Mwandishi: Jing Zhao，Zengchan Zhou，Yunlong Bu, n.k. Chanzo cha Habari：Teknolojia ya Uhandisi wa Kilimo (kilimo cha bustani cha chafu)

Kiwanda cha mimea kinachanganya viwanda vya kisasa, bioteknolojia, hydroponics ya virutubisho na teknolojia ya habari ili kutekeleza udhibiti wa hali ya juu wa vipengele vya mazingira katika kituo hicho. Kimefungwa kikamilifu, kina mahitaji ya chini katika mazingira yanayozunguka, hufupisha kipindi cha mavuno ya mimea, huokoa maji na mbolea, na kwa faida za uzalishaji usio wa dawa za kuulia wadudu na kutotoa taka, ufanisi wa matumizi ya ardhi ya kitengo ni mara 40 hadi 108 ya uzalishaji wa uwanja wazi. Miongoni mwao, chanzo cha mwanga bandia chenye akili na udhibiti wake wa mazingira ya mwanga huchukua jukumu muhimu katika ufanisi wake wa uzalishaji.

Kama kipengele muhimu cha kimazingira, mwanga una jukumu muhimu katika kudhibiti ukuaji wa mimea na umetaboli wa nyenzo. "Mojawapo ya sifa kuu za kiwanda cha mimea ni chanzo kamili cha mwanga bandia na utambuzi wa udhibiti wa busara wa mazingira ya mwanga" imekuwa makubaliano ya jumla katika tasnia.

Mahitaji ya mimea kwa mwanga

Mwanga ndio chanzo pekee cha nishati ya usanisinuru wa mimea. Kiwango cha mwanga, ubora wa mwanga (spektamu) na mabadiliko ya mara kwa mara ya mwanga yana athari kubwa katika ukuaji na ukuaji wa mazao, ambayo miongoni mwao kiwango cha mwanga kina athari kubwa zaidi kwenye usanisinuru wa mimea.

■ Kiwango cha mwanga

Ukali wa mwanga unaweza kubadilisha mofolojia ya mazao, kama vile maua, urefu wa ndani ya nodi, unene wa shina, na ukubwa na unene wa majani. Mahitaji ya mimea kwa ajili ya ukali wa mwanga yanaweza kugawanywa katika mimea inayopenda mwanga, inayopenda mwanga wa wastani, na inayostahimili mwanga mdogo. Mboga kwa kiasi kikubwa ni mimea inayopenda mwanga, na sehemu zake za fidia ya mwanga na sehemu za kueneza mwanga ni za juu kiasi. Katika viwanda vya mimea vya mwanga bandia, mahitaji muhimu ya mazao kwa ajili ya ukali wa mwanga ni msingi muhimu wa kuchagua vyanzo vya mwanga bandia. Kuelewa mahitaji ya mwanga ya mimea tofauti ni muhimu kwa kubuni vyanzo vya mwanga bandia, Ni muhimu sana kuboresha utendaji wa uzalishaji wa mfumo.

■ Ubora wa mwanga

Usambazaji wa ubora wa mwanga (spekta) pia una ushawishi muhimu kwenye usanisinuru wa mimea na umbo lake (Mchoro 1). Mwanga ni sehemu ya mionzi, na mionzi ni wimbi la sumakuumeme. Mawimbi ya sumakuumeme yana sifa za mawimbi na sifa za kwantamu (chembe). Kwantamu ya mwanga inaitwa fotoni katika uwanja wa kilimo cha bustani. Mionzi yenye masafa ya urefu wa mawimbi ya 300 ~ 800nm ​​inaitwa mionzi inayofanya kazi kisaikolojia ya mimea; na mionzi yenye masafa ya urefu wa mawimbi ya 400 ~ 700nm inaitwa mionzi inayofanya kazi kwa usanisinuru (PAR) ya mimea.

Klorofili na karotini ndizo rangi mbili muhimu zaidi katika usanisinuru wa mimea. Mchoro 2 unaonyesha wigo wa unyonyaji wa spektri wa kila rangi ya usanisinuru, ambapo wigo wa unyonyaji wa klorofili umejikita katika bendi nyekundu na bluu. Mfumo wa taa unategemea mahitaji ya spektri ya mazao ili kuongeza mwanga bandia, ili kukuza usanisinuru wa mimea.

■ kipindi cha picha
Uhusiano kati ya usanisinuru na ufotomofoji wa mimea na urefu wa siku (au muda wa kipindi cha mwanga) huitwa kipindi cha mwanga cha mimea. Kipindi cha mwanga kinahusiana kwa karibu na saa za mwanga, ambazo hurejelea wakati ambapo mmea huangaziwa na mwanga. Mazao tofauti yanahitaji idadi fulani ya saa za mwanga ili kukamilisha kipindi cha mwanga ili kuchanua na kuzaa matunda. Kulingana na vipindi tofauti vya mwanga, inaweza kugawanywa katika mazao ya siku ndefu, kama vile kabichi, nk, ambayo yanahitaji zaidi ya saa 12-14 za mwanga katika hatua fulani ya ukuaji wake; mazao ya siku fupi, kama vile vitunguu, soya, nk, yanahitaji chini ya saa 12-14 za mwanga; mazao ya jua la wastani, kama vile matango, nyanya, pilipili hoho, nk, yanaweza kuchanua na kuzaa matunda chini ya mwanga wa jua mrefu au mfupi.
Miongoni mwa vipengele vitatu vya mazingira, nguvu ya mwanga ni msingi muhimu wa kuchagua vyanzo vya mwanga bandia. Kwa sasa, kuna njia nyingi za kuonyesha nguvu ya mwanga, hasa zikiwemo tatu zifuatazo.
（1） Mwangaza unarejelea msongamano wa uso wa mkondo unaong'aa (mkondo unaong'aa kwa kila eneo la kitengo) unaopokelewa kwenye ndege iliyoangaziwa, katika lux (lx).

（2）Mionzi inayofanya kazi kwa usanisinuru, PAR，Kitengo：W/m²。

（3）Msongamano wa fotoni unaofanya kazi kwa usanisinuru PPFD au PPF ni idadi ya mionzi inayofanya kazi kwa usanisinuru inayofikia au kupita katika muda wa kitengo na eneo la kitengo, kitengo：μmol/(m²·s). Kimsingi hurejelea nguvu ya mwanga ya 400~700nm inayohusiana moja kwa moja na usanisinuru. Pia ni kiashiria cha nguvu ya mwanga kinachotumika sana katika uwanja wa uzalishaji wa mimea.

Uchambuzi wa chanzo cha mwanga wa mfumo wa kawaida wa mwanga wa ziada
Kirutubisho cha mwanga bandia ni kuongeza nguvu ya mwanga katika eneo lengwa au kuongeza muda wa mwanga kwa kusakinisha mfumo wa mwanga wa ziada ili kukidhi mahitaji ya mwanga ya mimea. Kwa ujumla, mfumo wa mwanga wa ziada unajumuisha vifaa vya mwanga vya ziada, saketi na mfumo wake wa udhibiti. Vyanzo vya mwanga vya ziada vinajumuisha aina kadhaa za kawaida kama vile taa za incandescent, taa za fluorescent, taa za halidi za chuma, taa za sodiamu zenye shinikizo kubwa na LED. Kwa sababu ya ufanisi mdogo wa umeme na macho wa taa za incandescent, ufanisi mdogo wa nishati ya usanisinuru na mapungufu mengine, imeondolewa na soko, kwa hivyo makala haya hayafanyi uchambuzi wa kina.

■ Taa ya umeme
Taa za fluorescent ni za aina ya taa za kutokwa na gesi zenye shinikizo la chini. Bomba la kioo limejaa mvuke wa zebaki au gesi isiyo na maji, na ukuta wa ndani wa bomba umefunikwa na unga wa fluorescent. Rangi ya mwanga hutofautiana kulingana na nyenzo za fluorescent zilizofunikwa kwenye bomba. Taa za fluorescent zina utendaji mzuri wa spektrali, ufanisi mkubwa wa kung'aa, nguvu ndogo, maisha marefu (saa 12000) ikilinganishwa na taa za incandescent, na gharama ya chini. Kwa sababu taa ya fluorescent yenyewe hutoa joto kidogo, inaweza kuwa karibu na mimea kwa ajili ya taa na inafaa kwa kilimo cha pande tatu. Hata hivyo, mpangilio wa spektrali wa taa ya fluorescent hauna maana. Njia ya kawaida zaidi duniani ni kuongeza viakisi ili kuongeza vipengele vya chanzo cha mwanga bora vya mazao katika eneo la kilimo. Kampuni ya Kijapani ya adv-agri pia imeunda aina mpya ya chanzo cha ziada cha mwanga cha HEFL. HEFL kwa kweli ni ya kategoria ya taa za fluorescent. Ni neno la jumla la taa za fluorescent za cathode baridi (CCFL) na taa za fluorescent za elektrodi ya nje (EEFL), na ni taa ya fluorescent ya elektrodi mchanganyiko. Bomba la HEFL ni jembamba sana, lenye kipenyo cha takriban milimita 4 pekee, na urefu unaweza kubadilishwa kutoka milimita 450 hadi milimita 1200 kulingana na mahitaji ya kilimo. Ni toleo lililoboreshwa la taa ya kawaida ya fluorescent.

■ Taa ya halidi ya chuma
Taa ya halidi ya chuma ni taa ya kutokwa yenye nguvu ya juu ambayo inaweza kusisimua vipengele tofauti ili kutoa mawimbi tofauti kwa kuongeza halidi mbalimbali za chuma (bromidi ya bati, iodidi ya sodiamu, n.k.) kwenye bomba la kutokwa kwa msingi wa taa ya zebaki yenye shinikizo kubwa. Taa za halojeni zina ufanisi mkubwa wa kung'aa, nguvu kubwa, rangi nzuri ya mwanga, maisha marefu, na wigo mkubwa. Hata hivyo, kwa sababu ufanisi wa kung'aa ni mdogo kuliko ule wa taa za sodiamu zenye shinikizo kubwa, na muda wa kuishi ni mfupi kuliko ule wa taa za sodiamu zenye shinikizo kubwa, kwa sasa inatumika tu katika viwanda vichache vya mimea.

■ Taa ya sodiamu yenye shinikizo kubwa
Taa za sodiamu zenye shinikizo kubwa ni za aina ya taa za kutokwa na gesi zenye shinikizo kubwa. Taa ya sodiamu yenye shinikizo kubwa ni taa yenye ufanisi mkubwa ambapo mvuke wa sodiamu wenye shinikizo kubwa hujazwa kwenye bomba la kutokwa na gesi, na kiasi kidogo cha xenon (Xe) na halidi ya chuma ya zebaki huongezwa. Kwa sababu taa za sodiamu zenye shinikizo kubwa zina ufanisi mkubwa wa ubadilishaji wa umeme-macho na gharama za chini za utengenezaji, taa za sodiamu zenye shinikizo kubwa kwa sasa ndizo zinazotumika sana katika matumizi ya mwanga wa ziada katika vifaa vya kilimo. Hata hivyo, kutokana na mapungufu ya ufanisi mdogo wa usanisinuru katika wigo wao, zina mapungufu ya ufanisi mdogo wa nishati. Kwa upande mwingine, vipengele vya spektri vinavyotolewa na taa za sodiamu zenye shinikizo kubwa vimejikita zaidi kwenye utepe wa mwanga wa njano-machungwa, ambao hauna spektri nyekundu na bluu muhimu kwa ukuaji wa mimea.

■ Diode inayotoa mwanga
Kama kizazi kipya cha vyanzo vya mwanga, diode zinazotoa mwanga (LED) zina faida nyingi kama vile ufanisi mkubwa wa ubadilishaji wa umeme-macho, wigo unaoweza kurekebishwa, na ufanisi mkubwa wa usanisinuru. LED inaweza kutoa mwanga wa monochromatic unaohitajika kwa ukuaji wa mimea. Ikilinganishwa na taa za kawaida za fluorescent na vyanzo vingine vya ziada vya mwanga, LED ina faida za kuokoa nishati, ulinzi wa mazingira, maisha marefu, mwanga wa monochromatic, chanzo cha mwanga baridi na kadhalika. Kwa uboreshaji zaidi wa ufanisi wa umeme-macho wa LED na kupunguzwa kwa gharama zinazosababishwa na athari ya kipimo, mifumo ya taa za LED itakuwa vifaa vikuu vya kuongeza mwanga katika vifaa vya kilimo. Matokeo yake, taa za LED zimetumika zaidi ya viwanda vya mimea 99.9%.

Kwa kulinganisha, sifa za vyanzo tofauti vya mwanga vya ziada zinaweza kueleweka wazi, kama inavyoonyeshwa kwenye Jedwali 1.

Kifaa cha taa kinachoweza kuhamishika
Ukali wa mwanga unahusiana kwa karibu na ukuaji wa mazao. Kilimo cha pande tatu mara nyingi hutumika katika viwanda vya mimea. Hata hivyo, kutokana na ukomo wa muundo wa raki za kilimo, usambazaji usio sawa wa mwanga na halijoto kati ya raki utaathiri mavuno ya mazao na kipindi cha uvunaji hakitasawazishwa. Kampuni huko Beijing imefanikiwa kutengeneza kifaa cha nyongeza cha taa za kuinua kwa mkono (kifaa cha taa cha HPS na kifaa cha taa za LED) mnamo 2010. Kanuni ni kuzungusha shimoni la kuendesha na kifaa cha kuzungusha kikiwa kimeunganishwa juu yake kwa kutikisa mpini ili kuzungusha reli ndogo ya filamu ili kufikia lengo la kurudisha nyuma na kufungua kamba ya waya. Kamba ya waya ya taa za kukua imeunganishwa na gurudumu la kuzungusha la lifti kupitia seti nyingi za magurudumu yanayorudisha nyuma, ili kufikia athari ya kurekebisha urefu wa taa za kukua. Mnamo 2017, kampuni iliyotajwa hapo juu ilibuni na kutengeneza kifaa kipya cha nyongeza cha taa za mkononi, ambacho kinaweza kurekebisha kiotomatiki urefu wa nyongeza ya mwanga kwa wakati halisi kulingana na mahitaji ya ukuaji wa mazao. Kifaa cha kurekebisha sasa kimewekwa kwenye raki ya kilimo ya aina ya kuinua chanzo cha mwanga cha tabaka 3 yenye pande tatu. Safu ya juu ya kifaa ni sawa na hali bora ya mwanga, kwa hivyo imewekwa taa za sodiamu zenye shinikizo kubwa; safu ya kati na safu ya chini imewekwa taa za LED za kupanda na mfumo wa kurekebisha kuinua. Inaweza kurekebisha kiotomatiki urefu wa taa ya kupanda ili kutoa mazingira ya taa yanayofaa kwa mazao.

Ikilinganishwa na kifaa cha nyongeza cha taa za mkononi kilichoundwa kwa ajili ya kilimo cha pande tatu, Uholanzi imeunda kifaa cha nyongeza cha taa za LED zinazohamishika kwa usawa. Ili kuepuka ushawishi wa kivuli cha mwanga wa kukua kwenye ukuaji wa mimea kwenye jua, mfumo wa taa za kukua unaweza kusukumwa pande zote mbili za bracket kupitia slaidi ya teleskopu katika mwelekeo mlalo, ili jua liangazwe kikamilifu kwenye mimea; siku zenye mawingu na mvua bila jua, Sukuma mfumo wa taa za kukua katikati ya bracket ili kufanya mwanga wa mfumo wa taa za kukua ujaze mimea sawasawa; sogeza mfumo wa taa za kukua kwa usawa kupitia slaidi kwenye bracket, epuka kutenganisha na kuondoa mara kwa mara mfumo wa taa za kukua, na kupunguza nguvu ya wafanyakazi, hivyo kuboresha ufanisi wa kazi kwa ufanisi.

Mawazo ya kubuni ya mfumo wa kawaida wa mwanga wa kukua
Si vigumu kuona kutokana na muundo wa kifaa cha ziada cha taa za mkononi kwamba muundo wa mfumo wa ziada wa taa wa kiwanda cha mimea kwa kawaida huchukua kiwango cha mwanga, ubora wa mwanga na vigezo vya kipindi cha upigaji picha vya vipindi tofauti vya ukuaji wa mazao kama maudhui ya msingi ya muundo, kutegemea mfumo wa udhibiti wa akili kutekeleza, kufikia lengo kuu la kuokoa nishati na mavuno mengi.

Kwa sasa, muundo na ujenzi wa mwanga wa ziada kwa mboga za majani umekomaa polepole. Kwa mfano, mboga za majani zinaweza kugawanywa katika hatua nne: hatua ya miche, katikati ya ukuaji, hatua ya kuchelewa kukua, na hatua ya mwisho; mboga za matunda zinaweza kugawanywa katika hatua ya miche, hatua ya ukuaji wa mimea, hatua ya maua, na hatua ya uvunaji. Kutoka kwa sifa za mwanga wa ziada, kiwango cha mwanga katika hatua ya miche kinapaswa kuwa chini kidogo, kwa 60~200 μmol/(m²·s), na kisha kuongezeka polepole. Mboga za majani zinaweza kufikia hadi 100~200 μmol/(m²·s), na mboga za matunda zinaweza kufikia 300~500 μmol/(m²·s) ili kuhakikisha mahitaji ya mwanga wa usanisinuru wa mimea katika kila kipindi cha ukuaji na kukidhi mahitaji ya mavuno mengi; Kwa upande wa ubora wa mwanga, uwiano wa nyekundu na bluu ni muhimu sana. Ili kuongeza ubora wa miche na kuzuia ukuaji mkubwa katika hatua ya miche, uwiano wa nyekundu hadi bluu kwa ujumla huwekwa katika kiwango cha chini [(1~2:1], na kisha hupunguzwa polepole ili kukidhi mahitaji ya mofolojia ya mwanga wa mimea. Uwiano wa nyekundu hadi bluu na mboga za majani unaweza kuwekwa kuwa (3~6):1). Kwa kipindi cha mwanga, sawa na kiwango cha mwanga, kinapaswa kuonyesha mwelekeo wa kuongezeka kadri kipindi cha ukuaji kinavyoongezeka, ili mboga za majani ziwe na muda zaidi wa usanisinuru kwa ajili ya usanisinuru. Muundo wa virutubisho vya mwanga wa matunda na mboga utakuwa mgumu zaidi. Mbali na sheria za msingi zilizotajwa hapo juu, tunapaswa kuzingatia mpangilio wa kipindi cha mwanga wakati wa kipindi cha maua, na maua na matunda ya mboga lazima yapandishwe, ili yasirudi nyuma.

Inafaa kutaja kwamba fomula ya mwanga inapaswa kujumuisha matibabu ya mwisho kwa mazingira ya mwanga. Kwa mfano, nyongeza ya mwanga inayoendelea inaweza kuboresha sana mavuno na ubora wa miche ya mboga za majani ya hydroponic, au kutumia matibabu ya UV ili kuboresha kwa kiasi kikubwa ubora wa lishe ya chipukizi na mboga za majani (hasa Majani ya zambarau na lettuce ya majani mekundu).

Mbali na kuboresha nyongeza ya mwanga kwa mazao yaliyochaguliwa, mfumo wa udhibiti wa chanzo cha mwanga wa baadhi ya viwanda vya mimea ya taa bandia pia umekua kwa kasi katika miaka ya hivi karibuni. Mfumo huu wa udhibiti kwa ujumla unategemea muundo wa B/S. Udhibiti wa mbali na udhibiti wa kiotomatiki wa vipengele vya mazingira kama vile halijoto, unyevunyevu, mwanga, na mkusanyiko wa CO2 wakati wa ukuaji wa mazao hugunduliwa kupitia WIFI, na wakati huo huo, njia ya uzalishaji ambayo haijazuiliwa na hali za nje hugunduliwa. Aina hii ya mfumo wa taa za ziada zenye akili hutumia taa za LED kama chanzo cha ziada cha mwanga, pamoja na mfumo wa udhibiti wa mbali wenye akili, unaweza kukidhi mahitaji ya mwangaza wa urefu wa mimea, unafaa hasa kwa mazingira ya kilimo cha mimea yanayodhibitiwa na mwanga, na unaweza kukidhi mahitaji ya soko.

Maelezo ya kumalizia
Viwanda vya mimea vinachukuliwa kuwa njia muhimu ya kutatua matatizo ya rasilimali za dunia, idadi ya watu na mazingira katika karne ya 21, na njia muhimu ya kufikia kujitosheleza kwa chakula katika miradi ya teknolojia ya juu ya siku zijazo. Kama aina mpya ya mbinu ya uzalishaji wa kilimo, viwanda vya mimea bado viko katika hatua ya kujifunza na kukua, na umakini na utafiti zaidi unahitajika. Makala haya yanaelezea sifa na faida za mbinu za kawaida za taa za ziada katika viwanda vya mimea, na yanaanzisha mawazo ya muundo wa mifumo ya kawaida ya taa za ziada za mazao. Si vigumu kupata kwa kulinganisha, ili kukabiliana na mwanga mdogo unaosababishwa na hali mbaya ya hewa kama vile mawingu na ukungu unaoendelea na kuhakikisha uzalishaji wa juu na thabiti wa mazao ya kituo, vifaa vya chanzo cha mwanga cha LED Grow vinaendana zaidi na mitindo ya sasa ya maendeleo.

Mwelekeo wa maendeleo ya baadaye wa viwanda vya mimea unapaswa kuzingatia vitambuzi vipya vya usahihi wa juu, vya gharama nafuu, mifumo ya vifaa vya taa za wigo zinazoweza kudhibitiwa kwa mbali, zinazoweza kurekebishwa na mifumo ya udhibiti wa kitaalamu. Wakati huo huo, viwanda vya mimea vya baadaye vitaendelea kustawi kuelekea gharama nafuu, akili, na zinazoweza kujirekebisha. Matumizi na umaarufu wa vyanzo vya mwanga wa LED hutoa dhamana ya udhibiti wa mazingira wa hali ya juu wa viwanda vya mimea. Udhibiti wa mazingira ya mwanga wa LED ni mchakato mgumu unaohusisha udhibiti kamili wa ubora wa mwanga, nguvu ya mwanga, na kipindi cha mwanga. Wataalamu na wasomi husika wanahitaji kufanya utafiti wa kina, wakikuza taa za ziada za LED katika viwanda vya mimea vya mwanga bandia.