Penulis: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, dsb. Sumber Media: Teknologi Rekayasa Pertanian (hortikultura rumah kaca)

Pabrik tanaman ini menggabungkan industri modern, bioteknologi, hidroponik nutrisi, dan teknologi informasi untuk menerapkan kontrol presisi tinggi terhadap faktor lingkungan di dalam fasilitas. Pabrik ini sepenuhnya tertutup, memiliki persyaratan rendah terhadap lingkungan sekitar, memperpendek periode panen tanaman, menghemat air dan pupuk, serta memiliki keunggulan produksi tanpa pestisida dan tanpa pembuangan limbah. Efisiensi penggunaan lahan per unitnya 40 hingga 108 kali lipat dibandingkan produksi di lahan terbuka. Di antaranya, sumber cahaya buatan yang cerdas dan pengaturan lingkungan cahayanya memainkan peran penting dalam efisiensi produksinya.

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

Kebutuhan tanaman akan cahaya

Cahaya adalah satu-satunya sumber energi fotosintesis tumbuhan. Intensitas cahaya, kualitas cahaya (spektrum), dan perubahan periodik cahaya memiliki dampak yang besar pada pertumbuhan dan perkembangan tanaman, di mana intensitas cahaya memiliki dampak terbesar pada fotosintesis tanaman.

■ Intensitas cahaya

Intensitas cahaya dapat mengubah morfologi tanaman, seperti pembungaan, panjang ruas batang, ketebalan batang, serta ukuran dan ketebalan daun. Kebutuhan tanaman terhadap intensitas cahaya dapat dibagi menjadi tanaman yang menyukai cahaya, menyukai cahaya sedang, dan toleran terhadap cahaya redup. Sayuran sebagian besar merupakan tanaman yang menyukai cahaya, dan titik kompensasi cahaya serta titik saturasi cahayanya relatif tinggi. Di pabrik tanaman dengan pencahayaan buatan, kebutuhan tanaman terhadap intensitas cahaya merupakan dasar penting untuk memilih sumber cahaya buatan. Memahami kebutuhan cahaya berbagai tanaman sangat penting untuk mendesain sumber cahaya buatan, dan sangat diperlukan untuk meningkatkan kinerja produksi sistem.

■ Kualitas cahaya

Distribusi kualitas cahaya (spektral) juga memiliki pengaruh penting pada fotosintesis dan morfogenesis tanaman (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 dalam bidang hortikultura. Radiasi dengan rentang panjang gelombang 300~800nm ​​disebut radiasi aktif fisiologis tanaman; dan radiasi dengan rentang panjang gelombang 400~700nm disebut radiasi aktif fotosintetik (PAR) tanaman.

Klorofil dan karoten adalah dua pigmen terpenting dalam fotosintesis tumbuhan. Gambar 2 menunjukkan spektrum penyerapan masing-masing pigmen fotosintetik, di mana spektrum penyerapan klorofil terkonsentrasi pada pita merah dan biru. Sistem pencahayaan didasarkan pada kebutuhan spektral tanaman untuk menambah cahaya secara artifisial, sehingga mendorong fotosintesis tanaman.

■ fotoperiode
Hubungan antara fotosintesis dan fotomorfogenesis tanaman dengan panjang hari (atau waktu fotoperiod) disebut fotoperiodisitas tanaman. Fotoperiodisitas berkaitan erat dengan jam cahaya, yang mengacu pada waktu tanaman disinari cahaya. Tanaman yang berbeda membutuhkan sejumlah jam cahaya tertentu untuk menyelesaikan fotoperiode agar berbunga dan berbuah. Menurut fotoperiode yang berbeda, dapat dibagi menjadi tanaman hari panjang, seperti kubis, dll., yang membutuhkan lebih dari 12-14 jam cahaya pada tahap pertumbuhan tertentu; tanaman hari pendek, seperti bawang, kedelai, dll., membutuhkan kurang dari 12-14 jam cahaya; tanaman matahari sedang, seperti mentimun, tomat, paprika, dll., dapat berbunga dan berbuah di bawah sinar matahari yang lebih lama atau lebih pendek.
Di antara tiga elemen lingkungan, intensitas cahaya merupakan dasar penting dalam pemilihan sumber cahaya buatan. Saat ini, terdapat banyak cara untuk menyatakan intensitas cahaya, yang terutama meliputi tiga hal berikut.
(1) Penerangan mengacu pada kerapatan fluks cahaya permukaan (fluks cahaya per satuan luas) yang diterima pada bidang yang diterangi, dalam lux (lx).

(2) Radiasi aktif fotosintesis, PAR, Satuan: W/m².

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

Analisis sumber cahaya dari sistem pencahayaan tambahan yang umum.
Penambahan cahaya buatan bertujuan untuk meningkatkan intensitas cahaya di area target atau memperpanjang waktu pencahayaan dengan memasang sistem pencahayaan tambahan untuk memenuhi kebutuhan cahaya tanaman. Secara umum, sistem pencahayaan tambahan meliputi peralatan pencahayaan tambahan, sirkuit, dan sistem kontrolnya. Sumber cahaya tambahan terutama meliputi beberapa jenis umum seperti lampu pijar, lampu neon, lampu metal halida, lampu natrium tekanan tinggi, dan LED. Karena efisiensi listrik dan optik lampu pijar yang rendah, efisiensi energi fotosintesis yang rendah, dan kekurangan lainnya, lampu pijar telah dihilangkan dari pasaran, sehingga artikel ini tidak melakukan analisis terperinci.

■ Lampu neon
Lampu fluoresen termasuk jenis lampu pelepasan gas bertekanan rendah. Tabung kaca diisi dengan uap merkuri atau gas inert, dan dinding bagian dalam tabung dilapisi dengan bubuk fluoresen. Warna cahaya bervariasi tergantung pada bahan fluoresen yang dilapisi di dalam tabung. Lampu fluoresen memiliki kinerja spektral yang baik, efisiensi cahaya yang tinggi, daya rendah, umur pakai lebih lama (12000 jam) dibandingkan dengan lampu pijar, dan biaya yang relatif rendah. Karena lampu fluoresen sendiri memancarkan lebih sedikit panas, lampu ini dapat diletakkan dekat dengan tanaman untuk penerangan dan cocok untuk budidaya tiga dimensi. Namun, tata letak spektral lampu fluoresen tidak masuk akal. Metode yang paling umum di dunia adalah menambahkan reflektor untuk memaksimalkan komponen sumber cahaya efektif tanaman di area budidaya. Perusahaan adv-agri Jepang juga telah mengembangkan jenis sumber cahaya tambahan baru, yaitu HEFL. HEFL sebenarnya termasuk dalam kategori lampu fluoresen. 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 kebutuhan budidaya. Ini adalah versi yang disempurnakan dari lampu fluoresen konvensional.

■ Lampu metal halida
Lampu halida logam adalah lampu lucutan intensitas tinggi yang dapat mengeksitasi berbagai elemen untuk menghasilkan panjang gelombang yang berbeda dengan menambahkan berbagai halida logam (timah bromida, natrium iodida, dll.) ke dalam tabung lucutan berdasarkan lampu merkuri tekanan tinggi. Lampu halogen memiliki efisiensi luminous yang tinggi, daya tinggi, warna cahaya yang baik, umur panjang, dan spektrum yang luas. Namun, karena efisiensi luminousnya lebih rendah daripada lampu natrium tekanan tinggi, dan umurnya lebih pendek daripada lampu natrium tekanan tinggi, saat ini hanya digunakan di beberapa pabrik saja.

■ Lampu natrium tekanan tinggi
Lampu natrium tekanan tinggi termasuk dalam jenis lampu pelepasan gas tekanan tinggi. Lampu natrium tekanan tinggi adalah lampu efisiensi tinggi di mana uap natrium tekanan tinggi diisi ke dalam tabung pelepasan, dan sejumlah kecil xenon (Xe) dan merkuri halida logam 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 aplikasi penerangan tambahan di fasilitas pertanian. Namun, karena kekurangan efisiensi fotosintesis yang rendah dalam spektrumnya, lampu ini memiliki kekurangan efisiensi energi yang rendah. Di sisi lain, komponen spektral yang dipancarkan oleh lampu natrium tekanan tinggi terutama terkonsentrasi pada pita cahaya kuning-oranye, yang kekurangan 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 hemat energi, ramah lingkungan, umur panjang, cahaya monokromatik, sumber cahaya dingin, dan sebagainya. Dengan peningkatan lebih lanjut efisiensi elektro-optik LED dan pengurangan biaya yang disebabkan oleh efek skala, sistem pencahayaan pertumbuhan LED akan menjadi peralatan utama untuk menambah cahaya di fasilitas pertanian. Akibatnya, lampu pertumbuhan LED telah diterapkan di lebih dari 99,9% pabrik tanaman.

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

Perangkat penerangan portabel
Intensitas cahaya sangat berkaitan dengan pertumbuhan tanaman. Budidaya tiga dimensi sering digunakan di pabrik tanaman. Namun, karena keterbatasan struktur rak budidaya, distribusi cahaya dan suhu yang tidak merata antar rak akan memengaruhi hasil panen dan periode panen tidak akan sinkron. Sebuah perusahaan di Beijing berhasil mengembangkan perangkat penambah cahaya pengangkat manual (lampu HPS dan lampu pertumbuhan LED) pada tahun 2010. Prinsipnya adalah memutar poros penggerak dan penggulung yang terpasang padanya dengan menggoyangkan pegangan untuk memutar gulungan film kecil guna mencapai tujuan menarik dan membuka gulungan tali kawat. Tali kawat lampu pertumbuhan dihubungkan dengan roda penggulung elevator melalui beberapa set roda pembalik, sehingga mencapai efek penyesuaian ketinggian lampu pertumbuhan. Pada tahun 2017, perusahaan tersebut merancang dan mengembangkan perangkat penambah cahaya bergerak baru, yang dapat secara otomatis menyesuaikan ketinggian penambah cahaya secara real-time sesuai dengan kebutuhan pertumbuhan tanaman. Perangkat penyesuaian ini sekarang dipasang pada rak budidaya tiga dimensi tipe pengangkat sumber cahaya 3 lapis. Lapisan paling atas perangkat ini adalah lapisan dengan kondisi pencahayaan terbaik, sehingga dilengkapi dengan lampu natrium bertekanan tinggi; lapisan tengah dan lapisan bawah dilengkapi dengan lampu pertumbuhan LED dan sistem penyesuaian ketinggian. Sistem ini dapat secara otomatis menyesuaikan ketinggian lampu pertumbuhan untuk menyediakan lingkungan pencahayaan yang sesuai bagi tanaman.

Dibandingkan dengan perangkat tambahan cahaya bergerak yang dirancang khusus untuk budidaya tiga dimensi, Belanda telah mengembangkan perangkat tambahan cahaya LED pertumbuhan yang dapat digerakkan secara horizontal. Untuk menghindari pengaruh bayangan lampu pertumbuhan pada pertumbuhan tanaman di bawah sinar matahari, sistem lampu pertumbuhan dapat digeser ke kedua sisi braket melalui rel teleskopik secara horizontal, sehingga sinar matahari sepenuhnya menyinari tanaman; pada hari berawan dan hujan tanpa sinar matahari, dorong sistem lampu pertumbuhan ke tengah braket agar cahaya dari sistem lampu pertumbuhan menyinari tanaman secara merata; gerakkan sistem lampu pertumbuhan secara horizontal melalui rel pada braket, hindari pembongkaran dan pelepasan sistem lampu pertumbuhan yang sering, dan kurangi intensitas kerja karyawan, sehingga secara efektif meningkatkan efisiensi kerja.

Ide desain sistem lampu tumbuh tanaman yang umum
Dari desain perangkat penerangan tambahan portabel, mudah dipahami bahwa desain sistem penerangan tambahan di pabrik tanaman biasanya menjadikan intensitas cahaya, kualitas cahaya, dan parameter fotoperiodik dari berbagai periode pertumbuhan tanaman sebagai inti desain, dengan mengandalkan sistem kontrol cerdas untuk mengimplementasikannya, sehingga mencapai tujuan utama penghematan energi dan hasil panen yang tinggi.

Saat ini, desain dan konstruksi pencahayaan tambahan untuk sayuran berdaun telah semakin matang. Misalnya, sayuran berdaun dapat dibagi menjadi empat tahap: tahap bibit, pertengahan pertumbuhan, akhir pertumbuhan, dan tahap akhir; sayuran buah dapat dibagi menjadi tahap bibit, tahap pertumbuhan vegetatif, tahap pembungaan, dan tahap panen. Dari segi atribut intensitas cahaya tambahan, intensitas cahaya pada tahap bibit sebaiknya sedikit lebih rendah, yaitu 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 kebutuhan intensitas cahaya fotosintesis tanaman pada setiap periode pertumbuhan dan memenuhi kebutuhan hasil panen yang tinggi; Dari segi kualitas cahaya, rasio merah terhadap biru sangat penting. Untuk meningkatkan kualitas bibit dan mencegah pertumbuhan berlebihan pada tahap bibit, rasio merah terhadap biru umumnya ditetapkan pada tingkat rendah [(1~2):1], dan kemudian secara bertahap dikurangi untuk memenuhi kebutuhan morfologi cahaya tanaman. Rasio merah terhadap biru untuk sayuran berdaun dapat ditetapkan menjadi (3~6):1. Untuk fotoperiode, mirip dengan intensitas cahaya, seharusnya menunjukkan tren peningkatan seiring dengan perpanjangan periode pertumbuhan, sehingga sayuran berdaun memiliki lebih banyak waktu fotosintesis. Desain suplementasi cahaya untuk buah dan sayuran akan lebih rumit. Selain hukum dasar yang disebutkan di atas, kita harus fokus pada pengaturan fotoperiode selama periode berbunga, dan pembungaan serta pembuahan sayuran harus didorong, agar tidak menimbulkan efek bumerang.

Perlu disebutkan bahwa formula pencahayaan harus mencakup perlakuan akhir untuk pengaturan lingkungan pencahayaan. Misalnya, suplementasi cahaya terus-menerus dapat sangat meningkatkan hasil dan kualitas bibit sayuran berdaun hidroponik, atau penggunaan perlakuan UV dapat secara signifikan meningkatkan kualitas nutrisi kecambah dan sayuran berdaun (terutama selada ungu dan selada merah).

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

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

Arah pengembangan pabrik tanaman di masa depan harus berfokus pada sensor presisi tinggi dan berbiaya rendah yang baru, sistem perangkat pencahayaan spektrum yang dapat disesuaikan dan dikendalikan dari jarak jauh, serta sistem kontrol ahli. Pada saat yang sama, pabrik tanaman di masa depan akan terus berkembang menuju biaya rendah, cerdas, dan adaptif mandiri. Penggunaan dan popularisasi sumber cahaya pertumbuhan LED memberikan jaminan untuk kontrol lingkungan presisi tinggi di pabrik tanaman. Pengaturan lingkungan cahaya LED adalah proses kompleks yang melibatkan pengaturan komprehensif kualitas cahaya, intensitas cahaya, dan fotoperiode. Para ahli dan akademisi terkait perlu melakukan penelitian mendalam, mempromosikan pencahayaan tambahan LED di pabrik tanaman dengan pencahayaan buatan.