Pengarang: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, dll. Sumber Media：Teknologi Kejuruteraan Pertanian (hortikultur rumah hijau)

Kilang tumbuhan ini menggabungkan industri moden, bioteknologi, hidroponik nutrien dan teknologi maklumat untuk melaksanakan kawalan faktor persekitaran yang berketepatan tinggi di kemudahan tersebut. Ia tertutup sepenuhnya, mempunyai keperluan yang rendah terhadap persekitaran sekitar, memendekkan tempoh penuaian tumbuhan, menjimatkan air dan baja, dan dengan kelebihan pengeluaran tanpa racun perosak dan tiada pelepasan sisa, kecekapan penggunaan tanah unit adalah 40 hingga 108 kali ganda daripada pengeluaran lapangan terbuka. Antaranya, sumber cahaya buatan pintar dan pengawalaturan persekitaran cahayanya memainkan peranan penting dalam kecekapan pengeluarannya.

Sebagai faktor persekitaran fizikal yang penting, cahaya memainkan peranan penting dalam mengawal pertumbuhan tumbuhan dan metabolisme bahan. "Salah satu ciri utama kilang tumbuhan ialah sumber cahaya buatan sepenuhnya dan kesedaran pengawalaturan pintar persekitaran cahaya" telah menjadi konsensus umum dalam industri.

Keperluan tumbuhan untuk cahaya

Cahaya merupakan satu-satunya sumber tenaga fotosintesis tumbuhan. Keamatan cahaya, kualiti cahaya (spektrum) dan perubahan cahaya secara berkala mempunyai kesan yang mendalam terhadap pertumbuhan dan perkembangan tanaman, antaranya keamatan cahaya mempunyai kesan terbesar terhadap fotosintesis tumbuhan.

■ Keamatan cahaya

Keamatan cahaya boleh mengubah morfologi tanaman, seperti pembungaan, panjang ruas, ketebalan batang, dan saiz serta ketebalan daun. Keperluan tumbuhan untuk keamatan cahaya boleh dibahagikan kepada tumbuhan yang menyukai cahaya, tumbuhan yang menyukai cahaya sederhana, dan tumbuhan yang tahan cahaya rendah. Sayur-sayuran kebanyakannya tumbuhan yang menyukai cahaya, dan titik pampasan cahaya serta titik tepu cahayanya agak tinggi. Di kilang tumbuhan cahaya buatan, keperluan tanaman yang berkaitan untuk keamatan cahaya merupakan asas penting untuk memilih sumber cahaya buatan. Memahami keperluan cahaya tumbuhan yang berbeza adalah penting untuk mereka bentuk sumber cahaya buatan. Adalah sangat perlu untuk meningkatkan prestasi pengeluaran sistem.

■ Kualiti cahaya

Taburan kualiti cahaya (spektral) juga mempunyai pengaruh penting terhadap fotosintesis dan morfogenesis tumbuhan (Rajah 1). Cahaya adalah sebahagian daripada sinaran, dan sinaran adalah gelombang elektromagnet. Gelombang elektromagnet mempunyai ciri-ciri gelombang dan ciri-ciri kuantum (zarah). Kuantum cahaya dipanggil foton dalam bidang hortikultur. Sinaran dengan julat panjang gelombang 300~800nm ​​dipanggil sinaran aktif secara fisiologi tumbuhan; dan sinaran dengan julat panjang gelombang 400~700nm dipanggil sinaran aktif fotosintetik (PAR) tumbuhan.

Klorofil dan karotena merupakan dua pigmen terpenting dalam fotosintesis tumbuhan. Rajah 2 menunjukkan spektrum penyerapan spektrum bagi setiap pigmen fotosintesis, di mana spektrum penyerapan klorofil tertumpu pada jalur merah dan biru. Sistem pencahayaan adalah berdasarkan keperluan spektrum tanaman untuk menambah cahaya secara buatan, bagi menggalakkan fotosintesis tumbuhan.

■ fotokala
Hubungan antara fotosintesis dan fotomorfogenesis tumbuhan dan panjang hari (atau masa fotokala) dipanggil fotokala tumbuhan. Fotokala berkait rapat dengan jam cahaya, yang merujuk kepada masa tanaman disinari oleh cahaya. Tanaman yang berbeza memerlukan bilangan jam cahaya tertentu untuk melengkapkan fotokala untuk mekar dan berbuah. Mengikut fotokala yang berbeza, ia boleh dibahagikan kepada tanaman hari panjang, seperti kubis, dsb., yang memerlukan lebih daripada 12-14 jam jam cahaya pada peringkat tertentu pertumbuhannya; tanaman hari pendek, seperti bawang, kacang soya, dsb., memerlukan kurang daripada 12-14 jam jam pencahayaan; tanaman matahari sederhana, seperti timun, tomato, lada, dsb., boleh mekar dan berbuah di bawah cahaya matahari yang lebih lama atau lebih pendek.
Antara tiga elemen persekitaran, keamatan cahaya merupakan asas penting untuk memilih sumber cahaya buatan. Pada masa ini, terdapat banyak cara untuk menyatakan keamatan cahaya, terutamanya termasuk tiga yang berikut.
(1) Pencahayaan merujuk kepada ketumpatan permukaan fluks bercahaya (fluks bercahaya per unit luas) yang diterima pada satah yang diterangi, dalam lux (lx).

(2) Sinaran aktif fotosintetik, PAR, Unit: W/m².

（3）Ketumpatan fluks foton berkesan fotosintesis PPFD atau PPF ialah bilangan sinaran berkesan fotosintesis yang mencapai atau melalui unit masa dan unit luas, unit：μmol/(m²·s)。Terutamanya merujuk kepada keamatan cahaya 400~700nm yang berkaitan secara langsung dengan fotosintesis. Ia juga merupakan penunjuk keamatan cahaya yang paling biasa digunakan dalam bidang pengeluaran tumbuhan.

Analisis sumber cahaya bagi sistem cahaya tambahan biasa
Tambahan cahaya buatan adalah untuk meningkatkan keamatan cahaya di kawasan sasaran atau melanjutkan masa cahaya dengan memasang sistem lampu tambahan untuk memenuhi permintaan cahaya tumbuhan. Secara amnya, sistem lampu tambahan merangkumi peralatan lampu tambahan, litar dan sistem kawalannya. Sumber cahaya tambahan terutamanya merangkumi beberapa jenis biasa seperti lampu pijar, lampu pendarfluor, lampu halida logam, lampu natrium tekanan tinggi dan LED. Disebabkan oleh kecekapan elektrik dan optik lampu pijar yang rendah, kecekapan tenaga fotosintesis yang rendah dan kekurangan lain, ia telah dihapuskan oleh pasaran, jadi artikel ini tidak membuat analisis terperinci.

■ Lampu pendarfluor
Lampu pendarfluor tergolong dalam jenis lampu nyahcas gas bertekanan rendah. Tiub kaca diisi dengan wap merkuri atau gas lengai, dan dinding dalam tiub disalut dengan serbuk pendarfluor. Warna cahaya berbeza-beza mengikut bahan pendarfluor yang disalut dalam tiub. Lampu pendarfluor mempunyai prestasi spektrum yang baik, kecekapan bercahaya yang tinggi, kuasa yang rendah, jangka hayat yang lebih lama (12000h) berbanding lampu pijar, dan kos yang agak rendah. Oleh kerana lampu pendarfluor itu sendiri mengeluarkan kurang haba, ia boleh berada dekat dengan tumbuhan untuk pencahayaan dan sesuai untuk penanaman tiga dimensi. Walau bagaimanapun, susun atur spektrum lampu pendarfluor tidak munasabah. Kaedah paling biasa di dunia adalah dengan menambah pemantul untuk memaksimumkan komponen sumber cahaya yang berkesan bagi tanaman di kawasan penanaman. Syarikat pertanian adv Jepun juga telah membangunkan jenis baharu sumber cahaya tambahan HEFL. HEFL sebenarnya tergolong dalam kategori lampu pendarfluor. Ia adalah istilah umum untuk lampu pendarfluor katod sejuk (CCFL) dan lampu pendarfluor elektrod luaran (EEFL), dan merupakan lampu pendarfluor elektrod campuran. Tiub HEFL sangat nipis, dengan diameter hanya kira-kira 4mm, dan panjangnya boleh dilaraskan dari 450mm hingga 1200mm mengikut keperluan penanaman. Ia merupakan versi lampu pendarfluor konvensional yang dipertingkatkan.

■ Lampu halida logam
Lampu halida logam ialah lampu nyahcas berintensiti tinggi yang boleh mengujakan unsur-unsur yang berbeza untuk menghasilkan panjang gelombang yang berbeza dengan menambah pelbagai halida logam (timah bromida, natrium iodida, dll.) dalam tiub nyahcas berdasarkan lampu merkuri tekanan tinggi. Lampu halogen mempunyai kecekapan bercahaya yang tinggi, kuasa tinggi, warna cahaya yang baik, jangka hayat yang panjang, dan spektrum yang besar. Walau bagaimanapun, kerana kecekapan bercahaya adalah lebih rendah daripada lampu natrium tekanan tinggi, dan jangka hayatnya lebih pendek daripada lampu natrium tekanan tinggi, ia kini hanya digunakan di beberapa kilang loji.

■ Lampu natrium tekanan tinggi
Lampu natrium tekanan tinggi tergolong dalam jenis lampu nyahcas gas tekanan tinggi. Lampu natrium tekanan tinggi ialah lampu berkecekapan tinggi di mana wap natrium tekanan tinggi diisi dalam tiub nyahcas, dan sejumlah kecil xenon (Xe) dan halida logam merkuri ditambah. Oleh kerana lampu natrium tekanan tinggi mempunyai kecekapan penukaran elektro-optik yang tinggi dengan kos pengeluaran yang lebih rendah, lampu natrium tekanan tinggi kini paling banyak digunakan dalam aplikasi cahaya tambahan dalam kemudahan pertanian. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kekurangan kecekapan fotosintesis yang rendah dalam spektrumnya, ia mempunyai kekurangan kecekapan tenaga yang rendah. Sebaliknya, komponen spektrum yang dipancarkan oleh lampu natrium tekanan tinggi terutamanya tertumpu pada jalur cahaya kuning-oren, yang kekurangan spektrum merah dan biru yang diperlukan untuk pertumbuhan tumbuhan.

■ Diod pemancar cahaya
Sebagai generasi baharu sumber cahaya, diod pemancar cahaya (LED) mempunyai banyak kelebihan seperti kecekapan penukaran elektro-optik yang lebih tinggi, spektrum boleh laras, dan kecekapan fotosintesis yang tinggi. LED boleh memancarkan cahaya monokromatik yang diperlukan untuk pertumbuhan tumbuhan. Berbanding dengan lampu pendarfluor biasa dan sumber cahaya tambahan lain, LED mempunyai kelebihan penjimatan tenaga, perlindungan alam sekitar, jangka hayat yang panjang, cahaya monokromatik, sumber cahaya sejuk dan sebagainya. Dengan peningkatan kecekapan elektro-optik LED dan pengurangan kos yang disebabkan oleh kesan skala, sistem pencahayaan pertumbuhan LED akan menjadi peralatan arus perdana untuk menambah cahaya di kemudahan pertanian. Hasilnya, lampu pertumbuhan LED telah digunakan di lebih 99.9% kilang tumbuhan.

Melalui perbandingan, ciri-ciri sumber cahaya tambahan yang berbeza dapat difahami dengan jelas, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1.

Peranti pencahayaan mudah alih
Keamatan cahaya berkait rapat dengan pertumbuhan tanaman. Penanaman tiga dimensi sering digunakan di kilang tanaman. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh batasan struktur rak penanaman, taburan cahaya dan suhu yang tidak sekata antara rak akan menjejaskan hasil tanaman dan tempoh penuaian tidak akan disegerakkan. Sebuah syarikat di Beijing telah berjaya membangunkan peranti tambahan lampu pengangkat manual (lampu HPS dan lampu pertumbuhan LED) pada tahun 2010. Prinsipnya adalah untuk memutarkan aci pemacu dan penggulung yang dipasang padanya dengan menggoncang pemegang untuk memutarkan gelendong filem kecil untuk mencapai tujuan menarik balik dan membuka tali dawai. Tali dawai lampu pertumbuhan disambungkan dengan roda penggulung lif melalui pelbagai set roda undur, untuk mencapai kesan melaraskan ketinggian lampu pertumbuhan. Pada tahun 2017, syarikat yang dinyatakan di atas mereka bentuk dan membangunkan peranti tambahan lampu mudah alih baharu, yang boleh melaraskan ketinggian tambahan lampu secara automatik dalam masa nyata mengikut keperluan pertumbuhan tanaman. Peranti pelarasan kini dipasang pada rak penanaman tiga dimensi jenis pengangkat sumber cahaya 3 lapisan. Lapisan atas peranti ini berada pada tahap yang mempunyai keadaan cahaya terbaik, jadi ia dilengkapi dengan lampu natrium bertekanan tinggi; lapisan tengah dan lapisan bawah dilengkapi dengan lampu pertumbuhan LED dan sistem pelarasan pengangkat. Ia boleh melaraskan ketinggian lampu pertumbuhan secara automatik untuk menyediakan persekitaran pencahayaan yang sesuai untuk tanaman.

Berbanding dengan peranti tambahan lampu mudah alih yang disesuaikan untuk penanaman tiga dimensi, Belanda telah membangunkan peranti tambahan lampu pertumbuhan LED yang boleh digerakkan secara mendatar. Untuk mengelakkan pengaruh bayang-bayang lampu pertumbuhan terhadap pertumbuhan tumbuhan di bawah sinar matahari, sistem lampu pertumbuhan boleh ditolak ke kedua-dua belah pendakap melalui slaid teleskopik dalam arah mendatar, supaya matahari disinari sepenuhnya pada tumbuhan; pada hari mendung dan hujan tanpa cahaya matahari, Tolak sistem lampu pertumbuhan ke tengah pendakap untuk menjadikan cahaya sistem lampu pertumbuhan memenuhi tumbuhan secara sekata; gerakkan sistem lampu pertumbuhan secara mendatar melalui slaid pada pendakap, elakkan pembongkaran dan penyingkiran sistem lampu pertumbuhan yang kerap, dan kurangkan intensiti buruh pekerja, sekali gus meningkatkan kecekapan kerja dengan berkesan.

Idea reka bentuk sistem lampu pertumbuhan biasa
Tidak sukar untuk melihat daripada reka bentuk peranti tambahan pencahayaan mudah alih bahawa reka bentuk sistem pencahayaan tambahan kilang loji biasanya mengambil keamatan cahaya, kualiti cahaya dan parameter fotokala tempoh pertumbuhan tanaman yang berbeza sebagai kandungan teras reka bentuk, bergantung pada sistem kawalan pintar untuk dilaksanakan, mencapai matlamat utama penjimatan tenaga dan hasil yang tinggi.

Pada masa ini, reka bentuk dan pembinaan cahaya tambahan untuk sayur-sayuran berdaun telah matang secara beransur-ansur. Contohnya, sayur-sayuran berdaun boleh dibahagikan kepada empat peringkat: peringkat anak benih, pertengahan pertumbuhan, lewat pertumbuhan, dan peringkat akhir; sayur-sayuran buah-buahan boleh dibahagikan kepada peringkat anak benih, peringkat pertumbuhan vegetatif, peringkat berbunga, dan peringkat penuaian. Daripada sifat keamatan cahaya tambahan, keamatan cahaya pada peringkat anak benih haruslah sedikit lebih rendah, pada 60~200 μmol/(m²·s), dan kemudian secara beransur-ansur ditingkatkan. Sayuran berdaun boleh mencapai sehingga 100~200 μmol/(m²·s), dan sayur-sayuran buah-buahan boleh mencapai 300~500 μmol/(m²·s) untuk memastikan keperluan keamatan cahaya fotosintesis tumbuhan dalam setiap tempoh pertumbuhan dan memenuhi keperluan hasil yang tinggi; Dari segi kualiti cahaya, nisbah merah kepada biru adalah sangat penting. Untuk meningkatkan kualiti anak benih dan mencegah pertumbuhan berlebihan pada peringkat anak benih, nisbah merah kepada biru biasanya ditetapkan pada tahap yang rendah [(1~2):1], dan kemudian secara beransur-ansur dikurangkan untuk memenuhi keperluan morfologi cahaya tumbuhan. Nisbah warna merah kepada biru kepada sayur-sayuran berdaun boleh ditetapkan kepada (3~6):1. Bagi fotokala, sama dengan keamatan cahaya, ia sepatutnya menunjukkan trend peningkatan dengan lanjutan tempoh pertumbuhan, supaya sayur-sayuran berdaun mempunyai lebih banyak masa fotosintesis untuk fotosintesis. Reka bentuk suplemen cahaya buah-buahan dan sayur-sayuran akan menjadi lebih rumit. Selain hukum asas yang dinyatakan di atas, kita harus memberi tumpuan kepada penetapan fotokala semasa tempoh berbunga, dan pembungaan dan pembuahan sayur-sayuran mesti digalakkan, supaya tidak menjadi bumerang.

Perlu dinyatakan bahawa formula cahaya harus merangkumi rawatan akhir untuk tetapan persekitaran cahaya. Contohnya, suplemen cahaya berterusan dapat meningkatkan hasil dan kualiti anak benih sayur berdaun hidroponik dengan ketara, atau menggunakan rawatan UV untuk meningkatkan kualiti nutrisi tauge dan sayur-sayuran berdaun (terutamanya Daun ungu dan salad daun merah) dengan ketara.

Selain mengoptimumkan penambahan cahaya untuk tanaman terpilih, sistem kawalan sumber cahaya beberapa kilang loji cahaya buatan juga telah berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Sistem kawalan ini secara amnya berdasarkan struktur B/S. Kawalan jauh dan kawalan automatik faktor persekitaran seperti suhu, kelembapan, cahaya dan kepekatan CO2 semasa pertumbuhan tanaman direalisasikan melalui WIFI, dan pada masa yang sama, kaedah pengeluaran yang tidak terhad oleh keadaan luaran direalisasikan. Sistem lampu tambahan pintar jenis ini menggunakan lekapan lampu pertumbuhan LED sebagai sumber cahaya tambahan, digabungkan dengan sistem kawalan pintar jarak jauh, dapat memenuhi keperluan pencahayaan panjang gelombang tumbuhan, sangat sesuai untuk persekitaran penanaman tumbuhan yang dikawal cahaya, dan dapat memenuhi permintaan pasaran dengan baik.

Ucapan penutup
Kilang tumbuhan dianggap sebagai cara penting untuk menyelesaikan masalah sumber, populasi dan alam sekitar dunia pada abad ke-21, dan cara penting untuk mencapai kecukupan makanan dalam projek berteknologi tinggi masa hadapan. Sebagai kaedah pengeluaran pertanian jenis baharu, kilang tumbuhan masih dalam peringkat pembelajaran dan pertumbuhan, dan lebih banyak perhatian dan penyelidikan diperlukan. Artikel ini menerangkan ciri-ciri dan kelebihan kaedah pencahayaan tambahan biasa di kilang tumbuhan, dan memperkenalkan idea reka bentuk sistem pencahayaan tambahan tanaman biasa. Ia tidak sukar untuk dicari melalui perbandingan, untuk menangani cahaya malap yang disebabkan oleh cuaca buruk seperti mendung dan jerebu yang berterusan dan untuk memastikan pengeluaran tanaman kemudahan yang tinggi dan stabil, peralatan sumber cahaya LED Grow paling selaras dengan trend pembangunan semasa.

Hala tuju pembangunan masa hadapan kilang-kilang loji harus tertumpu pada sensor berketepatan tinggi dan kos rendah yang baharu, sistem peranti pencahayaan spektrum boleh laras yang boleh dikawal dari jauh dan sistem kawalan pakar. Pada masa yang sama, kilang-kilang loji masa hadapan akan terus berkembang ke arah kos rendah, pintar dan boleh menyesuaikan diri. Penggunaan dan popularisasi sumber cahaya pertumbuhan LED memberikan jaminan untuk kawalan persekitaran berketepatan tinggi di kilang-kilang loji. Peraturan persekitaran cahaya LED adalah proses yang kompleks yang melibatkan peraturan komprehensif kualiti cahaya, keamatan cahaya dan fotokala. Pakar dan cendekiawan yang berkaitan perlu menjalankan penyelidikan mendalam, mempromosikan pencahayaan tambahan LED di kilang-kilang loji cahaya buatan.