Awdur: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, ac ati. Cyfryngau Ffynhonnell: Technoleg Peirianneg Amaethyddol (garddwriaeth tŷ gwydr)

Mae'r ffatri blanhigion yn cyfuno diwydiant modern, biodechnoleg, hydroponeg maetholion a thechnoleg gwybodaeth i weithredu rheolaeth fanwl iawn o ffactorau amgylcheddol yn y cyfleuster. Mae wedi'i amgáu'n llwyr, mae ganddo ofynion isel ar yr amgylchedd cyfagos, mae'n byrhau cyfnod cynaeafu planhigion, yn arbed dŵr a gwrtaith, a chyda manteision cynhyrchu di-blaladdwyr a dim gollyngiad gwastraff, mae effeithlonrwydd defnydd tir yr uned 40 i 108 gwaith yn uwch na chynhyrchu cae agored. Yn eu plith, mae'r ffynhonnell golau artiffisial ddeallus a'i rheoleiddio amgylchedd golau yn chwarae rhan bendant yn ei effeithlonrwydd cynhyrchu.

Fel ffactor amgylcheddol ffisegol pwysig, mae golau yn chwarae rhan allweddol wrth reoleiddio twf planhigion a metaboledd deunyddiau. Mae “Un o brif nodweddion y ffatri blanhigion yw’r ffynhonnell golau artiffisial lawn a gwireddu rheoleiddio deallus yr amgylchedd golau” wedi dod yn gonsensws cyffredinol yn y diwydiant.

Angen planhigion am olau

Golau yw'r unig ffynhonnell ynni ar gyfer ffotosynthesis planhigion. Mae dwyster golau, ansawdd golau (sbectrwm) a newidiadau cyfnodol mewn golau yn cael effaith ddofn ar dwf a datblygiad cnydau, ac ymhlith y rhain mae dwyster golau yn cael yr effaith fwyaf ar ffotosynthesis planhigion.

■ Dwyster golau

Gall dwyster golau newid morffoleg cnydau, megis blodeuo, hyd y rhyngnod, trwch y coesyn, a maint a thrwch y dail. Gellir rhannu gofynion planhigion ar gyfer dwyster golau yn blanhigion sy'n caru golau, planhigion sy'n caru golau canolig, a phlanhigion sy'n goddef golau isel. Mae llysiau yn bennaf yn blanhigion sy'n caru golau, ac mae eu pwyntiau digolledu golau a'u pwyntiau dirlawnder golau yn gymharol uchel. Mewn ffatrïoedd planhigion golau artiffisial, mae gofynion perthnasol cnydau ar gyfer dwyster golau yn sail bwysig ar gyfer dewis ffynonellau golau artiffisial. Mae deall gofynion golau gwahanol blanhigion yn bwysig ar gyfer dylunio ffynonellau golau artiffisial, Mae'n hynod angenrheidiol gwella perfformiad cynhyrchu'r system.

■ Ansawdd golau

Mae gan ddosbarthiad ansawdd golau (sbectrol) ddylanwad pwysig hefyd ar ffotosynthesis a morffogenesis planhigion (Ffigur 1). Mae golau yn rhan o ymbelydredd, ac mae ymbelydredd yn don electromagnetig. Mae gan donnau electromagnetig nodweddion tonnau a nodweddion cwantwm (gronynnau). Gelwir cwantwm golau yn ffoton ym maes garddwriaeth. Gelwir ymbelydredd gydag ystod tonfedd o 300 ~ 800nm ​​yn ymbelydredd ffisiolegol weithredol planhigion; a gelwir ymbelydredd gydag ystod tonfedd o 400 ~ 700nm yn ymbelydredd ffotosynthetig weithredol (PAR) planhigion.

Cloroffyl a charotenau yw'r ddau bigment pwysicaf mewn ffotosynthesis planhigion. Mae Ffigur 2 yn dangos sbectrwm amsugno sbectrol pob pigment ffotosynthetig, lle mae sbectrwm amsugno cloroffyl wedi'i ganoli yn y bandiau coch a glas. Mae'r system oleuo yn seiliedig ar anghenion sbectrol cnydau i ychwanegu golau'n artiffisial, er mwyn hyrwyddo ffotosynthesis planhigion.

■ ffotogyfnod
Gelwir y berthynas rhwng ffotosynthesis a ffotomorffogenesis planhigion a hyd y dydd (neu amser ffotogyfnod) yn ffotogyfnodoldeb planhigion. Mae'r ffotogyfnodoldeb yn gysylltiedig yn agos â'r oriau golau, sy'n cyfeirio at yr amser y mae'r cnwd yn cael ei arbelydru â golau. Mae angen nifer penodol o oriau o olau ar wahanol gnydau i gwblhau'r ffotogyfnod i flodeuo a dwyn ffrwyth. Yn ôl y gwahanol ffotogyfnodau, gellir ei rannu'n gnydau diwrnod hir, fel bresych, ac ati, sydd angen mwy na 12-14 awr o oriau golau ar gam penodol o'i dwf; mae angen llai na 12-14 awr o oriau goleuo ar gnydau diwrnod byr, fel winwns, ffa soia, ac ati; gall cnydau haul canolig, fel ciwcymbrau, tomatos, pupurau, ac ati, flodeuo a dwyn ffrwyth o dan olau haul hirach neu fyrrach.
Ymhlith tair elfen yr amgylchedd, mae dwyster golau yn sail bwysig ar gyfer dewis ffynonellau golau artiffisial. Ar hyn o bryd, mae yna lawer o ffyrdd o fynegi dwyster golau, gan gynnwys y tri canlynol yn bennaf.
(1) Mae goleuo yn cyfeirio at ddwysedd arwyneb y fflwcs goleuol (fflwcs goleuol fesul uned arwynebedd) a dderbynnir ar y plân goleuedig, mewn lux (lx).

(2) Ymbelydredd ffotosynthetig gweithredol, PAR, Uned: W/m².

(3) Dwysedd fflwcs ffoton effeithiol yn ffotosynthetig (PPFD neu PPF) yw nifer yr ymbelydredd effeithiol yn ffotosynthetig sy'n cyrraedd neu'n mynd drwy uned amser ac uned arwynebedd, uned: μmol/(m²·s). Yn cyfeirio'n bennaf at ddwyster golau 400 ~ 700nm sy'n uniongyrchol gysylltiedig â ffotosynthesis. Dyma hefyd y dangosydd dwyster golau a ddefnyddir amlaf ym maes cynhyrchu planhigion.

Dadansoddiad ffynhonnell golau o system golau atodol nodweddiadol
Ychwanegiad golau artiffisial yw cynyddu dwyster y golau yn yr ardal darged neu ymestyn yr amser golau trwy osod system golau atodol i fodloni galw planhigion am olau. Yn gyffredinol, mae'r system golau atodol yn cynnwys offer golau atodol, cylchedau a'i system reoli. Mae ffynonellau golau atodol yn cynnwys sawl math cyffredin yn bennaf megis lampau gwynias, lampau fflwroleuol, lampau halid metel, lampau sodiwm pwysedd uchel ac LEDs. Oherwydd effeithlonrwydd trydanol ac optegol isel lampau gwynias, effeithlonrwydd ynni ffotosynthetig isel a diffygion eraill, mae wedi'i ddileu gan y farchnad, felly nid yw'r erthygl hon yn gwneud dadansoddiad manwl.

■ Lamp fflwroleuol
Mae lampau fflwroleuol yn perthyn i'r math o lampau rhyddhau nwy pwysedd isel. Mae'r tiwb gwydr wedi'i lenwi ag anwedd mercwri neu nwy anadweithiol, ac mae wal fewnol y tiwb wedi'i gorchuddio â phowdr fflwroleuol. Mae lliw'r golau yn amrywio yn ôl y deunydd fflwroleuol sydd wedi'i orchuddio yn y tiwb. Mae gan lampau fflwroleuol berfformiad sbectrol da, effeithlonrwydd goleuol uchel, pŵer isel, oes hirach (12000h) o'i gymharu â lampau gwynias, a chost gymharol isel. Gan fod y lamp fflwroleuol ei hun yn allyrru llai o wres, gall fod yn agos at y planhigion ar gyfer goleuo ac mae'n addas ar gyfer tyfu tri dimensiwn. Fodd bynnag, mae cynllun sbectrol y lamp fflwroleuol yn afresymol. Y dull mwyaf cyffredin yn y byd yw ychwanegu adlewyrchyddion i wneud y mwyaf o gydrannau ffynhonnell golau effeithiol y cnydau yn yr ardal drin. Mae cwmni adv-agri Japaneaidd hefyd wedi datblygu math newydd o ffynhonnell golau atodol HEFL. Mae HEFL mewn gwirionedd yn perthyn i'r categori lampau fflwroleuol. Dyma'r term cyffredinol ar gyfer lampau fflwroleuol catod oer (CCFL) a lampau fflwroleuol electrod allanol (EEFL), ac mae'n lamp fflwroleuol electrod cymysg. Mae'r tiwb HEFL yn hynod denau, gyda diamedr o tua 4mm yn unig, a gellir addasu'r hyd o 450mm i 1200mm yn ôl anghenion y tyfu. Mae'n fersiwn well o'r lamp fflwroleuol gonfensiynol.

■ Lamp halid metel
Mae'r lamp halid metel yn lamp rhyddhau dwyster uchel a all gyffroi gwahanol elfennau i gynhyrchu gwahanol donfeddi trwy ychwanegu gwahanol halidau metel (bromid tun, ïodid sodiwm, ac ati) yn y tiwb rhyddhau ar sail lamp mercwri pwysedd uchel. Mae gan lampau halogen effeithlonrwydd goleuol uchel, pŵer uchel, lliw golau da, oes hir, a sbectrwm mawr. Fodd bynnag, oherwydd bod yr effeithlonrwydd goleuol yn is nag effeithlonrwydd lampau sodiwm pwysedd uchel, a'r oes yn fyrrach nag oes lampau sodiwm pwysedd uchel, dim ond mewn ychydig o ffatrïoedd planhigion y mae'n cael ei ddefnyddio ar hyn o bryd.

■ Lamp sodiwm pwysedd uchel
Mae lampau sodiwm pwysedd uchel yn perthyn i'r math o lampau rhyddhau nwy pwysedd uchel. Mae'r lamp sodiwm pwysedd uchel yn lamp effeithlonrwydd uchel lle mae anwedd sodiwm pwysedd uchel wedi'i lenwi yn y tiwb rhyddhau, ac mae ychydig bach o xenon (Xe) a halid metel mercwri yn cael eu hychwanegu. Gan fod gan lampau sodiwm pwysedd uchel effeithlonrwydd trosi electro-optegol uchel gyda chostau gweithgynhyrchu is, lampau sodiwm pwysedd uchel yw'r rhai a ddefnyddir fwyaf eang ar hyn o bryd wrth gymhwyso golau atodol mewn cyfleusterau amaethyddol. Fodd bynnag, oherwydd diffygion effeithlonrwydd ffotosynthetig isel yn eu sbectrwm, mae ganddynt ddiffygion effeithlonrwydd ynni isel. Ar y llaw arall, mae'r cydrannau sbectrol a allyrrir gan lampau sodiwm pwysedd uchel wedi'u crynhoi'n bennaf yn y band golau melyn-oren, sydd heb y sbectrwm coch a glas sy'n angenrheidiol ar gyfer twf planhigion.

■ Deuod allyrru golau
Fel cenhedlaeth newydd o ffynonellau golau, mae gan ddeuodau allyrru golau (LEDs) lawer o fanteision megis effeithlonrwydd trosi electro-optegol uwch, sbectrwm addasadwy, ac effeithlonrwydd ffotosynthetig uchel. Gall LED allyrru golau monocromatig sydd ei angen ar gyfer twf planhigion. O'i gymharu â lampau fflwroleuol cyffredin a ffynonellau golau atodol eraill, mae gan LED fanteision arbed ynni, diogelu'r amgylchedd, oes hir, golau monocromatig, ffynhonnell golau oer ac yn y blaen. Gyda gwelliant pellach yn effeithlonrwydd electro-optegol LEDs a'r gostyngiad mewn costau a achosir gan yr effaith raddfa, bydd systemau goleuadau tyfu LED yn dod yn offer prif ffrwd ar gyfer ategu golau mewn cyfleusterau amaethyddol. O ganlyniad, mae goleuadau tyfu LED wedi'u defnyddio mewn dros 99.9% o ffatrïoedd planhigion.

Drwy gymharu, gellir deall nodweddion gwahanol ffynonellau golau atodol yn glir, fel y dangosir yn Nhabl 1.

Dyfais goleuo symudol
Mae dwyster golau yn gysylltiedig yn agos â thwf cnydau. Defnyddir tyfu tri dimensiwn yn aml mewn ffatrïoedd planhigion. Fodd bynnag, oherwydd cyfyngiadau strwythur y raciau tyfu, bydd dosbarthiad anwastad golau a thymheredd rhwng y raciau yn effeithio ar gynnyrch y cnydau ac ni fydd y cyfnod cynaeafu yn cael ei gydamseru. Mae cwmni yn Beijing wedi datblygu dyfais atodiad golau codi â llaw (gosodiad goleuo HPS a gosodiad goleuo tyfu LED) yn llwyddiannus yn 2010. Yr egwyddor yw cylchdroi'r siafft yrru a'r weindiwr sydd wedi'i osod arno trwy ysgwyd y ddolen i gylchdroi'r rîl ffilm fach i gyflawni pwrpas tynnu'r rhaff wifren yn ôl a dad-ddirwyn. Mae rhaff wifren y golau tyfu wedi'i chysylltu ag olwyn weindio'r lifft trwy setiau lluosog o olwynion gwrthdroi, er mwyn cyflawni effaith addasu uchder y golau tyfu. Yn 2017, dyluniodd a datblygodd y cwmni uchod ddyfais atodiad golau symudol newydd, a all addasu uchder yr atodiad golau yn awtomatig mewn amser real yn ôl anghenion twf cnydau. Mae'r ddyfais addasu bellach wedi'i gosod ar y rac tyfu tri dimensiwn math codi ffynhonnell golau 3 haen. Yr haen uchaf o'r ddyfais yw'r lefel gyda'r cyflwr golau gorau, felly mae wedi'i chyfarparu â lampau sodiwm pwysedd uchel; mae'r haen ganol a'r haen waelod wedi'u cyfarparu â goleuadau tyfu LED a system addasu codi. Gall addasu uchder y golau tyfu yn awtomatig i ddarparu amgylchedd goleuo addas ar gyfer y cnydau.

O'i gymharu â'r ddyfais atodol golau symudol sydd wedi'i theilwra ar gyfer tyfu tri dimensiwn, mae'r Iseldiroedd wedi datblygu dyfais atodol golau tyfu LED symudol yn llorweddol. Er mwyn osgoi dylanwad cysgod y golau tyfu ar dwf planhigion yn yr haul, gellir gwthio'r system golau tyfu i ddwy ochr y braced trwy'r sleid delesgopig i gyfeiriad llorweddol, fel bod yr haul yn cael ei arbelydru'n llawn ar y planhigion; ar ddiwrnodau cymylog a glawog heb olau haul, gwthiwch y system golau tyfu i ganol y braced i wneud i olau'r system golau tyfu lenwi'r planhigion yn gyfartal; symudwch y system golau tyfu yn llorweddol trwy'r sleid ar y braced, osgoi dadosod a thynnu'r system golau tyfu yn aml, a lleihau dwyster llafur gweithwyr, a thrwy hynny wella effeithlonrwydd gwaith yn effeithiol.

Syniadau dylunio ar gyfer system golau tyfu nodweddiadol
Nid yw'n anodd gweld o ddyluniad y ddyfais atodol goleuo symudol bod dyluniad system goleuo atodol ffatri'r planhigyn fel arfer yn cymryd dwyster golau, ansawdd golau a pharamedrau ffotogyfnod gwahanol gyfnodau twf cnydau fel cynnwys craidd y dyluniad, gan ddibynnu ar y system reoli ddeallus i'w gweithredu, gan gyflawni'r nod terfynol o arbed ynni a chynnyrch uchel.

Ar hyn o bryd, mae dylunio ac adeiladu golau atodol ar gyfer llysiau deiliog wedi aeddfedu'n raddol. Er enghraifft, gellir rhannu llysiau deiliog yn bedwar cam: cam eginblanhigion, canol twf, hwyr twf, a cham diwedd; gellir rhannu llysiau ffrwythau yn gam eginblanhigion, cam twf llystyfol, cam blodeuo, a cham cynaeafu. O nodweddion dwyster golau atodol, dylai dwyster y golau yng nghyfnod yr eginblanhigion fod ychydig yn is, ar 60 ~ 200 μmol / (m² · s), ac yna cynyddu'n raddol. Gall llysiau deiliog gyrraedd hyd at 100 ~ 200 μmol / (m² · s), a gall llysiau ffrwythau gyrraedd 300 ~ 500 μmol / (m² · s) i sicrhau gofynion dwyster golau ffotosynthesis planhigion ym mhob cyfnod twf a chyflawni anghenion cynnyrch uchel; O ran ansawdd golau, mae'r gymhareb o goch i las yn bwysig iawn. Er mwyn cynyddu ansawdd eginblanhigion ac atal twf gormodol yng nghyfnod yr eginblanhigion, mae'r gymhareb o goch i las fel arfer yn cael ei gosod ar lefel isel [(1~2):1], ac yna'n cael ei lleihau'n raddol i ddiwallu anghenion morffoleg golau planhigion. Gellir gosod y gymhareb o goch i las i lysiau deiliog i (3~6):1. Ar gyfer y ffotogyfnod, yn debyg i ddwyster y golau, dylai ddangos tuedd o gynyddu gydag estyniad y cyfnod twf, fel bod gan lysiau deiliog fwy o amser ffotosynthetig ar gyfer ffotosynthesis. Bydd dyluniad atchwanegiadau golau ffrwythau a llysiau yn fwy cymhleth. Yn ogystal â'r deddfau sylfaenol a grybwyllir uchod, dylem ganolbwyntio ar osod y ffotogyfnod yn ystod y cyfnod blodeuo, a rhaid hyrwyddo blodeuo a ffrwytho llysiau, er mwyn peidio â thanio'n ôl.

Mae'n werth nodi y dylai'r fformiwla golau gynnwys y driniaeth derfynol ar gyfer lleoliadau amgylchedd golau. Er enghraifft, gall atchwanegiadau golau parhaus wella cynnyrch ac ansawdd eginblanhigion llysiau deiliog hydroponig yn fawr, neu ddefnyddio triniaeth UV i wella ansawdd maethol eginblanhigion a llysiau deiliog (yn enwedig dail porffor a letys dail coch) yn sylweddol.

Yn ogystal ag optimeiddio atchwanegiadau golau ar gyfer cnydau dethol, mae system rheoli ffynhonnell golau rhai ffatrïoedd planhigion golau artiffisial hefyd wedi datblygu'n gyflym yn ystod y blynyddoedd diwethaf. Mae'r system reoli hon yn seiliedig yn gyffredinol ar y strwythur B/S. Mae rheolaeth o bell a rheolaeth awtomatig o ffactorau amgylcheddol fel tymheredd, lleithder, golau, a chrynodiad CO2 yn ystod twf cnydau yn cael eu gwireddu trwy WIFI, ac ar yr un pryd, mae dull cynhyrchu nad yw'n gyfyngedig gan amodau allanol yn cael ei wireddu. Mae'r math hwn o system golau atodol ddeallus yn defnyddio gosodiad golau tyfu LED fel ffynhonnell golau atodol, ynghyd â system reoli ddeallus o bell, yn gallu diwallu anghenion goleuo tonfedd planhigion, yn arbennig o addas ar gyfer amgylchedd tyfu planhigion a reolir gan olau, a gall ddiwallu galw'r farchnad yn dda.

Sylwadau terfynol
Ystyrir bod ffatrïoedd planhigion yn ffordd bwysig o ddatrys problemau adnoddau, poblogaeth ac amgylcheddol y byd yn yr 21ain ganrif, ac yn ffordd bwysig o gyflawni hunangynhaliaeth bwyd mewn prosiectau uwch-dechnoleg yn y dyfodol. Fel math newydd o ddull cynhyrchu amaethyddol, mae ffatrïoedd planhigion yn dal i fod yn y cyfnod dysgu a thyfu, ac mae angen mwy o sylw ac ymchwil. Mae'r erthygl hon yn disgrifio nodweddion a manteision dulliau goleuo atodol cyffredin mewn ffatrïoedd planhigion, ac yn cyflwyno syniadau dylunio systemau goleuo atodol cnydau nodweddiadol. Nid yw'n anodd dod o hyd trwy gymharu, er mwyn ymdopi â'r golau isel a achosir gan dywydd garw fel cymylogrwydd a niwl parhaus ac i sicrhau cynhyrchiant uchel a sefydlog o gnydau cyfleuster, mae offer ffynhonnell golau LED Grow yn fwyaf unol â thueddiadau datblygu cyfredol.

Dylai cyfeiriad datblygu ffatrïoedd planhigion yn y dyfodol ganolbwyntio ar synwyryddion newydd manwl gywir, cost isel, systemau dyfeisiau goleuo sbectrwm addasadwy y gellir eu rheoli o bell a systemau rheoli arbenigol. Ar yr un pryd, bydd ffatrïoedd planhigion y dyfodol yn parhau i ddatblygu tuag at rai cost isel, deallus, a hunan-addasol. Mae defnyddio a phoblogeiddio ffynonellau golau tyfu LED yn darparu gwarant ar gyfer rheolaeth amgylcheddol manwl gywir mewn ffatrïoedd planhigion. Mae rheoleiddio amgylchedd golau LED yn broses gymhleth sy'n cynnwys rheoleiddio cynhwysfawr o ansawdd golau, dwyster golau, a ffotogyfnod. Mae angen i arbenigwyr ac ysgolheigion perthnasol gynnal ymchwil fanwl, gan hyrwyddo goleuadau atodol LED mewn ffatrïoedd planhigion golau artiffisial.