Автор: Джинг Джао, Дзенчан Джоу, Юнлун Бу и др. Източник: Технология на селскостопанското инженерство (оранжерийно градинарство)

Фабриката за растения съчетава модерна индустрия, биотехнологии, хидропоника с хранителни вещества и информационни технологии, за да внедри високопрецизен контрол на факторите на околната среда в съоръжението. Тя е напълно затворена, има ниски изисквания към околната среда, скъсява периода на прибиране на реколтата от растения, спестява вода и торове, а с предимствата на производството без пестициди и липсата на изхвърляне на отпадъци, ефективността на използване на земята е от 40 до 108 пъти по-висока от тази на производството на открито. Сред тях, интелигентният изкуствен източник на светлина и регулирането на светлинната среда играят решаваща роля за ефективността на производството.

Като важен физически фактор на околната среда, светлината играе ключова роля в регулирането на растежа на растенията и метаболизма на веществата. „Една от основните характеристики на растителната фабрика е пълният изкуствен източник на светлина и осъществяването на интелигентно регулиране на светлинната среда“ се е превърнало в общ консенсус в индустрията.

Нуждата на растенията от светлина

Светлината е единственият източник на енергия за фотосинтезата на растенията. Интензитетът на светлината, качеството (спектърът) на светлината и периодичните промени в светлината имат дълбоко влияние върху растежа и развитието на културите, сред които интензитетът на светлината има най-голямо влияние върху фотосинтезата на растенията.

■ Интензитет на светлината

Интензитетът на светлината може да промени морфологията на културите, като например цъфтеж, дължина на междувъзлията, дебелина на стъблото, размер и дебелина на листата. Изискванията на растенията за интензитет на светлината могат да бъдат разделени на светлолюбиви, средно светлолюбиви и слабо светлоустойчиви растения. Зеленчуците са предимно светлолюбиви растения и техните точки на компенсация на светлината и точки на насищане със светлина са сравнително високи. В заводите за изкуствена светлина съответните изисквания на културите за интензитет на светлината са важна основа за избора на изкуствени източници на светлина. Разбирането на изискванията за светлина на различните растения е важно за проектирането на изкуствени източници на светлина и е изключително необходимо да се подобри производствената производителност на системата.

■ Качество на светлината

Разпределението на качеството на светлината (спектрално) също има важно влияние върху фотосинтезата и морфогенезата на растенията (Фигура 1). Светлината е част от радиацията, а радиацията е електромагнитна вълна. Електромагнитните вълни имат вълнови характеристики и квантови (корпусна) характеристики. Квантът светлина се нарича фотон в градинарството. Радиацията с дължина на вълната от 300~800 nm се нарича физиологично активна радиация на растенията; а радиацията с дължина на вълната от 400~700 nm се нарича фотосинтетично активна радиация (ФАР) на растенията.

Хлорофилът и каротините са двата най-важни пигмента в фотосинтезата на растенията. Фигура 2 показва спектралния абсорбционен спектър на всеки фотосинтетичен пигмент, в който абсорбционният спектър на хлорофила е концентриран в червените и сините ленти. Осветителната система се основава на спектралните нужди на културите за изкуствено допълване на светлината, така че да се насърчи фотосинтезата на растенията.

■ фотопериод
Връзката между фотосинтезата и фотоморфогенезата на растенията и продължителността на деня (или фотопериодното време) се нарича фотопериодичност на растенията. Фотопериодичността е тясно свързана със светлинните часове, което се отнася до времето, през което културата е облъчена от светлина. Различните култури се нуждаят от определен брой светлинни часове, за да завършат фотопериода, за да цъфтят и дадат плодове. Според различните фотопериоди, те могат да бъдат разделени на дългодневни култури, като зеле и др., които се нуждаят от повече от 12-14 часа светлинни часа на определен етап от растежа си; краткодневни култури, като лук, соя и др., които се нуждаят от по-малко от 12-14 часа осветеност; средно слънчеви култури, като краставици, домати, чушки и др., могат да цъфтят и дават плодове при по-дълга или по-кратка слънчева светлина.
Сред трите елемента на околната среда, интензитетът на светлината е важна основа за избора на изкуствени източници на светлина. В момента има много начини за изразяване на интензитета на светлината, включително главно следните три.
(1) Осветеността се отнася до повърхностната плътност на светлинния поток (светлинен поток на единица площ), получен върху осветената равнина, в луксове (lx).

(2) Фотосинтетично активна радиация, PAR, мерна единица: W/m².

(3) Фотосинтетично ефективната плътност на фотонния поток PPFD или PPF е количеството фотосинтетично ефективно лъчение, което достига или преминава през единица време и единица площ, единица: μmol/(m²·s). Отнася се главно до интензитета на светлината от 400~700nm, пряко свързан с фотосинтезата. Това е и най-често използваният индикатор за интензитет на светлината в областта на растениевъдството.

Анализ на светлинния източник на типична допълнителна светлинна система
Допълването с изкуствена светлина е за увеличаване на интензитета на светлината в целевата зона или удължаване на времето на осветление чрез инсталиране на система за допълнително осветление, за да се задоволят светлинните нужди на растенията. Най-общо казано, системата за допълнително осветление включва допълнително осветително оборудване, електрически вериги и система за управление. Допълнителните източници на светлина включват главно няколко често срещани вида, като например лампи с нажежаема жичка, флуоресцентни лампи, метал-халогенни лампи, натриеви лампи с високо налягане и светодиоди. Поради ниската електрическа и оптична ефективност на лампите с нажежаема жичка, ниската фотосинтетична енергийна ефективност и други недостатъци, те са елиминирани от пазара, така че тази статия не прави подробен анализ.

■ Флуоресцентна лампа
Флуоресцентните лампи принадлежат към вида газоразрядни лампи с ниско налягане. Стъклената тръба е запълнена с живачни пари или инертен газ, а вътрешната стена на тръбата е покрита с флуоресцентен прах. Цветът на светлината варира в зависимост от флуоресцентния материал, покрит в тръбата. Флуоресцентните лампи имат добри спектрални характеристики, висока светлинна ефективност, ниска мощност, по-дълъг живот (12000 часа) в сравнение с лампите с нажежаема жичка и относително ниска цена. Тъй като самата флуоресцентна лампа излъчва по-малко топлина, тя може да бъде осветена близо до растенията и е подходяща за триизмерно отглеждане. Спектралното разположение на флуоресцентната лампа обаче е неразумно. Най-разпространеният метод в света е добавянето на рефлектори, за да се увеличи максимално ефективното използване на светлинния източник на културите в зоната на отглеждане. Японската компания adv-agri разработи и нов тип допълнителен светлинен източник HEFL. HEFL всъщност принадлежи към категорията флуоресцентни лампи. Това е общият термин за флуоресцентни лампи със студен катод (CCFL) и флуоресцентни лампи с външен електрод (EEFL) и представлява флуоресцентна лампа със смесен електрод. Тръбата HEFL е изключително тънка, с диаметър само около 4 мм, а дължината може да се регулира от 450 мм до 1200 мм според нуждите на отглеждане. Тя е подобрена версия на конвенционалната флуоресцентна лампа.

■ Металхалогенна лампа
Метал-халогенната лампа е газоразрядна лампа с висок интензитет, която може да възбужда различни елементи, за да произвежда различни дължини на вълните, като добавя различни метал-халогениди (калаен бромид, натриев йодид и др.) в газоразрядната тръба, базирана на живачна лампа с високо налягане. Халогенните лампи имат висока светлинна ефективност, висока мощност, добър цвят на светлината, дълъг живот и широк спектър. Тъй като обаче светлинната ефективност е по-ниска от тази на натриевите лампи с високо налягане, а животът им е по-кратък от този на натриевите лампи с високо налягане, в момента се използва само в няколко завода.

■ Натриева лампа с високо налягане
Натриевите лампи за високо налягане принадлежат към вида газоразрядни лампи за високо налягане. Натриевата лампа за високо налягане е високоефективна лампа, в която разрядната тръба е запълнена с натриеви пари под високо налягане и е добавено малко количество ксенон (Xe) и живачен метал-халогенид. Тъй като натриевите лампи за високо налягане имат висока ефективност на електрооптично преобразуване с по-ниски производствени разходи, натриевите лампи за високо налягане в момента са най-широко използваните за приложение на допълнително осветление в селскостопански съоръжения. Поради недостатъците на ниската фотосинтетична ефективност в техния спектър обаче, те имат и недостатъка на ниската енергийна ефективност. От друга страна, спектралните компоненти, излъчвани от натриевите лампи за високо налягане, са концентрирани главно в жълто-оранжевата светлинна лента, в която липсват червеният и синият спектър, необходими за растежа на растенията.

■ Светодиод
Като ново поколение източници на светлина, светодиодите (LED) имат много предимства, като например по-висока ефективност на електрооптично преобразуване, регулируем спектър и висока фотосинтетична ефективност. LED диодите могат да излъчват монохроматична светлина, необходима за растежа на растенията. В сравнение с обикновените флуоресцентни лампи и други допълнителни източници на светлина, LED диодите имат предимствата на енергоспестяване, опазване на околната среда, дълъг живот, монохроматична светлина, източник на студена светлина и т.н. С по-нататъшното подобряване на електрооптичната ефективност на LED диодите и намаляването на разходите, причинени от ефекта на мащаба, LED осветителните системи за отглеждане на растения ще се превърнат в основно оборудване за допълване на светлината в селскостопанските съоръжения. В резултат на това LED осветителните тела за отглеждане на растения са били приложени в над 99,9% от заводите за производство на растения.

Чрез сравнение, характеристиките на различните допълнителни източници на светлина могат да бъдат ясно разбрани, както е показано в Таблица 1.

Мобилно осветително устройство
Интензитетът на светлината е тясно свързан с растежа на културите. Триизмерното култивиране често се използва в заводите за растения. Поради ограниченията на структурата на култивационните стелажи обаче, неравномерното разпределение на светлината и температурата между стелажите ще повлияе на добива на културите и периодът на прибиране на реколтата няма да бъде синхронизиран. През 2010 г. компания в Пекин успешно разработи ръчно повдигащо устройство за допълнителна светлина (HPS осветително тяло и LED осветително тяло за отглеждане). Принципът е да се завърти задвижващият вал и навиващото устройство, закрепено към него, чрез разклащане на дръжката, за да се завърти малката ролка с фолио, за да се постигне целта на прибиране и развиване на стоманеното въже. Стоманеното въже на лампата за отглеждане е свързано с навиващото колело на асансьора чрез множество комплекти обръщателни колела, така че да се постигне ефект на регулиране на височината на лампата за отглеждане. През 2017 г. гореспоменатата компания проектира и разработи ново мобилно устройство за допълнителна светлина, което може автоматично да регулира височината на допълнителната светлина в реално време според нуждите на растежа на културите. Устройството за регулиране вече е инсталирано на трислойната триизмерна култивационна стелажа с повдигащ се източник на светлина. Горният слой на устройството е нивото с най-добри условия на осветление, така че е оборудвано с натриеви лампи с високо налягане; средният и долният слой са оборудвани с LED лампи за отглеждане и система за регулиране на повдигането. Тя може автоматично да регулира височината на лампата за отглеждане, за да осигури подходяща светлинна среда за културите.

В сравнение с мобилното устройство за допълнително осветление, предназначено за триизмерно отглеждане, Холандия е разработила хоризонтално подвижно LED устройство за допълнително осветление за отглеждане. За да се избегне влиянието на сянката на лампата върху растежа на растенията на слънце, системата за осветление може да се избута от двете страни на скобата чрез телескопичния плъзгач в хоризонтална посока, така че слънцето да е напълно облъчено върху растенията; в облачни и дъждовни дни без слънчева светлина, избутайте системата за осветление до средата на скобата, за да може светлината от нея да запълни растенията равномерно; преместете системата за осветление хоризонтално през плъзгача на скобата, за да избегнете честото разглобяване и отстраняване на системата за осветление и да намалите трудоемкостта на служителите, като по този начин ефективно подобрите ефективността на работата.

Идеи за дизайн на типична система за осветление за отглеждане
От дизайна на мобилното допълнително осветително устройство не е трудно да се види, че проектирането на допълнителната осветителна система на завода обикновено приема интензитета на светлината, качеството на светлината и параметрите на фотопериода на различните периоди на растеж на културите като основно съдържание на дизайна, разчитайки на интелигентната система за управление, която да се внедри, постигайки крайната цел за пестене на енергия и висок добив.

В момента проектирането и изграждането на допълнителна светлина за листни зеленчуци постепенно се е усъвършенствало. Например, листните зеленчуци могат да бъдат разделени на четири етапа: етап на разсад, среден растеж, късен растеж и краен етап; плодовите зеленчуци могат да бъдат разделени на етап на разсад, вегетативен растеж, цъфтеж и прибиране на реколтата. От характеристиките на интензитета на допълнителната светлина, интензитетът на светлината във етапа на разсад трябва да бъде малко по-нисък, между 60~200 μmol/(m²·s), и след това постепенно да се увеличава. Листните зеленчуци могат да достигнат до 100~200 μmol/(m²·s), а плодовите зеленчуци могат да достигнат 300~500 μmol/(m²·s), за да се осигурят изискванията за интензитет на светлината за фотосинтеза на растенията във всеки период на растеж и да се задоволят нуждите от висок добив; По отношение на качеството на светлината, съотношението между червеното и синьото е много важно. За да се повиши качеството на разсада и да се предотврати прекомерен растеж в етапа на поникване, съотношението червено към синьо обикновено се задава на ниско ниво [(1~2):1] и след това постепенно се намалява, за да се отговори на нуждите на светлинната морфология на растенията. Съотношението червено към синьо при листните зеленчуци може да се зададе на (3~6):1. Фотопериодът, подобно на интензитета на светлината, трябва да показва тенденция на увеличаване с удължаването на периода на растеж, така че листните зеленчуци да имат повече фотосинтетично време за фотосинтеза. Дизайнът на светлинните добавки при плодовете и зеленчуците ще бъде по-сложен. В допълнение към гореспоменатите основни закони, трябва да се съсредоточим върху настройката на фотопериода по време на периода на цъфтеж и да насърчим цъфтежа и плододаването на зеленчуците, за да не се получат обратни ефекти.

Струва си да се отбележи, че формулата за осветление трябва да включва крайна обработка за светлинни условия на средата. Например, непрекъснатото добавяне на светлина може значително да подобри добива и качеството на хидропонните листни зеленчукови разсади или използването на UV третиране за значително подобряване на хранителните качества на кълновете и листните зеленчуци (особено лилавата и червената маруля).

В допълнение към оптимизирането на добавянето на светлина за избрани култури, системата за управление на светлинния източник на някои фабрики за изкуствено осветление също се разви бързо през последните години. Тази система за управление обикновено се основава на B/S структура. Дистанционното управление и автоматичният контрол на фактори на околната среда, като температура, влажност, светлина и концентрация на CO2 по време на растежа на културите, се осъществяват чрез WIFI, като същевременно се реализира метод на производство, който не е ограничен от външни условия. Този вид интелигентна система за допълнително осветление използва LED осветително тяло за отглеждане като допълнителен източник на светлина, комбинирана с интелигентна система за дистанционно управление, може да отговори на нуждите на осветеността на растенията с контролирана светлина, особено подходяща е за среда за отглеждане на растения и може да отговори на пазарното търсене.

Заключителни бележки
Растителните фабрики се считат за важен начин за решаване на световните проблеми с ресурсите, населението и околната среда през 21-ви век, както и за постигане на продоволствена самодостатъчност в бъдещи високотехнологични проекти. Като нов вид метод за селскостопанско производство, растителните фабрики все още са в етап на обучение и растеж и са необходими повече внимание и изследвания. Тази статия описва характеристиките и предимствата на често срещаните методи за допълнително осветление в растителните фабрики и представя дизайнерските идеи на типичните системи за допълнително осветление на културите. Не е трудно да се установи чрез сравнение, че за да се справи със слабата светлина, причинена от тежки метеорологични условия като продължителна облачност и мъгла, и да осигури високо и стабилно производство на култури, LED осветлението за отглеждане на растения е най-подходящо за съвременните тенденции в развитието.

Бъдещата насока на развитие на заводите за растения трябва да се фокусира върху нови високопрецизни, нискобюджетни сензори, дистанционно управляеми, регулируеми спектрални осветителни системи и експертни системи за управление. В същото време, бъдещите заводи за растения ще продължат да се развиват към нискобюджетни, интелигентни и самоадаптивни системи. Използването и популяризирането на LED източници на светлина за отглеждане гарантират високопрецизен контрол на околната среда в заводите за растения. Регулирането на LED светлинната среда е сложен процес, включващ цялостно регулиране на качеството на светлината, интензитета на светлината и фотопериода. Съответните експерти и учени трябва да проведат задълбочени изследвания, насърчавайки допълнителното LED осветление в заводите за растения с изкуствено осветление.