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

Mae'r ffatri planhigion yn cyfuno diwydiant modern, biotechnoleg, hydroponeg maetholion a thechnoleg gwybodaeth i weithredu rheolaeth fanwl uchel o ffactorau amgylcheddol yn y cyfleuster. Mae wedi'i amgáu'n llawn, mae ganddo ofynion isel ar yr amgylchedd cyfagos, yn byrhau'r cyfnod cynhaeaf planhigion, yn arbed dŵr a gwrtaith, a chyda manteision cynhyrchu di-blaladdwyr a dim gollyngiad gwastraff, mae effeithlonrwydd defnydd tir yr uned yn 40 i 108 gwaith o hynny. o gynhyrchu maes agored. Yn eu plith, mae'r ffynhonnell golau artiffisial deallus a'i reoleiddio amgylchedd ysgafn 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 deunydd. "Un o brif nodweddion y ffatri planhigion yw'r ffynhonnell golau artiffisial llawn ac mae gwireddu rheoleiddio deallus yr amgylchedd golau" wedi dod yn gonsensws cyffredinol yn y diwydiant.

Angen planhigion am olau

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

■ Dwysedd golau

Gall dwyster y golau newid morffoleg cnydau, megis blodeuo, hyd internode, trwch coesyn, a maint a thrwch dail. Gellir rhannu gofynion planhigion ar gyfer dwyster golau yn blanhigion sy'n caru golau, sy'n caru golau canolig, ac sy'n goddef golau isel. Mae llysiau yn blanhigion sy'n hoff o olau yn bennaf, ac mae eu pwyntiau iawndal ysgafn a'u pwyntiau dirlawnder ysgafn 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 i wella perfformiad cynhyrchu'r system.

■ Ansawdd ysgafn

Mae dosbarthiad ansawdd golau (sbectrol) hefyd yn cael dylanwad pwysig ar ffotosynthesis planhigion a morffogenesis (Ffigur 1). Mae golau yn rhan o ymbelydredd, ac mae ymbelydredd yn don electromagnetig. Mae gan donnau electromagnetig nodweddion tonnau a nodweddion cwantwm (gronyn). Gelwir y cwantwm golau yn ffoton yn y maes garddwriaeth. Gelwir ymbelydredd ag ystod tonfedd o 300 ~ 800nm ​​yn ymbelydredd ffisiolegol gweithredol o blanhigion; a gelwir ymbelydredd ag ystod tonfedd o 400 ~ 700nm yn ymbelydredd gweithredol ffotosynthetig (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'r sbectrwm amsugno cloroffyl wedi'i grynhoi yn y bandiau coch a glas. Mae'r system oleuo yn seiliedig ar anghenion sbectrol cnydau i ychwanegu at olau yn artiffisial, er mwyn hyrwyddo ffotosynthesis planhigion.

■ ffotogyfnod
Gelwir y berthynas rhwng ffotosynthesis a ffotomorffogenesis planhigion a hyd dydd (neu amser ffotogyfnod) yn ffotogyfnodedd planhigion. Mae'r photoperiodity yn perthyn yn agos i'r oriau golau, sy'n cyfeirio at yr amser y mae'r cnwd yn cael ei arbelydru gan olau. Mae angen nifer penodol o oriau o olau ar gnydau gwahanol i gwblhau'r ffotogyfnod i flodeuo a dwyn ffrwyth. Yn ôl y gwahanol photoperiods, gellir ei rannu'n gnydau diwrnod hir, megis bresych, ac ati, sy'n gofyn am fwy na 12-14h o oriau golau ar gam penodol o'i dwf; Mae cnydau diwrnod byr, fel winwns, ffa soia, ac ati, yn gofyn am lai na 12-14h o oriau Goleuo; 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 i fynegi dwyster golau, yn bennaf gan gynnwys y tri canlynol.
（1） Mae goleuo yn cyfeirio at ddwysedd wyneb fflwcs luminous (fflwcs luminous fesul ardal uned) a dderbynnir ar y plân wedi'i oleuo, mewn lux (lx).

（2） Ymbelydredd sy'n weithredol yn ffotosynthetig, PAR, Uned: W/m².

（3） Y dwysedd fflwcs ffoton sy'n ffotosynthetig effeithiol PPFD neu PPF yw nifer yr ymbelydredd ffotosynthetig effeithiol sy'n cyrraedd neu'n mynd trwy amser uned ac ardal uned, uned ： μmol / (m²·s) 。 Mae'n cyfeirio'n bennaf at arddwysedd golau 400 ~ 700nm gysylltiedig yn uniongyrchol 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'r dwyster golau yn yr ardal darged neu ymestyn yr amser golau trwy osod system golau atodol i gyflawni galw golau planhigion. Yn gyffredinol, mae'r system golau atodol yn cynnwys offer golau atodol, cylchedau a'i system reoli. Mae ffynonellau golau atodol yn bennaf yn cynnwys sawl math cyffredin megis lampau gwynias, lampau fflwroleuol, lampau halid metel, lampau sodiwm pwysedd uchel a LEDs. Oherwydd effeithlonrwydd trydanol ac optegol isel lampau gwynias, effeithlonrwydd ynni ffotosynthetig isel a diffygion eraill, mae'r farchnad wedi'i ddileu, 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'r lliw golau yn amrywio gyda'r deunydd fflwroleuol wedi'i orchuddio yn y tiwb. Mae gan lampau fflwroleuol berfformiad sbectrol da, effeithlonrwydd goleuol uchel, pŵer isel, bywyd hirach (12000h) o'i gymharu â lampau gwynias, a chost gymharol isel. Oherwydd bod 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 gosodiad 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 amaethu. Mae cwmni adv-amaeth o Japan hefyd wedi datblygu math newydd o ffynhonnell golau atodol HEFL. Mae HEFL mewn gwirionedd yn perthyn i'r categori o 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 denau iawn, gyda diamedr o ddim ond tua 4mm, a gellir addasu'r hyd o 450mm i 1200mm yn unol ag anghenion tyfu. Mae'n fersiwn well o'r lamp fflwroleuol confensiynol.

■ Lamp halid metel
Mae'r lamp halid metel yn lamp rhyddhau dwysedd uchel a all gyffroi gwahanol elfennau i gynhyrchu gwahanol donfeddi trwy ychwanegu halidau metel amrywiol (bromid tun, sodiwm ïodid, ac ati) yn y tiwb rhyddhau ar sail lamp mercwri pwysedd uchel. Mae gan lampau halogen effeithlonrwydd luminous uchel, pŵer uchel, lliw golau da, bywyd hir, a sbectrwm mawr. Fodd bynnag, oherwydd bod yr effeithlonrwydd goleuol yn is na lampau sodiwm pwysedd uchel, a bod yr oes yn fyrrach na lampau sodiwm pwysedd uchel, dim ond mewn ychydig o ffatrïoedd planhigion y caiff 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 yn cael ei lenwi yn y tiwb rhyddhau, ac mae swm bach o xenon (Xe) a halid metel mercwri yn cael eu hychwanegu. Oherwydd bod 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, nad oes ganddo'r sbectra coch a glas sy'n angenrheidiol ar gyfer twf planhigion.

■ Deuod allyrru golau
Fel cenhedlaeth newydd o ffynonellau golau, mae gan deuodau 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, bywyd hir, golau monocromatig, ffynhonnell golau oer ac yn y blaen. Gyda gwelliant pellach yn effeithlonrwydd electro-optegol LEDs a lleihau costau a achosir gan yr effaith ar raddfa, bydd systemau goleuo twf LED yn dod yn offer prif ffrwd ar gyfer ategu golau mewn cyfleusterau amaethyddol. O ganlyniad, mae goleuadau tyfu LED wedi'u cymhwyso dros 99.9% o ffatrïoedd planhigion.

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

Dyfais goleuo symudol
Mae dwyster y golau yn perthyn yn agos i dyfiant cnydau. Defnyddir amaethu tri dimensiwn yn aml mewn ffatrïoedd planhigion. Fodd bynnag, oherwydd cyfyngiad 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 atodol golau codi â llaw yn llwyddiannus (gosodiad goleuo HPS a gosodiad goleuadau tyfu LED) yn 2010. Yr egwyddor yw cylchdroi'r siafft yrru a gosod y weindiwr arno trwy ysgwyd yr handlen i gylchdroi'r rîl ffilm fach i gyflawni pwrpas tynnu'n ôl a dad-ddirwyn y rhaff gwifren. Mae rhaff gwifren y golau tyfu wedi'i gysylltu ag olwyn weindio'r elevator trwy setiau lluosog o olwynion gwrthdroi, er mwyn cyflawni effaith addasu uchder y golau tyfu. Yn 2017, dyluniodd a datblygodd y cwmni uchod ddyfais atodol golau symudol newydd, a all addasu uchder yr atodiad golau yn awtomatig mewn amser real yn unol ag anghenion twf cnydau. Mae'r ddyfais addasu bellach wedi'i osod ar y ffynhonnell golau 3-haen codi math codi rac meithrin tri dimensiwn. Haen uchaf y ddyfais yw'r lefel â'r cyflwr golau gorau, felly mae ganddi lampau sodiwm pwysedd uchel; mae'r haen ganol a'r haen isaf yn cynnwys 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 golau atodol tyfu golau LED sy'n symud 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 telesgopig i'r cyfeiriad llorweddol, fel bod yr haul yn llawn. arbelydru ar y planhigion; ar ddiwrnodau cymylog a glawog heb olau'r haul, Gwthiwch y system golau tyfu i ganol y braced i wneud i olau'r system golau tyfu lenwi'r planhigion yn gyfartal; symud y system golau tyfu yn llorweddol trwy'r sleid ar y braced, osgoi dadosod yn aml a thynnu'r system golau tyfu, a lleihau dwyster llafur gweithwyr, gan wella effeithlonrwydd gwaith yn effeithiol.

Syniadau dylunio system golau tyfu nodweddiadol
Nid yw'n anodd gweld o ddyluniad y ddyfais atodol goleuadau symudol bod dyluniad system goleuo atodol y ffatri planhigion fel arfer yn cymryd dwysedd 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 eithaf 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: cyfnod eginblanhigion, twf canol, twf hwyr, a chyfnod diwedd; gellir rhannu llysiau ffrwythau yn gyfnod eginblanhigion, cyfnod twf llystyfiant, cyfnod blodeuo, a chyfnod cynaeafu. O briodoleddau dwysedd golau atodol, dylai dwyster y golau yn y cyfnod eginblanhigyn fod ychydig yn is, sef 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 arddwysedd golau ffotosynthesis planhigion ym mhob cyfnod twf a diwallu anghenion cynnyrch uchel; O ran ansawdd golau, mae'r gymhareb o goch i las yn bwysig iawn. Er mwyn cynyddu ansawdd yr eginblanhigion ac atal twf gormodol yn y cyfnod eginblanhigion, mae'r gymhareb o goch i las yn cael ei osod yn gyffredinol ar lefel isel [(1 ~ 2): 1], ac yna'n cael ei leihau'n raddol i ddiwallu anghenion y planhigyn. morffoleg ysgafn. Gellir gosod y gymhareb o lysiau coch i las i lysiau deiliog i (3~6):1. Ar gyfer y photoperiod, yn debyg i'r dwyster golau, dylai ddangos tuedd o gynyddu gydag estyniad y cyfnod twf, fel bod gan lysiau deiliog fwy o amser ffotosynthesis ar gyfer ffotosynthesis. Bydd dyluniad atodiad ysgafn 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 gwrthdanio.

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

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

Sylwadau i gloi
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 thwf, 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 cnwd nodweddiadol. Nid yw'n anodd dod o hyd trwy gymharu, er mwyn ymdopi â'r golau isel a achosir gan dywydd garw fel cymylog parhaus a niwl ac i sicrhau cynhyrchiant uchel a sefydlog o gnydau cyfleuster, mae offer ffynhonnell golau LED Grow yn fwyaf unol â datblygiad cyfredol tueddiadau.

Dylai cyfeiriad datblygu ffatrïoedd planhigion yn y dyfodol ganolbwyntio ar synwyryddion cost isel newydd, uchel-gywirdeb, systemau dyfais goleuo sbectrwm 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 gost isel, deallus a hunan-addasol. Mae defnyddio a phoblogeiddio ffynonellau golau tyfu LED yn darparu gwarant ar gyfer rheolaeth amgylcheddol manwl uchel o ffatrïoedd planhigion. Mae rheoleiddio amgylchedd golau LED yn broses gymhleth sy'n cynnwys rheoleiddio cynhwysfawr o ansawdd golau, dwyster golau, a photoperiod. Mae angen i arbenigwyr ac ysgolheigion perthnasol gynnal ymchwil fanwl, gan hyrwyddo goleuadau atodol LED mewn ffatrïoedd planhigion golau artiffisial.