Autors: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong Bu utt. Avota plašsaziņas līdzekļi ： Lauksaimniecības inženierzinātņu tehnoloģija (siltumnīcas dārzkopība)

Augu rūpnīca apvieno moderno rūpniecību, biotehnoloģiju, barības vielu hidroponiku un informācijas tehnoloģijas, lai ieviestu objektā augstas precizitātes kontroli pār vides faktoriem. Tas ir pilnībā noslēgts, ar zemām prasībām attiecībā uz apkārtējo vidi, saīsina augu ražas novākšanas periodu, ietaupa ūdeni un mēslojumu, un ar ne-pesticīdu ražošanas priekšrocībām un bez atkritumu novadīšanas zemes izmantošanas efektivitāte ir 40 līdz 108 reizes no tā. no atvērtā lauka ražošanas. Starp tiem inteliģentajam mākslīgā gaismas avotam un tā gaismas vides regulēšanai ir izšķiroša loma tā ražošanas efektivitātē.

Kā svarīgs fiziskās vides faktors, gaismai ir galvenā loma augu augšanas un materiālā metabolisma regulēšanā. “Viena no galvenajām augu rūpnīcas iezīmēm ir pilns mākslīgais gaismas avots, un inteliģenta gaismas vides realizācija” ir kļuvusi par vispārēju vienprātību nozarē.

Augu vajadzība pēc gaismas

Gaisma ir vienīgais augu fotosintēzes enerģijas avots. Gaismas intensitāte, gaismas kvalitāte (spektrs) un periodiskas gaismas izmaiņas dziļi ietekmē kultūraugu augšanu un attīstību, starp kuriem gaismas intensitātei ir vislielākā ietekme uz augu fotosintēzi.

■ Gaismas intensitāte

Gaismas intensitāte var mainīt kultūraugu, piemēram, ziedēšanas, starpnieka garuma, cilmes biezuma un lapu izmēru un biezuma, morfoloģiju. Augu prasības gaismas intensitātei var iedalīt gaismas mīlošos, vidēji apgaismotos un zemā apgaismojumā tolerantos augos. Dārzeņi lielākoties ir gaiši mīloši augi, un to vieglie kompensācijas punkti un gaismas piesātinājuma punkti ir salīdzinoši augsti. Mākslīgo gaismas augu rūpnīcās attiecīgās kultūru prasības gaismas intensitātei ir svarīgs pamats mākslīgo gaismas avotu izvēlei. Izpratne par dažādu augu gaismas prasībām ir svarīga mākslīgā gaismas avotu projektēšanai, ir ārkārtīgi nepieciešams uzlabot sistēmas ražošanas veiktspēju.

■ Viegla kvalitāte

Gaismas kvalitātes (spektrālais) sadalījumam ir arī būtiska ietekme uz augu fotosintēzi un morfoģenēzi (1. attēls). Gaisma ir daļa no starojuma, un starojums ir elektromagnētisks vilnis. Elektromagnētiskajiem viļņiem ir viļņu raksturlielumi un kvantu (daļiņu) īpašības. Gaismas kvantu sauc par fotonu dārzkopības jomā. Radiāciju ar viļņa garuma diapazonu 300 ~ 800 nm sauc par augu fizioloģiski aktīvo starojumu; un starojumu ar viļņa garuma diapazonu 400 ~ 700 nm sauc par augu fotosintētiski aktīvo starojumu (PAR.

Hlorofils un karotīni ir divi vissvarīgākie pigmenti augu fotosintēzē. 2. attēlā parādīts katra fotosintētiskā pigmenta spektrālās absorbcijas spektrs, kurā hlorofila absorbcijas spektrs ir koncentrēts sarkanās un zilās joslās. Apgaismojuma sistēma ir balstīta uz kultūru spektrālajām vajadzībām, lai mākslīgi papildinātu gaismu, lai veicinātu augu fotosintēzi.

■ fotoperiods
Augu un dienas garuma (vai fotoperioda laika) fotomorfoģenēzes saistību sauc par augu fotoperioditāti. Fotoperioditāte ir cieši saistīta ar gaismas stundām, kas attiecas uz laiku, kad raža tiek apstarota ar gaismu. Dažādām kultūrām ir nepieciešams noteikts stundu skaits gaismas, lai pabeigtu fotoperiodu, lai ziedētu un nesotu augļus. Saskaņā ar dažādiem fotoperiodiem to var iedalīt ilgas dienas kultūrās, piemēram, kāpostos utt., Kuriem noteiktā augšanas posmā ir vajadzīgas vairāk nekā 12–14 stundu stundas; Īsas dienas kultūrām, piemēram, sīpoliem, sojas pupām utt., Nepieciešamas mazāk nekā 12–14 stundu apgaismojuma stundas; Vidēja sauva kultūra, piemēram, gurķi, tomāti, paprika utt., var ziedēt un nesot augļus garākā vai īsākā saules gaismā.
Starp trim vides elementiem gaismas intensitāte ir svarīgs pamats mākslīgā gaismas avotu izvēlei. Pašlaik ir daudz veidu, kā izteikt gaismas intensitāti, galvenokārt iekļaujot šādus trīs.
（1） Apgaismojums attiecas uz gaismas plūsmas virsmas blīvumu (gaismas plūsma uz laukuma vienību), kas saņemts uz apgaismotās plaknes, luksā (LX).

（2） fotosintētiski aktīvais starojums, par ， vienība ： w/m²。

（3） Fotosintētiski efektīvais fotonu plūsmas blīvums PPFD vai PPF ir fotosintētiski efektīva starojuma skaits, kas sasniedz vai iziet cauri vienības laikam un vienības laukumam, vienība ： μmol/(m² · s) 。Mainīgi norāda uz gaismas intensitāti 400 ~ 700 nm nm. tieši saistīta ar fotosintēzi. Tas ir arī visbiežāk izmantotais gaismas intensitātes indikators augu ražošanas jomā.

Tipiskās papildu gaismas sistēmas gaismas avota analīze
Mākslīgā gaismas papildinājums ir palielināt gaismas intensitāti mērķa apgabalā vai pagarināt gaismas laiku, uzstādot papildinājuma gaismas sistēmu, lai piepildītu augu gaismas pieprasījumu. Vispārīgi runājot, papildu gaismas sistēmā ietilpst papildu gaismas aprīkojums, shēmas un tās vadības sistēma. Papildu gaismas avoti galvenokārt ietver vairākus parastus veidus, piemēram, kvēlspuldzes, dienasgaismas spuldzes, metāla halogenīdu lampas, augsta spiediena nātrija lampas un gaismas diodes. Sakarā ar zemo kvēlspuldzes, zemas fotosintēzes energoefektivitātes un citu trūkumu zemo elektrisko un optisko efektivitāti, to ir novērsis tirgus, tāpēc šajā rakstā nav veikta detalizēta analīze.

■ Fluorescējoša lampa
Fluorescējošās lampas pieder pie zema spiediena gāzes izplūdes lukturu veida. Stikla cauruli piepilda ar dzīvsudraba tvaikiem vai inertu gāzi, un caurules iekšējā siena ir pārklāta ar dienasgaismas pulveri. Gaišā krāsa mainās atkarībā no fluorescējošā materiāla, kas pārklāts caurulē. Fluorescējošām lampām ir laba spektrālā veiktspēja, augsta gaismas efektivitāte, maza jauda, ​​ilgāks kalpošanas laiks (12000 stundu), salīdzinot ar kvēlspuldzēm un salīdzinoši zemām izmaksām. Tā kā pati dienasgaismas lukturis izstaro mazāk siltuma, tā var būt tuvu apgaismojuma augiem un ir piemērota trīsdimensiju audzēšanai. Tomēr dienasgaismas spektra izkārtojums ir nepamatots. Visizplatītākā metode pasaulē ir pievienot reflektorus, lai maksimāli palielinātu kultūraugu efektīvos gaismas avota komponentus audzēšanas apgabalā. Japānas adv-tagri uzņēmums ir arī izstrādājis jauna veida papildu gaismas avotu HEFL. HEFL faktiski pieder fluorescējošu lukturu kategorijai. Tas ir vispārējs termins aukstas katoda dienasgaismas spuldzēm (CCFL) un ārējās elektrodu dienasgaismas spuldzēm (EEFL), un tā ir jaukta elektrodu dienasgaismas spuldzes. HEFL caurule ir ārkārtīgi plāna, ar diametru tikai apmēram 4 mm, un garumu var noregulēt no 450 mm līdz 1200 mm atbilstoši kultivēšanas vajadzībām. Tā ir parastās dienasgaismas spuldzes uzlabota versija.

■ Metāla halogenīda lampa
Metāla halogenīda lampa ir augstas intensitātes izplūdes lukturis, kas var uzbudināt dažādus elementus, lai iegūtu dažādus viļņu garumus, izlādes mēģenē pievienojot dažādus metāla halogenīdus (alvas bromīdu, nātrija jodīdu utt.). Halogēna lampām ir augsta gaismas efektivitāte, liela jauda, ​​laba gaismas krāsa, ilgs kalpošanas laiks un liels spektrs. Tā kā gaismas efektivitāte ir zemāka nekā nātrija lukturiem ar augstu spiedienu, un kalpošanas laiks ir īsāks nekā nātrija lukturi ar augstu spiedienu, šobrīd to izmanto tikai dažās augu rūpnīcās.

■ Augsta spiediena nātrija lampa
Augsta spiediena nātrija lampas pieder pie augsta spiediena gāzes izplūdes lukturu veida. Augsta spiediena nātrija lukturis ir augstas efektivitātes lampa, kurā izvadīšanas mēģenē ir piepildīts augstspiediena nātrija tvaiki, un pievieno nelielu daudzumu ksenona (XE) un dzīvsudraba metāla halogenīda. Tā kā augsta spiediena nātrija lampām ir augsta elektrooptiskā pārveidošanas efektivitāte ar zemākām ražošanas izmaksām, augstspiediena nātrija lampas pašlaik visplašāk tiek izmantotas papildu gaismas piemērošanā lauksaimniecības iestādēs. Tomēr, ņemot vērā zemas fotosintēzes efektivitātes trūkumus to spektrā, viņiem ir zemas energoefektivitātes trūkumi. No otras puses, spektrālie komponenti, ko izstaro nātrija lampas ar augstu spiedienu, galvenokārt koncentrē dzeltenīgi oranžā gaismā, kurai trūkst sarkanā un zilā spektra, kas nepieciešama augu augšanai.

■ Gaismas izstarojoša diode
Kā jaunas paaudzes gaismas avotiem gaismas izstarojošajām diodēm (LED) ir daudz priekšrocību, piemēram, augstāka elektrooptiskā pārveidošanas efektivitāte, regulējams spektrs un augsta fotosintēzes efektivitāte. LED var izstarot monohromatisku gaismu, kas nepieciešama augu augšanai. Salīdzinot ar parastajām dienasgaismas spuldzēm un citiem papildu gaismas avotiem, LED ir enerģijas taupīšanas, vides aizsardzības, ilga kalpošanas, monohromatiskas gaismas, aukstas gaismas avota un tā tālāk priekšrocības. Turpmāk uzlabojot gaismas diožu elektrooptisko efektivitāti un samazinot izmaksas, ko izraisa mēroga efekts, LED augšanas apgaismojuma sistēmas kļūs par galveno aprīkojumu, lai papildinātu gaismu lauksaimniecības iestādēs. Tā rezultātā LED augšanas gaismas ir piemērotas vairāk nekā 99,9% augu rūpnīcās.

Salīdzinot, var skaidri saprast dažādu papildu gaismas avotu raksturlielumus, kā parādīts 1. tabulā.

Mobilā apgaismojuma ierīce
Gaismas intensitāte ir cieši saistīta ar kultūraugu augšanu. Trīsdimensiju audzēšanu bieži izmanto augu rūpnīcās. Tomēr, ņemot vērā kultivēšanas plauktu struktūras ierobežojumu, gaismas un temperatūras nevienmērīgais sadalījums starp plauktiem ietekmēs kultūraugu ražu, un ražas novākšanas periods netiks sinhronizēts. Pekinas uzņēmums 2010. gadā ir veiksmīgi izstrādājis manuālu pacelšanas gaismas piedevas ierīci (HPS apgaismojuma armatūra un LED augšanas apgaismojuma armatūra). Princips ir pagriezt piedziņas vārpstu un uz tā piestiprināto binde Lai sasniegtu mērķi ievilkt un atcelt stiepļu virvi. Augšanas gaismas stiepļu virve ir savienota ar lifta tinumu caur vairākiem apvēršošo riteņu komplektiem, lai panāktu augšanas gaismas augstuma pielāgošanas efektu. 2017. gadā iepriekšminētais uzņēmums projektēja un izstrādāja jaunu mobilās gaismas piedevas ierīci, kas reālā laikā var automātiski pielāgot gaismas piedevas augstumu atbilstoši ražas augšanas vajadzībām. Tagad pielāgošanas ierīce ir uzstādīta uz 3 slāņu gaismas avota celšanas tipa trīsdimensiju audzēšanas statīva. Ierīces augšējais slānis ir līmenis ar labāko gaismas stāvokli, tāpēc tas ir aprīkots ar augsta spiediena nātrija lampām; Vidējais slānis un apakšējais slānis ir aprīkoti ar LED audzēšanas lukturiem un pacelšanas regulēšanas sistēmu. Tas var automātiski pielāgot augšanas gaismas augstumu, lai nodrošinātu piemērotu apgaismojuma vidi kultūrām.

Salīdzinot ar mobilās gaismas piedevas ierīci, kas pielāgota trīsdimensiju audzēšanai, Nīderlande ir izstrādājusi horizontāli pārvietojamu LED Grow Light papildinājuma gaismas ierīci. Lai izvairītos no augšanas gaismas ēnas ietekmes uz augu augšanu saulē, augšanas gaismas sistēmu var virzīt uz abām stiprinājuma pusēm caur teleskopisko slaidu horizontālā virzienā, lai saule būtu pilnībā apstaroti uz augiem; Mākoņainās un lietainās dienās bez saules gaismas virziet Grow Light sistēmu līdz kronšteina vidum, lai augu gaismas gaisma vienmērīgi piepildītu augus; Pārvietojiet augšanas gaismas sistēmu horizontāli caur kronšteina priekšmetstikliņu, izvairieties no biežas izjaukšanas un augšanas gaismas sistēmas noņemšanas un samaziniet darbinieku darba intensitāti, tādējādi efektīvi uzlabojot darba efektivitāti.

Tipiskas augšanas gaismas sistēmas dizaina idejas
No mobilā apgaismojuma papildu ierīces dizaina nav grūti redzēt, ka augu rūpnīcas papildu apgaismojuma sistēmas dizains parasti uzskata dažādu kultūraugu augšanas periodu gaismas intensitāti, gaismas kvalitāti un fotoperiodu parametrus kā dizaina galveno saturu , paļaujoties uz inteliģentu kontroles sistēmu, lai to ieviestu, sasniedzot enerģijas taupīšanas un augstas ražas galveno mērķi.

Pašlaik lapu dārzeņu papildu gaismas projektēšana un uzbūve ir pakāpeniski nobriedusi. Piemēram, lapu dārzeņus var iedalīt četros posmos: stādīšanas posmā, vidējā izaugsmē, vēlu izaugsmē un beigu posmā; Augļu gājienus var iedalīt stādu stadijā, veģetatīvās augšanas stadijā, ziedēšanas stadijā un novākšanas stadijā. No papildu gaismas intensitātes atribūtiem gaismas intensitātei stādīšanas posmā jābūt nedaudz zemākam - 60 ~ 200 μmol/(m² · s) un pēc tam pakāpeniski palielinās. Leafy vegetables can reach up to 100~200 μmol/(m²·s), and fruit vegetables can reach 300~500 μmol/(m²·s) to ensure the light intensity requirements of plant photosynthesis in each growth period and fulfill the needs of augsta raža; Gaismas kvalitātes ziņā ļoti svarīga ir sarkanā un zilā attiecība. Lai palielinātu stādu kvalitāti un novērstu pārmērīgu stādu stadijas augšanu, sarkanā un zilā attiecība parasti tiek noteikta zemā līmenī [(1 ~ 2): 1] un pēc tam pakāpeniski samazināt, lai apmierinātu augu vajadzības viegla morfoloģija. Sarkanā un zilā un lapu dārzeņu attiecību var iestatīt uz (3 ~ 6): 1. Fotoperiodam, kas līdzīgs gaismas intensitātei, tam vajadzētu parādīt tendenci pieaugt līdz ar augšanas perioda pagarinājumu, lai lapu dārzeņiem būtu vairāk fotosintētiskas laika fotosintēzei. Augļu un dārzeņu viegla papildinājuma dizains būs sarežģītāks. Papildus iepriekšminētajiem pamatlikumiem mums jākoncentrējas uz fotoperioda iestatīšanu ziedēšanas periodā, un dārzeņu ziedēšana un auglis ir jāveicina, lai neatbrīvotu.

Ir vērts pieminēt, ka gaismas formulā jāietver gala apstrāde gaismas vides iestatījumiem. Piemēram, nepārtraukta gaismas papildināšana var ievērojami uzlabot hidroponisko lapu dārzeņu stādu ražu un kvalitāti vai izmantot UV apstrādi, lai ievērojami uzlabotu kāpostus un lapu dārzeņus (īpaši purpursarkanas lapas un sarkano lapu salāti) uztura kvalitāti.

Papildus gaismas papildināšanas optimizēšanai izvēlētām kultūrām dažu mākslīgo gaismas augu rūpnīcu gaismas avota kontroles sistēma pēdējos gados ir strauji attīstījusies. Šī vadības sistēma parasti ir balstīta uz B/S struktūru. Tādu vides faktoru, piemēram, temperatūras, mitruma, gaismas un CO2 koncentrācijas tālvadības un automātiska kontrole kultūru augšanas laikā, tiek realizēta caur wifi, un tajā pašā laikā tiek realizēta ražošanas metode, kuru neierobežo ārējie apstākļi. Šāda veida inteliģenta papildu gaismas sistēma izmanto LED augšanas gaismas armatūru, jo papildu gaismas avots, kas apvienots ar attālās inteliģentās vadības sistēmu, var apmierināt augu viļņa garuma apgaismojuma vajadzības, ir īpaši piemērota gaismas kontrolētai augu audzēšanas videi un labi var apmierināt tirgus pieprasījumu tirgus pieprasījumā. Apvidū

Noslēguma piezīmes
Augu rūpnīcas tiek uzskatītas par svarīgu veidu, kā 21. gadsimtā atrisināt pasaules resursus, iedzīvotāju un vides problēmas, un svarīgs veids, kā panākt pārtikas pašpietiekamību turpmākajos augsto tehnoloģiju projektos. Kā jauns lauksaimniecības ražošanas metodes veids, augu rūpnīcas joprojām ir mācīšanās un izaugsmes stadijā, un ir nepieciešama lielāka uzmanība un pētījumi. Šajā rakstā aprakstītas kopējo papildu apgaismojuma metožu īpašības un priekšrocības augu rūpnīcās un iepazīstina ar tipisko kultūraugu papildu apgaismojuma sistēmu dizaina idejām. Salīdzinot, nav grūti atrast, lai tiktu galā ar zemu apgaismojumu, ko izraisa smagi laika apstākļi, piemēram, nepārtraukts mākoņains un migla, un lai nodrošinātu augstu un stabilu objekta kultūru ražošanu, LED augšanas gaismas avota aprīkojums ir visvairāk saskaņā ar pašreizējo attīstību tendences.

Augu rūpnīcu turpmākajam attīstības virzienam jākoncentrējas uz jauniem augstas precizitātes, zemu izmaksu sensoriem, attālināti vadāmām, regulējamas spektra apgaismojuma ierīču sistēmām un ekspertu vadības sistēmām. Tajā pašā laikā nākamās augu rūpnīcas turpinās attīstīties zemu izmaksu, inteliģentu un paša adaptīvām. LED augšanas gaismas avotu izmantošana un popularizācija nodrošina garantiju augu rūpnīcu augstas precizitātes kontrolei. LED gaismas vides regulēšana ir sarežģīts process, kas saistīts ar visaptverošu gaismas kvalitātes, gaismas intensitātes un fotoperioda regulēšanu. Attiecīgajiem ekspertiem un zinātniekiem ir jāveic padziļināti pētījumi, veicinot LED papildu apgaismojumu mākslīgajās gaismas augu rūpnīcās.