Аўтар: Цзін Чжао, Цзэнчан Чжоу, Юньлун Бу і інш. Крыніца СМІ: Тэхналогія сельскагаспадарчага машынабудавання (цяплічнае садаводства)

Завод аб'ядноўвае сучасную прамысловасць, біятэхналогіі, пажыўную гідрапоніку і інфармацыйныя тэхналогіі для ажыццяўлення высокадакладнага кантролю фактараў навакольнага асяроддзя на прадпрыемстве. Яна цалкам закрытая, мае нізкія патрабаванні да навакольнага асяроддзя, скарачае перыяд збору ўраджаю раслін, эканоміць ваду і ўгнаенні, а дзякуючы перавагам вытворчасці без пестыцыдаў і адсутнасці выкіду адходаў, адзінкавая эфектыўнасць землекарыстання складае ад 40 да 108 разоў. вытворчасці ў адкрытым грунце. Сярод іх інтэлектуальная штучная крыніца святла і рэгуляванне яе светлавога асяроддзя гуляюць вырашальную ролю ў эфектыўнасці вытворчасці.

З'яўляючыся важным фізічным фактарам навакольнага асяроддзя, святло адыгрывае ключавую ролю ў рэгуляцыі росту раслін і метабалізму матэрыялаў. «Адной з галоўных асаблівасцей завода з'яўляецца поўная штучная крыніца святла і рэалізацыя інтэлектуальнай рэгулявання светлавога асяроддзя» стала агульным кансенсусам у галіны.

Патрэба раслін у святле

Святло - адзіная крыніца энергіі фотасінтэзу раслін. Інтэнсіўнасць святла, якасць святла (спектр) і перыядычныя змены асветленасці аказваюць глыбокі ўплыў на рост і развіццё сельскагаспадарчых культур, сярод якіх інтэнсіўнасць святла аказвае найбольшы ўплыў на фотасінтэз раслін.

■ Інтэнсіўнасць святла

Інтэнсіўнасць святла можа змяняць марфалогію культур, напрыклад, красаванне, даўжыню міжвузелляў, таўшчыню сцябла, памер і таўшчыню лісця. Па патрабаванням да інтэнсіўнасці асвятлення расліны можна падзяліць на святлалюбныя, сярэднесвятлалюбныя і слабаасветленых. Гародніна ў асноўным святлалюбныя расліны, і кропкі святлокампенсацыі і светланасычэння ў іх адносна высокія. На фабрыках штучнага асвятлення адпаведныя патрабаванні сельскагаспадарчых культур да інтэнсіўнасці святла з'яўляюцца важнай асновай для выбару крыніц штучнага святла. Разуменне патрабаванняў да асветленасці розных раслін важна для распрацоўкі штучных крыніц святла. Гэта вельмі неабходна для павышэння прадукцыйнасці сістэмы.

■ Якасць святла

Размеркаванне якасці святла (спектральнае) таксама мае важны ўплыў на фотасінтэз і марфагенез раслін (малюнак 1). Святло з'яўляецца часткай выпраменьвання, а выпраменьванне - гэта электрамагнітная хваля. Электрамагнітныя хвалі маюць хвалевыя характарыстыкі і квантавыя (часцічныя) характарыстыкі. У садаводстве квант святла называецца фатонам. Выпраменьванне з дыяпазонам даўжынь хваль 300~800 нм называецца фізіялагічна актыўным выпраменьваннем раслін; а выпраменьванне з дыяпазонам даўжынь хваль 400~700 нм называецца фотасінтэтычна актыўным выпраменьваннем (ФАР) раслін.

Хларафіл і каратын - два найбольш важныя пігменты ў фотасінтэзе раслін. На малюнку 2 паказаны спектральны спектр паглынання кожнага фотасінтэтычнага пігмента, у якім спектр паглынання хларафіла сканцэнтраваны ў чырвонай і сіняй палосах. Сістэма асвятлення заснавана на спектральных патрэбах культур у штучным дапаўненні святла, каб спрыяць фотасінтэзу раслін.

■ фотаперыяд
Сувязь паміж фотасінтэзам і фотамарфагенезам раслін і працягласцю дня (або часам фотаперыяду) называецца фотаперыядычнасцю раслін. Фотаперыядычнасць цесна звязана са светлавымі гадзінамі, што адносіцца да часу, калі ўраджай апрамяняецца святлом. Розным культурам патрабуецца пэўную колькасць гадзін святла, каб завяршыць светлавы перыяд, каб заквітнець і даць плён. У адпаведнасці з рознымі фотаперыядамі яе можна падзяліць на культуры доўгага дня, такія як капуста і інш., якім патрабуецца больш за 12-14 гадзін светлавых гадзін на пэўнай стадыі росту; культуры кароткага дня, такія як лук, соя і інш., патрабуюць менш за 12-14 гадзін асвятлення; сярэднеасветленыя культуры, такія як агуркі, памідоры, перац і інш., могуць квітнець і пладаносіць пры больш працяглым або меншым сонечным святле.
Сярод трох элементаў навакольнага асяроддзя інтэнсіўнасць святла з'яўляецца важнай асновай для выбару штучных крыніц святла. У цяперашні час існуе мноства спосабаў выражэння інтэнсіўнасці святла, у асноўным уключаючы наступныя тры.
（1）Асветленасць адносіцца да павярхоўнай шчыльнасці светлавога патоку (светлавога патоку на адзінку плошчы), атрыманага на асветленай плоскасці, у люксах (лк).

（2）Фотасінтэтычна актыўнае выпраменьванне, PAR，Адзінка вымярэння: Вт/м².

（3）Фатасінтэтычна эфектыўная шчыльнасць патоку фатонаў PPFD або PPF - гэта колькасць фотасінтэтычна эфектыўнага выпраменьвання, якое дасягае або праходзіць праз адзінку часу і адзінку плошчы, адзінка: мкмоль/(м²·с). У асноўным адносіцца да інтэнсіўнасці святла 400~700 нм непасрэдна звязаны з фотасінтэзам. Гэта таксама найбольш часта выкарыстоўваны індыкатар інтэнсіўнасці святла ў раслінаводстве.

Аналіз крыніцы святла тыповай сістэмы дадатковага асвятлення
Дабаўка штучнага асвятлення заключаецца ў павелічэнні інтэнсіўнасці асвятлення ў мэтавай зоне або падаўжэнні часу асвятлення шляхам усталявання сістэмы дадатковага асвятлення для задавальнення патрэбнасці раслін у святле. Наогул кажучы, сістэма дадатковага асвятлення ўключае дадатковае асвятляльнае абсталяванне, схемы і сістэму кіравання. Да дадатковых крыніц святла ў асноўным адносяцца некалькі распаўсюджаных тыпаў, такіх як лямпы напальвання, люмінесцэнтныя лямпы, металагалогенныя лямпы, натрыевыя лямпы высокага ціску і святлодыёды. З-за нізкай электрычнай і аптычнай эфектыўнасці лямпаў напальвання, нізкай фотасінтэтычнай энергаэфектыўнасці і іншых недахопаў яны былі ліквідаваны рынкам, таму ў гэтым артыкуле не праводзіцца дэталёвы аналіз.

■ Люмінесцэнтная лямпа
Люмінесцэнтныя лямпы ставяцца да тыпу газаразрадных лямпаў нізкага ціску. Шкляная трубка запоўнена парамі ртуці або інэртным газам, а ўнутраная сценка трубкі пакрыта флуоресцентным парашком. Колер святла залежыць ад люмінесцэнтнага матэрыялу, пакрытага трубкай. Люмінесцэнтныя лямпы маюць добрыя спектральныя характарыстыкі, высокую светлавую эфектыўнасць, нізкую магутнасць, больш працяглы тэрмін службы (12000 гадзін) у параўнанні з лямпамі напальвання і адносна нізкі кошт. Паколькі сама люмінесцэнтная лямпа вылучае менш цяпла, яна можа знаходзіцца побач з раслінамі для асвятлення і падыходзіць для трохмернага вырошчвання. Аднак спектральная схема люмінесцэнтнай лямпы неабгрунтаваная. Найбольш распаўсюджаным у свеце метадам з'яўляецца даданне адбівальнікаў для максімальнай эфектыўнасці кампанентаў крыніцы святла сельскагаспадарчых культур у зоне вырошчвання. Японская кампанія adv-agri таксама распрацавала новы тып дадатковай крыніцы святла HEFL. HEFL фактычна ставіцца да катэгорыі люмінесцэнтных лямпаў. Гэта агульны тэрмін для люмінесцэнтных лямпаў з халодным катодам (CCFL) і люмінесцэнтных лямпаў з вонкавым электродам (EEFL) і з'яўляецца люмінесцэнтнай лямпай са змешаным электродам. Трубка HEFL вельмі тонкая, яе дыяметр складае ўсяго каля 4 мм, а даўжыню можна рэгуляваць ад 450 мм да 1200 мм у залежнасці ад патрэб вырошчвання. Гэта палепшаная версія звычайнай люмінесцэнтнай лямпы.

■ Металагалогенная лямпа
Металагалогенная лямпа ўяўляе сабой разрадную лямпу высокай інтэнсіўнасці, якая можа ўзбуджаць розныя элементы для атрымання розных даўжынь хваль шляхам дадання розных галагенідаў металаў (броміду волава, ёдыду натрыю і інш.) у разрадную трубку на аснове ртутнай лямпы высокага ціску. Галагенавыя лямпы маюць высокую светлавую эфектыўнасць, высокую магутнасць, добры колер святла, працяглы тэрмін службы і шырокі спектр. Аднак, паколькі светлавая эфектыўнасць ніжэйшая, чым у натрыевых лямпаў высокага ціску, а тэрмін службы меншы, чым у натрыевых лямпаў высокага ціску, у цяперашні час яна выкарыстоўваецца толькі на некалькіх заводах.

■ Натрыевая лямпа высокага ціску
Натрыевыя лямпы высокага ціску ставяцца да тыпу газаразрадных лямпаў высокага ціску. Натрыевая лямпа высокага ціску - гэта высокаэфектыўная лямпа, у якой разрадная трубка запаўняецца парамі натрыю пад высокім ціскам і дадаецца невялікая колькасць ксенону (Xe) і галагеніду металу ртуці. Паколькі натрыевыя лямпы высокага ціску маюць высокую эфектыўнасць электрааптычнага пераўтварэння пры меншых вытворчых выдатках, натрыевыя лямпы высокага ціску ў цяперашні час найбольш шырока выкарыстоўваюцца для прымянення дадатковага святла ў сельскагаспадарчых аб'ектах. Аднак з-за недахопаў нізкай эфектыўнасці фотасінтэзу ў іх спектры яны маюць недахопы нізкай энергаэфектыўнасці. З іншага боку, спектральныя кампаненты, выпраменьваныя натрыевымі лямпамі высокага ціску, у асноўным сканцэнтраваны ў жоўта-аранжавай паласе святла, у якой адсутнічаюць чырвоны і сіні спектры, неабходныя для росту раслін.

■ Святловыпрамяняльны дыёд
У якасці крыніц святла новага пакалення святловыпрамяняльныя дыёды (святлодыёды) маюць шмат пераваг, такіх як больш высокая эфектыўнасць электрааптычнага пераўтварэння, рэгуляваны спектр і высокая фотасінтэтычная эфектыўнасць. Святлодыёд можа выпраменьваць манахраматычнае святло, неабходнае для росту раслін. У параўнанні са звычайнымі люмінесцэнтнымі лямпамі і іншымі дадатковымі крыніцамі святла святлодыёд мае такія перавагі, як энергазберажэнне, ахова навакольнага асяроддзя, працяглы тэрмін службы, манахраматычнае святло, крыніца халоднага святла і гэтак далей. З далейшым паляпшэннем электрааптычнай эфектыўнасці святлодыёдаў і скарачэннем выдаткаў, выкліканых эфектам маштабу, святлодыёдныя сістэмы асвятлення для вырошчвання стануць асноўным абсталяваннем для дадатковага святла ў сельскагаспадарчых аб'ектах. У выніку святлодыёдныя ліхтары для вырошчвання прымяняюцца на 99,9% раслінных заводаў.

Дзякуючы параўнанню характарыстыкі розных дадатковых крыніц святла можна дакладна зразумець, як паказана ў табліцы 1.

Мабільны асвятляльны прыбор
Інтэнсіўнасць святла цесна звязана з ростам сельскагаспадарчых культур. Трохмернае вырошчванне часта выкарыстоўваецца на раслінных заводах. Аднак з-за абмежавання структуры культывацыйных стэлажоў нераўнамернае размеркаванне святла і тэмпературы паміж стэлажамі будзе ўплываць на ўраджайнасць культур і перыяд уборкі ўраджаю не будзе сінхранізаваны. У 2010 годзе кампанія ў Пекіне паспяхова распрацавала дадатковую прыладу для ручнога пад'ёму (асвятляльны прыбор HPS і святлодыёдны асвятляльны прыбор для росту). Прынцып заключаецца ў павароце прываднага вала і замацаванага на ім намотчыка, паціскаючы ручку, каб павярнуць невялікую катушку плёнкі. для дасягнення мэты ўцягвання і размотвання драцяной вяроўкі. Драцяны трос ліхтара для вырошчвання злучаны са звільным колам ліфта праз некалькі набораў рэверсіўных колаў, каб дасягнуць эфекту рэгулявання вышыні ліхтара для вырошчвання. У 2017 годзе вышэйзгаданая кампанія спраектавала і распрацавала новую мабільную прыладу для асвятлення, якая можа аўтаматычна рэгуляваць вышыню асвятлення ў рэжыме рэальнага часу ў адпаведнасці з патрэбамі росту ўраджаю. Цяпер прылада рэгулявання ўстаноўлена на трохмернай стойцы для вырошчвання з трохслаёвай крыніцай святла пад'ёмнага тыпу. Верхні пласт прылады - гэта ўзровень з лепшымі ўмовамі асвятлення, таму ён абсталяваны натрыевымі лямпамі высокага ціску; сярэдні пласт і ніжні пласт абсталяваны святлодыёднымі агнямі для росту і сістэмай рэгулявання ўздыму. Ён можа аўтаматычна рэгуляваць вышыню святла для вырошчвання, каб забяспечыць прыдатныя ўмовы асвятлення для сельскагаспадарчых культур.

У параўнанні з мабільным асвятляльным прыладай, прыстасаваным для трохмернага вырошчвання, Нідэрланды распрацавалі гарызантальна рухомы святлодыёдны асвятляльны прыбор для вырошчвання. Каб пазбегнуць уплыву цені святла для вырошчвання на рост раслін на сонцы, сістэму асвятлення для вырошчвання можна прасунуць па абодва бакі кранштэйна праз тэлескапічныя палазы ў гарызантальным кірунку, каб сонца было цалкам асветлена апрамененыя на расліны; у пахмурныя і дажджлівыя дні без сонечнага святла перасуньце сістэму асвятлення для вырошчвання да сярэдзіны кранштэйна, каб святло сістэмы асвятлення для вырошчвання раўнамерна напаўняла расліны; перамяшчайце сістэму асвятлення для вырошчвання гарызантальна праз слізгаценне на кранштэйне, пазбягайце частай разборкі і выдалення сістэмы асвятлення для вырошчвання і зніжайце інтэнсіўнасць працы супрацоўнікаў, тым самым эфектыўна паляпшаючы эфектыўнасць працы.

Ідэі дызайну тыповай сістэмы асвятлення для вырошчвання
З канструкцыі мабільнай дадатковай прылады асвятлення няцяжка зразумець, што пры распрацоўцы сістэмы дадатковага асвятлення фабрыкі інтэнсіўнасць святла, якасць святла і параметры фотаперыяду розных перыядаў росту сельскагаспадарчых культур у якасці асноўнага зместу канструкцыі , абапіраючыся на інтэлектуальную сістэму кіравання для рэалізацыі, дасягненне канчатковай мэты энергазберажэння і высокай прыбытковасці.

У цяперашні час праектаванне і будаўніцтва дадатковага святла для ліставых гародніны паступова саспела. Напрыклад, ліставыя гародніна можна падзяліць на чатыры стадыі: стадыя расады, сярэдняга росту, позняга росту і канчатковая стадыя; Садавіна-гародніна можна падзяліць на стадыю расады, вегетатыўнага росту, красавання і збору ўраджаю. З атрыбутаў дадатковай інтэнсіўнасці святла інтэнсіўнасць святла на стадыі расады павінна быць крыху ніжэйшай, на ўзроўні 60~200 мкмоль/(м²·с), а затым паступова павялічвацца. Ліставыя гародніна могуць дасягаць да 100~200 мкмоль/(м²·с), а фруктовыя гародніна могуць дасягаць 300~500 мкмоль/(м²·с), каб забяспечыць патрабаванні інтэнсіўнасці святла фотасінтэзу раслін у кожны перыяд росту і задаволіць патрэбы высокая ўраджайнасць; З пункту гледжання якасці святла, суадносіны чырвонага і сіняга вельмі важныя. Каб павысіць якасць расады і прадухіліць празмерны рост на стадыі расады, суадносіны чырвонага і сіняга звычайна ўсталёўваюць на нізкім узроўні [(1~2):1], а затым паступова зніжаюць, каб задаволіць патрэбы расліны. светлая марфалогія. Суадносіны чырвоных і сініх ліставых гародніны можна ўсталяваць на (3~6):1. Для фотаперыяду, падобнага да інтэнсіўнасці святла, ён павінен дэманстраваць тэндэнцыю да павелічэння з падаўжэннем перыяду росту, каб ліставыя гародніна мелі больш фотасінтэтычнага часу для фотасінтэзу. Дызайн лёгкай дабаўкі з садавіны і агародніны будзе больш складаным. У дадатак да вышэйзгаданых асноўных законаў, мы павінны засяродзіцца на ўстанаўленні фотаперыяду ў перыяд цвіцення, а таксама трэба садзейнічаць красаванню і плоданашэння гародніны, каб не даць адваротнага эфекту.

Варта адзначыць, што формула святла павінна ўключаць канчатковую апрацоўку для налад светлавога асяроддзя. Напрыклад, бесперапыннае папаўненне святлом можа значна палепшыць ураджайнасць і якасць расады ліставых гародніны на гідрапоніцы, або выкарыстоўваць апрацоўку ультрафіялетам для значнага паляпшэння харчовых якасцей парасткаў і ліставых гародніны (асабліва фіялетавых лісця і чырвоналіставога салаты).

У дадатак да аптымізацыі дабаўкі святла для асобных культур, у апошнія гады хутка развівалася сістэма кіравання крыніцай святла некаторых фабрык штучнага асвятлення. Гэтая сістэма кіравання, як правіла, заснавана на структуры B/S. Дыстанцыйнае кіраванне і аўтаматычны кантроль фактараў навакольнага асяроддзя, такіх як тэмпература, вільготнасць, асветленасць і канцэнтрацыя CO2 падчас росту сельскагаспадарчых культур, рэалізуюцца праз WIFI, і ў той жа час рэалізуецца метад вытворчасці, які не абмежаваны знешнімі ўмовамі. Гэтая інтэлектуальная сістэма дадатковага асвятлення выкарыстоўвае святлодыёдныя свяцільні для вырошчвання ў якасці дадатковай крыніцы святла ў спалучэнні з дыстанцыйнай інтэлектуальнай сістэмай кіравання, можа задаволіць патрэбы раслін у асвятленні даўжынёй хвалі, асабліва падыходзіць для асяроддзя вырошчвання раслін з кантролем святла і можа задаволіць попыт на рынку .

Заключныя словы
Раслінныя заводы лічацца важным спосабам вырашэння праблем сусветных рэсурсаў, насельніцтва і навакольнага асяроддзя ў 21 стагоддзі, а таксама важным спосабам дасягнення харчовай самазабеспячэння ў будучых высокатэхналагічных праектах. Будучы новым тыпам метаду сельскагаспадарчай вытворчасці, раслінаводчыя заводы ўсё яшчэ знаходзяцца ў стадыі навучання і росту, таму неабходна больш увагі і даследаванняў. У гэтым артыкуле апісваюцца характарыстыкі і перавагі распаўсюджаных метадаў дадатковага асвятлення на заводах, а таксама прадстаўлены ідэі дызайну тыповых сістэм дадатковага асвятлення культур. Праз параўнанне няцяжка знайсці, каб справіцца са слабым асвятленнем, выкліканым суровым надвор'ем, такім як бесперапынная воблачнасць і дымка, і каб забяспечыць высокую і стабільную вытворчасць сельскагаспадарчых культур, абсталяванне святлодыёднай крыніцы святла Grow найбольш адпавядае бягучаму развіццю тэндэнцыі.

Будучы кірунак развіцця заводаў павінен быць сканцэнтраваны на новых высокадакладных, недарагіх датчыках, дыстанцыйна кіраваных сістэмах асвятляльных прылад з рэгуляваным спектрам і экспертных сістэмах кіравання. У той жа час заводы будучыні будуць працягваць развівацца ў бок недарагіх, разумных і самаадаптыўных. Выкарыстанне і папулярызацыя святлодыёдных крыніц святла для вырошчвання дае гарантыю высокадакладнага экалагічнага кантролю заводаў. Рэгуляванне святлодыёднага светлавога асяроддзя - гэта складаны працэс, які ўключае комплекснае рэгуляванне якасці святла, інтэнсіўнасці святла і светлавога перыяду. Адпаведныя эксперты і навукоўцы павінны правесці глыбокія даследаванні, прасоўваючы дадатковае святлодыёднае асвятленне на заводах штучнага святла.