Forfatter: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu osv. Kildemedier: Landbrugsteknik (drivhusgartneri)

Plantefabrikken kombinerer moderne industri, bioteknologi, næringsstofhydroponik og informationsteknologi for at implementere højpræcisionskontrol af miljøfaktorer i anlægget. Den er fuldt lukket, har lave krav til det omgivende miljø, forkorter plantehøstperioden, sparer vand og gødning, og med fordelene ved pesticidfri produktion og ingen affaldsudledning er enhedens arealudnyttelseseffektivitet 40 til 108 gange bedre end ved produktion i åben mark. Blandt disse spiller den intelligente kunstige lyskilde og dens regulering af lysmiljøet en afgørende rolle i dens produktionseffektivitet.

Som en vigtig fysisk miljøfaktor spiller lys en nøglerolle i reguleringen af ​​planters vækst og materialemetabolisme. "Et af hovedfunktionerne ved plantefabrikken er den fuldt 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 planters fotosyntese. Lysintensitet, lyskvalitet (spektrum) og periodiske lysændringer har en dybtgående indflydelse på afgrøders vækst og udvikling, hvoraf lysintensiteten har den største indflydelse på planters fotosyntese.

■ Lysintensitet

Lysintensiteten kan ændre afgrøders morfologi, såsom blomstring, internodiernes længde, stængeltykkelse samt bladstørrelse og -tykkelse. Planternes krav til lysintensitet kan opdeles i lyselskende, mellemlyselskende og lavlystolerante planter. Grøntsager er for det meste lyselskende planter, og deres lyskompensationspunkter og lysmætningspunkter er relativt høje. I fabrikker til kunstig lysproduktion er afgrødernes relevante krav til lysintensitet et vigtigt grundlag for valg af kunstige lyskilder. Forståelse af forskellige planters lyskrav er vigtig for design af kunstige lyskilder. Det er yderst nødvendigt at forbedre systemets produktionsydelse.

■ Lyskvalitet

Lyskvalitetsfordelingen (spektralfordelingen) har også en vigtig indflydelse på planters 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 kvante kaldes foton i havebrugssektoren. Stråling med et bølgelængdeområde på 300~800 nm kaldes fysiologisk aktiv stråling af planter; og stråling med et bølgelængdeområde på 400~700 nm 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 det røde og blå bånd. Belysningssystemet er baseret på afgrøders spektrale behov for kunstigt at supplere lys for at fremme planters fotosyntese.

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

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

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

Lyskildeanalyse af typisk supplerende lyssystem
Kunstigt lystilskud er til for at øge lysintensiteten i målområdet eller forlænge lystiden ved at installere et supplerende lyssystem 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, lysstofrør, metalhalogenlamper, højtryksnatriumlamper og LED'er. På grund af glødelampers lave elektriske og optiske effektivitet, lave fotosyntetiske energieffektivitet og andre mangler er det blevet elimineret af markedet, så denne artikel foretager ikke en detaljeret analyse.

■ Lysstofrør
Lysstofrør tilhører typen lavtryksgasudladningslamper. Glasrøret er fyldt med kviksølvdamp eller inert gas, og rørets indvendige væg er belagt med fluorescerende pulver. Lysfarven varierer med det fluorescerende materiale, der er belagt i røret. Lysstofrør har god spektral ydeevne, høj lyseffektivitet, lav effekt, længere levetid (12000 timer) sammenlignet med glødelamper og relativt lav pris. Fordi selve lysstofrøret udsender mindre varme, kan det placeres tæt på planterne for belysning og er egnet til tredimensionel dyrkning. Imidlertid er lysstofrørets spektrale layout urimeligt. Den mest almindelige metode i verden er at tilføje reflektorer for at maksimere de effektive lyskildekomponenter for afgrøderne i dyrkningsområdet. Det japanske adv-agri-firma har også udviklet en ny type supplerende lyskilde HEFL. HEFL tilhører faktisk kategorien lysstofrør. Det er den generelle betegnelse for koldkatodelysstofrør (CCFL) og ekstern elektrodelysstofrør (EEFL) og er en blandet elektrodelysstofrør. HEFL-røret er ekstremt tyndt med en diameter på kun omkring 4 mm, og længden kan justeres fra 450 mm til 1200 mm afhængigt af dyrkningens behov. Det er en forbedret version af den konventionelle lysstofrør.

■ Metalhalogenlampe
Metalhalogenlampen er en højintensitetsudladningslampe, der kan excitere forskellige elementer for 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 et bredt spektrum. Men fordi lyseffektiviteten er lavere end for højtryksnatriumlamper, og levetiden er kortere end for højtryksnatriumlamper, bruges den i øjeblikket kun i et par fabrikker.

■ Højtryksnatriumlampe
Højtryksnatriumlamper tilhører typen af ​​højtryksgasudladningslamper. Højtryksnatriumlampen er en højeffektiv lampe, hvor højtryksnatriumdamp er fyldt i udladningsrøret, og en lille mængde xenon (Xe) og kviksølvmetalhalogenid er tilsat. Fordi højtryksnatriumlamper har høj elektrooptisk konverteringseffektivitet med lavere produktionsomkostninger, er højtryksnatriumlamper i øjeblikket de mest udbredte anvendelser i supplerende lys i landbrugsanlæg. På grund af manglerne ved lav fotosyntetisk effektivitet i deres spektrum har de imidlertid ulemperne 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 lysdioder (LED'er) mange fordele, såsom højere elektrooptisk konverteringseffektivitet, justerbart spektrum og høj fotosyntetisk effektivitet. LED kan udsende monokromatisk lys, der er nødvendigt for plantevækst. Sammenlignet med almindelige lysstofrør og andre supplerende lyskilder har LED fordelene ved energibesparelse, miljøbeskyttelse, lang levetid, monokromatisk lys, kold lyskilde og så videre. Med den yderligere forbedring af LED'ers elektrooptiske effektivitet og reduktionen af ​​omkostninger forårsaget af skalaeffekten, vil LED-vækstbelysningssystemer blive det almindelige udstyr til supplerende lys i landbrugsanlæg. Som et resultat er LED-vækstlamper blevet anvendt i over 99,9% af planteværker.

Gennem sammenligning kan karakteristikaene for forskellige supplerende lyskilder tydeligt forstås, som vist i tabel 1.

Mobil belysningsenhed
Lysintensiteten er tæt forbundet med afgrøders vækst. Tredimensionel dyrkning anvendes ofte i plantefabrikker. På grund af begrænsningerne i dyrkningsstativernes struktur vil den ujævne fordeling af lys og temperatur mellem stativene dog påvirke afgrødernes udbytte, og høstperioden vil ikke være synkroniseret. En virksomhed i Beijing udviklede med succes en manuel løftende lystilskudsenhed (HPS-belysningsarmatur og LED-dyrkningsbelysningsarmatur) i 2010. Princippet er at rotere drivakslen og den på den fastgjorte opruller ved at ryste håndtaget for at rotere den lille filmspole for at opnå formålet med at trække wiren tilbage og afrulle. Vækstlampens wire er forbundet med elevatorens oprullehjul gennem flere sæt reverserende hjul for at opnå effekten af ​​at justere vækstlampens højde. I 2017 designede og udviklede den ovennævnte virksomhed en ny mobil lystilskudsenhed, som automatisk kan justere lystilskudshøjden i realtid i henhold til afgrødens vækstbehov. Justeringsenheden er nu installeret på det tredimensionelle dyrkningsstativ med 3-lags lyskilde, der løfter. Det øverste lag af enheden er det niveau med de bedste lysforhold, så den er udstyret med højtryksnatriumlamper; mellemlaget og bundlaget er udstyret med LED-vækstlamper og et løftejusteringssystem. Den kan automatisk justere højden på vækstlampen for at give et passende lysmiljø til afgrøderne.

Sammenlignet med den mobile lystilskudsenhed, der er skræddersyet til tredimensionel dyrkning, har Holland udviklet en vandret bevægelig LED-vækstlystilskudsenhed. For at undgå påvirkning af vækstlysets skygge på planternes vækst i solen, kan vækstlyssystemet skubbes vandret til begge sider af beslaget via teleskopskinnen, så solen bestråles fuldt ud på planterne. På overskyede og regnfulde dage uden sollys kan vækstlyssystemet skubbes til midten af ​​beslaget for at få lyset fra vækstlyssystemet til at fylde planterne jævnt. Flyt vækstlyssystemet vandret via skinnen på beslaget for at undgå hyppig adskillelse og fjernelse af vækstlyssystemet og reducere medarbejdernes arbejdsintensitet og dermed effektivt forbedre arbejdseffektiviteten.

Designidéer til typiske vækstlyssystemer
Det er ikke svært at se ud fra designet af den mobile supplerende belysningsenhed, at designet af fabrikkens supplerende belysningssystem normalt tager lysintensiteten, lyskvaliteten og fotoperiodeparametrene for forskellige afgrødevækstperioder som kerneindholdet i designet, idet det er afhængigt af det intelligente styresystem til implementering og opnår det endelige mål om energibesparelse og højt udbytte.

I øjeblikket er design og konstruktion af supplerende lys til bladgrøntsager gradvist blevet mere og mere udviklet. For eksempel kan bladgrøntsager opdeles i fire stadier: kimplantestadiet, mellemvækststadiet, senvækststadiet og slutstadiet; frugtgrøntsager kan opdeles i kimplantestadiet, vegetativ vækststadiet, blomstringsstadiet og høststadiet. Ud fra egenskaberne ved supplerende lysintensitet bør lysintensiteten i kimplantestadiet være lidt lavere, på 60~200 μmol/(m²·s), og derefter gradvist øges. Bladgrøntsager kan nå op til 100~200 μmol/(m²·s), og frugtgrøntsager kan nå 300~500 μmol/(m²·s) for at sikre lysintensitetskravene til planternes fotosyntese i hver vækstperiode og opfylde behovet for højt udbytte; Med hensyn til lyskvalitet er forholdet mellem rød og blå meget vigtigt. For at øge kimplanternes kvalitet og forhindre overdreven vækst i kimplantestadiet, sættes forholdet mellem rød og blå generelt på et lavt niveau [(1~2):1], og reduceres derefter gradvist for at imødekomme plantens lysmorfologiske behov. Forholdet mellem rød og blå og bladgrøntsager kan sættes til (3~6):1. For fotoperioden, ligesom lysintensiteten, bør den vise en tendens til at stige med forlængelsen af ​​vækstperioden, så bladgrøntsager har mere fotosyntetisk tid til fotosyntese. Lystilskudsdesignet til frugt og grøntsager vil være mere kompliceret. Ud over de ovennævnte grundlæggende love 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 inkludere den afsluttende behandling i lysmiljøer. For eksempel kan kontinuerlig lystilskud forbedre udbyttet og kvaliteten af ​​hydroponiske bladgrøntsagsplanter betydeligt, eller brug af UV-behandling til at forbedre spirernes og bladgrøntsagernes (især lilla blade og rødbladet salat) næringskvalitet betydeligt.

Ud over at optimere lystilskuddet til udvalgte afgrøder har lyskildestyringssystemet i nogle kunstige lysplantefabrikker også udviklet sig hurtigt i de senere år. Dette styringssystem er generelt baseret på B/S-strukturen. Fjernstyring og automatisk styring af miljøfaktorer som temperatur, fugtighed, lys og CO2-koncentration under afgrødernes vækst realiseres via WIFI, og samtidig realiseres en produktionsmetode, der ikke er begrænset af eksterne forhold. Denne type intelligent supplerende lyssystem bruger LED-vækstlysarmatur som supplerende lyskilde, kombineret med et intelligent fjernstyringssystem, der kan opfylde behovene for plantebølgelængdebelysning, er særligt velegnet til lysstyrede plantedyrkningsmiljøer og kan godt imødekomme markedets efterspørgsel.

Afsluttende bemærkninger
Plantefabrikker betragtes som 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 vækstfasen, og der er behov for mere opmærksomhed og forskning. Denne artikel beskriver karakteristika og fordele ved almindelige supplerende belysningsmetoder i plantefabrikker og introducerer designidéer for typiske supplerende belysningssystemer til afgrøder. Det er ikke svært at finde ud af, hvordan man ved sammenligning kan håndtere det lave lys forårsaget af hårdt vejr, såsom kontinuerlig overskyethed og dis, og for at sikre en høj og stabil produktion af afgrøder i anlæg, er LED Grow-lyskildeudstyr mest i tråd med de nuværende udviklingstendenser.

Den fremtidige udviklingsretning for plantefabrikker bør fokusere på nye højpræcisions- og billige sensorer, fjernstyrede, justerbare spektrumbelysningssystemer og ekspertstyringssystemer. Samtidig vil fremtidens plantefabrikker fortsætte med at udvikle sig mod billige, intelligente og selvtilpasningsdygtige løsninger. Brugen og populariseringen af ​​LED-vækstlyskilder garanterer højpræcisionsmiljøkontrol af plantefabrikker. Regulering af LED-lysmiljø er en kompleks proces, der involverer omfattende regulering af lyskvalitet, lysintensitet og fotoperiode. Relevante eksperter og forskere skal udføre dybdegående forskning, der fremmer LED-supplerende belysning i plantefabrikker til kunstig belysning.