Aŭtoro: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, ktp. Fonto: Agrikultura Inĝenieristika Teknologio (forceja hortikulturo)

La fabriko kombinas modernan industrion, bioteknologion, nutraĵan hidroponikon kaj informan teknologion por efektivigi altprecizan kontrolon de mediaj faktoroj en la instalaĵo. Ĝi estas tute enfermita, havas malaltajn postulojn pri la ĉirkaŭa medio, mallongigas la rikoltperiodon de plantoj, ŝparas akvon kaj sterkon, kaj kun la avantaĝoj de senpesticida produktado kaj neniu ruba elĵeto, la teruzefikeco de unuo estas 40 ĝis 10⁻⁸-oble pli alta ol tiu de malferma kampoproduktado. Inter ili, la inteligenta artefarita lumfonto kaj ĝia lummedia reguligo ludas decidan rolon en ĝia produktadefikeco.

Kiel grava fizika media faktoro, lumo ludas ŝlosilan rolon en la reguligo de plantkresko kaj materiala metabolo. "Unu el la ĉefaj trajtoj de la plantfabriko estas la plena artefarita lumfonto kaj la realigo de inteligenta reguligo de la lummedio" fariĝis ĝenerala konsento en la industrio.

La bezono de plantoj por lumo

Lumo estas la sola energifonto de planta fotosintezo. Lumintenseco, lumkvalito (spektro) kaj periodaj ŝanĝoj de lumo havas profundan efikon sur la kreskon kaj disvolviĝon de kultivaĵoj, inter kiuj la lumintenseco havas la plej grandan efikon sur planta fotosintezo.

■ Lumintenseco

La intenseco de lumo povas ŝanĝi la morfologion de kultivaĵoj, kiel ekzemple floradon, internodan longon, tigan dikecon, kaj folian grandecon kaj dikecon. La bezonoj de plantoj pri lumintenseco povas esti dividitaj en lum-amajn, mez-lum-amajn kaj malalt-lum-toleremajn plantojn. Legomoj estas plejparte lum-amaj plantoj, kaj iliaj lum-kompensaj punktoj kaj lum-saturiĝaj punktoj estas relative altaj. En fabrikoj de artefaritaj lumiloj, la koncernaj bezonoj de kultivaĵoj pri lumintenseco estas grava bazo por elekti artefaritajn lumfontojn. Kompreni la lumpostulojn de malsamaj plantoj estas grave por desegni artefaritajn lumfontojn. Estas ekstreme necese plibonigi la produktadan rendimenton de la sistemo.

■ Lumkvalito

La distribuo de lumkvalito (spektra) ankaŭ havas gravan influon sur planta fotosintezo kaj morfogenezo (Figuro 1). Lumo estas parto de radiado, kaj radiado estas elektromagneta ondo. Elektromagnetaj ondoj havas ondkarakterizaĵojn kaj kvantum(partiklajn) karakterizaĵojn. La kvanto de lumo nomiĝas fotono en la hortikultura kampo. Radiado kun ondolonga gamo de 300~800nm ​​nomiĝas fiziologie aktiva radiado de plantoj; kaj radiado kun ondolonga gamo de 400~700nm nomiĝas fotosinteze aktiva radiado (PAR) de plantoj.

Klorofilo kaj karotenoj estas la du plej gravaj pigmentoj en planta fotosintezo. Figuro 2 montras la spektran sorbospektron de ĉiu fotosinteza pigmento, en kiu la klorofila sorbospektro koncentriĝas en la ruĝaj kaj bluaj bendoj. La lumiga sistemo baziĝas sur la spektraj bezonoj de kultivaĵoj por artefarite kompletigi lumon, por antaŭenigi la fotosintezon de plantoj.

■ fotoperiodo
La rilato inter fotosintezo kaj fotomorfogenezo de plantoj kaj la tagdaŭro (aŭ fotoperioda tempo) nomiĝas fotoperiodeco de plantoj. La fotoperiodeco estas proksime rilata al la lumhoroj, kio rilatas al la tempo, kiam la kultivaĵo estas surradiita de lumo. Malsamaj kultivaĵoj bezonas certan nombron da lumhoroj por kompletigi la fotoperiodon por flori kaj frukti. Laŭ la malsamaj fotoperiodoj, oni povas dividi ilin en longtagajn kultivaĵojn, kiel brasiko, ktp., kiuj bezonas pli ol 12-14 horojn da lumhoroj en certa stadio de sia kresko; mallongtagajn kultivaĵojn, kiel cepoj, sojfaboj, ktp., bezonas malpli ol 12-14 horojn da lumhoroj; mezsunajn kultivaĵojn, kiel kukumojn, tomatojn, piprojn, ktp., povas flori kaj frukti sub pli longa aŭ pli mallonga sunlumo.
Inter la tri elementoj de la ĉirkaŭaĵo, lumintenseco estas grava bazo por elekti artefaritajn lumfontojn. Nuntempe, ekzistas multaj manieroj esprimi lumintensecon, ĉefe inkluzive de la jenaj tri.
(1) Lumigo rilatas al la surfaca denseco de lumfluo (lumfluo po surfacunuo) ricevita sur la lumigita ebeno, en luksoj (lx).

(2) Fotosinteze aktiva radiado, PAR, Unuo: W/m².

(3) La fotosinteze efika fotona fluksdenseco PPFD aŭ PPF estas la nombro da fotosinteze efika radiado, kiu atingas aŭ trapasas unuon de tempo kaj unuo de areo, unuo: μmol/(m²·s). Ĉefe rilatas al la lumintenseco de 400~700nm rekte rilata al fotosintezo. Ĝi ankaŭ estas la plej ofte uzata indikilo de lumintenseco en la kampo de plantproduktado.

Analizo de lumfontoj de tipa suplementa lumsistemo
Aldonaĵo de artefarita lumo celas pliigi la lumintensecon en la cela areo aŭ plilongigi la lumtempon per instalado de aldona lumsistemo por kontentigi la lumbezonon de plantoj. Ĝenerale parolante, la aldona lumsistemo inkluzivas aldonajn lumilojn, cirkvitojn kaj ĝian kontrolsistemon. Aldonaj lumfontoj ĉefe inkluzivas plurajn komunajn tipojn kiel inkandeskajn lampojn, fluoreskajn lampojn, metal-halogenidajn lampojn, altpremajn natriajn lampojn kaj LED-ojn. Pro la malalta elektra kaj optika efikeco de inkandeskaj lampoj, malalta fotosinteza energiefikeco kaj aliaj mankoj, ili estis forigitaj de la merkato, do ĉi tiu artikolo ne faras detalan analizon.

■ Fluoreska lampo
Fluoreskaj lampoj apartenas al la tipo de malaltpremaj gasaj malŝarĝlampoj. La vitra tubo estas plenigita per hidrarga vaporo aŭ inerta gaso, kaj la interna muro de la tubo estas kovrita per fluoreska pulvoro. La lumkoloro varias laŭ la fluoreska materialo kovrita en la tubo. Fluoreskaj lampoj havas bonan spektran rendimenton, altan lumefikecon, malaltan potencon, pli longan vivdaŭron (12000h) kompare kun inkandeskaj lampoj, kaj relative malaltan koston. Ĉar la fluoreska lampo mem elsendas malpli da varmo, ĝi povas esti proksime al la plantoj por lumigado kaj taŭgas por tridimensia kultivado. Tamen, la spektra aranĝo de la fluoreska lampo estas neakceptebla. La plej ofta metodo en la mondo estas aldoni reflektorojn por maksimumigi la efikajn lumfontajn komponantojn de la kultivaĵoj en la kultivareo. Japana adv-agri-kompanio ankaŭ evoluigis novan tipon de suplementa lumfonto HEFL. HEFL fakte apartenas al la kategorio de fluoreskaj lampoj. Ĝi estas la ĝenerala termino por malvarmkatodaj fluoreskaj lampoj (CCFL) kaj eksterelektrodaj fluoreskaj lampoj (EEFL), kaj estas mikselektroda fluoreska lampo. La HEFL-tubo estas ekstreme maldika, kun diametro de nur ĉirkaŭ 4mm, kaj la longo povas esti alĝustigita de 450mm ĝis 1200mm laŭ la bezonoj de kultivado. Ĝi estas plibonigita versio de la konvencia fluoreska lampo.

■ Metal-halida lampo
La metal-halida lampo estas alt-intensa malŝarĝa lampo, kiu povas eksciti diversajn elementojn por produkti malsamajn ondolongojn per aldono de diversaj metal-halogenidoj (stana bromido, natria jodido, ktp.) en la malŝarĝan tubon surbaze de altprema hidrarga lampo. Halogenaj lampoj havas altan lumefikecon, altan potencon, bonan lumkoloron, longan vivdaŭron kaj larĝan spektron. Tamen, ĉar la lumefikeco estas pli malalta ol tiu de altpremaj natriaj lampoj, kaj la vivdaŭro estas pli mallonga ol tiu de altpremaj natriaj lampoj, ĝi nuntempe estas uzata nur en kelkaj fabrikoj.

■ Altprema natria lampo
Altpremaj natriaj lampoj apartenas al la tipo de altpremaj gasaj malŝarĝlampoj. La altprema natria lampo estas alt-efika lampo, en kiu altprema natria vaporo estas plenigita en la malŝarĝan tubon, kaj malgranda kvanto da ksenono (Xe) kaj hidrarga metala halogenido estas aldonita. Ĉar altpremaj natriaj lampoj havas altan elektro-optikan konvertan efikecon kun pli malaltaj fabrikadaj kostoj, altpremaj natriaj lampoj nuntempe estas la plej vaste uzataj en la apliko de suplementa lumo en agrikulturaj instalaĵoj. Tamen, pro la mankoj de malalta fotosinteza efikeco en sia spektro, ili havas la mankojn de malalta energiefikeco. Aliflanke, la spektraj komponantoj elsenditaj de altpremaj natriaj lampoj estas ĉefe koncentritaj en la flava-oranĝa lumbendo, al kiu mankas la ruĝaj kaj bluaj spektroj necesaj por plantkresko.

■ Lum-elsendanta diodo
Kiel nova generacio de lumfontoj, lum-elsendantaj diodoj (LED-oj) havas multajn avantaĝojn, kiel pli altan elektro-optikan konvertan efikecon, alĝustigeblan spektron kaj altan fotosintezan efikecon. LED-oj povas elsendi monokromatan lumon necesan por plantkreskado. Kompare kun ordinaraj fluoreskaj lampoj kaj aliaj suplementaj lumfontoj, LED-oj havas la avantaĝojn de energiŝparo, mediprotektado, longa vivdaŭro, monokroma lumo, malvarma lumfonto kaj tiel plu. Kun la plua plibonigo de la elektro-optika efikeco de LED-oj kaj la redukto de kostoj kaŭzitaj de la skalefiko, LED-kreskigaj lumigaj sistemoj fariĝos la ĉefa ekipaĵo por suplementi lumon en agrikulturaj instalaĵoj. Rezulte, LED-kreskigaj lampoj estas aplikitaj en pli ol 99.9% de plantfabrikoj.

Per komparo, la karakterizaĵoj de malsamaj suplementaj lumfontoj povas esti klare komprenitaj, kiel montrite en Tabelo 1.

Movebla lumiga aparato
La intenseco de lumo estas proksime rilata al la kresko de kultivaĵoj. Tridimensia kultivado ofte estas uzata en plantfabrikoj. Tamen, pro la limigoj de la strukturo de la kultivbretoj, la malegala distribuo de lumo kaj temperaturo inter la bretoj influos la rikolton de la kultivaĵoj kaj la rikoltperiodo ne estos sinkronigita. Firmao en Pekino sukcese evoluigis manan levan lum-aldonan aparaton (HPS-lumigilo kaj LED-kreskiga lumigilo) en 2010. La principo estas rotacii la transmisian ŝafton kaj la fiksitan sur ĝi volvigilon per skuado de la tenilo por rotacii la malgrandan filmbobenon por atingi la celon retiri kaj malvolvi la dratan ŝnuron. La drata ŝnuro de la kreskiga lampo estas konektita kun la volvanta rado de la lifto per pluraj aroj de inversigaj radoj, por atingi la efikon de alĝustigo de la alteco de la kreskiga lampo. En 2017, la supre menciita kompanio desegnis kaj evoluigis novan moveblan lum-aldonan aparaton, kiu povas aŭtomate alĝustigi la altecon de la lum-aldonaĵo en reala tempo laŭ la bezonoj de la kultiva kresko. La alĝustiga aparato nun estas instalita sur la 3-tavola lumfonta leva tridimensia kultiviga breto. La supra tavolo de la aparato estas la nivelo kun la plej bonaj lumkondiĉoj, tial ĝi estas ekipita per altpremaj natriaj lampoj; la meza tavolo kaj la malsupra tavolo estas ekipitaj per LED-kresklumoj kaj levanta alĝustiga sistemo. Ĝi povas aŭtomate alĝustigi la alton de la kresklumo por provizi taŭgan lumigan medion por la kultivaĵoj.

Kompare kun la movebla lum-aldonaĵa aparato adaptita por tridimensia kultivado, Nederlando evoluigis horizontale moveblan LED-kresklum-aldonaĵan lum-aparaton. Por eviti la influon de la ombro de la kresklumo sur la kreskon de plantoj en la suno, la kreskluma sistemo povas esti puŝita al ambaŭ flankoj de la krampo tra la teleskopa glitŝlosilo en la horizontala direkto, tiel ke la suno plene surradias la plantojn; en nubaj kaj pluvaj tagoj sen sunlumo, puŝu la kreskluman sistemon al la mezo de la krampo por ke la lumo de la kreskluma sistemo egale plenigu la plantojn; movu la kreskluman sistemon horizontale tra la glitŝlosilo sur la krampo, evitu oftajn malmuntojn kaj forigojn de la kreskluma sistemo, kaj reduktu la laborintensecon de dungitoj, tiel efike plibonigante laborefikecon.

Dezajnaj ideoj pri tipa kreskiga lumsistemo
Ne estas malfacile vidi el la dezajno de la movebla lumiga aldona aparato, ke la dezajno de la aldona lumiga sistemo de la fabrikejo kutime prenas la lumintensecon, lumkvaliton kaj fotoperiodajn parametrojn de malsamaj kultivaĵaj kreskoperiodoj kiel la kernan enhavon de la dezajno, fidante je la inteligenta kontrolsistemo por efektivigi, atingante la finfinan celon de energiŝparo kaj alta rendimento.

Nuntempe, la projektado kaj konstruado de suplementa lumo por foliaj legomoj iom post iom maturiĝis. Ekzemple, foliaj legomoj povas esti dividitaj en kvar stadiojn: plantida stadio, meza kresko, malfrua kresko kaj fina stadio; fruktaj legomoj povas esti dividitaj en plantidan stadion, vegetativan kreskostadion, florantan stadion kaj rikoltan stadion. El la atributoj de suplementa lumintenseco, la lumintenseco en la plantida stadio devus esti iomete pli malalta, je 60~200 μmol/(m²·s), kaj poste iom post iom pliiĝi. Foliaj legomoj povas atingi ĝis 100~200 μmol/(m²·s), kaj fruktaj legomoj povas atingi 300~500 μmol/(m²·s) por certigi la lumintensecajn postulojn de planta fotosintezo en ĉiu kreskoperiodo kaj plenumi la bezonojn de alta rendimento; Rilate al lumkvalito, la proporcio de ruĝa al blua estas tre grava. Por pliigi la kvaliton de plantidoj kaj malhelpi troan kreskon en la plantida stadio, la proporcio de ruĝa al blua estas ĝenerale fiksita je malalta nivelo [(1~2):1], kaj poste iom post iom reduktita por kontentigi la bezonojn de la lummorfologio de la plantoj. La proporcio de ruĝa al blua al foliaj legomoj povas esti fiksita je (3~6):1. Koncerne la fotoperiodon, simile al la lumintenseco, ĝi devus montri tendencon de kresko kun la plilongigo de la kreskoperiodo, tiel ke foliaj legomoj havu pli da fotosinteza tempo por fotosintezo. La dezajno de lumsuplementoj por fruktoj kaj legomoj estos pli komplika. Aldone al la supre menciitaj bazaj leĝoj, ni devus fokusiĝi pri la fiksado de la fotoperiodo dum la florperiodo, kaj la florado kaj fruktado de legomoj devas esti antaŭenigitaj, por ke ĝi ne misfunkciu.

Indas mencii, ke la lumformulo devus inkluzivi la finan traktadon por lummediaj agordoj. Ekzemple, kontinua lumsuplementado povas multe plibonigi la rikolton kaj kvaliton de hidroponaj foliaj legomoj, aŭ uzi UV-traktadon por signife plibonigi la nutrokvaliton de ĝermoj kaj foliaj legomoj (precipe purpuraj folioj kaj ruĝa folia laktuko).

Krom optimumigi lumsuplementadon por elektitaj kultivaĵoj, la lumfonta kontrolsistemo de iuj artefaritaj lumfabrikoj ankaŭ rapide evoluis en la lastaj jaroj. Ĉi tiu kontrolsistemo ĝenerale baziĝas sur la B/S-strukturo. Teleregado kaj aŭtomata kontrolo de mediaj faktoroj kiel temperaturo, humideco, lumo kaj CO2-koncentriĝo dum la kreskado de kultivaĵoj estas realigitaj per WIFI, kaj samtempe, produktadmetodo ne limigita de eksteraj kondiĉoj estas realigita. Ĉi tiu speco de inteligenta suplementa lumsistemo uzas LED-kreskigan lampon kiel suplementan lumfonton, kombinita kun teleregata inteligenta kontrolsistemo, povas kontentigi la bezonojn de planta ondolongolumigo, estas aparte taŭga por lumkontrolita plantkultiva medio, kaj povas bone kontentigi merkatan postulon.

Finaj rimarkoj
Fabrikfabrikoj estas konsiderataj grava maniero solvi mondajn problemojn pri rimedoj, loĝantaro kaj medio en la 21-a jarcento, kaj grava maniero atingi manĝaĵan aŭtarkion en estontaj altteknologiaj projektoj. Kiel nova tipo de agrikultura produktadmetodo, plantfabrikoj ankoraŭ estas en la lernado- kaj kreskofazo, kaj pli da atento kaj esplorado estas necesaj. Ĉi tiu artikolo priskribas la karakterizaĵojn kaj avantaĝojn de komunaj suplementaj lumigaj metodoj en plantfabrikoj, kaj prezentas la dezajnajn ideojn de tipaj suplementaj lumigaj sistemoj por kultivaĵoj. Ne estas malfacile trovi ilin per komparo. Por trakti la malaltan lumon kaŭzitan de severa vetero kiel kontinua nubo kaj nebulo, kaj por certigi altan kaj stabilan produktadon de instalaĵaj kultivaĵoj, LED Grow lumfonta ekipaĵo plej konformas al nunaj disvolvaj tendencoj.

La estonta disvolviĝa direkto de fabrikoj devus fokusiĝi al novaj alt-precizaj, malaltkostaj sensiloj, malproksime kontroleblaj, alĝustigeblaj spektraj lumigaj sistemoj kaj spertaj kontrolsistemoj. Samtempe, la estontaj fabrikoj daŭre disvolviĝos al malaltkostaj, inteligentaj kaj mem-adaptiĝaj. La uzo kaj popularigo de LED-kreskigaj lumfontoj garantias alt-precizan median kontrolon de fabrikoj. Regulado de LED-luma medio estas kompleksa procezo, kiu implikas ampleksan reguligon de lumkvalito, lumintenseco kaj fotoperiodo. Koncernaj fakuloj kaj akademiuloj bezonas fari profundan esploradon, antaŭenigante LED-suplementan lumigadon en fabrikoj de artefarita lumo.