Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, itd. Izvorni medij: Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva (plasteničko hortikultura)

Fabrika biljaka kombinuje modernu industriju, biotehnologiju, hidroponiku hranjivih tvari i informacionu tehnologiju kako bi implementirala visokopreciznu kontrolu faktora okoline u objektu. Potpuno je zatvorena, ima niske zahtjeve prema okolnom okruženju, skraćuje period berbe biljaka, štedi vodu i gnojivo, a uz prednosti proizvodnje bez pesticida i bez ispuštanja otpada, efikasnost korištenja zemljišta po jedinici je 40 do 108 puta veća od proizvodnje na otvorenom polju. Među njima, inteligentni izvor umjetne svjetlosti i njegova regulacija svjetlosnog okruženja igraju odlučujuću ulogu u efikasnosti proizvodnje.

Kao važan fizički faktor okoline, svjetlost igra ključnu ulogu u regulaciji rasta biljaka i metabolizma tvari. „Jedna od glavnih karakteristika biljne tvornice je potpuni umjetni izvor svjetlosti i ostvarenje inteligentne regulacije svjetlosnog okruženja“ postao je opći konsenzus u industriji.

Potreba biljaka za svjetlošću

Svjetlost je jedini izvor energije za fotosintezu biljaka. Intenzitet svjetlosti, kvalitet svjetlosti (spektar) i periodične promjene svjetlosti imaju dubok utjecaj na rast i razvoj usjeva, među kojima intenzitet svjetlosti ima najveći utjecaj na fotosintezu biljaka.

■ Intenzitet svjetlosti

Intenzitet svjetlosti može promijeniti morfologiju usjeva, kao što su cvjetanje, dužina internodija, debljina stabljike te veličina i debljina lista. Zahtjevi biljaka za intenzitetom svjetlosti mogu se podijeliti na biljke koje vole svjetlost, biljke koje vole svjetlost srednje i biljke koje toleriraju slabu svjetlost. Povrće je uglavnom biljke koje vole svjetlost, a njihove tačke kompenzacije svjetlosti i tačke zasićenja svjetlosti su relativno visoke. U fabrikama biljaka koje proizvode umjetnu svjetlost, relevantni zahtjevi usjeva za intenzitetom svjetlosti važna su osnova za odabir umjetnih izvora svjetlosti. Razumijevanje svjetlosnih zahtjeva različitih biljaka važno je za projektovanje umjetnih izvora svjetlosti. Izuzetno je potrebno poboljšati proizvodne performanse sistema.

■ Kvalitet svjetla

Raspodjela kvaliteta svjetlosti (spektralna) također ima važan utjecaj na fotosintezu i morfogenezu biljaka (Slika 1). Svjetlost je dio zračenja, a zračenje je elektromagnetski val. Elektromagnetski valovi imaju valne karakteristike i kvantne (čestične) karakteristike. Kvant svjetlosti se u hortikulturi naziva foton. Zračenje s rasponom valnih dužina od 300~800 nm naziva se fiziološki aktivno zračenje biljaka; a zračenje s rasponom valnih dužina od 400~700 nm naziva se fotosintetski aktivno zračenje (PAR) biljaka.

Hlorofil i karoteni su dva najvažnija pigmenta u fotosintezi biljaka. Slika 2 prikazuje spektralni apsorpcijski spektar svakog fotosintetskog pigmenta, u kojem je apsorpcijski spektar hlorofila koncentriran u crvenom i plavom pojasu. Sistem osvjetljenja zasniva se na spektralnim potrebama usjeva za vještačkim dopunjavanjem svjetlosti, kako bi se potaknula fotosinteza biljaka.

■ fotoperiod
Odnos između fotosinteze i fotomorfogeneze biljaka i dužine dana (ili fotoperioda) naziva se fotoperiodnost biljaka. Fotoperiodnost je usko povezana sa svjetlosnim satima, što se odnosi na vrijeme tokom kojeg je usjev obasjan svjetlošću. Različitim usjevima potreban je određeni broj svjetlosnih sati da bi se završio fotoperiod kako bi procvjetali i donijeli plodove. Prema različitim fotoperiodima, mogu se podijeliti na dugodnevne kulture, poput kupusa itd., kojima je potrebno više od 12-14 sati svjetlosnih sati u određenoj fazi rasta; kratkodnevne kulture, poput luka, soje itd., kojima je potrebno manje od 12-14 sati osvjetljenja; kulture srednje sunčane svjetlosti, poput krastavaca, paradajza, paprike itd., mogu cvjetati i donositi plodove pod dužom ili kraćom sunčevom svjetlošću.
Među tri elementa okoline, intenzitet svjetlosti je važna osnova za odabir umjetnih izvora svjetlosti. Trenutno postoji mnogo načina za izražavanje intenziteta svjetlosti, a uglavnom se ubrajaju sljedeća tri.
(1) Osvjetljenje se odnosi na površinsku gustoću svjetlosnog fluksa (svjetlosni fluks po jedinici površine) primljenog na osvijetljenu ravan, u luksima (lx).

(2) Fotosintetski aktivno zračenje, PAR, Jedinica: W/m².

(3) Fotosintetski efektivna gustina fluksa fotona PPFD ili PPF je broj fotosintetski efektivnog zračenja koje dostiže ili prolazi kroz jedinicu vremena i jedinicu površine, jedinica: μmol/(m²·s). Uglavnom se odnosi na intenzitet svjetlosti od 400~700nm direktno povezan sa fotosintezom. Također je najčešće korišteni indikator intenziteta svjetlosti u oblasti biljne proizvodnje.

Analiza izvora svjetlosti tipičnog sistema dodatnog svjetla
Dodatak umjetnom svjetlu služi za povećanje intenziteta svjetlosti u ciljanom području ili produženje vremena osvjetljenja instaliranjem sistema dopunske rasvjete kako bi se zadovoljile potrebe biljaka za svjetlom. Općenito govoreći, sistem dopunske rasvjete uključuje dodatnu svjetlosnu opremu, strujna kola i njihov sistem upravljanja. Dopunski izvori svjetlosti uglavnom uključuju nekoliko uobičajenih tipova kao što su žarulje sa žarnom niti, fluorescentne lampe, metal-halogene lampe, visokotlačne natrijeve lampe i LED diode. Zbog niske električne i optičke efikasnosti žarulja sa žarnom niti, niske fotosintetske energetske efikasnosti i drugih nedostataka, tržište ih je eliminiralo, tako da ovaj članak ne daje detaljnu analizu.

■ Fluorescentna lampa
Fluorescentne lampe pripadaju vrsti gasnih lampi niskog pritiska. Staklena cijev je ispunjena živinom parom ili inertnim gasom, a unutrašnji zid cijevi je obložen fluorescentnim prahom. Boja svjetlosti varira u zavisnosti od fluorescentnog materijala obloženog u cijevi. Fluorescentne lampe imaju dobre spektralne performanse, visoku svjetlosnu efikasnost, malu potrošnju energije, duži vijek trajanja (12000 sati) u poređenju sa žarnim lampama i relativno nisku cijenu. Budući da sama fluorescentna lampa emituje manje toplote, može se osvjetljavati blizu biljaka i pogodna je za trodimenzionalni uzgoj. Međutim, spektralni raspored fluorescentne lampe je nerazuman. Najčešća metoda u svijetu je dodavanje reflektora kako bi se maksimizirale efektivne komponente izvora svjetlosti usjeva u području uzgoja. Japanska kompanija adv-agri razvila je i novi tip dodatnog izvora svjetlosti HEFL. HEFL zapravo pripada kategoriji fluorescentnih lampi. To je opšti naziv za fluorescentne lampe sa hladnom katodom (CCFL) i fluorescentne lampe sa eksternom elektrodom (EEFL) i predstavlja fluorescentnu lampu sa mješovitom elektrodom. HEFL cijev je izuzetno tanka, promjera samo oko 4 mm, a dužina se može podesiti od 450 mm do 1200 mm prema potrebama uzgoja. To je poboljšana verzija konvencionalne fluorescentne lampe.

■ Metal-halogena lampa
Metal-halogena lampa je visokointenzivna lampa za pražnjenje koja može pobuditi različite elemente kako bi proizvela različite talasne dužine dodavanjem različitih metal-halogenida (kalaj bromid, natrijum jodid, itd.) u cijev za pražnjenje na bazi visokotlačne živine lampe. Halogene lampe imaju visoku svjetlosnu efikasnost, veliku snagu, dobru boju svjetlosti, dug vijek trajanja i širok spektar. Međutim, budući da je svjetlosna efikasnost niža od one kod visokotlačnih natrijumskih lampi, a vijek trajanja kraći od one kod visokotlačnih natrijumskih lampi, trenutno se koriste samo u nekoliko fabrika.

■ Visokotlačna natrijeva lampa
Visokotlačne natrijeve lampe pripadaju vrsti visokotlačnih plinskih lampi s pražnjenjem. Visokotlačna natrijeva lampa je visokoefikasna lampa u kojoj se cijev za pražnjenje puni natrijevom parom visokog pritiska, a dodaje se mala količina ksenona (Xe) i živinog metal halogenida. Budući da visokotlačne natrijeve lampe imaju visoku elektrooptičku efikasnost konverzije uz niže troškove proizvodnje, visokotlačne natrijeve lampe se trenutno najčešće koriste u primjeni dopunske svjetlosti u poljoprivrednim objektima. Međutim, zbog nedostataka niske fotosintetske efikasnosti u njihovom spektru, imaju i nedostatke niske energetske efikasnosti. S druge strane, spektralne komponente koje emituju visokotlačne natrijeve lampe uglavnom su koncentrirane u žuto-narandžastom svjetlosnom pojasu, kojem nedostaju crveni i plavi spektar potrebni za rast biljaka.

■ Svjetleća dioda
Kao nova generacija izvora svjetlosti, svjetleće diode (LED) imaju mnoge prednosti kao što su veća efikasnost elektrooptičke konverzije, podesivi spektar i visoka fotosintetska efikasnost. LED mogu emitovati monohromatsku svjetlost potrebnu za rast biljaka. U poređenju sa običnim fluorescentnim lampama i drugim dodatnim izvorima svjetlosti, LED ima prednosti uštede energije, zaštite okoliša, dugog vijeka trajanja, monohromatske svjetlosti, hladnog izvora svjetlosti i tako dalje. Daljnjim poboljšanjem elektrooptičke efikasnosti LED dioda i smanjenjem troškova uzrokovanih efektom razmjera, LED sistemi za osvjetljenje uzgoja će postati glavna oprema za dopunsko osvjetljenje u poljoprivrednim objektima. Kao rezultat toga, LED svjetla za uzgoj su primijenjena u preko 99,9% fabrika biljaka.

Poređenjem se mogu jasno razumjeti karakteristike različitih dodatnih izvora svjetlosti, kao što je prikazano u Tabeli 1.

Mobilni uređaj za rasvjetu
Intenzitet svjetlosti je usko povezan s rastom usjeva. Trodimenzionalna kultivacija se često koristi u fabrikama biljaka. Međutim, zbog ograničenja strukture regala za kultivaciju, neravnomjerna raspodjela svjetlosti i temperature između regala utjecat će na prinos usjeva i period žetve neće biti sinhroniziran. Kompanija u Pekingu je 2010. godine uspješno razvila ručni uređaj za podizanje dodatne rasvjete (HPS rasvjetno tijelo i LED rasvjetno tijelo za uzgoj). Princip je rotiranje pogonskog vratila i namotavanja pričvršćenog na njega protresanjem ručke kako bi se rotirao mali kolut folije, čime se postiže svrha uvlačenja i odmotavanja čelične sajle. Čelična sajla svjetla za uzgoj povezana je s kotačem za namotavanje lifta putem više setova kotača za preokretanje, kako bi se postigao efekat podešavanja visine svjetla za uzgoj. 2017. godine gore navedena kompanija je dizajnirala i razvila novi mobilni uređaj za dodatnu rasvjetu, koji može automatski podešavati visinu dodatne rasvjete u stvarnom vremenu prema potrebama rasta usjeva. Uređaj za podešavanje sada je instaliran na trodimenzionalnom stalku za kultivaciju s 3 sloja i podizanjem izvora svjetlosti. Gornji sloj uređaja je nivo sa najboljim uslovima osvjetljenja, tako da je opremljen natrijumskim lampama visokog pritiska; srednji i donji sloj su opremljeni LED lampama za uzgoj i sistemom za podešavanje podizanja. Uređaj može automatski podesiti visinu lampe za uzgoj kako bi se obezbijedilo odgovarajuće svetlosno okruženje za biljke.

U poređenju sa mobilnim uređajem za dopunsko svjetlo prilagođenim za trodimenzionalni uzgoj, Holandija je razvila horizontalno pokretni LED uređaj za dopunsko svjetlo za uzgoj. Kako bi se izbjegao uticaj sjene svjetla za uzgoj na rast biljaka na suncu, sistem svjetla za uzgoj može se gurnuti na obje strane nosača kroz teleskopski klizač u horizontalnom smjeru, tako da sunce u potpunosti obasja biljke; po oblačnim i kišnim danima bez sunčeve svjetlosti, gurnite sistem svjetla za uzgoj na sredinu nosača kako bi svjetlost sistema svjetla za uzgoj ravnomjerno ispunila biljke; pomjerajte sistem svjetla za uzgoj horizontalno kroz klizač na nosaču, izbjegavajte često rastavljanje i uklanjanje sistema svjetla za uzgoj i smanjite intenzitet rada zaposlenih, čime se efikasno poboljšava efikasnost rada.

Ideje za dizajn tipičnog sistema svjetla za uzgoj
Iz dizajna mobilnog uređaja za dodatno osvjetljenje nije teško vidjeti da dizajn dodatnog sistema osvjetljenja fabrike biljaka obično uzima intenzitet svjetlosti, kvalitet svjetlosti i parametre fotoperioda različitih perioda rasta usjeva kao osnovni sadržaj dizajna, oslanjajući se na inteligentni sistem upravljanja koji se implementira, postižući krajnji cilj uštede energije i visokog prinosa.

Trenutno, dizajn i konstrukcija dopunske rasvjete za lisnato povrće postepeno sazrijeva. Na primjer, lisnato povrće može se podijeliti u četiri faze: faza sadnice, srednji rast, kasni rast i završna faza; voćasto povrće može se podijeliti na fazu sadnice, fazu vegetativnog rasta, fazu cvjetanja i fazu berbe. Što se tiče intenziteta dopunske svjetlosti, intenzitet svjetlosti u fazi sadnice trebao bi biti nešto niži, na 60~200 μmol/(m²·s), a zatim postepeno povećavati. Lisnato povrće može doseći i do 100~200 μmol/(m²·s), a voćasto povrće može doseći 300~500 μmol/(m²·s) kako bi se osigurali zahtjevi za intenzitetom svjetlosti za fotosintezu biljaka u svakom periodu rasta i ispunile potrebe za visokim prinosom; Što se tiče kvalitete svjetlosti, odnos crvene i plave boje je vrlo važan. Kako bi se povećao kvalitet sadnica i spriječio prekomjerni rast u fazi sadnica, odnos crvene i plave boje se uglavnom postavlja na nizak nivo [(1~2):1], a zatim postepeno smanjuje kako bi se zadovoljile potrebe svjetlosne morfologije biljaka. Odnos crvene i plave boje kod lisnatog povrća može se postaviti na (3~6):1. Za fotoperiod, slično intenzitetu svjetlosti, trebao bi pokazivati ​​trend povećanja s produženjem perioda rasta, tako da lisnato povrće ima više fotosintetskog vremena za fotosintezu. Dizajn svjetlosnog dodatka voću i povrću bit će složeniji. Pored gore navedenih osnovnih zakona, trebali bismo se fokusirati na podešavanje fotoperioda tokom perioda cvjetanja, a cvjetanje i plodonošenje povrća mora se poticati kako se ne bi pojavili negativni efekti.

Vrijedi spomenuti da formula svjetla treba uključivati ​​završni tretman za postavke svjetlosnog okruženja. Na primjer, kontinuirano dodavanje svjetla može značajno poboljšati prinos i kvalitet hidroponskih sadnica lisnatog povrća ili korištenje UV tretmana za značajno poboljšanje nutritivne vrijednosti klica i lisnatog povrća (posebno ljubičaste i crvene salate).

Pored optimizacije dodavanja svjetlosti za odabrane usjeve, sistem upravljanja izvorom svjetlosti nekih fabrika biljaka vještačke rasvjete također se brzo razvio posljednjih godina. Ovaj sistem upravljanja se uglavnom zasniva na B/S strukturi. Daljinsko upravljanje i automatska kontrola faktora okoline kao što su temperatura, vlažnost, svjetlost i koncentracija CO2 tokom rasta usjeva ostvaruju se putem WIFI-ja, a istovremeno se ostvaruje proizvodni metod koji nije ograničen vanjskim uslovima. Ova vrsta inteligentnog sistema dodatnog osvjetljenja koristi LED rasvjetu za uzgoj kao dodatni izvor svjetlosti, u kombinaciji sa daljinskim inteligentnim sistemom upravljanja, može zadovoljiti potrebe osvjetljenja biljaka u zavisnosti od talasne dužine, posebno je pogodan za okruženje za uzgoj biljaka sa kontrolisanom svjetlošću i može dobro zadovoljiti potražnju na tržištu.

Završne napomene
Fabrike biljaka smatraju se važnim načinom rješavanja svjetskih problema resursa, stanovništva i okoliša u 21. stoljeću, te važnim načinom za postizanje samodovoljnosti hrane u budućim visokotehnološkim projektima. Kao nova vrsta poljoprivredne proizvodne metode, fabrike biljaka su još uvijek u fazi učenja i rasta, te je potrebno više pažnje i istraživanja. Ovaj članak opisuje karakteristike i prednosti uobičajenih metoda dopunske rasvjete u fabrikama biljaka i predstavlja ideje dizajna tipičnih sistema dopunske rasvjete usjeva. Nije teško pronaći rješenje poređenjem, kako bi se nosilo sa slabim svjetlom uzrokovanim teškim vremenskim uslovima poput kontinuiranog oblačnog vremena i izmaglice i kako bi se osigurala visoka i stabilna proizvodnja usjeva u objektima, LED oprema za uzgoj svjetlosti najviše je u skladu sa trenutnim trendovima razvoja.

Budući razvoj fabrika biljaka trebao bi se fokusirati na nove visokoprecizne, jeftine senzore, daljinski upravljive sisteme rasvjete s podesivim spektrom i ekspertske kontrolne sisteme. Istovremeno, buduće fabrike biljaka će se nastaviti razvijati prema jeftinim, inteligentnim i samoadaptivnim sistemima. Upotreba i popularizacija LED izvora svjetlosti za uzgoj garantuju visokopreciznu kontrolu okoline u fabrikama biljaka. Regulacija LED svjetlosnog okruženja je složen proces koji uključuje sveobuhvatnu regulaciju kvaliteta svjetlosti, intenziteta svjetlosti i fotoperioda. Relevantni stručnjaci i naučnici trebaju provesti dubinska istraživanja, promovirajući LED dopunsku rasvjetu u fabrikama biljaka s vještačkom rasvjetom.