May-akda: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, atbp. Pinagmulan ng Media: Teknolohiya ng Inhinyeriya ng Agrikultura (greenhouse horticulture)

Pinagsasama ng pabrika ng halaman ang modernong industriya, biotechnology, nutrient hydroponics, at teknolohiya ng impormasyon upang ipatupad ang mataas na katumpakan na kontrol sa mga salik sa kapaligiran sa pasilidad. Ito ay ganap na nakapaloob, may mababang pangangailangan sa nakapalibot na kapaligiran, nagpapaikli sa panahon ng pag-aani ng halaman, nakakatipid ng tubig at pataba, at dahil sa mga bentahe ng produksyon na hindi gumagamit ng pestisidyo at walang pagtatapon ng basura, ang kahusayan sa paggamit ng lupa ng yunit ay 40 hanggang 108 beses kaysa sa produksyon sa bukas na bukid. Kabilang sa mga ito, ang matalinong artipisyal na pinagmumulan ng liwanag at ang regulasyon ng liwanag sa kapaligiran ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa kahusayan ng produksyon nito.

Bilang isang mahalagang pisikal na salik sa kapaligiran, ang liwanag ay gumaganap ng mahalagang papel sa pagkontrol sa paglaki ng halaman at metabolismo ng materyal. "Isa sa mga pangunahing katangian ng pabrika ng halaman ay ang ganap na artipisyal na pinagmumulan ng liwanag at ang pagsasakatuparan ng matalinong regulasyon ng liwanag sa kapaligiran" ay naging isang pangkalahatang pinagkasunduan sa industriya.

Pangangailangan ng mga halaman para sa liwanag

Ang liwanag ang tanging pinagmumulan ng enerhiya ng potosintesis ng halaman. Ang tindi ng liwanag, kalidad ng liwanag (spectrum) at pana-panahong pagbabago ng liwanag ay may malaking epekto sa paglaki at pag-unlad ng mga pananim, kung saan ang tindi ng liwanag ang may pinakamalaking epekto sa potosintesis ng halaman.

■ Lakas ng liwanag

Ang tindi ng liwanag ay maaaring magpabago sa morpolohiya ng mga pananim, tulad ng pamumulaklak, haba ng internode, kapal ng tangkay, at laki at kapal ng dahon. Ang mga kinakailangan ng mga halaman para sa tindi ng liwanag ay maaaring hatiin sa mga halamang mahilig sa liwanag, katamtamang-liwanag, at mababang-liwanag na matitiis. Ang mga gulay ay kadalasang mga halamang mahilig sa liwanag, at ang kanilang mga light compensation point at light saturation point ay medyo mataas. Sa mga pabrika ng artipisyal na ilaw, ang mga kaugnay na kinakailangan ng mga pananim para sa tindi ng liwanag ay isang mahalagang batayan sa pagpili ng mga artipisyal na pinagmumulan ng liwanag. Ang pag-unawa sa mga kinakailangan ng liwanag ng iba't ibang halaman ay mahalaga para sa pagdidisenyo ng mga artipisyal na pinagmumulan ng liwanag. Lubhang kinakailangan upang mapabuti ang pagganap ng produksyon ng sistema.

■ Kalidad ng liwanag

Ang distribusyon ng kalidad ng liwanag (spectral) ay mayroon ding mahalagang impluwensya sa photosynthesis at morphogenesis ng halaman (Larawan 1). Ang liwanag ay bahagi ng radiation, at ang radiation ay isang electromagnetic wave. Ang mga electromagnetic wave ay may mga katangian ng alon at quantum (particle) na katangian. Ang quantum ng liwanag ay tinatawag na photon sa larangan ng hortikultura. Ang radiation na may saklaw ng wavelength na 300~800nm ​​ay tinatawag na physiologically active radiation ng mga halaman; at ang radiation na may saklaw ng wavelength na 400~700nm ay tinatawag na photosynthetically active radiation (PAR) ng mga halaman.

Ang kloropila at karotina ang dalawang pinakamahalagang pigment sa potosintesis ng halaman. Ipinapakita ng Larawan 2 ang spectral absorption spectrum ng bawat photosynthetic pigment, kung saan ang chlorophyll absorption spectrum ay nakapokus sa pula at asul na mga banda. Ang sistema ng pag-iilaw ay batay sa mga pangangailangan ng spectral ng mga pananim upang artipisyal na madagdagan ang liwanag, upang mapalakas ang potosintesis ng mga halaman.

■ photoperiod
Ang ugnayan sa pagitan ng photosynthesis at photomorphogenesis ng mga halaman at haba ng araw (o oras ng photoperiod) ay tinatawag na photoperiodity ng mga halaman. Ang photoperiodity ay malapit na nauugnay sa light hours, na tumutukoy sa oras na nasisikatan ng liwanag ang pananim. Ang iba't ibang pananim ay nangangailangan ng isang tiyak na bilang ng oras ng liwanag upang makumpleto ang photoperiod upang mamulaklak at mamunga. Ayon sa iba't ibang photoperiod, maaari itong hatiin sa mga pananim na may mahabang araw, tulad ng repolyo, atbp., na nangangailangan ng higit sa 12-14 na oras ng liwanag sa isang tiyak na yugto ng paglaki nito; ang mga pananim na may maikling araw, tulad ng sibuyas, soybeans, atbp., ay nangangailangan ng mas mababa sa 12-14 na oras ng pag-iilaw; ang mga pananim na katamtaman ang araw, tulad ng mga pipino, kamatis, sili, atbp., ay maaaring mamulaklak at mamunga sa ilalim ng mas mahaba o mas maikling sikat ng araw.
Sa tatlong elemento ng kapaligiran, ang tindi ng liwanag ay isang mahalagang batayan sa pagpili ng artipisyal na pinagmumulan ng liwanag. Sa kasalukuyan, maraming paraan upang maipahayag ang tindi ng liwanag, pangunahin na ang sumusunod na tatlo.
（1）Ang iluminasyon ay tumutukoy sa densidad sa ibabaw ng luminous flux (luminous flux kada unit area) na natatanggap sa naiilawang patag, sa lux (lx).

（2）Radyasyong aktibo sa potosintetiko, PAR, Yunit：W/m²。

（3）Ang photon flux density na PPFD o PPF ay ang bilang ng photosynthetically effective radiation na umaabot o dumadaan sa unit time at unit area, unit：μmol/(m²·s)。 Pangunahing tumutukoy sa intensidad ng liwanag na 400~700nm na direktang nauugnay sa photosynthesis. Ito rin ang pinakakaraniwang ginagamit na indicator ng intensidad ng liwanag sa larangan ng produksyon ng halaman.

Pagsusuri ng pinagmumulan ng liwanag ng karaniwang sistema ng karagdagang liwanag
Ang artipisyal na suplemento ng liwanag ay upang mapataas ang tindi ng liwanag sa target na lugar o pahabain ang oras ng liwanag sa pamamagitan ng pag-install ng isang sistema ng suplemento ng liwanag upang matugunan ang pangangailangan sa liwanag ng mga halaman. Sa pangkalahatan, ang sistema ng suplemento ng liwanag ay kinabibilangan ng mga kagamitan sa karagdagang liwanag, mga circuit at sistema ng pagkontrol nito. Ang mga karagdagang pinagmumulan ng liwanag ay pangunahing kinabibilangan ng ilang karaniwang uri tulad ng mga incandescent lamp, fluorescent lamp, metal halide lamp, high-pressure sodium lamp at mga LED. Dahil sa mababang electrical at optical efficiency ng mga incandescent lamp, mababang photosynthetic energy efficiency at iba pang mga kakulangan, ito ay inalis na ng merkado, kaya ang artikulong ito ay hindi gumagawa ng detalyadong pagsusuri.

■ Ilaw na fluorescent
Ang mga fluorescent lamp ay kabilang sa uri ng low-pressure gas discharge lamp. Ang glass tube ay puno ng mercury vapor o inert gas, at ang panloob na dingding ng tubo ay nababalutan ng fluorescent powder. Ang kulay ng ilaw ay nag-iiba depende sa fluorescent material na nakabalot sa tubo. Ang mga fluorescent lamp ay may mahusay na spectral performance, mataas na luminous efficiency, mababang power, mas mahabang buhay (12000h) kumpara sa mga incandescent lamp, at medyo mababa ang gastos. Dahil ang fluorescent lamp mismo ay naglalabas ng mas kaunting init, maaari itong maging malapit sa mga halaman para sa pag-iilaw at angkop para sa three-dimensional cultivation. Gayunpaman, ang spectral layout ng fluorescent lamp ay hindi makatwiran. Ang pinakakaraniwang paraan sa mundo ay ang pagdaragdag ng mga reflector upang ma-maximize ang epektibong mga bahagi ng pinagmumulan ng liwanag ng mga pananim sa lugar ng pagsasaka. Ang Japanese adv-agri company ay bumuo rin ng isang bagong uri ng supplementary light source na HEFL. Ang HEFL ay talagang kabilang sa kategorya ng mga fluorescent lamp. Ito ang pangkalahatang termino para sa cold cathode fluorescent lamp (CCFL) at external electrode fluorescent lamp (EEFL), at isang mixed electrode fluorescent lamp. Ang tubo ng HEFL ay lubhang manipis, na may diyametro na humigit-kumulang 4mm lamang, at ang haba ay maaaring isaayos mula 450mm hanggang 1200mm ayon sa mga pangangailangan ng paglilinang. Ito ay isang pinahusay na bersyon ng kumbensyonal na fluorescent lamp.

■ Lamparang metal halide
Ang metal halide lamp ay isang high-intensity discharge lamp na kayang magpagana ng iba't ibang elemento upang makagawa ng iba't ibang wavelength sa pamamagitan ng pagdaragdag ng iba't ibang metal halide (tin bromide, sodium iodide, atbp.) sa discharge tube batay sa isang high-pressure mercury lamp. Ang mga halogen lamp ay may mataas na luminous efficiency, mataas na lakas, magandang kulay ng liwanag, mahabang buhay, at malaking spectrum. Gayunpaman, dahil ang luminous efficiency ay mas mababa kaysa sa mga high-pressure sodium lamp, at ang lifetime ay mas maikli kaysa sa mga high-pressure sodium lamp, kasalukuyan lamang itong ginagamit sa iilang pabrika.

■ Mataas na presyon ng sodium lamp
Ang mga high-pressure sodium lamp ay kabilang sa uri ng high-pressure gas discharge lamp. Ang high-pressure sodium lamp ay isang high-efficiency lamp kung saan ang high-pressure sodium vapor ay pinupuno sa discharge tube, at kaunting xenon (Xe) at mercury metal halide ang idinaragdag. Dahil ang high-pressure sodium lamp ay may mataas na electro-optical conversion efficiency na may mas mababang gastos sa pagmamanupaktura, ang mga high-pressure sodium lamp ang kasalukuyang pinakamalawak na ginagamit sa aplikasyon ng supplementary light sa mga pasilidad ng agrikultura. Gayunpaman, dahil sa mga kakulangan ng mababang photosynthetic efficiency sa kanilang spectrum, mayroon din silang mga kakulangan ng mababang energy efficiency. Sa kabilang banda, ang mga spectral component na inilalabas ng mga high-pressure sodium lamp ay pangunahing naka-concentrate sa yellow-orange light band, na kulang sa pula at asul na spectra na kinakailangan para sa paglaki ng halaman.

■ Diode na naglalabas ng liwanag
Bilang isang bagong henerasyon ng mga pinagmumulan ng liwanag, ang mga light-emitting diode (LED) ay may maraming bentahe tulad ng mas mataas na electro-optical conversion efficiency, adjustable spectrum, at mataas na photosynthetic efficiency. Ang LED ay maaaring maglabas ng monochromatic light na kailangan para sa paglaki ng halaman. Kung ikukumpara sa mga ordinaryong fluorescent lamp at iba pang karagdagang pinagmumulan ng liwanag, ang LED ay may mga bentahe ng pagtitipid ng enerhiya, pangangalaga sa kapaligiran, mahabang buhay, monochromatic light, cold light source at iba pa. Dahil sa karagdagang pagpapabuti ng electro-optical efficiency ng mga LED at pagbawas ng mga gastos na dulot ng scale effect, ang mga LED grow lighting system ay magiging pangunahing kagamitan para sa pagdaragdag ng liwanag sa mga pasilidad ng agrikultura. Bilang resulta, ang mga LED grow light ay nailapat na sa mahigit 99.9% ng mga pabrika.

Sa pamamagitan ng paghahambing, ang mga katangian ng iba't ibang karagdagang pinagmumulan ng liwanag ay malinaw na mauunawaan, gaya ng ipinapakita sa Talahanayan 1.

Kagamitan sa pag-iilaw na mobile
Ang tindi ng liwanag ay may malapit na kaugnayan sa paglaki ng mga pananim. Ang three-dimensional na paglilinang ay kadalasang ginagamit sa mga pabrika ng halaman. Gayunpaman, dahil sa limitasyon ng istruktura ng mga cultivation rack, ang hindi pantay na distribusyon ng liwanag at temperatura sa pagitan ng mga rack ay makakaapekto sa ani ng mga pananim at ang panahon ng pag-aani ay hindi magiging sabay. Isang kumpanya sa Beijing ang matagumpay na nakabuo ng isang manual lifting light supplement device (HPS lighting fixture at LED grow lighting fixture) noong 2010. Ang prinsipyo ay ang pag-ikot ng drive shaft at winder na nakakabit dito sa pamamagitan ng pag-alog ng hawakan upang paikutin ang maliit na film reel upang makamit ang layunin ng pag-urong at pag-unwind ng wire rope. Ang wire rope ng grow light ay konektado sa winding wheel ng elevator sa pamamagitan ng maraming set ng reversing wheels, upang makamit ang epekto ng pagsasaayos ng taas ng grow light. Noong 2017, ang nabanggit na kumpanya ay nagdisenyo at bumuo ng isang bagong mobile light supplement device, na maaaring awtomatikong ayusin ang taas ng light supplement sa real time ayon sa mga pangangailangan sa paglaki ng pananim. Ang adjustment device ay naka-install na ngayon sa 3-layer light source lifting type three-dimensional cultivation rack. Ang itaas na patong ng aparato ay ang antas na may pinakamahusay na kondisyon ng liwanag, kaya't nilagyan ito ng mga high-pressure sodium lamp; ang gitnang patong at ang ibabang patong ay nilagyan ng mga LED grow light at isang lifting adjustment system. Maaari nitong awtomatikong isaayos ang taas ng grow light upang magbigay ng angkop na kapaligiran ng pag-iilaw para sa mga pananim.

Kung ikukumpara sa mobile light supplement device na ginawa para sa three-dimensional cultivation, ang Netherlands ay nakabuo ng isang horizontally movable LED grow light supplement light device. Upang maiwasan ang impluwensya ng anino ng grow light sa paglaki ng mga halaman sa ilalim ng araw, ang grow light system ay maaaring itulak sa magkabilang gilid ng bracket sa pamamagitan ng telescopic slide sa pahalang na direksyon, upang ang araw ay ganap na masikatan ng mga halaman; sa maulap at maulan na mga araw na walang sikat ng araw, itulak ang grow light system sa gitna ng bracket upang pantay na mapuno ng ilaw ng grow light system ang mga halaman; ilipat ang grow light system nang pahalang sa pamamagitan ng slide sa bracket, iwasan ang madalas na pagtanggal at pag-alis ng grow light system, at bawasan ang intensity ng paggawa ng mga empleyado, sa gayon ay epektibong nagpapabuti sa kahusayan sa trabaho.

Mga ideya sa disenyo ng karaniwang sistema ng paglaki ng ilaw
Hindi mahirap makita mula sa disenyo ng mobile lighting supplementary device na ang disenyo ng supplementary lighting system ng pabrika ng planta ay karaniwang isinasaalang-alang ang tindi ng liwanag, kalidad ng liwanag, at mga parameter ng photoperiod ng iba't ibang panahon ng paglago ng pananim bilang pangunahing nilalaman ng disenyo, umaasa sa intelligent control system na ipatutupad, upang makamit ang pangwakas na layunin ng pagtitipid ng enerhiya at mataas na ani.

Sa kasalukuyan, ang disenyo at konstruksyon ng karagdagang liwanag para sa mga madahong gulay ay unti-unting nahuhubog. Halimbawa, ang mga madahong gulay ay maaaring hatiin sa apat na yugto: yugto ng punla, kalagitnaan ng paglaki, huling paglaki, at huling yugto; ang mga prutas-gulay ay maaaring hatiin sa yugto ng punla, yugto ng paglago ng halaman, yugto ng pamumulaklak, at yugto ng pag-aani. Mula sa mga katangian ng karagdagang tindi ng liwanag, ang tindi ng liwanag sa yugto ng punla ay dapat na bahagyang mas mababa, sa 60~200 μmol/(m²·s), at pagkatapos ay unti-unting dagdagan. Ang mga madahong gulay ay maaaring umabot ng hanggang 100~200 μmol/(m²·s), at ang mga prutas-gulay ay maaaring umabot ng 300~500 μmol/(m²·s) upang matiyak ang mga kinakailangan sa tindi ng liwanag ng potosintesis ng halaman sa bawat panahon ng paglago at matugunan ang mga pangangailangan ng mataas na ani; Sa mga tuntunin ng kalidad ng liwanag, ang ratio ng pula sa asul ay napakahalaga. Upang mapataas ang kalidad ng mga punla at maiwasan ang labis na paglaki sa yugto ng punla, ang ratio ng pula sa asul ay karaniwang itinatakda sa mababang antas [(1~2):1], at pagkatapos ay unti-unting binabawasan upang matugunan ang mga pangangailangan ng morpolohiya ng liwanag ng halaman. Ang proporsyon ng pula sa asul sa madahong gulay ay maaaring itakda sa (3~6):1. Para sa photoperiod, katulad ng intensidad ng liwanag, dapat itong magpakita ng trend na tumataas kasabay ng pagpapahaba ng panahon ng paglaki, upang ang mga madahong gulay ay magkaroon ng mas maraming oras ng potosintesis para sa potosintesis. Ang disenyo ng suplemento ng liwanag ng mga prutas at gulay ay magiging mas kumplikado. Bilang karagdagan sa mga nabanggit na pangunahing batas, dapat tayong tumuon sa pagtatakda ng photoperiod sa panahon ng pamumulaklak, at ang pamumulaklak at pamumunga ng mga gulay ay dapat isulong, upang hindi ito maging sanhi ng pagbabalik sa dati.

Mahalagang banggitin na ang pormula ng liwanag ay dapat magsama ng pangwakas na paggamot para sa mga setting ng kapaligirang may liwanag. Halimbawa, ang patuloy na pagdaragdag ng liwanag ay maaaring lubos na mapabuti ang ani at kalidad ng mga hydroponic leafy vegetable seedlings, o gumamit ng UV treatment upang makabuluhang mapabuti ang kalidad ng nutrisyon ng mga usbong at madahong gulay (lalo na ang mga lilang dahon at pulang letsugas).

Bukod sa pag-optimize ng pagdagdag ng liwanag para sa mga piling pananim, ang sistema ng pagkontrol ng pinagmumulan ng liwanag ng ilang pabrika ng artipisyal na ilaw ay mabilis ding umunlad nitong mga nakaraang taon. Ang sistemang kontrol na ito ay karaniwang nakabatay sa istrukturang B/S. Ang remote control at awtomatikong pagkontrol ng mga salik sa kapaligiran tulad ng temperatura, halumigmig, liwanag, at konsentrasyon ng CO2 habang lumalaki ang mga pananim ay naisasagawa sa pamamagitan ng WIFI, at kasabay nito, naisasagawa ang isang paraan ng produksyon na hindi nalilimitahan ng mga panlabas na kondisyon. Ang ganitong uri ng intelligent supplementary light system ay gumagamit ng LED grow light fixture bilang supplementary light source, na sinamahan ng remote intelligent control system, ay maaaring matugunan ang mga pangangailangan ng plant wavelength illumination, partikular na angkop para sa kapaligiran ng paglilinang ng halaman na kontrolado ng liwanag, at maaaring matugunan ang demand ng merkado.

Mga pangwakas na pahayag
Ang mga pabrika ng halaman ay itinuturing na isang mahalagang paraan upang malutas ang mga problema sa mundo tungkol sa mapagkukunan, populasyon, at kapaligiran sa ika-21 siglo, at isang mahalagang paraan upang makamit ang kasapatan sa pagkain sa mga proyektong high-tech sa hinaharap. Bilang isang bagong uri ng paraan ng produksyon ng agrikultura, ang mga pabrika ng halaman ay nasa yugto pa rin ng pag-aaral at paglago, at kailangan ng mas maraming atensyon at pananaliksik. Inilalarawan ng artikulong ito ang mga katangian at bentahe ng mga karaniwang pamamaraan ng karagdagang pag-iilaw sa mga pabrika ng halaman, at ipinakikilala ang mga ideya sa disenyo ng mga tipikal na sistema ng karagdagang pag-iilaw para sa pananim. Hindi mahirap hanapin sa pamamagitan ng paghahambing, upang makayanan ang mahinang liwanag na dulot ng masamang panahon tulad ng patuloy na maulap at manipis na ulap at upang matiyak ang mataas at matatag na produksyon ng mga pananim sa pasilidad, ang kagamitan sa pinagmumulan ng ilaw na LED Grow ay pinaka-naaayon sa kasalukuyang mga uso sa pag-unlad.

Ang direksyon ng pag-unlad ng mga pabrika ng halaman sa hinaharap ay dapat tumuon sa mga bagong high-precision, low-cost sensors, remotely controllable, adjustable spectrum lighting device systems, at mga ekspertong control system. Kasabay nito, ang mga pabrika ng halaman sa hinaharap ay patuloy na uunlad tungo sa mababang halaga, matalino, at self-adaptive. Ang paggamit at pagpapasikat ng mga LED grow light source ay nagbibigay ng garantiya para sa high-precision environmental control ng mga pabrika ng halaman. Ang regulasyon sa kapaligiran ng LED light ay isang masalimuot na proseso na kinasasangkutan ng komprehensibong regulasyon ng kalidad ng liwanag, intensity ng liwanag, at photoperiod. Ang mga kaugnay na eksperto at iskolar ay kailangang magsagawa ng malalim na pananaliksik, na nagtataguyod ng LED supplementary lighting sa mga pabrika ng artipisyal na ilaw sa halaman.