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

Bitki fabrikası, tesisteki çevresel faktörlerin yüksek hassasiyetli kontrolünü uygulamak için modern endüstri, biyoteknoloji, besleyici hidroponik ve bilgi teknolojisini birleştiriyor.Tamamen kapalıdır, çevreye olan ihtiyacı düşüktür, bitki hasat süresini kısaltır, su ve gübre tasarrufu sağlar ve ilaçsız üretim ve atık deşarjı olmaması avantajları ile birim arazi kullanım verimi bunun 40 ila 108 katıdır. açık alan üretimi.Bunların arasında, akıllı yapay ışık kaynağı ve ışık ortamı düzenlemesi, üretim verimliliğinde belirleyici bir rol oynar.

Önemli bir fiziksel çevresel faktör olan ışık, bitki büyümesini ve materyal metabolizmasını düzenlemede önemli bir rol oynar."Bitki fabrikasının ana özelliklerinden biri, tam yapay ışık kaynağı ve ışık ortamının akıllı düzenlemesinin gerçekleştirilmesidir", endüstride genel bir fikir birliği haline geldi.

Bitkilerin ışık ihtiyacı

Işık, bitki fotosentezinin tek enerji kaynağıdır.Işık yoğunluğu, ışık kalitesi (spektrum) ve ışığın periyodik değişimleri, bitki fotosentezi üzerinde en büyük etkiye sahip olan ışık yoğunluğunun bulunduğu bitkilerin büyümesi ve gelişmesi üzerinde derin bir etkiye sahiptir.

■ Işık şiddeti

Işığın yoğunluğu, çiçeklenme, boğum arası uzunluk, gövde kalınlığı ve yaprak boyutu ve kalınlığı gibi mahsullerin morfolojisini değiştirebilir.Bitkilerin ışık yoğunluğu gereksinimleri, ışığı seven, orta ışığı seven ve düşük ışığa toleranslı bitkiler olarak ayrılabilir.Sebzeler çoğunlukla ışığı seven bitkilerdir ve bunların ışık dengeleme noktaları ve ışık doygunluk noktaları nispeten yüksektir.Yapay ışık tesisi fabrikalarında, mahsullerin ışık yoğunluğu için ilgili gereksinimleri, yapay ışık kaynaklarının seçiminde önemli bir temel oluşturur.Yapay ışık kaynakları tasarlamak için farklı bitkilerin ışık gereksinimlerinin anlaşılması önemlidir. Sistemin üretim performansını iyileştirmek son derece gereklidir.

■ ışık kalitesi

Işık kalitesi (spektral) dağılımının da bitki fotosentezi ve morfogenezi üzerinde önemli bir etkisi vardır (Şekil 1).Işık radyasyonun bir parçasıdır ve radyasyon bir elektromanyetik dalgadır.Elektromanyetik dalgalar, dalga özelliklerine ve kuantum (parçacık) özelliklerine sahiptir.Bahçıvanlık alanında ışığın kuantumuna foton denir.300~800nm ​​dalga boyu aralığına sahip radyasyon, bitkilerin fizyolojik olarak aktif radyasyonu olarak adlandırılır;ve 400~700nm dalga boyu aralığına sahip radyasyon, bitkilerin fotosentetik olarak aktif radyasyonu (PAR) olarak adlandırılır.

Klorofil ve karotenler, bitki fotosentezindeki en önemli iki pigmenttir.Şekil 2, klorofil absorpsiyon spektrumunun kırmızı ve mavi bantlarda yoğunlaştığı her bir fotosentetik pigmentin spektral absorpsiyon spektrumunu göstermektedir.Aydınlatma sistemi, bitkilerin fotosentezini teşvik etmek amacıyla ışığı yapay olarak desteklemek için mahsullerin spektral ihtiyaçlarına dayanmaktadır.

■ fotoperiyod
Bitkilerin fotosentezi ve fotomorfogenezi ile gün uzunluğu (veya fotoperiyod süresi) arasındaki ilişkiye bitkilerin fotoperyoditesi denir.Fotoperiyodite, mahsulün ışıkla ışınlandığı zamanı ifade eden ışık saatleriyle yakından ilişkilidir.Farklı mahsuller, çiçek açmak ve meyve vermek için fotoperiyodu tamamlamak için belirli sayıda ışık saatine ihtiyaç duyar.Farklı ışık periyotlarına göre, büyümesinin belirli bir aşamasında 12-14 saatten fazla ışık saatine ihtiyaç duyan lahana vb. gibi uzun gün mahsullerine bölünebilir;soğan, soya fasulyesi vb. gibi kısa gün bitkileri 12-14 saatten daha az aydınlatma süresi gerektirir;salatalık, domates, biber vb. gibi orta derecede güneş alan ürünler daha uzun veya daha kısa güneş ışığı altında çiçek açabilir ve meyve verebilir.
Ortamın üç unsuru arasında ışık yoğunluğu, yapay ışık kaynaklarının seçiminde önemli bir temel oluşturur.Şu anda, ışık yoğunluğunu ifade etmenin pek çok yolu var, başlıca aşağıdaki üçü dahil.
（1）Aydınlatma, lüks (lx) cinsinden aydınlatılan düzlemde alınan ışık akısının (birim alan başına ışık akısı) yüzey yoğunluğunu ifade eder.

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

（3）Fotosentetik olarak etkili foton akı yoğunluğu PPFD veya PPF, birim zamana ve birim alana ulaşan veya içinden geçen fotosentetik olarak etkili radyasyon sayısıdır, birim：μmol/(m²·s)。Temel olarak 400~700nm ışık yoğunluğunu ifade eder doğrudan fotosentez ile ilgilidir.Bitkisel üretim alanında da en yaygın kullanılan ışık şiddeti göstergesidir.

Tipik tamamlayıcı ışık sisteminin ışık kaynağı analizi
Yapay ışık takviyesi, bitkilerin ışık talebini karşılamak için bir ek ışık sistemi kurarak hedef alandaki ışık yoğunluğunu artırmak veya ışık süresini uzatmak içindir.Genel olarak, tamamlayıcı ışık sistemi, yardımcı ışık ekipmanını, devreleri ve kontrol sistemini içerir.Tamamlayıcı ışık kaynakları temel olarak akkor lambalar, flüoresan lambalar, metal halojenür lambalar, yüksek basınçlı sodyum lambalar ve LED'ler gibi birkaç yaygın türü içerir.Akkor lambaların elektriksel ve optik verimlerinin düşük olması, fotosentetik enerji verimlerinin düşük olması ve diğer eksiklikler nedeniyle piyasadan kaldırılmıştır, bu nedenle bu yazıda detaylı bir analiz yapılmamaktadır.

■ Floresan lamba
Floresan lambalar, düşük basınçlı gaz deşarj lambaları tipine aittir.Cam tüp cıva buharı veya inert gazla doldurulur ve tüpün iç duvarı flüoresan tozu ile 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 yaydığından, aydınlatma için bitkilere yakın olabilir ve üç boyutlu yetiştirme için uygundur.Bununla birlikte, flüoresan lambanın spektral düzeni mantıksızdır.Dünyadaki en yaygın yöntem, ekim alanındaki mahsullerin etkili ışık kaynağı bileşenlerini en üst düzeye çıkarmak için reflektörler eklemektir.Japon adv-agri şirketi ayrıca yeni bir tür tamamlayıcı ışık kaynağı HEFL geliştirmiştir.HEFL aslında flüoresan lambalar kategorisine aittir.Soğuk katodlu floresan lambalar (CCFL) ve harici elektrotlu floresan lambaların (EEFL) genel adıdır ve karışık elektrotlu bir floresan lambadır.HEFL tüpü son derece incedir, yalnızca yaklaşık 4 mm çapındadır ve yetiştirme ihtiyaçlarına göre uzunluğu 450 mm'den 1200 mm'ye kadar ayarlanabilir.Geleneksel floresan lambanın geliştirilmiş bir versiyonudur.

■ Metal halide lamba
Metal halide lamba, yüksek basınçlı cıva lambası bazında deşarj tüpüne çeşitli metal halojenürler (kalay bromür, sodyum iyodür vb.) ekleyerek farklı elementleri farklı dalga boyları üretmek üzere uyarabilen yüksek yoğunluklu bir deşarj lambasıdır.Halojen lambalar, yüksek ışık verimi, yüksek güç, iyi ışık rengi, uzun ömür ve geniş spektruma sahiptir.Ancak, ışık verimi yüksek basınçlı sodyum lambalardan daha düşük ve kullanım ömrü de yüksek basınçlı sodyum lambalardan daha kısa olduğu için şu anda sadece birkaç bitki fabrikasında kullanılmaktadır.

■ Yüksek basınçlı sodyum lambası
Yüksek basınçlı sodyum lambalar, yüksek basınçlı gaz boşaltma lambaları tipine aittir.Yüksek basınçlı sodyum lambası, boşaltma borusuna yüksek basınçlı sodyum buharının doldurulduğu ve az miktarda ksenon (Xe) ve cıva metal halojenürün eklendiği yüksek verimli bir lambadır.Yüksek basınçlı sodyum lambalar, daha düşük üretim maliyetleri ile yüksek elektro-optik dönüşüm verimliliğine sahip olduğundan, yüksek basınçlı sodyum lambalar şu anda tarımsal tesislerde ek ışık uygulamasında en yaygın şekilde kullanılmaktadır.Bununla birlikte, spektrumlarındaki düşük fotosentetik verim eksiklikleri nedeniyle, düşük enerji verimliliği eksikliklerine sahiptirler.Öte yandan, yüksek basınçlı sodyum lambaları tarafından yayılan spektral bileşenler, bitki büyümesi için gerekli olan kırmızı ve mavi spektrumlardan yoksun olan sarı-turuncu ışık bandında yoğunlaşmıştır.

■ 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, bitki büyümesi için gereken tek renkli ışığı yayabilir.Sıradan flüoresan lambalar ve diğer ek ışık kaynakları ile karşılaştırıldığında LED, 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 etkisinin neden olduğu maliyetlerin azalmasıyla, LED yetiştirme aydınlatma sistemleri, tarımsal tesislerde ışığı desteklemek için ana ekipman haline gelecektir.Sonuç olarak, fabrika fabrikalarının %99,9'unda LED yetiştirme lambaları uygulandı.

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

Mobil aydınlatma cihazı
Işığın yoğunluğu ekinlerin büyümesiyle yakından ilişkilidir.Üç boyutlu yetiştirme genellikle bitki fabrikalarında kullanılır.Bununla birlikte, yetiştirme raflarının yapısının sınırlandırılması nedeniyle, raflar arasında eşit olmayan ışık ve sıcaklık dağılımı, mahsulün verimini etkileyecek ve hasat periyodu senkronize olmayacaktır.Pekin'deki bir şirket, 2010 yılında manuel kaldırma ışık takviyesi cihazını (HPS aydınlatma armatürü ve LED yetiştirme aydınlatma armatürü) başarıyla geliştirdi. Prensip, küçük film makarasını döndürmek için kolu sallayarak tahrik milini ve üzerine sabitlenmiş sarıcıyı döndürmektir. tel halatın geri çekilmesi ve çözülmesi amacına ulaşmak için.Yetiştirme ışığının tel halatı, yetiştirme ışığının yüksekliğini ayarlama etkisini elde etmek için birden fazla ters tekerlek seti aracılığıyla asansörün sarma tekerleğine bağlanır.2017 yılında, yukarıda adı geçen şirket, ekin büyüme ihtiyaçlarına göre ışık takviyesi yüksekliğini gerçek zamanlı olarak otomatik olarak ayarlayabilen yeni bir mobil ışık takviyesi cihazı tasarladı ve geliştirdi.Ayarlama cihazı şimdi 3 katmanlı ışık kaynağı kaldırma tipi üç boyutlu yetiştirme rafına monte edilmiştir.Cihazın en üst katmanı ışık durumunun en iyi olduğu seviyedir, bu nedenle yüksek basınçlı sodyum lambalarla donatılmıştır;orta katman ve alt katman, LED yetiştirme lambaları ve bir kaldırma ayar sistemi ile donatılmıştır.Ekinler için uygun bir aydınlatma ortamı sağlamak için yetiştirme ışığının yüksekliğini otomatik olarak ayarlayabilir.

Üç boyutlu yetiştirme için uyarlanmış mobil ışık takviyesi cihazıyla karşılaştırıldığında, Hollanda yatay olarak hareket edebilen bir LED yetiştirme ışığı takviyesi ışık cihazı geliştirmiştir.Büyüyen ışığın gölgesinin güneşte bitkilerin büyümesi üzerindeki etkisini önlemek için, büyüyen ışık sistemi teleskopik sürgü vasıtasıyla braketin her iki tarafına yatay yönde itilebilir, böylece güneş tamamen bitkiler üzerinde ışınlanmış;Güneş ışığının olmadığı bulutlu ve yağmurlu günlerde, yetiştirme ışık sisteminin ışığının bitkileri eşit şekilde doldurmasını sağlamak için yetiştirme ışık sistemini braketin ortasına itin;Büyüyen ışık sistemini braket üzerindeki kızak boyunca yatay olarak hareket ettirin, büyüyen ışık sisteminin sık sık sökülüp çıkarılmasını önleyin ve çalışanların iş yoğunluğunu azaltın, böylece iş verimliliğini etkin bir şekilde artırın.

Tipik bitki yetiştirme ışık sisteminin tasarım fikirleri
Mobil aydınlatma yardımcı cihazının tasarımından, bitki fabrikasının yardımcı aydınlatma sisteminin tasarımının genellikle tasarımın temel içeriği olarak farklı mahsul büyüme dönemlerinin ışık şiddeti, ışık kalitesi ve fotoperiyod parametrelerini aldığını görmek zor değildir. , uygulamak için akıllı kontrol sistemine güvenerek, nihai enerji tasarrufu ve yüksek verim hedefine ulaşır.

Şu anda, yapraklı sebzeler için ek ışığın tasarımı ve yapımı yavaş yavaş olgunlaştı.Örneğin, yapraklı sebzeler dört aşamaya ayrılabilir: fide aşaması, orta büyüme, geç büyüme ve son aşama;meyve-sebzeler fide aşaması, vejetatif büyüme aşaması, çiçeklenme aşaması ve hasat aşamasına ayrılabilir.Tamamlayıcı ışık yoğunluğunun niteliklerinden, fide aşamasındaki ışık yoğunluğu 60~200 μmol/(m²·s) ile biraz daha düşük olmalı ve ardından kademeli olarak artmalıdır.Yapraklı sebzeler 100~200 μmol/(m²·s)'ye ulaşabilir ve meyve sebzeleri 300~500 μmol/(m²·s)'ye ulaşabilir ve her büyüme döneminde bitki fotosentezinin ışık şiddeti gereksinimlerini karşılar ve büyüme ihtiyaçlarını karşılar. yüksek verim;Işık kalitesi açısından kırmızının maviye oranı çok önemlidir.Fidelerin kalitesini artırmak ve fide aşamasında aşırı büyümeyi önlemek için kırmızının maviye oranı genellikle düşük bir seviyede [(1~2:1] ayarlanır ve ardından bitkinin ihtiyaçlarını karşılamak için kademeli olarak azaltılır. ışık morfolojisi.Kırmızının maviye yapraklı sebzelere oranı (3~6):1 olarak ayarlanabilir.Fotoperyod için, ışık yoğunluğuna benzer şekilde, yapraklı sebzelerin fotosentez için daha fazla fotosentez süresine sahip olması için, büyüme periyodunun uzamasıyla artış eğilimi göstermesi gerekir.Meyve ve sebzelerin ışık takviyesi tasarımı daha karmaşık olacaktır.Yukarıda belirtilen temel yasalara ek olarak, çiçeklenme döneminde fotoperyodun ayarlanmasına odaklanmalı ve geri tepmemek için sebzelerin çiçeklenmesi ve meyve vermesi teşvik edilmelidir.

Işık formülünün, ışık ortamı ayarları için son işlemi içermesi gerektiğini belirtmekte fayda var.Örneğin, sürekli ışık takviyesi, hidrofonik yapraklı sebze fidelerinin verimini ve kalitesini büyük ölçüde artırabilir veya filizlerin ve yapraklı sebzelerin (özellikle mor Yapraklar ve kırmızı yapraklı marul) beslenme kalitesini önemli ölçüde iyileştirmek için UV tedavisini kullanabilir.

Seçilen mahsuller için ışık desteğini optimize etmenin yanı sıra, bazı yapay ışık tesisi fabrikalarının ışık kaynağı kontrol sistemi de son yıllarda hızla gelişmiştir.Bu kontrol sistemi genel olarak B/S yapısına dayanmaktadır.Mahsullerin büyümesi sırasındaki sıcaklık, nem, ışık, CO2 konsantrasyonu gibi çevresel faktörlerin uzaktan kontrolü ve otomatik kontrolü WIFI ile gerçekleştirilmekte ve aynı zamanda dış koşullarla kısıtlanmayan bir üretim yöntemi gerçekleştirilmektedir.Bu tür akıllı ek ışık sistemi, uzaktan akıllı kontrol sistemi ile birlikte ek ışık kaynağı olarak LED yetiştirme ışık fikstürünü kullanır, bitki dalga boyu aydınlatmasının ihtiyaçlarını karşılayabilir, özellikle ışık kontrollü bitki yetiştirme ortamı için uygundur ve pazar talebini iyi karşılayabilir. .

son sözler
Bitki fabrikaları, 21. yüzyılda dünya kaynakları, nüfus ve çevre sorunlarını çözmenin önemli bir yolu ve gelecekteki yüksek teknoloji projelerinde gıdanın kendi kendine yeterliliğini sağlamanın önemli bir yolu olarak görülüyor.Yeni bir tarımsal üretim yöntemi olan bitki fabrikaları henüz öğrenme ve büyüme aşamasında olup, daha fazla dikkat ve araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır.Bu makale, bitki fabrikalarında yaygın olarak kullanılan ek aydınlatma yöntemlerinin özelliklerini ve avantajlarını açıklamakta ve tipik ekin aydınlatma sistemlerinin tasarım fikirlerini tanıtmaktadır.Sürekli bulutlu ve puslu hava gibi şiddetli hava koşullarının neden olduğu düşük ışıkla başa çıkmak ve tesis mahsullerinin yüksek ve istikrarlı üretimini sağlamak için LED Grow ışık kaynağı ekipmanının mevcut gelişmelerle en uyumlu olduğunu karşılaştırma yoluyla bulmak zor değil trendler.

Tesis fabrikalarının gelecekteki gelişim yönü, yeni yüksek hassasiyetli, düşük maliyetli sensörler, uzaktan kontrol edilebilir, ayarlanabilir spektrum aydınlatma cihazı sistemleri ve uzman kontrol sistemlerine odaklanmalıdır.Aynı zamanda, geleceğin tesis fabrikaları düşük maliyetli, akıllı ve kendi kendine uyarlanabilir yönde gelişmeye devam edecek.LED yetiştirme ışık kaynaklarının kullanımı ve yaygınlaştırılması, bitki fabrikalarının yüksek hassasiyetli çevresel kontrolü için garanti sağlar.LED ışık ortamı düzenlemesi, ışık kalitesi, ışık yoğunluğu ve fotoperiyodun kapsamlı bir şekilde düzenlenmesini içeren karmaşık bir süreçtir.İlgili uzmanların ve bilim adamlarının, yapay ışık tesisi fabrikalarında LED tamamlayıcı aydınlatmayı teşvik etmek için derinlemesine araştırma yapmaları gerekiyor.