Autors: Dzjins Džao, Zengčans Džou, Juņluns Bu u.c. Avots: Lauksaimniecības inženiertehnoloģija (siltumnīcu dārzkopība)

Rūpnīca apvieno moderno rūpniecību, biotehnoloģiju, barības vielu hidroponiku un informācijas tehnoloģijas, lai ieviestu augstas precizitātes vides faktoru kontroli objektā. Tā ir pilnībā slēgta, tai ir zemas prasības pret apkārtējo vidi, saīsina augu ražas novākšanas periodu, ietaupa ūdeni un mēslojumu, un, pateicoties pesticīdu neizmantošanas un atkritumu neesamības priekšrocībām, zemes izmantošanas efektivitāte vienā ražošanas vienībā ir 40 līdz 108 reizes lielāka nekā atklātā lauka ražošanā. Starp tiem intelektuālajam mākslīgajam gaismas avotam un tā gaismas vides regulēšanai ir izšķiroša loma ražošanas efektivitātē.

Kā svarīgs fizikālās vides faktors gaismai ir galvenā loma augu augšanas un materiālu metabolisma regulēšanā. “Viena no augu fabrikas galvenajām iezīmēm ir pilnvērtīgs mākslīgā gaismas avots un intelektiskas gaismas vides regulēšanas realizācija” ir kļuvusi par vispārēju vienprātību nozarē.

Augu nepieciešamība pēc gaismas

Gaisma ir vienīgais augu fotosintēzes enerģijas avots. Gaismas intensitātei, gaismas kvalitātei (spektram) un periodiskām gaismas izmaiņām ir būtiska ietekme uz kultūraugu augšanu un attīstību, un gaismas intensitātei ir vislielākā ietekme uz augu fotosintēzi.

■ Gaismas intensitāte

Gaismas intensitāte var mainīt kultūraugu morfoloģiju, piemēram, ziedēšanu, starpnodu garumu, stumbra biezumu, kā arī lapu izmēru un biezumu. Augu prasības attiecībā uz gaismas intensitāti var iedalīt gaismu mīlošos, vidēji gaismu mīlošos un vāji gaismu tolerantos augos. Dārzeņi pārsvarā ir gaismu mīloši augi, un to gaismas kompensācijas punkti un gaismas piesātinājuma punkti ir relatīvi augsti. Mākslīgā apgaismojuma augu rūpnīcās attiecīgās kultūraugu prasības attiecībā uz gaismas intensitāti ir svarīgs pamats mākslīgā apgaismojuma avotu izvēlei. Izpratne par dažādu augu gaismas prasībām ir svarīga mākslīgā apgaismojuma avotu projektēšanā, un tas ir ārkārtīgi nepieciešams, lai uzlabotu sistēmas ražošanas rādītājus.

■ Gaismas kvalitāte

Gaismas kvalitātes (spektrālā) sadalījuma ietekme uz augu fotosintēzi un morfoģenēzi ir arī būtiska (1. attēls). Gaisma ir daļa no starojuma, un starojums ir elektromagnētiskais vilnis. Elektromagnētiskajiem viļņiem piemīt viļņu īpašības un kvantu (daļiņu) īpašības. Dārzkopībā gaismas kvantu sauc par fotonu. Starojumu ar viļņu garuma diapazonu no 300 līdz 800 nm sauc par augu fizioloģiski aktīvo starojumu; un starojumu ar viļņu garuma diapazonu no 400 līdz 700 nm sauc par augu fotosintētiski aktīvo starojumu (PAR).

Hlorofils un karotīni ir divi vissvarīgākie pigmenti augu fotosintēzē. 2. attēlā parādīts katra fotosintēzes pigmenta spektrālais absorbcijas spektrs, kurā hlorofila absorbcijas spektrs ir koncentrēts sarkanajā un zilajā joslā. Apgaismojuma sistēma ir balstīta uz kultūraugu spektrālajām vajadzībām mākslīgi papildināt gaismu, lai veicinātu augu fotosintēzi.

■ fotoperiods
Saistību starp fotosintēzi un augu fotomorfoģenēzi, kā arī dienas garumu (jeb fotoperioda laiku) sauc par augu fotoperiodību. Fotoperioditāte ir cieši saistīta ar gaismas stundām, kas attiecas uz laiku, kurā kultūraugs ir apstarots ar gaismu. Dažādām kultūrām ir nepieciešams noteikts gaismas stundu skaits, lai pabeigtu fotoperiodu, uzziedētu un ražotu augļus. Atkarībā no dažādajiem fotoperiodiem tās var iedalīt garās dienas kultūrās, piemēram, kāpostos utt., kurām noteiktā augšanas posmā nepieciešamas vairāk nekā 12–14 stundas gaismas stundu; īsās dienas kultūrās, piemēram, sīpolos, sojas pupās utt., nepieciešamas mazāk nekā 12–14 stundas apgaismojuma stundu; vidējas saules gaismas kultūrās, piemēram, gurķos, tomātos, paprikā utt., var ziedēt un ražot augļus ilgākā vai īsākā saules gaismā.
Starp trim vides elementiem gaismas intensitāte ir svarīgs pamats mākslīgā apgaismojuma avotu izvēlei. Pašlaik ir daudz veidu, kā izteikt gaismas intensitāti, galvenokārt iekļaujot šādus trīs.
(1) Apgaismojums attiecas uz apgaismotajā plaknē uztvertās gaismas plūsmas virsmas blīvumu (gaismas plūsma uz laukuma vienību), izteiktu luksos (lx).

(2) Fotosintētiski aktīvais starojums, PAR, mērvienība: W/m².

(3) Fotosintētiski efektīvais fotonu plūsmas blīvums PPFD jeb PPF ir fotosintētiski efektīvā starojuma daudzums, kas sasniedz vai iziet cauri laika vienībai un laukuma vienībai, mērvienība: μmol/(m²·s). Galvenokārt attiecas uz gaismas intensitāti 400–700 nm diapazonā, kas tieši saistīta ar fotosintēzi. Tas ir arī visbiežāk izmantotais gaismas intensitātes indikators augu audzēšanas jomā.

Tipiskas papildu apgaismojuma sistēmas gaismas avota analīze
Mākslīgā apgaismojuma papildināšana ir paredzēta, lai palielinātu gaismas intensitāti mērķa zonā vai pagarinātu apgaismojuma laiku, uzstādot papildapgaismojuma sistēmu, lai apmierinātu augu gaismas vajadzības. Vispārīgi runājot, papildapgaismojuma sistēma ietver papildapgaismojuma iekārtas, shēmas un to vadības sistēmu. Papildu gaismas avoti galvenokārt ietver vairākus izplatītus veidus, piemēram, kvēlspuldzes, dienasgaismas spuldzes, metālu halogenīdu lampas, augstspiediena nātrija lampas un gaismas diodes. Kvēlspuldžu zemās elektriskās un optiskās efektivitātes, zemās fotosintēzes energoefektivitātes un citu trūkumu dēļ tas ir izslēgts no tirgus, tāpēc šajā rakstā nav sniegta detalizēta analīze.

■ Luminiscences spuldze
Luminiscences spuldzes pieder pie zemspiediena gāzizlādes lampu tipa. Stikla caurule ir piepildīta ar dzīvsudraba tvaikiem vai inertu gāzi, un caurules iekšējā siena ir pārklāta ar dienasgaismas pulveri. Gaismas krāsa mainās atkarībā no caurulē pārklātā dienasgaismas materiāla. Luminiscences spuldzēm ir laba spektrālā veiktspēja, augsta gaismas efektivitāte, maza jauda, ​​ilgāks kalpošanas laiks (12000 h) salīdzinājumā ar kvēlspuldzēm un salīdzinoši zemas izmaksas. Tā kā pati dienasgaismas spuldze izdala mazāk siltuma, to var apgaismot tuvu augiem un tā ir piemērota trīsdimensiju kultivēšanai. Tomēr dienasgaismas spuldzes spektrālais izkārtojums ir nepamatots. Visizplatītākā metode pasaulē ir pievienot atstarotājus, lai maksimāli palielinātu kultūraugu efektīvos gaismas avota komponentus kultivēšanas zonā. Japānas uzņēmums adv-agri ir izstrādājis arī jauna veida papildu gaismas avotu HEFL. HEFL faktiski pieder pie dienasgaismas spuldžu kategorijas. Tas ir vispārīgs termins aukstā katoda dienasgaismas spuldzēm (CCFL) un ārējo elektrodu dienasgaismas spuldzēm (EEFL), un tā ir jaukta elektroda dienasgaismas spuldze. HEFL caurule ir ārkārtīgi plāna, tās diametrs ir tikai aptuveni 4 mm, un tās garumu var regulēt no 450 mm līdz 1200 mm atbilstoši audzēšanas vajadzībām. Tā ir uzlabota parastās dienasgaismas spuldzes versija.

■ Metāla halogenīda lampa
Metālu halogenīdu lampa ir augstas intensitātes izlādes spuldze, kas, pamatojoties uz augstspiediena dzīvsudraba lampu, var ierosināt dažādus elementus, lai radītu dažādus viļņu garumus, pievienojot dažādus metālu halogenīdus (alvas bromīdu, nātrija jodīdu utt.) izlādes caurulē. Halogēna lampām ir augsta gaismas efektivitāte, liela jauda, ​​laba gaismas krāsa, ilgs kalpošanas laiks un plašs spektrs. Tomēr, tā kā gaismas efektivitāte ir zemāka nekā augstspiediena nātrija lampām un kalpošanas laiks ir īsāks nekā augstspiediena nātrija lampām, to pašlaik izmanto tikai dažās rūpnīcās.

■ Augstspiediena nātrija lampa
Augstspiediena nātrija lampas pieder pie augstspiediena gāzizlādes lampu veida. Augstspiediena nātrija lampa ir augstas efektivitātes lampa, kurā izlādes caurulē ir iepildīti augstspiediena nātrija tvaiki un pievienots neliels daudzums ksenona (Xe) un dzīvsudraba metālhalogenīda. Tā kā augstspiediena nātrija lampām ir augsta elektrooptiskās konversijas efektivitāte un zemākas ražošanas izmaksas, augstspiediena nātrija lampas pašlaik visplašāk tiek izmantotas kā papildu apgaismojums lauksaimniecības objektos. Tomēr to spektra zemās fotosintēzes efektivitātes dēļ tām ir arī zema energoefektivitāte. No otras puses, augstspiediena nātrija lampu izstarotās spektrālās komponentes galvenokārt koncentrējas dzelteni oranžajā gaismas joslā, kurā trūkst augu augšanai nepieciešamo sarkano un zilo spektru.

■ Gaismas diode
Kā jaunas paaudzes gaismas avotiem, gaismas diodēm (LED) ir daudz priekšrocību, piemēram, augstāka elektrooptiskās konversijas efektivitāte, regulējams spektrs un augsta fotosintēzes efektivitāte. LED var izstarot augu augšanai nepieciešamo monohromatisku gaismu. Salīdzinot ar parastajām dienasgaismas spuldzēm un citiem papildu gaismas avotiem, LED ir tādas priekšrocības kā enerģijas taupīšana, vides aizsardzība, ilgs kalpošanas laiks, monohromatiska gaisma, aukstās gaismas avots utt. Līdz ar LED elektrooptiskās efektivitātes turpmāku uzlabošanu un mēroga efekta radīto izmaksu samazināšanu, LED audzēšanas apgaismojuma sistēmas kļūs par galveno aprīkojumu apgaismojuma papildināšanai lauksaimniecības objektos. Tā rezultātā LED audzēšanas lampas ir izmantotas vairāk nekā 99,9% augu rūpnīcu.

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

Mobilā apgaismojuma ierīce
Gaismas intensitāte ir cieši saistīta ar kultūraugu augšanu. Augu fabrikās bieži izmanto trīsdimensiju kultivēšanu. Tomēr kultivēšanas statīvu struktūras ierobežojumu dēļ nevienmērīgais gaismas un temperatūras sadalījums starp statņiem ietekmēs kultūraugu ražu, un ražas novākšanas periods netiks sinhronizēts. Pekinas uzņēmums 2010. gadā veiksmīgi izstrādāja manuāli paceļamu gaismas papildināšanas ierīci (HPS apgaismes ķermeņu un LED audzēšanas apgaismes ķermeņu). Princips ir pagriezt piedziņas vārpstu un uz tās piestiprināto tinēju, kratot rokturi, lai pagrieztu mazo plēves spoli un panāktu stiepļu troses savilkšanu un attīšanu. Augšanas lampas stiepļu trose ir savienota ar elevatora tinšanas riteni, izmantojot vairākus atpakaļgaitas riteņu komplektus, lai panāktu augšanas lampas augstuma regulēšanas efektu. 2017. gadā iepriekš minētais uzņēmums izstrādāja un izstrādāja jaunu mobilo gaismas papildināšanas ierīci, kas var automātiski pielāgot gaismas papildināšanas augstumu reāllaikā atbilstoši kultūraugu augšanas vajadzībām. Regulēšanas ierīce tagad ir uzstādīta uz trīsslāņu gaismas avota pacelšanas tipa trīsdimensiju kultivēšanas statņa. Ierīces augšējais slānis ir līmenī ar vislabākajiem apgaismojuma apstākļiem, tāpēc tas ir aprīkots ar augstspiediena nātrija lampām; vidējais un apakšējais slānis ir aprīkoti ar LED audzēšanas lampām un pacelšanas regulēšanas sistēmu. Tā var automātiski pielāgot audzēšanas lampu augstumu, lai nodrošinātu piemērotu apgaismojuma vidi kultūraugiem.

Salīdzinot ar mobilo gaismas papildināšanas ierīci, kas pielāgota trīsdimensiju audzēšanai, Nīderlande ir izstrādājusi horizontāli pārvietojamu LED augšanas papildināšanas gaismas ierīci. Lai izvairītos no augšanas gaismas ēnas ietekmes uz augu augšanu saulē, augšanas gaismas sistēmu var horizontāli pārvietot uz abām kronšteina pusēm, izmantojot teleskopisko slīdni, lai saule pilnībā apspīdētu augus; mākoņainās un lietainās dienās bez saules gaismas bīdiet augšanas gaismas sistēmu uz kronšteina vidu, lai augšanas gaismas sistēmas gaisma vienmērīgi piepildītu augus; pārvietojiet augšanas gaismas sistēmu horizontāli, izmantojot kronšteina slīdni, lai izvairītos no biežas augšanas gaismas sistēmas demontāžas un noņemšanas, kā arī samazinātu darbinieku darba intensitāti, tādējādi efektīvi uzlabojot darba efektivitāti.

Tipiskas audzēšanas gaismas sistēmas dizaina idejas
No mobilā apgaismojuma papildierīces konstrukcijas nav grūti saprast, ka rūpnīcas papildapgaismojuma sistēmas konstrukcija parasti par galveno dizaina saturu ņem dažādu kultūraugu augšanas periodu gaismas intensitāti, gaismas kvalitāti un fotoperioda parametrus, paļaujoties uz ieviešamo viedo vadības sistēmu, lai sasniegtu galveno mērķi – enerģijas taupīšanu un augstu ražu.

Pašlaik lapu dārzeņu papildu apgaismojuma dizains un konstrukcija ir pakāpeniski nobriedusi. Piemēram, lapu dārzeņus var iedalīt četrās stadijās: dīgstu stadija, vidēja augšanas stadija, vēla augšanas stadija un beigu stadija; augļu dārzeņus var iedalīt dīgstu stadijā, veģetatīvās augšanas stadijā, ziedēšanas stadijā un ražas novākšanas stadijā. No papildu apgaismojuma intensitātes atribūtiem gaismas intensitātei dīgstu stadijā jābūt nedaudz zemākai, 60–200 μmol/(m²·s), un pēc tam pakāpeniski jāpalielina. Lapu dārzeņiem gaismas intensitāte var sasniegt 100–200 μmol/(m²·s), bet augļu dārzeņiem – 300–500 μmol/(m²·s), lai nodrošinātu augu fotosintēzes gaismas intensitātes prasības katrā augšanas periodā un apmierinātu augstas ražas vajadzības; Runājot par gaismas kvalitāti, sarkanās un zilās krāsas attiecība ir ļoti svarīga. Lai uzlabotu stādu kvalitāti un novērstu pārmērīgu augšanu stādu stadijā, sarkanās un zilās krāsas attiecība parasti tiek noteikta zemā līmenī [(1~2):1] un pēc tam pakāpeniski samazināta, lai apmierinātu augu gaismas morfoloģijas vajadzības. Sarkanās un zilās krāsas un lapu dārzeņu attiecību var iestatīt uz (3~6):1. Fotoperiodam, līdzīgi kā gaismas intensitātei, vajadzētu pieaugt līdz ar augšanas perioda pagarināšanos, lai lapu dārzeņiem būtu vairāk fotosintēzes laika fotosintēzei. Augļu un dārzeņu gaismas piedevu dizains būs sarežģītāks. Papildus iepriekšminētajiem pamatlikumiem mums jākoncentrējas uz fotoperioda iestatīšanu ziedēšanas periodā, un jāveicina dārzeņu ziedēšana un augļošana, lai nerastos pretēja reakcija.

Ir vērts pieminēt, ka gaismas formulai jāiekļauj gala apstrāde atbilstoši gaismas vides iestatījumiem. Piemēram, nepārtraukta gaismas papildināšana var ievērojami uzlabot hidroponisko lapu dārzeņu stādu ražu un kvalitāti, vai arī UV apstrāde var ievērojami uzlabot asnu un lapu dārzeņu (īpaši purpursarkano lapu un sarkano lapu salātu) uzturvērtību.

Papildus apgaismojuma optimizēšanai izvēlētajām kultūrām, pēdējos gados strauji ir attīstījusies arī dažu mākslīgā apgaismojuma augu rūpnīcu gaismas avotu vadības sistēma. Šī vadības sistēma parasti balstās uz B/S struktūru. Izmantojot Wi-Fi, kultūraugu augšanas laikā tiek realizēta tādu vides faktoru kā temperatūras, mitruma, gaismas un CO2 koncentrācijas tālvadība un automātiska kontrole, vienlaikus nodrošinot ražošanas metodi, ko neierobežo ārējie apstākļi. Šāda veida intelektuālā papildu apgaismojuma sistēma izmanto LED audzēšanas gaismekļus kā papildu gaismas avotu, apvienojumā ar tālvadības intelektuālo vadības sistēmu var apmierināt augu viļņa garuma apgaismojuma vajadzības, ir īpaši piemērota gaismas kontrolētai augu audzēšanas videi un var labi apmierināt tirgus pieprasījumu.

Noslēguma piezīmes
Augu fabrikas tiek uzskatītas par svarīgu veidu, kā risināt pasaules resursu, iedzīvotāju skaita un vides problēmas 21. gadsimtā, un par svarīgu veidu, kā panākt pārtikas pašpietiekamību nākotnes augsto tehnoloģiju projektos. Kā jauna veida lauksaimniecības ražošanas metode, augu fabrikas joprojām atrodas mācību un izaugsmes stadijā, un ir nepieciešama lielāka uzmanība un pētījumi. Šajā rakstā ir aprakstītas izplatītāko papildu apgaismojuma metožu īpašības un priekšrocības augu fabrikās, kā arī ir ieviestas tipisku kultūraugu papildu apgaismojuma sistēmu dizaina idejas. Salīdzinot, nav grūti atrast, lai tiktu galā ar vāju apgaismojumu, ko izraisa tādi spēcīgi laikapstākļi kā nepārtraukta mākoņainība un dūmaka, un lai nodrošinātu augstu un stabilu ražas ražošanu, LED Grow gaismas avotu iekārtas vislabāk atbilst pašreizējām attīstības tendencēm.

Augu rūpnīcu turpmākajai attīstībai jābūt vērstai uz jauniem augstas precizitātes, lētiem sensoriem, attālināti vadāmām, regulējama spektra apgaismojuma ierīču sistēmām un ekspertu vadības sistēmām. Vienlaikus nākotnes augu rūpnīcas turpinās attīstīties, virzoties uz lētām, inteliģentām un pašpielāgojošām sistēmām. LED audzēšanas gaismas avotu izmantošana un popularizēšana nodrošina augu rūpnīcu augstas precizitātes vides kontroli. LED gaismas vides regulēšana ir sarežģīts process, kas ietver visaptverošu gaismas kvalitātes, gaismas intensitātes un fotoperioda regulēšanu. Attiecīgajiem ekspertiem un zinātniekiem ir jāveic padziļināti pētījumi, popularizējot LED papildu apgaismojumu mākslīgā apgaismojuma augu rūpnīcās.