Аутор: Ђинг Жао, Зенгчан Џоу, Јунлонг Бу, итд. Изворни медији: Технологија пољопривредног инжењерства (пластеничко хортикултура)

Фабрика биљака комбинује модерну индустрију, биотехнологију, хидропонику хранљивих материја и информациону технологију како би имплементирала високопрецизну контролу фактора животне средине у објекту. Потпуно је затворена, има ниске захтеве према околној средини, скраћује период бербе биљака, штеди воду и ђубриво, а уз предности производње без пестицида и без испуштања отпада, ефикасност коришћења јединице земљишта је 40 до 108 пута већа од производње на отвореном пољу. Међу њима, интелигентни вештачки извор светлости и његова регулација светлосног окружења играју одлучујућу улогу у ефикасности производње.

Као важан физички фактор окружења, светлост игра кључну улогу у регулисању раста биљака и метаболизма материја. „Једна од главних карактеристика фабрике биљака је потпуни вештачки извор светлости и реализација интелигентне регулације светлосног окружења“ постала је општи консензус у индустрији.

Потреба биљака за светлошћу

Светлост је једини извор енергије за фотосинтезу биљака. Интензитет светлости, квалитет светлости (спектар) и периодичне промене светлости имају дубок утицај на раст и развој усева, међу којима интензитет светлости има највећи утицај на фотосинтезу биљака.

■ Интензитет светлости

Интензитет светлости може променити морфологију усева, као што су цветање, дужина интернодија, дебљина стабљике и величина и дебљина листа. Захтеви биљака за интензитетом светлости могу се поделити на биљке које воле светлост, средње отпорне на светлост и биљке отпорне на слабу светлост. Поврће је углавном биљка која воли светлост, а њихове тачке компензације светлости и тачке засићења светлости су релативно високе. У фабрикама биљака за вештачко осветљење, релевантни захтеви усева за интензитетом светлости су важна основа за избор извора вештачке светлости. Разумевање потреба различитих биљака за светлошћу је важно за пројектовање извора вештачке светлости. Изузетно је неопходно побољшати производне перформансе система.

■ Квалитет светлости

Расподела квалитета светлости (спектрална) такође има важан утицај на фотосинтезу и морфогенезу биљака (Слика 1). Светлост је део зрачења, а зрачење је електромагнетни талас. Електромагнетни таласи имају таласне карактеристике и квантне (честичне) карактеристике. Квант светлости се у области хортикултуре назива фотон. Зрачење са опсегом таласних дужина од 300~800nm ​​назива се физиолошки активно зрачење биљака; а зрачење са опсегом таласних дужина од 400~700nm назива се фотосинтетски активно зрачење (ФАР) биљака.

Хлорофил и каротени су два најважнија пигмента у фотосинтези биљака. Слика 2 приказује спектрални апсорпциони спектар сваког фотосинтетског пигмента, у коме је апсорпциони спектар хлорофила концентрисан у црвеним и плавим тракама. Систем осветљења се заснива на спектралним потребама усева за вештачким допуњавањем светлости, како би се подстакла фотосинтеза биљака.

■ фотопериод
Однос између фотосинтезе и фотоморфогенезе биљака и дужине дана (или времена фотопериода) назива се фотопериодност биљака. Фотопериодност је уско повезана са светлосним сатима, што се односи на време које је усев озрачен светлошћу. Различитим усевима је потребан одређени број сати светлости да би се завршио фотопериод да би цветале и донеле плодове. Према различитим фотопериодима, могу се поделити на усеве дугог дана, као што је купус итд., којима је потребно више од 12-14 сати светлосних сати у одређеној фази раста; усеве кратког дана, као што су лук, соја итд., којима је потребно мање од 12-14 сати осветљења; усеве средње јачине сунца, као што су краставци, парадајз, паприке итд., могу цветати и доносити плодове под дужим или краћим сунчевим светлом.
Међу три елемента окружења, интензитет светлости је важна основа за избор вештачких извора светлости. Тренутно постоји много начина за изражавање интензитета светлости, укључујући углавном следећа три.
(1) Осветљеност се односи на површинску густину светлосног флукса (светлосни флукс по јединици површине) примљеног на осветљену равни, у луксима (lx).

(2) Фотосинтетски активно зрачење, ФАР, јединица: W/m².

(3) Фотосинтетски ефективна густина флукса фотона PPFD или PPF је број фотосинтетски ефективног зрачења који досеже или пролази кроз јединицу времена и јединицу површине, јединица: μmol/(m²·s). Углавном се односи на интензитет светлости од 400~700nm директно повезан са фотосинтезом. Такође је најчешће коришћени индикатор интензитета светлости у области биљне производње.

Анализа извора светлости типичног система додатног осветљења
Додавање вештачког светла служи за повећање интензитета светлости у циљаном подручју или продужење времена осветљења инсталирањем система додатног светла како би се задовољиле светлосне потребе биљака. Генерално говорећи, систем додатног светла обухвата опрему за додатно осветљење, кола и њихов систем управљања. Допунски извори светлости углавном укључују неколико уобичајених типова као што су инкандесцентне лампе, флуоресцентне лампе, метал-халогенидне лампе, натријумове лампе високог притиска и ЛЕД диоде. Због ниске електричне и оптичке ефикасности инкандесцентних лампи, ниске фотосинтетске енергетске ефикасности и других недостатака, тржиште их је елиминисало, тако да овај чланак не прави детаљну анализу.

■ Флуоресцентна лампа
Флуоресцентне лампе припадају типу гасних лампи ниског притиска. Стаклена цев је напуњена живином паром или инертним гасом, а унутрашњи зид цеви је пресвучен флуоресцентним прахом. Боја светлости варира у зависности од флуоресцентног материјала пресвученог у цеви. Флуоресцентне лампе имају добре спектралне перформансе, високу светлосну ефикасност, малу снагу, дужи век трајања (12000 сати) у поређењу са инкандесцентним сијалицама и релативно ниску цену. Пошто сама флуоресцентна лампа емитује мање топлоте, може се осветљавати близу биљака и погодна је за тродимензионално гајење. Међутим, спектрални распоред флуоресцентне лампе је неразуман. Најчешћа метода у свету је додавање рефлектора како би се максимизирале ефикасне компоненте извора светлости усева у подручју гајења. Јапанска компанија adv-agri је такође развила нови тип додатног извора светлости HEFL. HEFL заправо спада у категорију флуоресцентних лампи. То је општи назив за флуоресцентне лампе са хладном катодом (CCFL) и флуоресцентне лампе са спољном електродом (EEFL) и представља флуоресцентну лампу са мешовитим електродама. HEFL цев је изузетно танка, пречника само око 4 мм, а дужина се може подесити од 450 мм до 1200 мм у складу са потребама узгоја. То је побољшана верзија конвенционалне флуоресцентне лампе.

■ Метал-халидна лампа
Метал-халогенидна лампа је лампа са високим интензитетом која може да побуди различите елементе и произведе различите таласне дужине додавањем различитих метал-халогенида (калај бромид, натријум јодид итд.) у цев за пражњење, на бази високопритисне живине лампе. Халогене лампе имају високу светлосну ефикасност, велику снагу, добру боју светлости, дуг век трајања и широк спектар. Међутим, пошто је светлосна ефикасност нижа од оне код високопритисних натријумових лампи, а век трајања је краћи од оне код високопритисних натријумових лампи, тренутно се користе само у неколико фабрика.

■ Натријумова лампа високог притиска
Натријумове лампе високог притиска припадају типу гасних лампи високог притиска. Натријумова лампа високог притиска је високоефикасна лампа у којој се цев за пражњење пуни натријумовом паром високог притиска, а додаје се мала количина ксенона (Xe) и живиног метал-халогенида. Пошто натријумове лампе високог притиска имају високу електрооптичку ефикасност конверзије уз ниже трошкове производње, натријумове лампе високог притиска се тренутно најшире користе у примени допунског осветљења у пољопривредним објектима. Међутим, због недостатака ниске фотосинтетске ефикасности у свом спектру, имају недостатке ниске енергетске ефикасности. С друге стране, спектралне компоненте које емитују натријумове лампе високог притиска углавном су концентрисане у жуто-наранџастом светлосном појасу, коме недостају црвени и плави спектар неопходни за раст биљака.

■ Светлећа диода
Као нова генерација извора светлости, светлеће диоде (ЛЕД) имају многе предности као што су већа ефикасност електрооптичке конверзије, подесиви спектар и висока фотосинтетска ефикасност. ЛЕД могу емитовати монохроматску светлост потребну за раст биљака. У поређењу са обичним флуоресцентним лампама и другим додатним изворима светлости, ЛЕД имају предности уштеде енергије, заштите животне средине, дугог века трајања, монохроматске светлости, хладног извора светлости и тако даље. Са даљим побољшањем електрооптичке ефикасности ЛЕД диода и смањењем трошкова изазваних ефектом скалирања, ЛЕД системи за осветљење узгоја постаће главна опрема за допунско осветљење у пољопривредним објектима. Као резултат тога, ЛЕД светла за узгој су примењена у преко 99,9% фабрика биљака.

Поређењем се могу јасно разумети карактеристике различитих додатних извора светлости, као што је приказано у Табели 1.

Мобилни уређај за осветљење
Интензитет светлости је уско повезан са растом усева. Тродимензионална култивација се често користи у фабрикама биљака. Међутим, због ограничења структуре сталака за култивацију, неравномерна расподела светлости и температуре између сталака утицаће на принос усева и период жетве неће бити синхронизован. Једна компанија у Пекингу је 2010. године успешно развила ручни уређај за подизање додатне светлости (HPS расветно тело и LED расветно тело за узгој). Принцип је да се погонска осовина и намотавач причвршћени на њој ротирају покретном ручком како би се ротирао мали котур фолије, чиме се постиже сврха увлачења и одмотавања жичаног ужета. Жично уже светла за узгој је повезано са точком за намотавање елеватора преко више комплета точкова за обртање, како би се постигао ефекат подешавања висине светла за узгој. Године 2017, горе поменута компанија је пројектовала и развила нови мобилни уређај за додатну светлост, који може аутоматски да подешава висину додатне светлости у реалном времену у складу са потребама раста усева. Уређај за подешавање је сада инсталиран на тродимензионалном сталаку за узгој са 3 слоја и подизањем извора светлости. Горњи слој уређаја је ниво са најбољим светлосним условима, па је опремљен натријумовим лампама високог притиска; средњи слој и доњи слој су опремљени ЛЕД светлима за узгој и системом за подешавање подизања. Може аутоматски подесити висину светла за узгој како би се обезбедило одговарајуће светлосно окружење за усеве.

У поређењу са мобилним уређајем за додатно осветљење прилагођеним за тродимензионално узгој, Холандија је развила хоризонтално покретни ЛЕД уређај за додатно осветљење за узгој. Да би се избегао утицај сенке светла за узгој на раст биљака на сунцу, систем светла за узгој може се померити са обе стране носача кроз телескопски клизач у хоризонталном смеру, тако да сунце у потпуности обасја биљке; по облачним и кишним данима без сунчеве светлости, померите систем светла за узгој на средину носача како би светлост система светла за узгој равномерно испунила биљке; померајте систем светла за узгој хоризонтално кроз клизач на носачу, избегавајте често растављање и уклањање система светла за узгој и смањујте интензитет рада запослених, чиме се ефикасно побољшава ефикасност рада.

Идеје за дизајн типичног система за узгој светла
Није тешко видети из дизајна мобилног уређаја за додатно осветљење да дизајн система додатног осветљења фабрике биљака обично узима интензитет светлости, квалитет светлости и параметре фотопериода различитих периода раста усева као основни садржај дизајна, ослањајући се на интелигентни систем управљања који се имплементира, постижући крајњи циљ уштеде енергије и високог приноса.

Тренутно, дизајн и конструкција додатног светла за лиснато поврће постепено сазрева. На пример, лиснато поврће може се поделити у четири фазе: фаза саднице, средња фаза раста, касна фаза раста и завршна фаза; воће-поврће може се поделити на фазу саднице, фазу вегетативног раста, фазу цветања и фазу бербе. Што се тиче карактеристика интензитета додатног светла, интензитет светлости у фази саднице треба да буде нешто нижи, на 60~200 μmol/(m²·s), а затим постепено повећавати. Лиснато поврће може достићи и до 100~200 μmol/(m²·s), а воће-поврће може достићи и до 300~500 μmol/(m²·s) како би се осигурали захтеви за интензитетом светлости за фотосинтезу биљака у сваком периоду раста и испуниле потребе за високим приносом; Што се тиче квалитета светлости, однос црвене и плаве боје је веома важан. Да би се повећао квалитет садница и спречио прекомерни раст у фази саднице, однос црвене и плаве боје се генерално поставља на низак ниво [(1~2):1], а затим се постепено смањује како би се задовољиле потребе светлосне морфологије биљака. Однос црвене и плаве боје код лиснатог поврћа може се подесити на (3~6):1. Фотопериод, слично интензитету светлости, требало би да показује тренд повећања са продужењем периода раста, тако да лиснато поврће има више времена за фотосинтезу. Дизајн додатка светлости за воће и поврће биће компликованији. Поред горе поменутих основних закона, требало би да се фокусирамо на подешавање фотопериода током периода цветања, а цветање и плодоношење поврћа мора се подстаћи, како се не би појавили супротни ефекти.

Вреди напоменути да формула осветљења треба да укључује завршни третман за светлосне услове окружења. На пример, континуирано допуњавање светлости може значајно побољшати принос и квалитет хидропонских садница лиснатог поврћа, или употреба УВ третмана може значајно побољшати нутритивни квалитет клица и лиснатог поврћа (посебно љубичасте и црвене салате).

Поред оптимизације допуњавања светлости за одабране усеве, систем управљања извором светлости неких фабрика биљака са вештачком светлошћу се такође брзо развио последњих година. Овај систем управљања се генерално заснива на B/S структури. Даљинско управљање и аутоматска контрола фактора околине као што су температура, влажност, светлост и концентрација CO2 током раста усева остварују се путем WIFI-ја, а истовремено се реализује метод производње који није ограничен спољашњим условима. Ова врста интелигентног система додатног осветљења користи ЛЕД светиљку за узгој као додатни извор светлости, у комбинацији са даљинским интелигентним системом управљања, може да задовољи потребе осветљења биљака у зависности од таласне дужине, посебно је погодан за окружење за узгој биљака са контролисаном светлошћу и може добро да задовољи потражњу тржишта.

Завршне напомене
Фабрике биљака се сматрају важним начином за решавање светских проблема ресурса, становништва и животне средине у 21. веку, и важним начином за постизање самодовољности у храни у будућим високотехнолошким пројектима. Као нова врста методе пољопривредне производње, фабрике биљака су још увек у фази учења и раста, и потребно је више пажње и истраживања. Овај чланак описује карактеристике и предности уобичајених метода допунског осветљења у фабрикама биљака и представља идеје дизајна типичних система допунског осветљења усева. Није тешко пронаћи поређењем, како би се изборило са слабим светлом изазваним тешким временским условима као што су континуирано облачно време и измаглица и како би се обезбедила висока и стабилна производња усева у објектима, ЛЕД опрема за узгој је највише у складу са тренутним трендовима развоја.

Будући правац развоја фабрика биљака требало би да се фокусира на нове високопрецизне, јефтине сензоре, даљински управљиве системе осветљења са подесивим спектром и експертске системе управљања. Истовремено, будуће фабрике биљака ће се наставити развијати ка јефтинијим, интелигентним и самоадаптивним системима. Употреба и популаризација ЛЕД извора светлости за узгој гарантују високопрецизну контролу животне средине у фабрикама биљака. Регулација окружења ЛЕД светлом је сложен процес који укључује свеобухватну регулацију квалитета светлости, интензитета светлости и фотопериода. Релевантни стручњаци и научници треба да спроведу детаљна истраживања, промовишући ЛЕД додатно осветљење у фабрикама биљака са вештачким осветљењем.