Yazar: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, vb. Kaynak Medya: Tarım Mühendisliği Teknolojisi (sera yetiştiriciliği)

Bu bitki fabrikası, tesis içindeki çevresel faktörlerin yüksek hassasiyetli kontrolünü sağlamak için modern endüstriyi, biyoteknolojiyi, besin hidroponiğini ve bilgi teknolojisini bir araya getiriyor. Tamamen kapalı olması, çevreye olan düşük gereksinimleri, bitki hasat süresini kısaltması, su ve gübre tasarrufu sağlaması ve pestisit kullanılmaması ve atık deşarjı olmaması avantajlarıyla, birim arazi kullanım verimliliği açık alan üretimine göre 40 ila 108 kat daha fazladır. Bunlar arasında, akıllı yapay ışık kaynağı ve ışık ortamı düzenlemesi, üretim verimliliğinde belirleyici bir rol oynamaktadır.

Önemli bir fiziksel çevre faktörü olarak ışık, bitki büyümesini ve madde metabolizmasını düzenlemede kilit rol oynar. "Bitki fabrikasının temel özelliklerinden biri, tamamen yapay ışık kaynağına sahip olması ve ışık ortamının akıllı bir şekilde düzenlenmesinin sağlanmasıdır" ifadesi sektörde genel bir görüş birliği haline gelmiştir.

Bitkilerin ışığa olan ihtiyacı

Işık, bitki fotosentezinin tek enerji kaynağıdır. Işık yoğunluğu, ışık kalitesi (spektrum) ve ışığın periyodik değişimleri, bitkilerin büyüme ve gelişmesi üzerinde derin bir etkiye sahiptir; bunların arasında ışık yoğunluğu, bitki fotosentezi üzerinde en büyük etkiye sahiptir.

■ Işık yoğunluğu

Işık yoğunluğu, çiçeklenme, boğum arası uzunluğu, gövde kalınlığı, yaprak boyutu ve kalınlığı gibi bitkilerin morfolojisini değiştirebilir. Bitkilerin ışık yoğunluğu gereksinimleri, ışığı seven, orta derecede ışığı seven ve düşük ışığa toleranslı bitkiler olarak sınıflandırılabilir. Sebzeler çoğunlukla ışığı seven bitkilerdir ve ışık dengeleme noktaları ve ışık doygunluk noktaları nispeten yüksektir. Yapay ışıkla çalışan bitki fabrikalarında, bitkilerin ışık yoğunluğuna ilişkin ilgili gereksinimleri, yapay ışık kaynaklarının seçimi için önemli bir temel oluşturur. Farklı bitkilerin ışık gereksinimlerini anlamak, yapay ışık kaynaklarının tasarımı için önemlidir ve sistemin üretim performansını iyileştirmek için son derece gereklidir.

■ Işık kalitesi

Işık kalitesi (spektral) dağılımı, bitki fotosentezi ve morfojenezini de önemli ölçüde etkiler (Şekil 1). Işık, radyasyonun bir parçasıdır ve radyasyon bir elektromanyetik dalgadır. Elektromanyetik dalgaların dalga özellikleri ve kuantum (parçacık) özellikleri vardır. Işığın kuantumu, bahçecilik alanında foton olarak adlandırılır. 300~800 nm dalga boyu aralığındaki radyasyona bitkilerin fizyolojik olarak aktif radyasyonu; 400~700 nm dalga boyu aralığındaki radyasyona ise bitkilerin fotosentetik olarak aktif radyasyonu (PAR) denir.

Klorofil ve karotenler, bitki fotosentezinde en önemli iki pigmenttir. Şekil 2, her bir fotosentetik pigmentin spektral soğurma spektrumunu göstermektedir; burada klorofil soğurma spektrumu kırmızı ve mavi bantlarda yoğunlaşmıştır. Aydınlatma sistemi, bitkilerin fotosentezini teşvik etmek amacıyla, bitkilerin spektral ihtiyaçlarına göre yapay olarak ışık takviyesi yapacak şekilde tasarlanmıştır.

■ fotoperiyot
Bitkilerin fotosentezi ve fotomorfogenezi ile gün uzunluğu (veya fotoperiyot süresi) arasındaki ilişkiye bitkilerin fotoperiyodu denir. Fotoperiyot, bitkinin ışık aldığı süreyi ifade eden ışık saatleriyle yakından ilişkilidir. Farklı bitkiler, çiçek açıp meyve verebilmek için fotoperiyodu tamamlamak üzere belirli sayıda ışık saatine ihtiyaç duyar. Farklı fotoperiyotlara göre, lahana gibi uzun gün bitkileri, büyümesinin belirli bir aşamasında 12-14 saatten fazla ışık gerektirir; soğan, soya fasulyesi gibi kısa gün bitkileri, 12-14 saatten az aydınlatma gerektirir; salatalık, domates, biber gibi orta güneş bitkileri ise daha uzun veya daha kısa güneş ışığı altında çiçek açıp meyve verebilir.
Çevrenin üç temel unsurundan biri olan ışık yoğunluğu, yapay ışık kaynaklarının seçiminde önemli bir ölçüttür. Şu anda ışık yoğunluğunu ifade etmenin birçok yolu vardır; bunlar başlıca aşağıdaki üç yöntemi içerir.
(1) Aydınlatma, aydınlatılan düzlemde alınan ışık akısının yüzey yoğunluğunu (birim alan başına ışık akısı) lüks (lx) cinsinden ifade eder.

(2) Fotosentetik olarak aktif radyasyon, PAR, Birim: W/m².

(3) Fotosentetik olarak etkili foton akı yoğunluğu (PPFD veya PPF), birim zaman ve birim alandan geçen veya ulaşan fotosentetik olarak etkili radyasyon sayısıdır, birimi: μmol/(m²·s). Esas olarak fotosentezle doğrudan ilgili olan 400~700 nm aralığındaki ışık yoğunluğunu ifade eder. Ayrıca bitki üretimi alanında en yaygın kullanılan ışık yoğunluğu göstergesidir.

Tipik ek ışık sisteminin ışık kaynağı analizi
Yapay ışık takviyesi, bitkilerin ışık ihtiyacını karşılamak için hedef alandaki ışık yoğunluğunu artırmak veya ışık süresini uzatmak amacıyla ek bir ışık sistemi kurulmasıdır. Genel olarak, ek ışık sistemi, ek ışık ekipmanlarını, devrelerini ve kontrol sistemini içerir. Ek ışık kaynakları başlıca akkor lambalar, floresan lambalar, metal halojen lambalar, yüksek basınçlı sodyum lambalar ve LED'ler gibi çeşitli yaygın türleri içerir. Akkor lambaların düşük elektriksel ve optik verimliliği, düşük fotosentetik enerji verimliliği ve diğer dezavantajları nedeniyle piyasadan kaldırılmıştır, bu nedenle bu makalede detaylı bir analiz yapılmamıştır.

■ Floresan lamba
Floresan lambalar, düşük basınçlı gaz deşarj lambaları türüne aittir. Cam tüp, cıva buharı veya inert gazla doldurulur ve tüpün iç duvarı floresan tozla kaplanır. Işık rengi, tüpte kaplanan floresan malzemeye göre değişir. Floresan lambalar, akkor lambalara kıyasla iyi spektral performansa, yüksek ışık verimliliğine, düşük güce, daha uzun ömre (12000 saat) ve nispeten düşük maliyete sahiptir. Floresan lambanın kendisi daha az ısı yaydığı için, aydınlatma amacıyla bitkilere yakın yerleştirilebilir ve üç boyutlu yetiştiricilik için uygundur. Bununla birlikte, floresan lambanın spektral düzeni mantıksızdır. Dünyada en yaygın yöntem, yetiştirme alanındaki mahsullerin etkili ışık kaynağı bileşenlerini en üst düzeye çıkarmak için reflektör eklemektir. Japon adv-agri şirketi de yeni bir ek ışık kaynağı türü olan HEFL geliştirmiştir. HEFL aslında floresan lambalar kategorisine aittir. HEFL, soğuk katotlu floresan lambalar (CCFL) ve harici elektrotlu floresan lambalar (EEFL) için kullanılan genel bir terim olup, karma elektrotlu bir floresan lambadır. HEFL tüpü son derece incedir, çapı sadece yaklaşık 4 mm'dir ve uzunluğu yetiştirme ihtiyaçlarına göre 450 mm ile 1200 mm arasında ayarlanabilir. Geleneksel floresan lambanın geliştirilmiş bir versiyonudur.

■ Metal halojen lamba
Metal halojen lamba, yüksek basınçlı cıva lambası temelinde deşarj tüpüne çeşitli metal halojenürler (kalay bromür, sodyum iyodür vb.) eklenerek farklı elementleri uyararak farklı dalga boyları üretebilen yüksek yoğunluklu bir deşarj lambasıdır. Halojen lambalar yüksek ışık verimliliğine, yüksek güce, iyi ışık rengine, uzun ömre ve geniş spektruma sahiptir. Bununla birlikte, ışık verimliliği yüksek basınçlı sodyum lambalardan daha düşük ve ömrü daha kısa olduğu için şu anda sadece birkaç fabrikada kullanılmaktadır.

■ Yüksek basınçlı sodyum lambası
Yüksek basınçlı sodyum lambaları, yüksek basınçlı gaz deşarj lambaları türüne aittir. Yüksek basınçlı sodyum lambası, deşarj tüpüne yüksek basınçlı sodyum buharı doldurulan ve az miktarda ksenon (Xe) ve cıva metal halojenür eklenen yüksek verimli bir lambadır. Yüksek basınçlı sodyum lambaları, düşük üretim maliyetleriyle yüksek elektro-optik dönüşüm verimliliğine sahip oldukları için, günümüzde tarım tesislerinde ek aydınlatma uygulamalarında en yaygın kullanılan lambalardır. Bununla birlikte, spektrumlarındaki düşük fotosentetik verimlilik nedeniyle, düşük enerji verimliliği dezavantajına sahiptirler. Öte yandan, yüksek basınçlı sodyum lambaları tarafından yayılan spektral bileşenler esas olarak sarı-turuncu ışık bandında yoğunlaşmıştır ve bitki büyümesi için gerekli olan kırmızı ve mavi spektrumlardan yoksundur.

■ Işık yayan diyot
Yeni nesil ışık kaynakları olarak, ışık yayan diyotlar (LED'ler), daha yüksek elektro-optik dönüşüm verimliliği, ayarlanabilir spektrum ve yüksek fotosentetik verimlilik gibi birçok avantaja sahiptir. LED'ler, bitki büyümesi için gerekli olan tek renkli ışığı yayabilir. Sıradan floresan lambalar ve diğer ek ışık kaynaklarıyla karşılaştırıldığında, LED'ler enerji tasarrufu, çevre koruma, uzun ömür, tek renkli ışık, soğuk ışık kaynağı vb. avantajlara sahiptir. LED'lerin elektro-optik verimliliğinin daha da geliştirilmesi ve ölçek etkisinden kaynaklanan maliyet düşüşleriyle birlikte, LED bitki yetiştirme aydınlatma sistemleri, tarım tesislerinde ışığı desteklemek için ana akım ekipman haline gelecektir. Sonuç olarak, LED bitki yetiştirme lambaları bitki fabrikalarının %99,9'undan fazlasında kullanılmaktadır.

Tablo 1'de gösterildiği gibi, farklı ek ışık kaynaklarının özellikleri karşılaştırma yoluyla açıkça anlaşılabilir.

Mobil aydınlatma cihazı
Işık yoğunluğu, bitkilerin büyümesiyle yakından ilişkilidir. Bitki fabrikalarında genellikle üç boyutlu yetiştirme kullanılır. Bununla birlikte, yetiştirme raflarının yapısının sınırlamaları nedeniyle, raflar arasındaki ışık ve sıcaklığın eşit olmayan dağılımı, ürün verimini etkiler ve hasat dönemi senkronize olmaz. Pekin'de bir şirket, 2010 yılında manuel kaldırma ışık takviye cihazı (HPS aydınlatma armatürü ve LED yetiştirme aydınlatma armatürü) geliştirmeyi başardı. Prensip, tel halatın geri çekilmesi ve açılması amacına ulaşmak için, tahrik milini ve üzerine sabitlenmiş sarıcıyı kolu sallayarak döndürmektir. Yetiştirme lambasının tel halatı, çoklu geri dönüş tekerlekleri aracılığıyla asansörün sarım tekerleğine bağlanarak, yetiştirme lambasının yüksekliğinin ayarlanması etkisi elde edilir. 2017 yılında, yukarıda bahsedilen şirket, ürün büyüme ihtiyaçlarına göre ışık takviye yüksekliğini gerçek zamanlı olarak otomatik olarak ayarlayabilen yeni bir mobil ışık takviye cihazı tasarladı ve geliştirdi. Ayarlama cihazı, 3 katmanlı ışık kaynağı kaldırma tipi üç boyutlu yetiştirme rafına monte edilmiştir. Cihazın en üst katmanı en iyi ışık koşullarına sahip seviyedir, bu nedenle yüksek basınçlı sodyum lambalarla donatılmıştır; orta ve alt katmanlar ise LED bitki yetiştirme lambaları ve kaldırma ayarlama sistemi ile donatılmıştır. Bitkiler için uygun bir aydınlatma ortamı sağlamak üzere bitki yetiştirme lambasının yüksekliğini otomatik olarak ayarlayabilir.

Üç boyutlu yetiştirme için özel olarak tasarlanmış mobil ışık takviye cihazıyla karşılaştırıldığında, Hollanda yatay olarak hareket ettirilebilen bir LED bitki yetiştirme ışığı takviye cihazı geliştirmiştir. Güneşli günlerde bitkilerin büyümesini etkileyen gölge etkisini önlemek için, bitki yetiştirme ışığı sistemi, teleskopik kızak vasıtasıyla yatay yönde braketin her iki tarafına itilebilir, böylece güneş ışığı bitkilere tam olarak ulaşır; bulutlu ve yağmurlu, güneş ışığı olmayan günlerde, bitki yetiştirme ışığı sistemi braketin ortasına itilerek ışığın bitkileri eşit şekilde doldurması sağlanır; bitki yetiştirme ışığı sisteminin braket üzerindeki kızak vasıtasıyla yatay olarak hareket ettirilmesi, bitki yetiştirme ışığı sisteminin sık sık sökülüp takılmasını önler ve çalışanların iş yükünü azaltarak iş verimliliğini etkili bir şekilde artırır.

Tipik bir bitki yetiştirme lambası sisteminin tasarım fikirleri
Mobil aydınlatma destek cihazının tasarımından da anlaşılacağı üzere, bitki fabrikasının ek aydınlatma sisteminin tasarımında genellikle farklı bitki büyüme dönemlerinin ışık yoğunluğu, ışık kalitesi ve fotoperiyot parametreleri temel alınır ve akıllı kontrol sistemiyle uygulanarak enerji tasarrufu ve yüksek verim nihai hedefine ulaşılır.

Şu anda, yapraklı sebzeler için ek aydınlatma tasarımı ve yapımı giderek olgunlaşmıştır. Örneğin, yapraklı sebzeler dört aşamaya ayrılabilir: fide aşaması, orta büyüme, geç büyüme ve son aşama; meyve sebzeleri ise fide aşaması, vejetatif büyüme aşaması, çiçeklenme aşaması ve hasat aşaması olarak ayrılabilir. Ek aydınlatma yoğunluğunun özelliklerine bakıldığında, fide aşamasındaki ışık yoğunluğu biraz daha düşük olmalı, 60~200 μmol/(m²·s) civarında olmalı ve daha sonra kademeli olarak artırılmalıdır. Yapraklı sebzeler 100~200 μmol/(m²·s)'ye kadar, meyve sebzeleri ise 300~500 μmol/(m²·s)'ye kadar ulaşabilir; bu, her büyüme döneminde bitki fotosentezinin ışık yoğunluğu gereksinimlerini karşılamak ve yüksek verim ihtiyaçlarını karşılamak içindir. Işık kalitesi açısından, kırmızı ve mavi oranı çok önemlidir. Fidelerin kalitesini artırmak ve fide aşamasında aşırı büyümeyi önlemek için, kırmızı-mavi oranı genellikle düşük bir seviyede [(1~2):1] ayarlanır ve daha sonra bitki ışık morfolojisinin ihtiyaçlarını karşılamak için kademeli olarak azaltılır. Yapraklı sebzeler için kırmızı-mavi oranı (3~6):1 olarak ayarlanabilir. Fotoperiyot için, ışık yoğunluğuna benzer şekilde, büyüme süresinin uzamasıyla birlikte artış eğilimi göstermelidir, böylece yapraklı sebzeler fotosentez için daha fazla zamana sahip olur. Meyve ve sebzelerin ışık takviyesi tasarımı daha karmaşık olacaktır. Yukarıda belirtilen temel kurallara ek olarak, çiçeklenme döneminde fotoperiyot ayarına odaklanılmalı ve sebzelerin çiçeklenmesi ve meyve vermesi teşvik edilmelidir, aksi takdirde ters tepebilir.

Belirtmekte fayda var ki, ışık formülü, ışık ortamı ayarları için son işlemi de içermelidir. Örneğin, sürekli ışık takviyesi, hidroponik yapraklı sebze fidelerinin verimini ve kalitesini büyük ölçüde artırabilir veya UV uygulaması, filizlerin ve yapraklı sebzelerin (özellikle mor yapraklı ve kırmızı yapraklı marulun) besin kalitesini önemli ölçüde iyileştirebilir.

Seçili bitkiler için ışık takviyesinin optimize edilmesinin yanı sıra, bazı yapay ışıklı bitki fabrikalarının ışık kaynağı kontrol sistemi de son yıllarda hızla gelişmiştir. Bu kontrol sistemi genellikle B/S yapısına dayanmaktadır. Bitkilerin büyümesi sırasında sıcaklık, nem, ışık ve CO2 konsantrasyonu gibi çevresel faktörlerin uzaktan ve otomatik kontrolü WIFI aracılığıyla gerçekleştirilir ve aynı zamanda dış koşullarla sınırlı olmayan bir üretim yöntemi sağlanır. Bu tür akıllı ek ışık sistemi, ek ışık kaynağı olarak LED bitki yetiştirme lambası kullanır ve uzaktan akıllı kontrol sistemiyle birleştirildiğinde, bitki dalga boyu aydınlatma ihtiyaçlarını karşılayabilir, özellikle ışık kontrollü bitki yetiştirme ortamı için uygundur ve pazar talebini iyi bir şekilde karşılayabilir.

Sonuç açıklamaları
Bitki fabrikaları, 21. yüzyılda dünya kaynak, nüfus ve çevre sorunlarını çözmenin önemli bir yolu ve gelecekteki yüksek teknoloji projelerinde gıda öz yeterliliğine ulaşmanın önemli bir yolu olarak kabul edilmektedir. Yeni bir tarımsal üretim yöntemi olarak bitki fabrikaları hala öğrenme ve büyüme aşamasındadır ve daha fazla ilgi ve araştırmaya ihtiyaç duymaktadır. Bu makale, bitki fabrikalarında yaygın olarak kullanılan ek aydınlatma yöntemlerinin özelliklerini ve avantajlarını açıklamaktadır ve tipik bitki ek aydınlatma sistemlerinin tasarım fikirlerini tanıtmaktadır. Sürekli bulutlu ve sisli gibi şiddetli hava koşullarının neden olduğu düşük ışıkla başa çıkmak ve tesis bitkilerinin yüksek ve istikrarlı üretimini sağlamak için, karşılaştırma yoluyla kolayca bulunabileceği gibi, LED bitki yetiştirme ışık kaynağı ekipmanı, mevcut gelişim trendlerine en uygun olanıdır.

Bitki yetiştirme fabrikalarının gelecekteki gelişim yönü, yeni yüksek hassasiyetli, düşük maliyetli sensörlere, uzaktan kontrol edilebilir, ayarlanabilir spektrumlu aydınlatma cihazı sistemlerine ve uzman kontrol sistemlerine odaklanmalıdır. Aynı zamanda, gelecekteki bitki yetiştirme fabrikaları düşük maliyetli, akıllı ve kendi kendine uyarlanabilir yönde gelişmeye devam edecektir. LED bitki yetiştirme ışık kaynaklarının kullanımı ve yaygınlaştırılması, bitki yetiştirme fabrikalarında yüksek hassasiyetli çevre kontrolü için garanti sağlar. LED ışık ortamı düzenlemesi, ışık kalitesi, ışık yoğunluğu ve fotoperiyodun kapsamlı düzenlenmesini içeren karmaşık bir süreçtir. İlgili uzmanlar ve akademisyenler, yapay ışıklı bitki yetiştirme fabrikalarında LED ek aydınlatmayı teşvik etmek için derinlemesine araştırmalar yapmalıdır.