Penulis: Jing Zhao ， Zengchan Zhou ， Yunlong bu, dll. Sumber Media ： Teknologi Teknik Pertanian (Hortikultura Rumah Kaca)

Pabrik tanaman menggabungkan industri modern, bioteknologi, hidroponik nutrisi dan teknologi informasi untuk mengimplementasikan kontrol presisi tinggi dari faktor lingkungan di fasilitas tersebut. Ini tertutup sepenuhnya, memiliki persyaratan rendah pada lingkungan sekitarnya, memperpendek periode panen tanaman, menghemat air dan pupuk, dan dengan keuntungan produksi non-pestisida dan tidak ada pembuangan limbah, efisiensi penggunaan lahan unit adalah 40 hingga 108 kali dari itu produksi lapangan terbuka. Di antara mereka, sumber cahaya buatan yang cerdas dan regulasi lingkungannya yang ringan memainkan peran yang menentukan dalam efisiensi produksinya.

Sebagai faktor lingkungan fisik yang penting, cahaya memainkan peran kunci dalam mengatur pertumbuhan tanaman dan metabolisme material. “Salah satu fitur utama dari pabrik tanaman adalah sumber cahaya buatan penuh dan realisasi regulasi cerdas lingkungan cahaya” telah menjadi konsensus umum dalam industri ini.

Kebutuhan tanaman akan cahaya

Cahaya adalah satu -satunya sumber energi fotosintesis tanaman. Intensitas cahaya, kualitas cahaya (spektrum) dan perubahan cahaya berkala memiliki dampak mendalam pada pertumbuhan dan pengembangan tanaman, di antaranya intensitas cahaya memiliki dampak terbesar pada fotosintesis tanaman.

■ Intensitas cahaya

Intensitas cahaya dapat mengubah morfologi tanaman, seperti berbunga, panjang ruas, ketebalan batang, dan ukuran dan ketebalan daun. Persyaratan tanaman untuk intensitas cahaya dapat dibagi menjadi tanaman yang mencintai cahaya, penyayang sedang, dan toleran ringan. Sayuran sebagian besar adalah tanaman yang mencintai cahaya, dan titik kompensasi ringan dan titik saturasi cahaya relatif tinggi. Di pabrik -pabrik tanaman ringan buatan, persyaratan yang relevan dari tanaman untuk intensitas cahaya adalah dasar penting untuk memilih sumber cahaya buatan. Memahami persyaratan cahaya dari berbagai pabrik penting untuk merancang sumber cahaya buatan, sangat penting untuk meningkatkan kinerja produksi sistem.

■ Kualitas ringan

Distribusi kualitas cahaya (spektral) juga memiliki pengaruh penting pada fotosintesis tanaman dan morfogenesis (Gambar 1). Cahaya adalah bagian dari radiasi, dan radiasi adalah gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik memiliki karakteristik gelombang dan karakteristik kuantum (partikel). Kuantum cahaya disebut foton di bidang hortikultura. Radiasi dengan rentang panjang gelombang 300 ~ 800nm ​​disebut radiasi tanaman yang aktif secara fisiologis; dan radiasi dengan kisaran panjang gelombang 400 ~ 700nm disebut radiasi aktif fotosintesis (par) tanaman.

Klorofil dan karotena adalah dua pigmen terpenting dalam fotosintesis tanaman. Gambar 2 menunjukkan spektrum serapan spektral dari masing -masing pigmen fotosintesis, di mana spektrum serapan klorofil terkonsentrasi pada pita merah dan biru. Sistem pencahayaan didasarkan pada kebutuhan spektral tanaman untuk melengkapi cahaya secara artifisial, sehingga dapat mempromosikan fotosintesis tanaman.

■ Photoperiod
Hubungan antara fotosintesis dan photomorphogenesis tanaman dan panjang hari (atau waktu fotoperiode) disebut fotoperioditas tanaman. Fotoperioditas terkait erat dengan jam cahaya, yang mengacu pada waktu tanaman diiradiasi oleh cahaya. Tanaman yang berbeda membutuhkan sejumlah jam cahaya untuk menyelesaikan fotoperiod untuk mekar dan menghasilkan buah. Menurut berbagai fotoperiod, dapat dibagi menjadi beberapa tanaman hari panjang, seperti kubis, dll., Yang membutuhkan lebih dari 12-14 jam jam cahaya pada tahap pertumbuhan tertentu; Tanaman hari pendek, seperti bawang, kedelai, dll., Membutuhkan kurang dari 12-14 jam jam iluminasi; Tanaman menengah-sun, seperti mentimun, tomat, paprika, dll., Dapat mekar dan berbuah di bawah sinar matahari yang lebih panjang atau lebih pendek.
Di antara tiga elemen lingkungan, intensitas cahaya merupakan dasar penting untuk memilih sumber cahaya buatan. Saat ini, ada banyak cara untuk mengekspresikan intensitas cahaya, terutama termasuk tiga berikut.
（1） Iluminasi mengacu pada kepadatan permukaan fluks bercahaya (fluks bercahaya per satuan area) yang diterima pada bidang yang diterangi, dalam Lux (LX).

（2） radiasi aktif fotosintesis, par, unit ： w/m²。

（3） PPFD atau PPF fluks foton yang efektif secara fotosintesis adalah jumlah radiasi efektif fotosintesis yang mencapai atau melewati waktu satuan dan satuan, unit ： μmol/(m² · s) 。Main mengacu pada intensitas cahaya 400 ~ 700nm Terkait langsung dengan fotosintesis. Ini juga merupakan indikator intensitas cahaya yang paling umum digunakan di bidang produksi tanaman.

Analisis Sumber Cahaya dari Sistem Cahaya Tambahan Khas
Suplemen cahaya buatan adalah untuk meningkatkan intensitas cahaya di area target atau memperpanjang waktu cahaya dengan memasang sistem lampu suplemen untuk memenuhi permintaan cahaya tanaman. Secara umum, sistem cahaya tambahan mencakup peralatan cahaya tambahan, sirkuit dan sistem kontrolnya. Sumber cahaya tambahan terutama mencakup beberapa jenis umum seperti lampu pijar, lampu neon, lampu logam halida, lampu natrium tekanan tinggi dan LED. Karena rendahnya efisiensi listrik dan optik lampu pijar, efisiensi energi fotosintesis yang rendah dan kekurangan lainnya, telah dieliminasi oleh pasar, sehingga artikel ini tidak membuat analisis terperinci.

■ Lampu neon
Lampu fluorescent milik jenis lampu pelepasan gas bertekanan rendah. Tabung gelas diisi dengan uap merkuri atau gas lembam, dan dinding bagian dalam tabung dilapisi dengan bubuk fluorescent. Warna cahaya bervariasi dengan bahan fluoresen yang dilapisi dalam tabung. Lampu neon memiliki kinerja spektral yang baik, efisiensi bercahaya tinggi, daya rendah, umur lebih lama (12000 jam) dibandingkan dengan lampu pijar, dan biaya yang relatif rendah. Karena lampu neon itu sendiri memancarkan lebih sedikit panas, itu bisa dekat dengan tanaman untuk pencahayaan dan cocok untuk budidaya tiga dimensi. Namun, tata letak spektral lampu neon tidak masuk akal. Metode yang paling umum di dunia adalah menambahkan reflektor untuk memaksimalkan komponen sumber cahaya yang efektif dari tanaman di area budidaya. Perusahaan Adv-Agri Jepang juga telah mengembangkan jenis baru Sumber Light Source HEFL. HEFL sebenarnya termasuk dalam kategori lampu neon. Ini adalah istilah umum untuk lampu fluoresen katoda dingin (CCFL) dan lampu fluoresen elektroda eksternal (EEFL), dan merupakan lampu fluoresen elektroda campuran. Tabung HEFL sangat tipis, dengan diameter hanya sekitar 4mm, dan panjangnya dapat disesuaikan dari 450mm hingga 1200mm sesuai dengan kebutuhan penanaman. It is an improved version of the conventional fluorescent lamp.

■ Lampu halida logam
Lampu logam halida adalah lampu pelepasan intensitas tinggi yang dapat menggairahkan elemen yang berbeda untuk menghasilkan panjang gelombang yang berbeda dengan menambahkan berbagai logam halida (timah bromida, natrium iodida, dll.) Dalam tabung pelepasan berdasarkan lampu merkuri bertekanan tinggi. Lampu halogen memiliki efisiensi bercahaya tinggi, kekuatan tinggi, warna cahaya yang baik, umur panjang, dan spektrum besar. Namun, karena efisiensi bercahaya lebih rendah dari pada lampu natrium bertekanan tinggi, dan masa pakai lebih pendek daripada lampu natrium bertekanan tinggi, saat ini hanya digunakan di beberapa pabrik tanaman.

■ Lampu natrium tekanan tinggi
Lampu natrium tekanan tinggi termasuk jenis lampu pelepasan gas bertekanan tinggi. Lampu natrium tekanan tinggi adalah lampu efisiensi tinggi di mana uap natrium tekanan tinggi diisi dalam tabung pelepasan, dan sejumlah kecil xenon (xe) dan logam merkuri halida ditambahkan. Karena lampu natrium tekanan tinggi memiliki efisiensi konversi elektro-optik yang tinggi dengan biaya produksi yang lebih rendah, lampu natrium tekanan tinggi saat ini paling banyak digunakan dalam penerapan cahaya tambahan di fasilitas pertanian. However, due to the shortcomings of low photosynthetic efficiency in their spectrum, they have the shortcomings of low energy efficiency. Di sisi lain, komponen spektral yang dipancarkan oleh lampu natrium bertekanan tinggi terutama terkonsentrasi pada pita cahaya oranye kuning, yang tidak memiliki spektrum merah dan biru yang diperlukan untuk pertumbuhan tanaman.

■ Dioda pemancar cahaya
Sebagai generasi baru sumber cahaya, dioda pemancar cahaya (LED) memiliki banyak keunggulan seperti efisiensi konversi elektro-optik yang lebih tinggi, spektrum yang dapat disesuaikan, dan efisiensi fotosintesis yang tinggi. LED dapat memancarkan cahaya monokromatik yang dibutuhkan untuk pertumbuhan tanaman. Dibandingkan dengan lampu neon biasa dan sumber cahaya tambahan lainnya, LED memiliki keunggulan penghematan energi, perlindungan lingkungan, umur panjang, cahaya monokromatik, sumber cahaya dingin dan sebagainya. Dengan peningkatan lebih lanjut dari efisiensi LED elektro-optik dan pengurangan biaya yang disebabkan oleh efek skala, sistem pencahayaan LED tumbuh akan menjadi peralatan utama untuk menambah cahaya di fasilitas pertanian. Akibatnya, lampu LED Grow telah diterapkan lebih dari 99,9% pabrik tanaman.

Melalui perbandingan, karakteristik sumber cahaya tambahan yang berbeda dapat dipahami dengan jelas, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.

Perangkat pencahayaan seluler
Intensitas cahaya terkait erat dengan pertumbuhan tanaman. Budidaya tiga dimensi sering digunakan di pabrik tanaman. Namun, karena keterbatasan struktur rak budidaya, distribusi cahaya dan suhu yang tidak merata di antara rak akan mempengaruhi hasil tanaman dan periode pemanenan tidak akan disinkronkan. Sebuah perusahaan di Beijing telah berhasil mengembangkan perangkat suplemen lampu pengangkat manual (perlengkapan pencahayaan HPS dan perlengkapan pencahayaan LED Grow) pada tahun 2010. Prinsipnya adalah memutar poros penggerak dan winder yang dipasang di atasnya dengan mengguncang pegangan untuk memutar gulungan film kecil kecil to achieve the purpose of retracting and unwinding the wire rope. Tali kawat dari lampu tumbuh terhubung dengan roda berliku lift melalui beberapa set roda pembalikan, sehingga dapat mencapai efek menyesuaikan ketinggian lampu tumbuh. Pada tahun 2017, perusahaan yang disebutkan di atas merancang dan mengembangkan perangkat suplemen cahaya seluler baru, yang secara otomatis dapat menyesuaikan ketinggian suplemen cahaya secara real time sesuai dengan kebutuhan pertumbuhan tanaman. Perangkat penyesuaian sekarang dipasang pada rak kultivasi tiga dimensi sumber cahaya 3-lapis. Lapisan atas perangkat adalah level dengan kondisi cahaya terbaik, sehingga dilengkapi dengan lampu natrium tekanan tinggi; Lapisan tengah dan lapisan bawah dilengkapi dengan lampu LED tumbuh dan sistem penyesuaian pengangkatan. Secara otomatis dapat menyesuaikan ketinggian lampu tumbuh untuk menyediakan lingkungan pencahayaan yang cocok untuk tanaman.

Dibandingkan dengan perangkat suplemen cahaya seluler yang dirancang untuk budidaya tiga dimensi, Belanda telah mengembangkan perangkat lampu suplemen lampu LED yang dapat dipindahkan secara horizontal. Untuk menghindari pengaruh bayangan lampu tumbuh pada pertumbuhan tanaman di bawah sinar matahari, sistem lampu tumbuh dapat didorong ke kedua sisi braket melalui slide teleskopik ke arah horizontal, sehingga matahari sepenuhnya sepenuhnya dikenai matahari sepenuhnya diiradiasi pada tanaman; Pada hari -hari mendung dan hujan tanpa sinar matahari, dorong sistem lampu tumbuh ke tengah braket untuk membuat cahaya sistem lampu tumbuh secara merata mengisi tanaman; Pindahkan sistem lampu tumbuh secara horizontal melalui slide pada braket, hindari pembongkaran dan penghapusan sistem lampu tumbuh yang sering, dan mengurangi intensitas tenaga kerja karyawan, sehingga secara efektif meningkatkan efisiensi kerja.

Desain ide sistem lampu tumbuh khas
Tidak sulit untuk melihat dari desain perangkat pelengkap pencahayaan seluler bahwa desain sistem pencahayaan tambahan dari pabrik tanaman biasanya mengambil intensitas cahaya, kualitas cahaya dan parameter fotoperiode periode pertumbuhan tanaman yang berbeda sebagai kandungan inti dari desain tersebut , mengandalkan sistem kontrol cerdas untuk diterapkan, mencapai tujuan akhir penghematan energi dan hasil tinggi.

At present, the design and construction of supplementary light for leafy vegetables has gradually matured. For example, leafy vegetables can be divided into four stages: seedling stage, mid-growth, late-growth, and end stage; fruit-vegetables can be divided into seedling stage, vegetative growth stage, flowering stage, and harvesting stage. Dari atribut intensitas cahaya tambahan, intensitas cahaya pada tahap bibit harus sedikit lebih rendah, pada 60 ~ 200 μmol/(m² · s), dan kemudian secara bertahap meningkat. Sayuran berdaun dapat mencapai hingga 100 ~ 200 μmol/(m² · s), dan sayuran buah dapat mencapai 300 ~ 500 μmol/(m² · s) untuk memastikan persyaratan intensitas cahaya fotosintesis tanaman di setiap periode pertumbuhan dan memenuhi kebutuhan dari kebutuhan high yield; In terms of light quality, the ratio of red to blue is very important. Untuk meningkatkan kualitas bibit dan mencegah pertumbuhan yang berlebihan dalam tahap bibit, rasio merah dan biru umumnya ditetapkan pada tingkat rendah [(1 ~ 2): 1], dan kemudian secara bertahap dikurangi untuk memenuhi kebutuhan tanaman light morphology. Rasio merah dan biru ke sayuran berdaun dapat diatur ke (3 ~ 6): 1. Untuk fotoperiode, mirip dengan intensitas cahaya, ia harus menunjukkan tren peningkatan dengan perpanjangan periode pertumbuhan, sehingga sayuran berdaun memiliki lebih banyak waktu fotosintesis untuk fotosintesis. Desain suplemen cahaya buah dan sayuran akan lebih rumit. Selain hukum dasar yang disebutkan di atas, kita harus fokus pada pengaturan fotoperiod selama periode berbunga, dan berbunga dan berbuah sayuran harus dipromosikan, agar tidak menjadi bumerang.

Perlu disebutkan bahwa formula cahaya harus mencakup perawatan akhir untuk pengaturan lingkungan ringan. Misalnya, suplementasi cahaya terus menerus dapat sangat meningkatkan hasil dan kualitas bibit sayuran berdaun hidroponik, atau menggunakan perawatan UV untuk secara signifikan meningkatkan kecambah dan sayuran berdaun (terutama daun ungu dan selada daun merah) kualitas gizi.

Selain mengoptimalkan suplementasi cahaya untuk tanaman tertentu, sistem kontrol sumber cahaya dari beberapa pabrik tanaman ringan buatan juga telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Sistem kontrol ini umumnya didasarkan pada struktur B/S. Kontrol jarak jauh dan kontrol otomatis dari faktor lingkungan seperti suhu, kelembaban, cahaya, dan konsentrasi CO2 selama pertumbuhan tanaman direalisasikan melalui WiFi, dan pada saat yang sama, metode produksi yang tidak dibatasi oleh kondisi eksternal direalisasikan. Jenis sistem cahaya tambahan yang cerdas ini menggunakan LED Grow Light Fixture sebagai sumber cahaya tambahan, dikombinasikan dengan sistem kontrol cerdas jarak jauh, dapat memenuhi kebutuhan pencahayaan panjang gelombang tanaman, sangat cocok untuk lingkungan budidaya tanaman yang dikendalikan cahaya, dan dapat memenuhi permintaan pasar dengan baik .

Ucapan penutup
Pabrik tanaman dianggap sebagai cara penting untuk menyelesaikan sumber daya dunia, populasi dan masalah lingkungan di abad ke-21, dan cara penting untuk mencapai swasembada pangan dalam proyek teknologi tinggi di masa depan. Sebagai jenis baru metode produksi pertanian, pabrik tanaman masih dalam tahap pembelajaran dan pertumbuhan, dan lebih banyak perhatian dan penelitian diperlukan. Artikel ini menjelaskan karakteristik dan keuntungan dari metode pencahayaan tambahan umum di pabrik -pabrik tanaman, dan memperkenalkan ide -ide desain sistem pencahayaan tambahan tanaman. Tidak sulit untuk menemukan melalui perbandingan, untuk mengatasi cahaya rendah yang disebabkan oleh cuaca buruk seperti keruh dan kabut terus menerus dan untuk memastikan produksi tanaman fasilitas yang tinggi dan stabil, peralatan sumber cahaya LED paling sesuai dengan pengembangan saat ini saat ini tren.

Arah pengembangan pabrik pabrik di masa depan harus fokus pada sensor presisi tinggi baru, sensor berbiaya rendah, sistem perangkat pencahayaan spektrum yang dapat dikendalikan dari jarak jauh dan dapat disesuaikan dan sistem kontrol ahli. Pada saat yang sama, pabrik-pabrik tanaman di masa depan akan terus berkembang menuju berbiaya rendah, cerdas, dan adaptif diri. Penggunaan dan popularisasi sumber lampu LED tumbuh memberikan jaminan untuk kontrol lingkungan presisi tinggi dari pabrik-pabrik tanaman. Regulasi Lingkungan Lampu LED adalah proses kompleks yang melibatkan regulasi komprehensif kualitas cahaya, intensitas cahaya, dan fotoperiod. Relevant experts and scholars need to conduct in-depth research, promoting LED supplementary lighting in artificial light plant factories.