Аўтар: Цзін Чжао, Цзэнчань Чжоу, Юньлун Бу і інш. Крыніца інфармацыі: Тэхналогія сельскагаспадарчай інжынерыі (цяплічнае садоўніцтва)

Завод па вытворчасці раслін спалучае ў сабе сучасную прамысловасць, біятэхналогіі, гідрапоніку пажыўных рэчываў і інфармацыйныя тэхналогіі для ўкаранення высокадакладнага кантролю фактараў навакольнага асяроддзя на аб'екце. Ён цалкам закрыты, мае нізкія патрабаванні да навакольнага асяроддзя, скарачае перыяд збору ўраджаю, эканоміць ваду і ўгнаенні, а дзякуючы перавагам вытворчасці без пестыцыдаў і адсутнасці скіду адходаў, эфектыўнасць выкарыстання зямлі на адзінку зямлі ў 40-108 разоў вышэйшая, чым пры вытворчасці ў адкрытым полі. Сярод іх інтэлектуальная крыніца штучнага святла і яе рэгуляванне светлавога асяроддзя адыгрываюць вырашальную ролю ў эфектыўнасці вытворчасці.

Як важны фізічны фактар ​​навакольнага асяроддзя, святло адыгрывае ключавую ролю ў рэгуляванні росту раслін і абмену рэчываў. «Адной з галоўных асаблівасцей расліннай фабрыкі з'яўляецца поўная штучная крыніца святла і рэалізацыя інтэлектуальнага рэгулявання светлавога асяроддзя» стала агульным кансенсусам у галіне.

Патрэба раслін у святле

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

■ Інтэнсіўнасць святла

Інтэнсіўнасць святла можа змяніць марфалогію сельскагаспадарчых культур, такую ​​як красаванне, даўжыня міжвузлоў, таўшчыня сцябла, а таксама памер і таўшчыня лісця. Патрабаванні раслін да інтэнсіўнасці святла можна падзяліць на святлалюбныя, сярэднялюбныя і нізкаўстойлівыя да святла. Агароднінныя культуры ў асноўным з'яўляюцца святлалюбнымі раслінамі, і іх кропкі кампенсацыі святла і кропкі насычэння святлом адносна высокія. На заводах па вытворчасці штучнага святла адпаведныя патрабаванні сельскагаспадарчых культур да інтэнсіўнасці святла з'яўляюцца важнай асновай для выбару крыніц штучнага святла. Разуменне патрэб розных раслін у святле важна для праектавання крыніц штучнага святла, што надзвычай неабходна для паляпшэння вытворчых характарыстык сістэмы.

■ Якасць святла

Размеркаванне якасці святла (спектральнае) таксама аказвае важны ўплыў на фотасінтэз і морфагенез раслін (малюнак 1). Святло з'яўляецца часткай выпраменьвання, а выпраменьванне — гэта электрамагнітная хваля. Электрамагнітныя хвалі маюць хвалевыя і квантавыя (часцічныя) характарыстыкі. Квант святла ў садоўніцтве 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 каратыны — два найважнейшыя пігменты ў фотасінтэзе раслін. На малюнку 2 паказаны спектральны спектр паглынання кожнага фотасінтэтычнага пігмента, у якім спектр паглынання хларафіла сканцэнтраваны ў чырвоным і сінім дыяпазонах. Сістэма асвятлення заснавана на спектральных патрэбах сельскагаспадарчых культур у штучным дапаўненні святла, каб спрыяць фотасінтэзу раслін.

■ фотаперыяд
Сувязь паміж фотасінтэзам і фотаморфагенезам раслін і працягласцю дня (або фотаперыядам) называецца фотаперыядытнасцю раслін. Фотаперыядытнасць цесна звязана са светлавымі гадзінамі, што адносіцца да часу, на працягу якога культура апраменьваецца святлом. Розным культурам патрабуецца пэўная колькасць гадзін святла, каб завяршыць фотаперыяд для цвіцення і пладаноснасці. У залежнасці ад розных фотаперыядаў іх можна падзяліць на доўгадзённыя культуры, такія як капуста і г.д., якім патрабуецца больш за 12-14 гадзін святла на пэўным этапе росту; кароткадзённыя культуры, такія як цыбуля, соя і г.д., патрабуюць менш за 12-14 гадзін асвятлення; культуры сярэдняй сонечнай актыўнасці, такія як агуркі, памідоры, перац і г.д., могуць квітнець і пладаносіць пры больш працяглым або кароткім 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 у тым ліку наступныя тры.
(1) Асветленасць адносіцца да павярхоўнай шчыльнасці светлавога патоку (светлавы паток на адзінку плошчы), які трапляе на асветленую плоскасць, у люксах (лк).

(2) Фотасінтэтычна актыўнае выпраменьванне, ФАР, адзінка вымярэння: Вт/м².

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

Аналіз крыніцы святла тыповай дадатковай сістэмы асвятлення
Дадатковае штучнае асвятленне прызначана для павелічэння інтэнсіўнасці святла ў мэтавай зоне або падаўжэння часу асвятлення шляхам усталявання дадатковай сістэмы асвятлення для задавальнення патрэб раслін у святле. У цэлым, сістэма дадатковага асвятлення ўключае дадатковае асвятляльнае абсталяванне, схемы і сістэму кіравання. Дадатковыя крыніцы святла ў асноўным ўключаюць некалькі распаўсюджаных тыпаў, такіх як лямпы напальвання, люмінесцэнтныя лямпы, металагалогенные лямпы, натрыевыя лямпы высокага ціску і святлодыёды. З-за нізкай электрычнай і аптычнай эфектыўнасці лямпаў напальвання, нізкай фотасінтэтычнай энергаэфектыўнасці і іншых недахопаў яны былі выключаны з рынку, таму ў гэтым артыкуле не робіцца падрабязнага аналізу.

■ Люмінесцэнтная лямпа
Люмінесцэнтныя лямпы адносяцца да тыпу газаразрадных лямпаў нізкага ціску. Шкляная трубка запоўнена парамі ртуці або інэртным газам, а ўнутраная сценка трубкі пакрыта люмінесцэнтным парашком. Колер святла змяняецца ў залежнасці ад люмінесцэнтнага матэрыялу, якім пакрыта трубка. Люмінесцэнтныя лямпы маюць добрыя спектральныя характарыстыкі, высокую светлавую эфектыўнасць, нізкае энергаспажыванне, больш працяглы тэрмін службы (12000 гадзін) у параўнанні з лямпамі напальвання і адносна нізкі кошт. Паколькі сама люмінесцэнтная лямпа выпраменьвае менш цяпла, яе можна размяшчаць блізка да раслін для асвятлення і падыходзіць для трохмернага вырошчвання. Аднак спектральная схема люмінесцэнтнай лямпы неразумная. Найбольш распаўсюджаным метадам у свеце з'яўляецца даданне адбівальнікаў для максімізацыі эфектыўных кампанентаў крыніцы святла сельскагаспадарчых культур у зоне вырошчвання. Японская кампанія adv-agri таксама распрацавала новы тып дадатковай крыніцы святла HEFL. HEFL насамрэч належыць да катэгорыі люмінесцэнтных лямпаў. Гэта агульны тэрмін для люмінесцэнтных лямпаў з халодным катодам (CCFL) і люмінесцэнтных лямпаў з знешнім электродам (EEFL) і з'яўляецца люмінесцэнтнай лямпай са змешанымі электродамі. Трубка HEFL надзвычай тонкая, дыяметрам усяго каля 4 мм, а даўжыню можна рэгуляваць ад 450 мм да 1200 мм у залежнасці ад патрэб вырошчвання. Гэта палепшаная версія звычайнай люмінесцэнтнай лямпы.

■ Металагалагенная лямпа
Металагалогенные лямпы — гэта высокаінтэнсіўныя газаразрадныя лямпы, якія могуць узбуджаць розныя элементы для атрымання розных даўжынь хваль шляхам дадання розных галагенідаў металаў (бромістага волава, ёдыду натрыю і г.д.) у газаразрадную 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 карацейшы, чым у натрыевых лямпаў высокага ціску, яны ў цяперашні час выкарыстоўваюцца толькі на некалькіх заводах.

■ Натрыевая лямпа высокага ціску
Натрыевыя лямпы высокага ціску адносяцца да тыпу газаразрадных лямпаў высокага ціску. Натрыевая лямпа высокага ціску — гэта высокаэфектыўная лямпа, у якой разрадная трубка запоўнена парамі натрыю высокага ціску і дададзена невялікая колькасць ксенону (Xe) і галагеніду ртуці. Паколькі натрыевыя лямпы высокага ціску маюць высокую эфектыўнасць электрааптычнага пераўтварэння пры нізкіх вытворчых выдатках, натрыевыя лямпы высокага ціску ў цяперашні час найбольш шырока выкарыстоўваюцца для дадатковага асвятлення ў сельскагаспадарчых аб'ектах. Аднак з-за недахопаў нізкай фотасінтэтычнай эфектыўнасці ў іх спектры яны маюць недахоп нізкай энергаэфектыўнасці. З іншага боку, спектральныя кампаненты, якія выпраменьваюцца натрыевымі лямпамі высокага ціску, у асноўным сканцэнтраваны ў жоўта-аранжавым светлавым дыяпазоне, у якім адсутнічаюць чырвоны і сіні спектры, неабходныя для росту раслін.

■ Святлодыёд
Як крыніцы святла новага пакалення, святлодыёды (LED) маюць шмат пераваг, такіх як больш высокая эфектыўнасць электрааптычнага пераўтварэння, рэгуляваны спектр і высокая эфектыўнасць фотасінтэзу. Святлодыёды могуць выпраменьваць манахраматычнае святло, неабходнае для росту раслін. У параўнанні са звычайнымі люмінесцэнтнымі лямпамі і іншымі дадатковымі крыніцамі святла, LED маюць перавагі энергазберажэння, аховы навакольнага асяроддзя, працяглага тэрміну службы, манахраматычнага святла, крыніцы халоднага святла і гэтак далей. З далейшым паляпшэннем электрааптычнай эфектыўнасці святлодыёдаў і зніжэннем выдаткаў, выкліканых эфектам маштабавання, святлодыёдныя сістэмы асвятлення для вырошчвання раслін стануць асноўным абсталяваннем для дадатковага асвятлення ў сельскагаспадарчых аб'ектах. У выніку святлодыёдныя лямпы для вырошчвання раслін выкарыстоўваюцца на больш чым 99,9% раслінных заводаў.

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

Мабільная асвятляльная прылада
Інтэнсіўнасць святла цесна звязана з ростам сельскагаспадарчых культур. Трохмернае вырошчванне часта выкарыстоўваецца на раслінных заводах. Аднак з-за абмежаванняў канструкцыі стэлажоў для вырошчвання нераўнамернае размеркаванне святла і тэмпературы паміж стэлажамі паўплывае на ўраджайнасць, і перыяд збору ўраджаю не будзе сінхранізаваны. У 2010 годзе кампанія ў Пекіне паспяхова распрацавала ручную пад'ёмную прыладу дадатковага асвятлення (свяцільня HPS і святлодыёдная свяцільня для вырошчвання). Прынцып заключаецца ў тым, каб павярнуць прывадны вал і замацаваны на ім намотвальнік шляхам страсення ручкі, каб павярнуць невялікую катушку з плёнкай, каб дасягнуць мэты змотвання і размотвання троса. Трос лямпы для вырошчвання злучаны з намотвальным колам ліфта праз некалькі камплектаў рэверсных колаў, каб дасягнуць эфекту рэгулявання вышыні лямпы для вырошчвання. У 2017 годзе вышэйзгаданая кампанія распрацавала новую мабільную прыладу дадатковага асвятлення, якая можа аўтаматычна рэгуляваць вышыню дадатковага асвятлення ў рэжыме рэальнага часу ў залежнасці ад патрэб росту сельскагаспадарчых культур. Рэгулявальная прылада цяпер усталявана на трохслаёвай пад'ёмнай трохмернай стойцы для вырошчвання. Верхні пласт прылады — гэта ўзровень з найлепшымі ўмовамі асвятлення, таму ён абсталяваны натрыевымі лямпамі высокага ціску; сярэдні і ніжні пласты абсталяваны святлодыёднымі лямпамі для вырошчвання раслін і сістэмай рэгулявання пад'ёму. Прылада можа аўтаматычна рэгуляваць вышыню лямпы для вырошчвання раслін, каб забяспечыць падыходнае асвятленне для раслін.

У параўнанні з мабільнай прыладай дадатковага асвятлення, прызначанай для трохмернага вырошчвання, у Нідэрландах была распрацавана гарызантальна рухомая прылада дадатковага асвятлення са святлодыёдным асвятленнем для вырошчвання раслін. Каб пазбегнуць уплыву ценю ад асвятляльнай лямпы на рост раслін на сонцы, сістэму асвятлення можна зрушыць з абодвух бакоў кранштэйна праз тэлескапічныя накіроўвалыя ў гарызантальным кірунку, каб сонца цалкам асвятляла расліны; у пахмурныя і дажджлівыя дні без сонечнага святла сістэму асвятлення можна зрушыць з кранштэйна ў сярэдзіну кранштэйна, каб святло сістэмы асвятлення раўнамерна запаўняла расліны; перамяшчайце сістэму асвятлення гарызантальна праз накіроўвалыя на кранштэйне, пазбягаючы частага разбору і зняцця сістэмы асвятлення, а таксама зніжаючы працаёмкасць супрацоўнікаў, тым самым эфектыўна павышаючы эфектыўнасць працы.

Ідэі дызайну тыповай сістэмы асвятлення для вырошчвання раслін
З канструкцыі мабільнай дадатковай асвятляльнай прылады няцяжка заўважыць, што пры праектаванні дадатковай сістэмы асвятлення завода звычайна ў якасці асноўнага зместу праектавання выкарыстоўваюцца параметры інтэнсіўнасці святла, якасці святла і фотаперыяду розных перыядаў росту сельскагаспадарчых культур, якія абапіраюцца на інтэлектуальную сістэму кіравання, што дазваляе дасягнуць канчатковай мэты — эканоміі энергіі і высокай ураджайнасці.

У цяперашні час праектаванне і канструкцыя дадатковага асвятлення для ліставых гародніны паступова ўдасканальваюцца. Напрыклад, ліставыя гародніну можна падзяліць на чатыры стадыі: стадыя расады, сярэдняя стадыя росту, позняя стадыя росту і канчатковая стадыя; пладовыя гародніну можна падзяліць на стадыю расады, стадыю вегетатыўнага росту, стадыю цвіцення і стадыю збору ўраджаю. Што тычыцца атрыбутаў інтэнсіўнасці дадатковага асвятлення, то інтэнсіўнасць святла на стадыі расады павінна быць крыху ніжэйшай, на ўзроўні 60~200 мкмоль/(м²·с), а затым паступова павялічвацца. Ліставыя гародніна могуць дасягаць 100~200 мкмоль/(м²·с), а пладовыя гародніна — 300~500 мкмоль/(м²·с), каб забяспечыць патрэбы ў інтэнсіўнасці святла для фотасінтэзу раслін у кожны перыяд росту і задаволіць патрэбы ў высокім ураджаі; з пункту гледжання якасці святла, суадносіны чырвонага і сіняга колераў вельмі важнае. Каб павысіць якасць расады і прадухіліць празмерны рост на стадыі расады, суадносіны чырвонага і сіняга колераў звычайна ўстанаўліваюць на нізкім узроўні [(1~2):1], а затым паступова зніжаюць, каб задаволіць патрэбы светлавой марфалогіі раслін. Суадносіны чырвонага і сіняга для ліставых гародніны можна ўсталяваць на (3~6):1. Фотаперыяд, падобна інтэнсіўнасці святла, павінен паказваць тэндэнцыю да павелічэння з падаўжэннем перыяду росту, каб ліставыя гародніна мелі больш фотасінтэтычнага часу для фотасінтэзу. План дадання святла для садавіны і гародніны будзе больш складаным. Акрамя вышэйзгаданых асноўных законаў, варта засяродзіцца на ўстаноўцы фотаперыяду падчас цвіцення, а таксама спрыяць цвіценню і плоданашэння гародніны, каб пазбегнуць зваротнага эфекту.

Варта адзначыць, што формула асвятлення павінна ўключаць завяршальную апрацоўку для ўмоў асвятлення. Напрыклад, бесперапыннае даданне святла можа значна палепшыць ураджайнасць і якасць расады ліставых гародніны, вырашчанай на гідрапоніцы, або выкарыстанне ультрафіялетавага выпраменьвання для значнага паляпшэння пажыўных уласцівасцей парасткаў і ліставых гародніны (асабліва фіялетава-ліставога і чырвоналіставога салаты).

Акрамя аптымізацыі дадаткаў святла для асобных культур, у апошнія гады хутка развівалася сістэма кіравання крыніцай святла на некаторых заводах па вытворчасці раслін са штучным асвятленнем. Гэтая сістэма кіравання, як правіла, заснавана на структуры B/S. Дыстанцыйнае кіраванне і аўтаматычнае кіраванне такімі фактарамі навакольнага асяроддзя, як тэмпература, вільготнасць, асвятленне і канцэнтрацыя CO2 падчас росту культур, ажыццяўляецца праз Wi-Fi, і ў той жа час рэалізуецца метад вытворчасці, які не абмежаваны знешнімі ўмовамі. Гэтая інтэлектуальная сістэма дадатковага асвятлення выкарыстоўвае святлодыёдныя свяцільні ў якасці дадатковай крыніцы святла ў спалучэнні з інтэлектуальнай сістэмай дыстанцыйнага кіравання, што дазваляе задаволіць патрэбы раслін у асвятленні па даўжыні хвалі, асабліва падыходзіць для асяроддзя вырошчвання раслін з кантраляваным асвятленнем і цалкам задавальняе попыт рынку.

Заключныя заўвагі
Раслінныя фабрыкі лічацца важным спосабам вырашэння сусветных праблем рэсурсаў, насельніцтва і навакольнага асяроддзя ў 21 стагоддзі, а таксама важным спосабам дасягнення харчовай самазабеспячэння ў будучых высокатэхналагічных праектах. Як новы тып сельскагаспадарчай вытворчасці, раслінныя фабрыкі ўсё яшчэ знаходзяцца на стадыі навучання і росту, і ім патрабуецца больш увагі і даследаванняў. У гэтым артыкуле апісаны характарыстыкі і перавагі распаўсюджаных метадаў дадатковага асвятлення на раслінных фабрыках, а таксама прадстаўлены ідэі праектавання тыповых сістэм дадатковага асвятлення сельскагаспадарчых культур. Няцяжка знайсці шляхам параўнання, каб справіцца з нізкай асветленасцю, выкліканай суровымі ўмовамі надвор'я, такімі як пастаянная воблачнасць і імгла, і забяспечыць высокую і стабільную ўраджайнасць сельскагаспадарчых культур, святлодыёдныя крыніцы святла для вырошчвання найбольш адпавядаюць сучасным тэндэнцыям развіцця.

У будучыні развіццё раслінных фабрык павінна быць сканцэнтравана на новых высокадакладных, недарагіх датчыках, дыстанцыйна кіраваных сістэмах асвятляльных прылад з рэгуляваным спектрам і экспертных сістэмах кіравання. У той жа час, будучыя раслінныя фабрыкі будуць працягваць развівацца ў бок недарагіх, інтэлектуальных і самаадаптыўных. Выкарыстанне і папулярызацыя святлодыёдных крыніц святла для вырошчвання раслін гарантуюць высокадакладны кантроль навакольнага асяроддзя раслінных фабрык. Рэгуляванне асяроддзя святлодыёдным асвятленнем - гэта складаны працэс, які ўключае комплекснае рэгуляванне якасці святла, інтэнсіўнасці святла і фотаперыяду. Адпаведным экспертам і навукоўцам неабходна правесці паглыбленыя даследаванні, каб прасоўваць дадатковае святлодыёднае асвятленне на раслінных фабрыках са штучным асвятленнем.