhed og forskning.Denne artikel beskriver egenskaberne og fordelene ved almindelige supplerende belysningsmetoder i plantefabrikker og introducerer designideerne for typiske supplerende belysningssystemer til afgrøder.Det er ikke svært at finde gennem sammenligning, for at klare det svage lys forårsaget af hårdt vejr såsom vedvarende overskyet og dis og for at sikre høj og stabil produktion af anlægsafgrøder, LED Grow lyskildeudstyr er mest i tråd med den nuværende udvikling tendenser.

Den fremtidige udviklingsretning for plantefabrikker bør fokusere på nye højpræcisions- og billige sensorer, fjernstyrbare, justerbare spektrumbelysningssystemer og ekspertkontrolsystemer.Samtidig vil fremtidens plantefabrikker fortsætte med at udvikle sig hen imod billige, intelligente og selvtilpassede.Brugen og populariseringen af ​​LED-grow-lyskilder giver garanti for højpræcision miljøkontrol af plantefabrikker.LED-lysmiljøregulering er en kompleks proces, der involverer omfattende regulering af lyskvalitet, lysintensitet og fotoperiode.Relevante eksperter og forskere skal udføre dybdegående forskning og fremme LED supplerende belysning i kunstigt lys plantefabrikker.