Författare: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Källa: Jordbruksteknik (växthusodling)

Anläggningen kombinerar modern industri, bioteknik, näringshydroponik och informationsteknik för att implementera högprecisionskontroll av miljöfaktorer i anläggningen. Den är helt sluten, har låga krav på den omgivande miljön, förkortar skördeperioden för växter, sparar vatten och gödningsmedel, och med fördelarna med produktion utan bekämpningsmedel och inga avfallsutsläpp är enhetens markanvändningseffektivitet 40 till 108 gånger högre än vid produktion på fältet. Bland dessa spelar den intelligenta artificiella ljuskällan och dess ljusmiljöreglering en avgörande roll i dess produktionseffektivitet.

Som en viktig fysisk miljöfaktor spelar ljus en nyckelroll i regleringen av växttillväxt och materialmetabolism. ”En av huvudfunktionerna i växtfabriken är den fullständiga artificiella ljuskällan och förverkligandet av intelligent reglering av ljusmiljön” har blivit en allmän uppfattning i branschen.

Växters behov av ljus

Ljus är den enda energikällan för växters fotosyntes. Ljusintensitet, ljuskvalitet (spektrum) och periodiska ljusförändringar har en djupgående inverkan på grödors tillväxt och utveckling, bland vilka ljusintensiteten har störst inverkan på växternas fotosyntes.

■ Ljusintensitet

Ljusintensiteten kan förändra grödornas morfologi, såsom blomning, internodlängd, stjälktjocklek samt bladstorlek och -tjocklek. Växternas krav på ljusintensitet kan delas in i ljusälskande, medelljusälskande och lågljustoleranta växter. Grönsaker är mestadels ljusälskande växter, och deras ljuskompensationspunkter och ljusmättnadspunkter är relativt höga. I fabriker för konstgjorda ljuskällor är grödornas relevanta krav på ljusintensitet en viktig grund för att välja konstgjorda ljuskällor. Att förstå ljuskraven hos olika växter är viktigt för att utforma konstgjorda ljuskällor. Det är oerhört viktigt att förbättra systemets produktionsprestanda.

■ Ljuskvalitet

Ljuskvalitetsfördelningen (spektralfördelning) har också en viktig inverkan på växters fotosyntes och morfogenes (Figur 1). Ljus är en del av strålningen, och strålning är en elektromagnetisk våg. Elektromagnetiska vågor har vågegenskaper och kvantegenskaper (partikelegenskaper). Ljuskvantum kallas foton inom trädgårdsodling. Strålning med ett våglängdsområde på 300~800 nm kallas fysiologiskt aktiv strålning av växter; och strålning med ett våglängdsområde på 400~700 nm kallas fotosyntetiskt aktiv strålning (PAR) av växter.

Klorofyll och karotener är de två viktigaste pigmenten i växters fotosyntes. Figur 2 visar det spektrala absorptionsspektrumet för varje fotosyntetiskt pigment, där klorofyllets absorptionsspektrum är koncentrerat till de röda och blå banden. Belysningssystemet är baserat på grödors spektrala behov av att artificiellt komplettera ljus för att främja växternas fotosyntes.

■ fotoperiod
Sambandet mellan fotosyntes och fotomorfogenes hos växter och dagslängd (eller fotoperiodtid) kallas växternas fotoperioditet. Fotoperioditeten är nära relaterad till ljustimmarna, vilket avser den tid grödan bestrålas av ljus. Olika grödor behöver ett visst antal ljustimmar för att fullborda fotoperioden för att blomma och bära frukt. Beroende på de olika fotoperioderna kan de delas in i långdagsgrödor, såsom kål etc., som kräver mer än 12–14 ljustimmar i ett visst skede av sin tillväxt; kortdagsgrödor, såsom lök, sojabönor etc., kräver mindre än 12–14 ljustimmar; medelsola grödor, såsom gurkor, tomater, paprika etc., kan blomma och bära frukt i längre eller kortare solljus.
Bland de tre miljöelementen är ljusintensitet en viktig grund för val av artificiella ljuskällor. För närvarande finns det många sätt att uttrycka ljusintensitet, främst följande tre.
(1) Belysning avser ytdensiteten hos ljusflödet (ljusflöde per ytenhet) som tas emot på det belysta planet, i lux (lx).

(2) Fotosyntetiskt aktiv strålning, PAR, enhet: W/m².

(3) Den fotosyntetiskt effektiva fotonflödestätheten (PPFD eller PPF) är mängden fotosyntetiskt effektiv strålning som når eller passerar genom en tidsenhet och en ytenhet, enhet: μmol/(m²·s). Avser huvudsakligen ljusintensiteten 400~700 nm som är direkt relaterad till fotosyntes. Det är också den vanligaste ljusintensitetsindikatorn inom växtproduktion.

Ljuskällanalys av typiskt kompletterande ljussystem
Tillskott av artificiellt ljus syftar till att öka ljusintensiteten i målområdet eller förlänga ljustiden genom att installera ett kompletterande ljussystem för att möta växternas ljusbehov. Generellt sett inkluderar kompletterande ljussystem kompletterande ljusutrustning, kretsar och dess styrsystem. Kompletterande ljuskällor inkluderar huvudsakligen flera vanliga typer såsom glödlampor, lysrör, metallhalogenlampor, högtrycksnatriumlampor och lysdioder. På grund av glödlampornas låga elektriska och optiska effektivitet, låg fotosyntetisk energieffektivitet och andra brister har de eliminerats av marknaden, så den här artikeln gör ingen detaljerad analys.

■ Lysrör
Lysrör tillhör typen lågtrycksgasurladdningslampor. Glasröret är fyllt med kvicksilverånga eller inert gas, och rörets innervägg är belagd med fluorescerande pulver. Ljusfärgen varierar beroende på det fluorescerande material som är belagt i röret. Lysrör har god spektralprestanda, hög ljuseffektivitet, låg effekt, längre livslängd (12000 timmar) jämfört med glödlampor och relativt låg kostnad. Eftersom lysröret i sig avger mindre värme kan det placeras nära växterna för belysning och är lämpligt för tredimensionell odling. Emellertid är lysrörets spektrala layout orimlig. Den vanligaste metoden i världen är att lägga till reflektorer för att maximera de effektiva ljuskällkomponenterna för grödorna i odlingsområdet. Det japanska adv-agri-företaget har också utvecklat en ny typ av kompletterande ljuskälla HEFL. HEFL tillhör faktiskt kategorin lysrör. Det är den allmänna termen för kallkatodlysrör (CCFL) och externelektrodlysrör (EEFL), och är en blandelektrodlysrör. HEFL-röret är extremt tunt, med en diameter på endast cirka 4 mm, och längden kan justeras från 450 mm till 1200 mm beroende på odlingens behov. Det är en förbättrad version av den konventionella lysrörslampan.

■ Metallhalogenlampa
Metallhalogenlampan är en högintensiv urladdningslampa som kan excitera olika element för att producera olika våglängder genom att tillsätta olika metallhalogenider (tennbromid, natriumjodid, etc.) i urladdningsröret baserat på en högtryckskvicksilverlampa. Halogenlampor har hög ljuseffektivitet, hög effekt, bra ljusfärg, lång livslängd och brett spektrum. Men eftersom ljuseffektiviteten är lägre än för högtrycksnatriumlampor, och livslängden är kortare än för högtrycksnatriumlampor, används den för närvarande endast i ett fåtal fabriker.

■ Högtrycksnatriumlampa
Högtrycksnatriumlampor tillhör typen av högtrycksgasurladdningslampor. Högtrycksnatriumlampan är en högeffektiv lampa där högtrycksnatriumånga fylls i urladdningsröret och en liten mängd xenon (Xe) och kvicksilvermetallhalogenid tillsätts. Eftersom högtrycksnatriumlampor har hög elektrooptisk omvandlingseffektivitet med lägre tillverkningskostnader är högtrycksnatriumlampor för närvarande de mest använda i tillämpningar av kompletterande ljus i jordbruksanläggningar. På grund av bristerna i låg fotosyntetisk effektivitet i deras spektrum har de dock bristerna i låg energieffektivitet. Å andra sidan är de spektrala komponenterna som emitteras av högtrycksnatriumlampor huvudsakligen koncentrerade i det gul-orange ljusbandet, vilket saknar de röda och blå spektra som är nödvändiga för växttillväxt.

■ Lysdiod
Som en ny generation ljuskällor har lysdioder (LED) många fördelar, såsom högre elektrooptisk omvandlingseffektivitet, justerbart spektrum och hög fotosyntetisk effektivitet. LED kan avge monokromatiskt ljus som behövs för växttillväxt. Jämfört med vanliga lysrör och andra kompletterande ljuskällor har LED fördelarna med energibesparing, miljöskydd, lång livslängd, monokromatiskt ljus, kall ljuskälla och så vidare. Med ytterligare förbättringar av LED:s elektrooptiska effektivitet och minskade kostnader orsakade av skaleffekten kommer LED-växlingsbelysningssystem att bli den vanligaste utrustningen för kompletterande ljus i jordbruksanläggningar. Som ett resultat har LED-växlingslampor använts i över 99,9 % av fabrikerna.

Genom jämförelse kan egenskaperna hos olika kompletterande ljuskällor tydligt förstås, såsom visas i tabell 1.

Mobil belysningsenhet
Ljusintensiteten är nära relaterad till grödornas tillväxt. Tredimensionell odling används ofta i växtfabriker. På grund av begränsningarna i odlingsställens struktur kommer dock den ojämna fördelningen av ljus och temperatur mellan ställena att påverka grödornas avkastning och skördeperioden kommer inte att synkroniseras. Ett företag i Peking utvecklade framgångsrikt en manuell lyftande ljustillskottsanordning (HPS-belysningsarmatur och LED-odlingsbelysningsarmatur) år 2010. Principen är att rotera drivaxeln och lindningen som är fäst på den genom att skaka handtaget för att rotera den lilla filmrullen för att uppnå syftet att dra in och av vajern. Växtljusets vajer är ansluten till elevatorns lindningshjul genom flera uppsättningar reverserande hjul för att uppnå effekten av att justera höjden på växtljuset. År 2017 designade och utvecklade det ovan nämnda företaget en ny mobil ljustillskottsanordning, som automatiskt kan justera ljustillskottets höjd i realtid enligt grödans tillväxtbehov. Justeringsanordningen är nu installerad på det tredimensionella odlingsstället med 3-lagers ljuskälla och lyfttyp. Det översta lagret på enheten är det med bäst ljusförhållanden, så den är utrustad med högtrycksnatriumlampor; mellanlagret och det undre lagret är utrustade med LED-växtlampor och ett lyftjusteringssystem. Den kan automatiskt justera höjden på växtlampan för att ge en lämplig ljusmiljö för grödorna.

Jämfört med den mobila ljustillskottsanordningen skräddarsydd för tredimensionell odling har Nederländerna utvecklat en horisontellt rörlig LED-växtbelysningsanordning. För att undvika att skuggan från växtbelysningen påverkar växternas tillväxt i solen kan växtbelysningssystemet skjutas horisontellt på båda sidor av fästet med hjälp av teleskopskenan, så att solen strålar ut plantorna helt. På molniga och regniga dagar utan solljus kan växtbelysningssystemet skjutas in i mitten av fästet för att ljuset från växtbelysningssystemet ska fylla plantorna jämnt. För att flytta växtbelysningssystemet horisontellt genom skenan på fästet undviker man frekvent demontering och borttagning av växtbelysningssystemet och minskar arbetskraften, vilket effektivt förbättrar arbetseffektiviteten.

Designidéer för typiska växtbelysningssystem
Det är inte svårt att se utifrån designen av den mobila belysningsenheten att designen av det kompletterande belysningssystemet i fabriken vanligtvis tar ljusintensitet, ljuskvalitet och fotoperiodparametrar för olika grödors tillväxtperioder som kärninnehåll i designen, med förlitande på det intelligenta styrsystemet för att uppnå det slutgiltiga målet energibesparing och hög avkastning.

För närvarande har designen och konstruktionen av kompletterande ljus för bladgrönsaker gradvis mognat. Bladgrönsaker kan till exempel delas in i fyra stadier: plantstadium, mellantillväxtstadium, sent tillväxtstadium och slutstadium; fruktgrönsaker kan delas in i plantstadium, vegetativt tillväxtstadium, blomningsstadium och skördestadium. Utifrån egenskaperna hos kompletterande ljusintensitet bör ljusintensiteten i plantstadiet vara något lägre, vid 60~200 μmol/(m²·s), och sedan gradvis öka. Bladgrönsaker kan nå upp till 100~200 μmol/(m²·s), och fruktgrönsaker kan nå 300~500 μmol/(m²·s) för att säkerställa ljusintensitetskraven för växternas fotosyntes under varje tillväxtperiod och uppfylla behoven av hög avkastning. När det gäller ljuskvalitet är förhållandet mellan rött och blått mycket viktigt. För att öka plantornas kvalitet och förhindra överdriven tillväxt i plantstadiet sätts förhållandet mellan rött och blått generellt på en låg nivå [(1~2):1], och minskas sedan gradvis för att möta växternas ljusmorfologi. Förhållandet mellan rött och blått och bladgrönsaker kan sättas till (3~6):1. För fotoperioden bör, i likhet med ljusintensiteten, visa en trend att öka med förlängningen av tillväxtperioden, så att bladgrönsakerna har mer fotosyntetisk tid för fotosyntes. Ljustillskottsdesignen för frukt och grönsaker kommer att bli mer komplicerad. Utöver de ovan nämnda grundläggande lagarna bör vi fokusera på inställningen av fotoperioden under blomningsperioden, och blomningen och fruktsättningen av grönsaker måste främjas för att inte slå tillbaka.

Det är värt att nämna att ljusformeln bör inkludera slutbehandling för ljusa miljöer. Till exempel kan kontinuerligt ljustillskott avsevärt förbättra avkastningen och kvaliteten på hydroponiska bladgrönsaksplantor, eller använda UV-behandling för att avsevärt förbättra näringskvaliteten hos groddar och bladgrönsaker (särskilt lila blad och röd sallad).

Förutom att optimera ljustillskott för utvalda grödor har ljuskällans styrsystem för vissa fabriker för artificiellt ljus också utvecklats snabbt under senare år. Detta styrsystem är generellt baserat på B/S-strukturen. Fjärrstyrning och automatisk kontroll av miljöfaktorer som temperatur, fuktighet, ljus och CO2-koncentration under grödornas tillväxt realiseras via WIFI, och samtidigt uppnås en produktionsmetod som inte begränsas av yttre förhållanden. Denna typ av intelligent kompletterande ljussystem använder LED-växtlampor som kompletterande ljuskälla, i kombination med ett intelligent fjärrstyrt styrsystem, kan möta behoven hos växternas våglängdsbelysning, är särskilt lämplig för ljusstyrda växtodlingsmiljöer och kan väl möta marknadens efterfrågan.

Avslutande kommentarer
Växtfabriker anses vara ett viktigt sätt att lösa världens resurs-, befolknings- och miljöproblem under 2000-talet, och ett viktigt sätt att uppnå självförsörjning av livsmedel i framtida högteknologiska projekt. Som en ny typ av jordbruksproduktionsmetod är växtfabriker fortfarande i inlärnings- och tillväxtstadiet, och mer uppmärksamhet och forskning behövs. Den här artikeln beskriver egenskaperna och fördelarna med vanliga kompletterande belysningsmetoder i växtfabriker och introducerar designidéerna för typiska kompletterande belysningssystem för grödor. Det är inte svårt att hitta genom jämförelse, för att hantera det svaga ljuset som orsakas av hårt väder såsom kontinuerlig molnighet och dis och för att säkerställa hög och stabil produktion av anläggningsgrödor, är LED Grow-ljuskällutrustning mest i linje med nuvarande utvecklingstrender.

Den framtida utvecklingsriktningen för fabriker bör fokusera på nya högprecisions- och lågkostnadssensorer, fjärrstyrda, justerbara belysningssystem och expertstyrsystem. Samtidigt kommer framtidens fabriker att fortsätta utvecklas mot lågkostnads-, intelligenta och självanpassande. Användningen och populariseringen av LED-ljuskällor garanterar högprecisionsmiljökontroll av fabriker. Reglering av LED-ljusmiljön är en komplex process som involverar omfattande reglering av ljuskvalitet, ljusintensitet och fotoperiod. Relevanta experter och forskare behöver bedriva djupgående forskning som främjar LED-kompletterande belysning i fabriker för artificiellt ljus.