Outeur: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, ens. Bronmedia: Landbou-ingenieurstegnologie (kweekhuistuinbou)

Die aanlegfabriek kombineer moderne nywerheid, biotegnologie, voedingstofhidroponika en inligtingstegnologie om hoë-presisie beheer van omgewingsfaktore in die fasiliteit te implementeer. Dit is volledig omhein, het lae vereistes aan die omliggende omgewing, verkort die plant-oestydperk, bespaar water en kunsmis, en met die voordele van nie-plaagdoderproduksie en geen afvalstorting nie, is die grondgebruiksdoeltreffendheid van die eenheid 40 tot 108 keer dié van oopveldproduksie. Onder andere speel die intelligente kunsmatige ligbron en die regulering van die ligomgewing 'n beslissende rol in die produksiedoeltreffendheid daarvan.

As 'n belangrike fisiese omgewingsfaktor speel lig 'n sleutelrol in die regulering van plantgroei en materiaalmetabolisme. "Een van die hoofkenmerke van die plantfabriek is die volle kunsmatige ligbron en die verwesenliking van intelligente regulering van die ligomgewing" het 'n algemene konsensus in die bedryf geword.

Plante se behoefte aan lig

Lig is die enigste energiebron van plantfotosintese. Ligintensiteit, ligkwaliteit (spektrum) en periodieke veranderinge van lig het 'n diepgaande impak op die groei en ontwikkeling van gewasse, waaronder die ligintensiteit die grootste impak op plantfotosintese het.

■ Ligintensiteit

Die intensiteit van lig kan die morfologie van gewasse verander, soos blomvorming, internoduslengte, stamdikte, en blaargrootte en -dikte. Die vereistes van plante vir ligintensiteit kan verdeel word in ligliefhebbende, medium-ligliefhebbende en lae-ligverdraagsame plante. Groente is meestal ligliefhebbende plante, en hul ligkompensasiepunte en ligversadigingspunte is relatief hoog. In kunsmatige ligfabrieke is die relevante vereistes van gewasse vir ligintensiteit 'n belangrike basis vir die keuse van kunsmatige ligbronne. Om die ligvereistes van verskillende plante te verstaan, is belangrik vir die ontwerp van kunsmatige ligbronne. Dit is uiters noodsaaklik om die produksieprestasie van die stelsel te verbeter.

■ Liggehalte

Die ligkwaliteit (spektrale) verspreiding het ook 'n belangrike invloed op plantfotosintese en morfogenese (Figuur 1). Lig is deel van straling, en straling is 'n elektromagnetiese golf. Elektromagnetiese golwe het golfkenmerke en kwantum (deeltjie) eienskappe. Die kwantum van lig word foton genoem in die tuinbouveld. Straling met 'n golflengtebereik van 300~800 nm word fisiologies aktiewe straling van plante genoem; en straling met 'n golflengtebereik van 400~700 nm word fotosinteties aktiewe straling (PAR) van plante genoem.

Chlorofil en karotene is die twee belangrikste pigmente in plantfotosintese. Figuur 2 toon die spektrale absorpsiespektrum van elke fotosintetiese pigment, waarin die chlorofil absorpsiespektrum in die rooi en blou bande gekonsentreer is. Die beligtingstelsel is gebaseer op die spektrale behoeftes van gewasse om lig kunsmatig aan te vul, om sodoende die fotosintese van plante te bevorder.

■ fotoperiode
Die verband tussen fotosintese en fotomorfogenese van plante en daglengte (of fotoperiodetyd) word fotoperioditeit van plante genoem. Die fotoperioditeit is nou verwant aan die ligure, wat verwys na die tyd wat die gewas deur lig bestraal word. Verskillende gewasse benodig 'n sekere aantal ligure om die fotoperiode te voltooi om te blom en vrugte te dra. Volgens die verskillende fotoperiodes kan dit verdeel word in langdaggewasse, soos kool, ens., wat meer as 12-14 uur ligure in 'n sekere stadium van hul groei benodig; kortdaggewasse, soos uie, sojabone, ens., benodig minder as 12-14 uur verligtingsure; medium-songewasse, soos komkommers, tamaties, soetrissies, ens., kan blom en vrugte dra onder langer of korter sonlig.
Onder die drie elemente van die omgewing is ligintensiteit 'n belangrike basis vir die keuse van kunsmatige ligbronne. Tans is daar baie maniere om ligintensiteit uit te druk, hoofsaaklik die volgende drie.
(1) Verligting verwys na die oppervlakdigtheid van ligstroom (ligstroom per eenheidsoppervlakte) wat op die verligte vlak ontvang word, in lux (lx).

(2) Fotosinteties aktiewe straling, PAR, Eenheid: W/m².

(3) Die fotosinteties effektiewe fotonvloeddigtheid PPFD of PPF is die aantal fotosinteties effektiewe straling wat 'n tydseenheid en oppervlakte-eenheid bereik of daardeur beweeg, eenheid: μmol/(m²·s). Dit verwys hoofsaaklik na die ligintensiteit van 400~700nm wat direk verband hou met fotosintese. Dit is ook die mees gebruikte ligintensiteitsaanwyser in die veld van plantproduksie.

Ligbronanalise van tipiese aanvullende ligstelsel
Kunsmatige ligaanvulling is om die ligintensiteit in die teikenarea te verhoog of die ligtyd te verleng deur 'n aanvullende ligstelsel te installeer om aan die ligbehoefte van plante te voldoen. Oor die algemeen sluit die aanvullende ligstelsel aanvullende ligtoerusting, stroombane en sy beheerstelsel in. Aanvullende ligbronne sluit hoofsaaklik verskeie algemene tipes in soos gloeilampe, fluoresserende lampe, metaalhaliedlampe, hoëdruknatriumlampe en LED's. As gevolg van die lae elektriese en optiese doeltreffendheid van gloeilampe, lae fotosintetiese energie-doeltreffendheid en ander tekortkominge, is dit deur die mark uitgeskakel, daarom maak hierdie artikel nie 'n gedetailleerde analise nie.

■ Fluoresserende lamp
Fluoresserende lampe behoort tot die tipe laedruk-gasontladingslampe. Die glasbuis is gevul met kwikdamp of inerte gas, en die binnewand van die buis is bedek met fluoresserende poeier. Die ligkleur wissel na gelang van die fluoresserende materiaal wat in die buis bedek is. Fluoresserende lampe het goeie spektrale werkverrigting, hoë ligdoeltreffendheid, lae krag, langer lewensduur (12000 uur) in vergelyking met gloeilampe, en relatief lae koste. Omdat die fluoresserende lamp self minder hitte uitstraal, kan dit naby die plante wees vir beligting en is dit geskik vir driedimensionele verbouing. Die spektrale uitleg van die fluoresserende lamp is egter onredelik. Die mees algemene metode ter wêreld is om reflektors by te voeg om die effektiewe ligbronkomponente van die gewasse in die verbouingsarea te maksimeer. Die Japannese adv-agri-maatskappy het ook 'n nuwe tipe aanvullende ligbron HEFL ontwikkel. HEFL behoort eintlik tot die kategorie fluoresserende lampe. Dit is die algemene term vir koue katode fluoresserende lampe (CCFL) en eksterne elektrode fluoresserende lampe (EEFL), en is 'n gemengde elektrode fluoresserende lamp. Die HEFL-buis is uiters dun, met 'n deursnee van slegs ongeveer 4 mm, en die lengte kan aangepas word van 450 mm tot 1200 mm volgens die behoeftes van die verbouing. Dit is 'n verbeterde weergawe van die konvensionele fluoresserende lamp.

■ Metaalhaliedlamp
Die metaalhaliedlamp is 'n hoë-intensiteit ontladingslamp wat verskillende elemente kan opwek om verskillende golflengtes te produseer deur verskeie metaalhaliede (tinbromied, natriumjodied, ens.) in die ontladingsbuis by te voeg op grond van 'n hoëdruk-kwiklamp. Halogeenlampe het hoë ligdoeltreffendheid, hoë krag, goeie ligkleur, lang lewensduur en 'n groot spektrum. Omdat die ligdoeltreffendheid egter laer is as dié van hoëdruk-natriumlampe, en die lewensduur korter is as dié van hoëdruk-natriumlampe, word dit tans slegs in 'n paar fabrieke gebruik.

■ Hoëdruk-natriumlamp
Hoëdruk-natriumlampe behoort tot die tipe hoëdruk-gasontladingslampe. Die hoëdruk-natriumlamp is 'n hoë-doeltreffendheidslamp waarin hoëdruk-natriumdamp in die ontladingsbuis gevul word, en 'n klein hoeveelheid xenon (Xe) en kwikmetaalhalied bygevoeg word. Omdat hoëdruk-natriumlampe hoë elektro-optiese omskakelingsdoeltreffendheid met laer vervaardigingskoste het, word hoëdruk-natriumlampe tans die mees gebruikte in die toepassing van aanvullende lig in landboufasiliteite. As gevolg van die tekortkominge van lae fotosintetiese doeltreffendheid in hul spektrum, het hulle egter die tekortkominge van lae energie-doeltreffendheid. Aan die ander kant is die spektrale komponente wat deur hoëdruk-natriumlampe uitgestraal word, hoofsaaklik gekonsentreer in die geel-oranje ligband, wat nie die rooi en blou spektra het wat nodig is vir plantgroei nie.

■ Liguitstralende diode
As 'n nuwe generasie ligbronne het lig-emitterende diodes (LED's) baie voordele, soos hoër elektro-optiese omskakelingsdoeltreffendheid, verstelbare spektrum en hoë fotosintetiese doeltreffendheid. LED kan monochromatiese lig uitstraal wat nodig is vir plantgroei. In vergelyking met gewone fluoresserende lampe en ander aanvullende ligbronne, het LED die voordele van energiebesparing, omgewingsbeskerming, lang lewensduur, monochromatiese lig, koue ligbron en so aan. Met die verdere verbetering van die elektro-optiese doeltreffendheid van LED's en die vermindering van koste wat veroorsaak word deur die skaaleffek, sal LED-kweekbeligtingstelsels die hoofstroomtoerusting word vir die aanvulling van lig in landboufasiliteite. Gevolglik word LED-kweekligte in meer as 99,9% van aanlegfabrieke toegepas.

Deur vergelyking kan die eienskappe van verskillende aanvullende ligbronne duidelik verstaan ​​word, soos getoon in Tabel 1.

Mobiele beligtingstoestel
Die intensiteit van lig hou nou verband met die groei van gewasse. Driedimensionele verbouing word dikwels in plantfabrieke gebruik. As gevolg van die beperking van die struktuur van die verbouingsrakke, sal die ongelyke verspreiding van lig en temperatuur tussen die rakke egter die opbrengs van die gewasse beïnvloed en die oestydperk sal nie gesinchroniseer wees nie. 'n Maatskappy in Beijing het in 2010 suksesvol 'n handmatige lig-aanvullingstoestel (HPS-beligtingsarmatuur en LED-kweekbeligtingsarmatuur) ontwikkel. Die beginsel is om die dryfas en die opwinder wat daarop vasgemaak is, te draai deur die handvatsel te skud om die klein filmrol te draai om die doel van die terugtrek en afwikkeling van die draadtou te bereik. Die draadtou van die groeilig word deur verskeie stelle omkeerwiele aan die opwindwiel van die hysbak gekoppel, om sodoende die effek van die aanpassing van die hoogte van die groeilig te bereik. In 2017 het die bogenoemde maatskappy 'n nuwe mobiele lig-aanvullingstoestel ontwerp en ontwikkel, wat die lig-aanvullingshoogte outomaties intyds kan aanpas volgens die behoeftes van die gewasgroei. Die aanpassingstoestel is nou geïnstalleer op die 3-laag ligbron-opheffingstipe driedimensionele verbouingsrak. Die boonste laag van die toestel is die vlak met die beste ligtoestande, daarom is dit toegerus met hoëdruk-natriumlampe; die middelste laag en die onderste laag is toegerus met LED-kweekligte en 'n hefverstellingstelsel. Dit kan outomaties die hoogte van die kweeklig aanpas om 'n geskikte beligtingsomgewing vir die gewasse te bied.

In vergelyking met die mobiele lig-aanvullingstoestel wat vir driedimensionele verbouing aangepas is, het Nederland 'n horisontaal beweegbare LED-groeilig-aanvullingsligtoestel ontwikkel. Om die invloed van die skaduwee van die groeilig op die groei van plante in die son te vermy, kan die groeiligstelsel na beide kante van die hakie deur die teleskopiese skuif in die horisontale rigting gestoot word, sodat die son ten volle op die plante bestraal word; op bewolkte en reënerige dae sonder sonlig, stoot die groeiligstelsel na die middel van die hakie om die lig van die groeiligstelsel die plante eweredig te laat vul; beweeg die groeiligstelsel horisontaal deur die skuif op die hakie, vermy gereelde demontage en verwydering van die groeiligstelsel, en verminder die arbeidsintensiteit van werknemers, wat die werksdoeltreffendheid effektief verbeter.

Ontwerpidees van tipiese groeiligstelsel
Dit is nie moeilik om uit die ontwerp van die mobiele beligtingsaanvullende toestel te sien dat die ontwerp van die aanvullende beligtingstelsel van die aanlegfabriek gewoonlik die ligintensiteit, ligkwaliteit en fotoperiodeparameters van verskillende gewasgroeiperiodes as die kerninhoud van die ontwerp neem nie, en staatmaak op die intelligente beheerstelsel om te implementeer, wat die uiteindelike doel van energiebesparing en hoë opbrengs bereik.

Tans het die ontwerp en konstruksie van aanvullende lig vir blaargroentes geleidelik volwasse geword. Blaargroentes kan byvoorbeeld in vier stadiums verdeel word: saailingstadium, middelgroei, laatgroei en eindstadium; vrugtegroentes kan verdeel word in saailingstadium, vegetatiewe groeistadium, blomstadium en oesstadium. Uit die eienskappe van aanvullende ligintensiteit moet die ligintensiteit in die saailingstadium effens laer wees, teen 60~200 μmol/(m²·s), en dan geleidelik toeneem. Blaargroentes kan tot 100~200 μmol/(m²·s) bereik, en vrugtegroentes kan 300~500 μmol/(m²·s) bereik om die ligintensiteitsvereistes van plantfotosintese in elke groeiperiode te verseker en aan die behoeftes van hoë opbrengs te voldoen; Wat ligkwaliteit betref, is die verhouding van rooi tot blou baie belangrik. Om die kwaliteit van saailinge te verhoog en oormatige groei in die saailingstadium te voorkom, word die verhouding van rooi tot blou oor die algemeen op 'n lae vlak gestel [(1~2):1], en dan geleidelik verminder om aan die behoeftes van plantligmorfologie te voldoen. Die verhouding van rooi tot blou tot blaargroentes kan op (3~6):1 gestel word. Vir die fotoperiode, soortgelyk aan die ligintensiteit, moet dit 'n neiging toon om te styg met die verlenging van die groeiperiode, sodat blaargroentes meer fotosintetiese tyd vir fotosintese het. Die ligaanvullingsontwerp van vrugte en groente sal meer ingewikkeld wees. Benewens die bogenoemde basiese wette, moet ons fokus op die instelling van die fotoperiode gedurende die blomperiode, en die blom- en vrugvorming van groente moet bevorder word, om nie terug te vuur nie.

Dit is die moeite werd om te noem dat die ligformule die eindbehandeling vir ligte omgewingsinstellings moet insluit. Deurlopende ligaanvulling kan byvoorbeeld die opbrengs en kwaliteit van hidroponiese blaargroentesaailinge aansienlik verbeter, of UV-behandeling kan gebruik word om die voedingsgehalte van spruite en blaargroente (veral pers blare en rooi blaarslaai) aansienlik te verbeter.

Benewens die optimalisering van ligaanvulling vir geselekteerde gewasse, het die ligbronbeheerstelsel van sommige kunsmatige ligplantfabrieke ook die afgelope paar jaar vinnig ontwikkel. Hierdie beheerstelsel is oor die algemeen gebaseer op die B/S-struktuur. Afstandbeheer en outomatiese beheer van omgewingsfaktore soos temperatuur, humiditeit, lig en CO2-konsentrasie tydens die groei van gewasse word deur WIFI gerealiseer, en terselfdertyd word 'n produksiemetode gerealiseer wat nie deur eksterne toestande beperk word nie. Hierdie soort intelligente aanvullende ligstelsel gebruik LED-kweekligarmatuur as aanvullende ligbron, gekombineer met 'n afstand-intelligente beheerstelsel, kan voldoen aan die behoeftes van plantgolflengtebeligting, is veral geskik vir ligbeheerde plantkweekomgewings, en kan goed voldoen aan die markvraag.

Slotopmerkings
Plantfabrieke word beskou as 'n belangrike manier om wêreldhulpbron-, bevolkings- en omgewingsprobleme in die 21ste eeu op te los, en 'n belangrike manier om voedselselfvoorsiening in toekomstige hoëtegnologieprojekte te bereik. As 'n nuwe tipe landbouproduksiemetode is plantfabrieke steeds in die leer- en groeifase, en meer aandag en navorsing is nodig. Hierdie artikel beskryf die eienskappe en voordele van algemene aanvullende beligtingsmetodes in plantfabrieke, en stel die ontwerpidees van tipiese gewas-aanvullende beligtingstelsels bekend. Dit is nie moeilik om deur vergelyking te vind nie, om die lae lig wat deur erge weer soos voortdurende bewolkte en mis veroorsaak word, te hanteer en om hoë en stabiele produksie van fasiliteitsgewasse te verseker, is LED Grow-ligbrontoerusting die meeste in lyn met huidige ontwikkelingstendense.

Die toekomstige ontwikkelingsrigting van aanlegfabrieke moet fokus op nuwe hoë-presisie, lae-koste sensors, afstandbeheerbare, verstelbare spektrum beligtingstoestelstelsels en kundige beheerstelsels. Terselfdertyd sal die toekomstige aanlegfabrieke voortgaan om te ontwikkel na lae-koste, intelligente en self-aanpasbare stelsels. Die gebruik en popularisering van LED-kweekligbronne bied 'n waarborg vir hoë-presisie omgewingsbeheer van aanlegfabrieke. LED-ligomgewingregulering is 'n komplekse proses wat omvattende regulering van liggehalte, ligintensiteit en fotoperiode behels. Relevante kundiges en geleerdes moet diepgaande navorsing doen wat LED-aanvullende beligting in kunsmatige ligfabrieke bevorder.