Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu itd. Izvorni medij: Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva (stakleničko hortikultura)

Tvornica biljaka kombinira modernu industriju, biotehnologiju, hidroponski uzgoj hranjivih tvari i informacijsku tehnologiju kako bi implementirala visokopreciznu kontrolu okolišnih čimbenika u pogonu. Potpuno je zatvorena, ima niske zahtjeve prema okolnom okolišu, skraćuje razdoblje berbe biljaka, štedi vodu i gnojivo, a uz prednosti proizvodnje bez pesticida i bez ispuštanja otpada, učinkovitost korištenja zemljišta po jedinici je 40 do 108 puta veća od proizvodnje na otvorenom polju. Među njima, inteligentni umjetni izvor svjetlosti i njegova regulacija svjetlosnog okruženja igraju odlučujuću ulogu u učinkovitosti proizvodnje.

Kao važan fizički čimbenik okoliša, svjetlost igra ključnu ulogu u regulaciji rasta biljaka i metabolizma tvari. „Jedna od glavnih značajki tvornice biljaka je potpuni umjetni izvor svjetlosti i ostvarenje inteligentne regulacije svjetlosnog okruženja“ postao je opći konsenzus u industriji.

Potreba biljaka za svjetlošću

Svjetlost je jedini izvor energije za fotosintezu biljaka. Intenzitet svjetlosti, kvaliteta svjetlosti (spektar) i periodične promjene svjetlosti imaju dubok utjecaj na rast i razvoj usjeva, među kojima intenzitet svjetlosti ima najveći utjecaj na fotosintezu biljaka.

■ Intenzitet svjetlosti

Intenzitet svjetlosti može promijeniti morfologiju usjeva, kao što su cvjetanje, duljina internodija, debljina stabljike te veličina i debljina lista. Zahtjevi biljaka za intenzitetom svjetlosti mogu se podijeliti na biljke koje vole svjetlost, biljke koje vole svjetlost srednje i biljke koje podnose slabu svjetlost. Povrće je uglavnom biljke koje vole svjetlost, a njihove točke kompenzacije svjetlosti i točke zasićenja svjetlosti su relativno visoke. U tvornicama biljaka umjetne svjetlosti, relevantni zahtjevi usjeva za intenzitetom svjetlosti važna su osnova za odabir umjetnih izvora svjetlosti. Razumijevanje svjetlosnih potreba različitih biljaka važno je za projektiranje umjetnih izvora svjetlosti, što je izuzetno potrebno za poboljšanje proizvodnih performansi sustava.

■ Kvaliteta svjetla

Raspodjela kvalitete svjetlosti (spektralna) također ima važan utjecaj na fotosintezu i morfogenezu biljaka (Slika 1). Svjetlost je dio zračenja, a zračenje je elektromagnetski val. Elektromagnetski valovi imaju valne karakteristike i kvantne (čestične) karakteristike. Kvant svjetlosti u hortikulturi se naziva foton. Zračenje s rasponom valnih duljina od 300~800 nm naziva se fiziološki aktivno zračenje biljaka; a zračenje s rasponom valnih duljina od 400~700 nm naziva se fotosintetski aktivno zračenje (PAR) biljaka.

Klorofil i karoteni su dva najvažnija pigmenta u fotosintezi biljaka. Slika 2 prikazuje spektralni apsorpcijski spektar svakog fotosintetskog pigmenta, u kojem je apsorpcijski spektar klorofila koncentriran u crvenom i plavom pojasu. Sustav rasvjete temelji se na spektralnim potrebama usjeva za umjetnim nadopunjavanjem svjetlosti, kako bi se potaknula fotosinteza biljaka.

■ fotoperiod
Odnos između fotosinteze i fotomorfogeneze biljaka te duljine dana (ili fotoperioda) naziva se fotoperiodnost biljaka. Fotoperiodnost je usko povezana sa svjetlosnim satima, što se odnosi na vrijeme koliko je usjev obasjan svjetlošću. Različitim usjevima potreban je određeni broj svjetlosnih sati kako bi se završio fotoperiod za cvjetanje i plodonošenje. Prema različitim fotoperiodima, mogu se podijeliti na dugodnevne kulture, poput kupusa itd., kojima je potrebno više od 12-14 sati svjetlosnih sati u određenoj fazi rasta; kratkodnevne kulture, poput luka, soje itd., kojima je potrebno manje od 12-14 sati osvjetljenja; kulture srednje intenzivnosti, poput krastavaca, rajčica, paprika itd., mogu cvjetati i plodonositi pod duljim ili kraćim sunčevim svjetlom.
Među tri elementa okoliša, intenzitet svjetlosti je važna osnova za odabir umjetnih izvora svjetlosti. Trenutno postoji mnogo načina izražavanja intenziteta svjetlosti, a uglavnom se ubrajaju sljedeća tri.
(1) Osvjetljenje se odnosi na površinsku gustoću svjetlosnog toka (svjetlosni tok po jedinici površine) primljenog na osvijetljenu ravninu, u luksima (lx).

(2) Fotosintetski aktivno zračenje, PAR, Jedinica: W/m².

(3) Fotosintetski učinkovita gustoća fotonskog toka PPFD ili PPF je količina fotosintetski učinkovitog zračenja koja dosegne ili prođe kroz jedinicu vremena i jedinicu površine, jedinica: μmol/(m²·s). Uglavnom se odnosi na intenzitet svjetlosti od 400~700 nm izravno povezan s fotosintezom. Također je najčešće korišteni pokazatelj intenziteta svjetlosti u području biljne proizvodnje.

Analiza izvora svjetlosti tipičnog sustava dodatne rasvjete
Dodatak umjetne rasvjete služi za povećanje intenziteta svjetlosti u ciljanom području ili produljenje vremena osvjetljenja ugradnjom sustava dodatne rasvjete kako bi se zadovoljile svjetlosne potrebe biljaka. Općenito govoreći, sustav dodatne rasvjete uključuje dodatnu rasvjetnu opremu, strujne krugove i njihov upravljački sustav. Dopunski izvori svjetlosti uglavnom uključuju nekoliko uobičajenih vrsta kao što su žarulje sa žarnom niti, fluorescentne žarulje, metal-halogene žarulje, visokotlačne natrijeve žarulje i LED diode. Zbog niske električne i optičke učinkovitosti žarulja sa žarnom niti, niske fotosintetske energetske učinkovitosti i drugih nedostataka, tržište ih je eliminiralo, tako da ovaj članak ne daje detaljnu analizu.

■ Fluorescentna lampa
Fluorescentne žarulje pripadaju vrsti plinskih žarulja niskog tlaka. Staklena cijev je ispunjena živinom parom ili inertnim plinom, a unutarnja stijenka cijevi je prekrivena fluorescentnim prahom. Boja svjetlosti varira ovisno o fluorescentnom materijalu obloženom u cijevi. Fluorescentne žarulje imaju dobre spektralne performanse, visoku svjetlosnu učinkovitost, malu snagu, dulji vijek trajanja (12000 sati) u usporedbi sa žaruljama sa žarnom niti i relativno nisku cijenu. Budući da sama fluorescentna žarulja emitira manje topline, može se osvjetljavati blizu biljaka i prikladna je za trodimenzionalni uzgoj. Međutim, spektralni raspored fluorescentne žarulje nije razuman. Najčešća metoda u svijetu je dodavanje reflektora kako bi se maksimizirale učinkovite komponente izvora svjetlosti usjeva u području uzgoja. Japanska tvrtka adv-agri također je razvila novu vrstu dodatnog izvora svjetlosti HEFL. HEFL zapravo pripada kategoriji fluorescentnih žarulja. To je opći naziv za fluorescentne žarulje s hladnom katodom (CCFL) i fluorescentne žarulje s vanjskom elektrodom (EEFL) te je fluorescentna žarulja s miješanim elektrodama. HEFL cijev je izuzetno tanka, promjera samo oko 4 mm, a duljina se može podesiti od 450 mm do 1200 mm prema potrebama uzgoja. To je poboljšana verzija konvencionalne fluorescentne lampe.

■ Metalhalogena lampa
Metal-halogena žarulja je visokointenzivna žarulja s izbojem koja može pobuditi različite elemente kako bi proizvela različite valne duljine dodavanjem različitih metal-halogenida (kositar bromid, natrijev jodid itd.) u izbojnu cijev na bazi visokotlačne živine žarulje. Halogene žarulje imaju visoku svjetlosnu učinkovitost, veliku snagu, dobru boju svjetla, dugi vijek trajanja i široki spektar. Međutim, budući da je svjetlosna učinkovitost niža od one kod visokotlačnih natrijevih žarulja, a vijek trajanja kraći od vijeka trajanja visokotlačnih natrijevih žarulja, trenutno se koristi samo u nekoliko tvornica.

■ Visokotlačna natrijeva lampa
Visokotlačne natrijeve lampe pripadaju vrsti visokotlačnih plinskih lampi s izbojem. Visokotlačna natrijeva lampa je visokoučinkovita lampa u kojoj se visokotlačna natrijeva para puni u izbojnoj cijevi, a dodaje se mala količina ksenona (Xe) i živinog metalnog halogenida. Budući da visokotlačne natrijeve lampe imaju visoku učinkovitost elektrooptičke pretvorbe uz niže troškove proizvodnje, visokotlačne natrijeve lampe trenutno se najčešće koriste u primjeni dopunske rasvjete u poljoprivrednim objektima. Međutim, zbog nedostataka niske fotosintetske učinkovitosti u njihovom spektru, imaju i nedostatke niske energetske učinkovitosti. S druge strane, spektralne komponente koje emitiraju visokotlačne natrijeve lampe uglavnom su koncentrirane u žuto-narančastom svjetlosnom pojasu, kojem nedostaju crveni i plavi spektar potrebni za rast biljaka.

■ Svjetleća dioda
Kao nova generacija izvora svjetlosti, svjetleće diode (LED) imaju mnoge prednosti kao što su veća učinkovitost elektrooptičke pretvorbe, podesivi spektar i visoka fotosintetska učinkovitost. LED može emitirati monokromatsku svjetlost potrebnu za rast biljaka. U usporedbi s običnim fluorescentnim lampama i drugim dodatnim izvorima svjetlosti, LED ima prednosti uštede energije, zaštite okoliša, dugog vijeka trajanja, monokromatske svjetlosti, hladnog izvora svjetlosti i tako dalje. Daljnjim poboljšanjem elektrooptičke učinkovitosti LED dioda i smanjenjem troškova uzrokovanih efektom razmjera, LED sustavi rasvjete za uzgoj postat će glavna oprema za dopunsku rasvjetu u poljoprivrednim objektima. Kao rezultat toga, LED svjetla za uzgoj primijenjena su u preko 99,9% tvornica biljaka.

Usporedbom se mogu jasno razumjeti karakteristike različitih dodatnih izvora svjetlosti, kao što je prikazano u Tablici 1.

Mobilni uređaj za rasvjetu
Intenzitet svjetlosti usko je povezan s rastom usjeva. Trodimenzionalni uzgoj često se koristi u tvornicama biljaka. Međutim, zbog ograničenja strukture regala za uzgoj, neravnomjerna raspodjela svjetlosti i temperature između regala utjecat će na prinos usjeva i razdoblje žetve neće biti sinkronizirano. Tvrtka u Pekingu uspješno je razvila ručni uređaj za podizanje dodatne rasvjete (HPS rasvjetno tijelo i LED rasvjetno tijelo za uzgoj) 2010. godine. Princip je okretanje pogonskog vratila i namotača pričvršćenog na njega protresanjem ručke kako bi se rotirala mala rola folije kako bi se postigla svrha uvlačenja i odmotavanja žičanog užeta. Čelično uže svjetla za uzgoj povezano je s kotačem za namatanje elevatora putem više setova kotača za preokretanje, kako bi se postigao učinak podešavanja visine svjetla za uzgoj. Godine 2017. gore spomenuta tvrtka dizajnirala je i razvila novi mobilni uređaj za dodatnu rasvjetu koji može automatski podešavati visinu dodatne rasvjete u stvarnom vremenu prema potrebama rasta usjeva. Uređaj za podešavanje sada je instaliran na trodimenzionalnom stalku za uzgoj s 3 sloja izvora svjetlosti za podizanje. Gornji sloj uređaja je razina s najboljim svjetlosnim uvjetima, pa je opremljen visokotlačnim natrijevim lampama; srednji i donji sloj opremljeni su LED svjetlima za uzgoj i sustavom za podešavanje podizanja. Može automatski podesiti visinu svjetla za uzgoj kako bi se osiguralo prikladno svjetlosno okruženje za usjeve.

U usporedbi s mobilnim uređajem za dopunsko osvjetljenje prilagođenim trodimenzionalnom uzgoju, Nizozemska je razvila horizontalno pomični LED uređaj za dopunsko osvjetljenje za uzgoj. Kako bi se izbjegao utjecaj sjene svjetla za uzgoj na rast biljaka na suncu, sustav svjetla za uzgoj može se gurnuti na obje strane nosača kroz teleskopski klizač u horizontalnom smjeru, tako da sunce u potpunosti obasja biljke; za oblačnih i kišnih dana bez sunčeve svjetlosti, gurnite sustav svjetla za uzgoj na sredinu nosača kako bi svjetlost sustava svjetla za uzgoj ravnomjerno ispunila biljke; pomičite sustav svjetla za uzgoj vodoravno kroz klizač na nosaču, izbjegavajte često rastavljanje i uklanjanje sustava svjetla za uzgoj te smanjite intenzitet rada zaposlenika, čime se učinkovito poboljšava učinkovitost rada.

Ideje za dizajn tipičnog sustava svjetla za uzgoj
Iz dizajna mobilnog uređaja za dodatnu rasvjetu nije teško vidjeti da dizajn sustava dodatne rasvjete u tvornici biljaka obično uzima intenzitet svjetlosti, kvalitetu svjetlosti i parametre fotoperioda različitih razdoblja rasta usjeva kao središnji sadržaj dizajna, oslanjajući se na inteligentni sustav upravljanja koji se implementira, postižući krajnji cilj uštede energije i visokog prinosa.

Trenutno se dizajn i konstrukcija dodatne rasvjete za lisnato povrće postupno usavršava. Na primjer, lisnato povrće može se podijeliti u četiri faze: faza sadnice, srednji rast, kasni rast i završna faza; voćno povrće može se podijeliti na fazu sadnice, fazu vegetativnog rasta, fazu cvjetanja i fazu berbe. Što se tiče intenziteta dodatne svjetlosti, intenzitet svjetlosti u fazi sadnice trebao bi biti nešto niži, na 60~200 μmol/(m²·s), a zatim se postupno povećavati. Lisnato povrće može doseći i do 100~200 μmol/(m²·s), a voćno povrće može doseći 300~500 μmol/(m²·s) kako bi se osigurali zahtjevi za intenzitetom svjetlosti fotosinteze biljaka u svakom razdoblju rasta i zadovoljile potrebe visokog prinosa; Što se tiče kvalitete svjetlosti, omjer crvene i plave boje vrlo je važan. Kako bi se povećala kvaliteta sadnica i spriječio prekomjerni rast u fazi sadnica, omjer crvene i plave općenito se postavlja na nisku razinu [(1~2):1], a zatim se postupno smanjuje kako bi se zadovoljile potrebe svjetlosne morfologije biljaka. Omjer crvene i plave kod lisnatog povrća može se postaviti na (3~6):1. Za fotoperiod, slično intenzitetu svjetlosti, trebao bi pokazivati ​​trend povećanja s produljenjem razdoblja rasta, tako da lisnato povrće ima više fotosintetskog vremena za fotosintezu. Dizajn dodatka svjetlosti za voće i povrće bit će složeniji. Uz gore navedene osnovne zakone, trebali bismo se usredotočiti na postavljanje fotoperioda tijekom razdoblja cvjetanja, a cvjetanje i plodonošenje povrća mora se poticati kako se ne bi pojavili negativni efekti.

Vrijedi spomenuti da formula svjetla treba uključivati ​​završni tretman za svjetlosne uvjete okoline. Na primjer, kontinuirano dodavanje svjetla može uvelike poboljšati prinos i kvalitetu hidroponskih sadnica lisnatog povrća ili koristiti UV tretman za značajno poboljšanje nutritivne kvalitete klica i lisnatog povrća (posebno ljubičaste i crvene salate).

Osim optimizacije dodavanja svjetlosti za odabrane usjeve, sustav upravljanja izvorom svjetlosti nekih tvornica biljaka umjetne rasvjete također se brzo razvio posljednjih godina. Ovaj sustav upravljanja općenito se temelji na B/S strukturi. Daljinsko upravljanje i automatska kontrola čimbenika okoliša poput temperature, vlažnosti, svjetlosti i koncentracije CO2 tijekom rasta usjeva ostvaruju se putem WIFI-ja, a istovremeno se ostvaruje proizvodna metoda koja nije ograničena vanjskim uvjetima. Ova vrsta inteligentnog sustava dodatne rasvjete koristi LED rasvjetu za uzgoj kao dodatni izvor svjetlosti, u kombinaciji s daljinskim inteligentnim sustavom upravljanja, može zadovoljiti potrebe osvjetljenja biljaka valnim duljinama, posebno je prikladna za okruženje uzgoja biljaka s kontroliranom svjetlošću i može dobro zadovoljiti tržišnu potražnju.

Završne napomene
Tvornice biljaka smatraju se važnim načinom rješavanja svjetskih problema resursa, stanovništva i okoliša u 21. stoljeću te važnim načinom postizanja samodostatnosti hrane u budućim visokotehnološkim projektima. Kao nova vrsta poljoprivredne proizvodne metode, tvornice biljaka još su u fazi učenja i rasta te je potrebno više pažnje i istraživanja. Ovaj članak opisuje karakteristike i prednosti uobičajenih metoda dopunske rasvjete u tvornicama biljaka te predstavlja ideje dizajna tipičnih sustava dopunske rasvjete usjeva. Nije teško usporediti, a kako bi se nosilo sa slabim svjetlom uzrokovanim teškim vremenskim uvjetima poput kontinuiranog oblačnog vremena i magle te osiguralo visoku i stabilnu proizvodnju usjeva u objektima, LED oprema za uzgoj svjetla najviše je u skladu s trenutnim trendovima razvoja.

Budući smjer razvoja tvornica biljaka trebao bi se usredotočiti na nove visokoprecizne, jeftine senzore, daljinski upravljive sustave rasvjete s podesivim spektrom i stručne upravljačke sustave. Istovremeno, buduće tvornice biljaka nastavit će se razvijati prema jeftinim, inteligentnim i samoadaptivnim sustavima. Korištenje i popularizacija LED izvora svjetlosti za uzgoj jamče visokopreciznu kontrolu okoliša u tvornicama biljaka. Regulacija LED svjetlosnog okruženja složen je proces koji uključuje sveobuhvatnu regulaciju kvalitete svjetlosti, intenziteta svjetlosti i fotoperioda. Relevantni stručnjaci i znanstvenici trebaju provesti dubinska istraživanja, promovirajući LED dopunsku rasvjetu u tvornicama biljaka s umjetnom rasvjetom.