Mwandishi: Jing Zhao，Zengchan Zhou，Yunlong Bu, nk.Chanzo Media:Teknolojia ya Uhandisi wa Kilimo (greenhouse horticulture)

Kiwanda cha mimea kinachanganya tasnia ya kisasa, teknolojia ya kibayoteknolojia, haidroponiki za virutubishi na teknolojia ya habari ili kutekeleza udhibiti wa hali ya juu wa mambo ya mazingira katika kituo hicho.Imefungwa kabisa, ina mahitaji ya chini kwa mazingira yanayoizunguka, inafupisha muda wa mavuno ya mimea, huokoa maji na mbolea, na kwa faida ya uzalishaji usio na dawa na hakuna utupaji wa taka, ufanisi wa matumizi ya ardhi ni mara 40 hadi 108 ya hiyo. ya uzalishaji wa uwanja wazi.Miongoni mwao, chanzo cha mwanga bandia na udhibiti wake wa mazingira mwanga huchukua jukumu muhimu katika ufanisi wake wa uzalishaji.

Kama kipengele muhimu cha mazingira ya kimwili, mwanga una jukumu muhimu katika kudhibiti ukuaji wa mimea na kimetaboliki ya nyenzo."Moja ya sifa kuu za kiwanda cha mmea ni chanzo kamili cha mwanga wa bandia na utambuzi wa udhibiti wa akili wa mazingira ya mwanga" imekuwa makubaliano ya jumla katika sekta hiyo.

Mahitaji ya mimea kwa mwanga

Mwanga ni chanzo pekee cha nishati ya photosynthesis ya mimea.Uzito wa mwanga, ubora wa mwanga (wigo) na mabadiliko ya mara kwa mara ya mwanga yana athari kubwa katika ukuaji na maendeleo ya mazao, kati ya ambayo mwanga wa mwanga una athari kubwa zaidi kwenye photosynthesis ya mimea.

■ Ukali wa mwanga

Ukali wa mwanga unaweza kubadilisha maumbile ya mazao, kama vile maua, urefu wa internode, unene wa shina, na ukubwa wa majani na unene.Mahitaji ya mimea kwa mwangaza wa mwanga yanaweza kugawanywa katika mimea inayopenda mwanga, kati-mwanga-upendo, na mimea ya chini ya kustahimili mwanga.Mboga mara nyingi ni mimea inayopenda mwanga, na pointi zao za fidia nyepesi na nuru za kueneza ni za juu kiasi.Katika viwanda vya mimea ya mwanga wa bandia, mahitaji muhimu ya mazao kwa mwanga wa mwanga ni msingi muhimu wa kuchagua vyanzo vya mwanga vya bandia.Kuelewa mahitaji ya mwanga wa mimea tofauti ni muhimu kwa kubuni vyanzo vya mwanga vya bandia, Ni muhimu sana kuboresha utendaji wa uzalishaji wa mfumo.

■ Ubora wa mwanga

Usambazaji wa ubora wa mwanga (spectral) pia una ushawishi muhimu kwenye photosynthesis ya mimea na mofogenesis (Mchoro 1).Mwanga ni sehemu ya mionzi, na mionzi ni wimbi la umeme.Mawimbi ya sumakuumeme yana sifa za wimbi na sifa za quantum (chembe).Kiasi cha mwanga kinaitwa photon katika shamba la bustani.Mionzi yenye safu ya mawimbi ya 300~800nm ​​inaitwa mionzi hai ya kisaikolojia ya mimea;na mionzi yenye upeo wa urefu wa 400~700nm inaitwa mionzi ya photosynthetically amilifu (PAR) ya mimea.

Chlorophyll na carotenes ni rangi mbili muhimu zaidi katika photosynthesis ya mimea.Mchoro wa 2 unaonyesha wigo wa ufyonzaji wa spectral wa kila rangi ya usanisinuru, ambapo wigo wa ufyonzaji wa klorofili hujilimbikizia kwenye mikanda nyekundu na buluu.Mfumo wa taa unategemea mahitaji ya spectral ya mazao ili kuongeza mwanga kwa bandia, ili kukuza photosynthesis ya mimea.

■ kipindi cha kupiga picha
Uhusiano kati ya photosynthesis na photomorphogenesis ya mimea na urefu wa siku (au muda wa photoperiod) inaitwa photoperiodity ya mimea.Upigaji picha unahusiana kwa karibu na saa za mwanga, ambayo inarejelea wakati ambapo mmea huwashwa na mwanga.Mimea tofauti huhitaji idadi fulani ya saa za mwanga ili kukamilisha kipindi cha kupiga picha kuchanua na kuzaa matunda.Kulingana na vipindi tofauti vya picha, inaweza kugawanywa katika mazao ya siku ndefu, kama kabichi, nk, ambayo inahitaji zaidi ya masaa 12-14 ya mwanga katika hatua fulani ya ukuaji wake;mazao ya siku fupi, kama vile vitunguu, soya, nk, yanahitaji chini ya masaa 12-14 ya mwanga;mazao ya jua la wastani, kama vile matango, nyanya, pilipili, nk, yanaweza kuchanua na kuzaa chini ya mwanga mrefu au mfupi wa jua.
Miongoni mwa vipengele vitatu vya mazingira, mwanga wa mwanga ni msingi muhimu wa kuchagua vyanzo vya mwanga vya bandia.Kwa sasa, kuna njia nyingi za kueleza mwangaza wa mwanga, hasa ikiwa ni pamoja na tatu zifuatazo.
(1) Mwangaza unarejelea msongamano wa uso wa flux inayong'aa (mtiririko wa mwanga kwa kila eneo la kitengo) inayopokelewa kwenye ndege iliyoangaziwa, katika lux (lx).

(2) Mionzi inayofanya kazi kwa usanisi, PAR,Kitengo:W/m².

(3) Msongamano wa mionzi ya fotoni yenye ufanisi katika usanisinuru PPFD au PPF ni idadi ya mionzi inayofanya kazi kwa usanisinuru ambayo hufika au kupita kwenye kitengo cha saa na eneo la kitengo, kitengo:μmol/(m²·s).Hasa inarejelea mwangaza wa 400~700nm. moja kwa moja kuhusiana na photosynthesis.Pia ni kiashiria cha kawaida cha mwanga katika uwanja wa uzalishaji wa mimea.

Uchambuzi wa chanzo cha mwanga cha mfumo wa kawaida wa mwanga wa ziada
Kirutubisho cha mwanga Bandia ni kuongeza mwangaza wa mwanga katika eneo lengwa au kuongeza muda wa mwanga kwa kusakinisha mfumo wa ziada wa mwanga ili kutimiza mahitaji ya mwanga wa mimea.Kwa ujumla, mfumo wa mwanga wa ziada unajumuisha vifaa vya ziada vya mwanga, mizunguko na mfumo wake wa udhibiti.Vyanzo vya ziada vya mwanga hujumuisha aina kadhaa za kawaida kama vile taa za incandescent, taa za fluorescent, taa za chuma za halide, taa za sodiamu zenye shinikizo la juu na LEDs.Kutokana na ufanisi mdogo wa umeme na macho wa taa za incandescent, ufanisi mdogo wa nishati ya photosynthetic na mapungufu mengine, imeondolewa na soko, hivyo makala hii haifanyi uchambuzi wa kina.

■ Taa ya fluorescent
Taa za fluorescent ni za aina ya taa za kutokwa kwa gesi ya shinikizo la chini.Bomba la kioo linajazwa na mvuke ya zebaki au gesi ya inert, na ukuta wa ndani wa bomba hutiwa na poda ya fluorescent.Rangi ya mwanga inatofautiana na nyenzo za fluorescent zilizowekwa kwenye bomba.Taa za fluorescent zina utendakazi mzuri wa spectral, ufanisi wa juu wa kuangaza, nguvu ya chini, maisha marefu (12000h) ikilinganishwa na taa za incandescent, na gharama ya chini kiasi.Kwa sababu taa ya fluorescent yenyewe hutoa joto kidogo, inaweza kuwa karibu na mimea kwa ajili ya taa na inafaa kwa kilimo cha tatu-dimensional.Hata hivyo, mpangilio wa spectral wa taa ya fluorescent hauna maana.Njia inayojulikana zaidi ulimwenguni ni kuongeza viakisi ili kuongeza vipengele vya chanzo cha mwanga vya mazao katika eneo la kulima.Kampuni ya Kijapani ya adv-agri pia imeunda aina mpya ya chanzo cha mwanga cha ziada HEFL.HEFL kweli ni ya jamii ya taa za fluorescent.Ni neno la jumla kwa taa baridi za cathode fluorescent (CCFL) na taa za umeme za elektrodi za nje (EEFL), na ni taa ya umeme ya elektrodi iliyochanganyika.Bomba la HEFL ni nyembamba sana, na kipenyo cha takriban 4mm, na urefu unaweza kubadilishwa kutoka 450mm hadi 1200mm kulingana na mahitaji ya kilimo.Ni toleo la kuboreshwa la taa ya kawaida ya fluorescent.

■ Taa ya chuma ya halide
Taa ya halide ya chuma ni taa ya kutokwa kwa nguvu ya juu ambayo inaweza kusisimua vipengele tofauti ili kuzalisha urefu tofauti wa wavelengths kwa kuongeza halidi mbalimbali za chuma (bromidi ya bati, iodidi ya sodiamu, nk) kwenye bomba la kutokwa kwa msingi wa taa ya zebaki yenye shinikizo la juu.Taa za halojeni zina ufanisi wa juu wa kuangaza, nguvu ya juu, rangi nzuri ya mwanga, maisha marefu, na wigo mkubwa.Hata hivyo, kwa sababu ufanisi wa mwanga ni wa chini kuliko ule wa taa za sodiamu zenye shinikizo la juu, na muda wa maisha ni mfupi kuliko ule wa taa za sodiamu zenye shinikizo la juu, kwa sasa hutumiwa tu katika viwanda vichache vya mimea.

■ Taa ya sodiamu yenye shinikizo la juu
Taa za sodiamu za shinikizo la juu ni za aina ya taa za kutokwa kwa gesi ya shinikizo la juu.Taa ya sodiamu ya shinikizo la juu ni taa ya juu ya ufanisi ambayo mvuke ya sodiamu yenye shinikizo la juu hujazwa kwenye tube ya kutokwa, na kiasi kidogo cha xenon (Xe) na halide ya chuma ya zebaki huongezwa.Kwa sababu taa za sodiamu zenye shinikizo la juu zina ufanisi mkubwa wa ubadilishaji wa elektroni na gharama ya chini ya utengenezaji, taa za sodiamu zenye shinikizo kubwa kwa sasa ndizo zinazotumika sana katika utumiaji wa taa ya ziada katika vifaa vya kilimo.Hata hivyo, kutokana na mapungufu ya ufanisi mdogo wa photosynthetic katika wigo wao, wana mapungufu ya ufanisi mdogo wa nishati.Kwa upande mwingine, vipengele vya spectral vinavyotolewa na taa za sodiamu za shinikizo la juu hujilimbikizia hasa bendi ya njano-machungwa, ambayo haina spectra nyekundu na bluu muhimu kwa ukuaji wa mimea.

■ Diode inayotoa mwanga
Kama kizazi kipya cha vyanzo vya mwanga, diodi zinazotoa mwanga (LED) zina manufaa mengi kama vile ufanisi wa juu wa ubadilishaji wa kielektroniki, wigo unaoweza kubadilishwa, na ufanisi wa hali ya juu wa usanisinuru.LED inaweza kutoa mwanga wa monokromatiki unaohitajika kwa ukuaji wa mmea.Ikilinganishwa na taa za kawaida za umeme na vyanzo vingine vya taa vya ziada, LED ina faida za kuokoa nishati, ulinzi wa mazingira, maisha marefu, mwanga wa monochromatic, chanzo cha mwanga baridi na kadhalika.Pamoja na uboreshaji zaidi wa ufanisi wa kielektroniki wa taa za LED na kupunguzwa kwa gharama zinazosababishwa na athari ya kiwango, mifumo ya taa ya ukuaji wa LED itakuwa vifaa vya kawaida vya kuongeza mwanga katika vifaa vya kilimo.Matokeo yake, taa za kukua za LED zimetumika zaidi ya 99.9% ya viwanda vya mimea.

Kwa kulinganisha, sifa za vyanzo tofauti vya taa za ziada zinaweza kueleweka kwa uwazi, kama inavyoonyeshwa katika Jedwali 1.

Kifaa cha taa cha rununu
Nguvu ya mwanga inahusiana kwa karibu na ukuaji wa mazao.Kilimo cha pande tatu mara nyingi hutumiwa katika viwanda vya mimea.Hata hivyo, kutokana na upungufu wa muundo wa racks za kilimo, usambazaji usio sawa wa mwanga na joto kati ya racks utaathiri mavuno ya mazao na kipindi cha kuvuna hakitaunganishwa.Kampuni moja mjini Beijing imetengeneza kwa mafanikio kifaa cha ziada cha kuinua mwanga (HPS lighting fixture and LED grow lighting fixture) mwaka wa 2010. Kanuni ni kuzungusha shaft ya kiendeshi na kipeperushi kilichowekwa juu yake kwa kutikisa mpini ili kuzungusha reel ndogo ya filamu. ili kufikia madhumuni ya kurudisha nyuma na kufungua kamba ya waya.Kamba ya waya ya mwanga wa kukua imeunganishwa na gurudumu la vilima la lifti kupitia seti nyingi za magurudumu ya kurudi nyuma, ili kufikia athari ya kurekebisha urefu wa mwanga wa kukua.Mnamo 2017, kampuni iliyotajwa hapo juu ilibuni na kutengeneza kifaa kipya cha kuongeza mwanga cha rununu, 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 safu ya safu-3 ya chanzo cha kuinua chanzo cha mwanga cha aina tatu za kilimo.Safu ya juu ya kifaa ni kiwango na hali bora ya mwanga, kwa hiyo ina vifaa vya taa za sodiamu za shinikizo la juu;safu ya kati na safu ya chini ina vifaa vya taa za kukua za LED na mfumo wa marekebisho ya kuinua.Inaweza kurekebisha kiotomati urefu wa mwanga wa kukua ili kutoa mazingira ya kufaa ya taa kwa mazao.

Ikilinganishwa na kifaa cha kuongeza mwanga cha rununu kilichoundwa kwa ajili ya kilimo cha pande tatu, Uholanzi imeunda kifaa cha kuongeza mwanga cha LED kinachoweza kusogezwa kwa usawa.Ili kuzuia ushawishi wa kivuli cha mwanga wa kukua juu ya ukuaji wa mimea kwenye jua, mfumo wa mwanga wa kukua unaweza kusukumwa kwa pande zote mbili za bracket kupitia slaidi ya telescopic katika mwelekeo wa usawa, ili jua liwe kikamilifu. irradiated juu ya mimea;siku za mawingu na mvua bila mwanga wa jua, Sukuma mfumo wa kukua hadi katikati ya mabano ili kufanya mwanga wa mfumo wa kukua kwa usawa kujaza mimea;sogeza mfumo wa kukua mwanga kwa mlalo kupitia slaidi kwenye mabano, epuka kutenganisha mara kwa mara na uondoaji wa mfumo wa mwanga wa kukua, na kupunguza nguvu ya wafanyakazi, hivyo kuboresha ufanisi wa kazi.

Kubuni mawazo ya mfumo wa kawaida wa kukua mwanga
Sio ngumu kuona kutoka kwa muundo wa kifaa cha ziada cha taa ya rununu kwamba muundo wa mfumo wa taa wa ziada wa kiwanda cha mmea kawaida huchukua kiwango cha mwanga, ubora wa mwanga na vigezo vya upigaji picha vya vipindi tofauti vya ukuaji wa mazao kama yaliyomo kuu ya muundo. , kutegemea mfumo wa udhibiti wa akili kutekeleza, kufikia lengo la mwisho la kuokoa nishati na mavuno mengi.

Kwa sasa, muundo na ujenzi wa mwanga wa ziada kwa mboga za majani umekomaa hatua kwa hatua.Kwa mfano, mboga za majani zinaweza kugawanywa katika hatua nne: hatua ya miche, katikati ya ukuaji, kuchelewa, na hatua ya mwisho;Mboga za matunda zinaweza kugawanywa katika hatua ya miche, hatua ya ukuaji wa mimea, hatua ya maua na hatua ya kuvuna.Kutokana na sifa za mwangaza wa ziada, mwangaza wa mwanga katika hatua ya miche unapaswa kuwa chini kidogo, kwa 60~200 μmol/(m²·s), na kisha kuongezeka hatua kwa hatua.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 mwangaza wa usanisinuru wa mimea katika kila kipindi cha ukuaji na kutimiza 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 kupita kiasi katika hatua ya miche, uwiano wa nyekundu na bluu kwa ujumla huwekwa katika kiwango cha chini [(1~2):1], na kisha hupunguzwa hatua kwa hatua ili kukidhi mahitaji ya mmea. mofolojia nyepesi.Uwiano wa mboga za majani nyekundu na bluu zinaweza kuwekwa (3~6):1.Kwa photoperiod, sawa na mwanga wa mwanga, inapaswa kuonyesha mwelekeo wa kuongezeka kwa ugani wa kipindi cha ukuaji, ili mboga za majani ziwe na muda zaidi wa photosynthetic kwa photosynthesis.Muundo wa kuongeza mwanga wa matunda na mboga itakuwa ngumu zaidi.Mbali na sheria za msingi zilizotaja hapo juu, tunapaswa kuzingatia uwekaji wa picha wakati wa maua, na maua na matunda ya mboga lazima yaendelezwe, ili sio kurudi nyuma.

Inafaa kutaja kuwa fomula nyepesi inapaswa kujumuisha matibabu ya mwisho kwa mipangilio ya mazingira nyepesi.Kwa mfano, uongezaji wa mwanga unaoendelea unaweza kuboresha sana mavuno na ubora wa miche ya mimea ya majani ya hydroponic, au kutumia matibabu ya UV ili kuboresha kwa kiasi kikubwa chipukizi na mboga za majani (hasa Majani ya zambarau na lettuce nyekundu ya majani) ubora wa lishe.

Mbali na kuboresha uongezaji mwanga kwa mazao yaliyochaguliwa, mfumo wa udhibiti wa vyanzo vya mwanga wa baadhi ya viwanda vya mimea ya mwanga bandia pia umeendelea 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 mambo ya mazingira kama vile joto, unyevu, mwanga, na mkusanyiko wa CO2 wakati wa ukuaji wa mazao hufikiwa kupitia WIFI, na wakati huo huo, njia ya uzalishaji ambayo haijazuiliwa na hali ya nje inatekelezwa.Aina hii ya mfumo wa mwanga wa ziada wa kiakili hutumia taa ya ukuaji wa LED kama chanzo cha taa cha ziada, ikichanganywa na mfumo wa udhibiti wa akili wa mbali, inaweza kukidhi mahitaji ya mwangaza wa urefu wa mawimbi ya mmea, inafaa haswa kwa mazingira ya kilimo kinachodhibitiwa na mwanga, na inaweza kukidhi mahitaji ya soko. .

Maneno 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 juu ya teknolojia ya baadaye.Kama aina mpya ya mbinu ya uzalishaji wa kilimo, viwanda vya mimea bado viko katika hatua ya kujifunza na ukuaji, na umakini zaidi na utafiti unahitajika.Kifungu hiki kinaelezea sifa na faida za njia za kawaida za taa za ziada katika viwanda vya mimea, na huanzisha mawazo ya kubuni ya mifumo ya kawaida ya taa ya ziada ya mazao.Si vigumu kupata kwa kulinganisha, ili kukabiliana na mwanga mdogo unaosababishwa na hali ya hewa kali kama vile mawingu na ukungu unaoendelea na kuhakikisha uzalishaji wa juu na thabiti wa mazao ya kituo, vifaa vya chanzo cha mwanga vya LED Grow vinaendana zaidi na maendeleo ya sasa. mitindo.

Mwelekeo wa uendelezaji wa siku zijazo wa viwanda vya mimea unapaswa kulenga vitambuzi vipya vya usahihi wa juu, vya gharama ya chini, vinavyoweza kudhibitiwa kwa mbali, mifumo ya vifaa vya mwanga vya masafa inayoweza kubadilishwa na mifumo ya udhibiti wa kitaalamu.Wakati huo huo, viwanda vya baadaye vya mimea vitaendelea kuendeleza kwa gharama ya chini, akili, na kujitegemea.Matumizi na umaarufu wa vyanzo vya mwanga vya ukuaji wa LED hutoa dhamana kwa udhibiti wa hali ya juu wa mazingira wa viwanda vya mimea.Udhibiti wa mazingira ya mwanga wa LED ni mchakato changamano unaohusisha udhibiti wa kina wa ubora wa mwanga, ukubwa wa mwanga na kipindi cha kupiga picha.Wataalamu na wasomi husika wanahitaji kufanya utafiti wa kina, kukuza taa za ziada za LED katika viwanda vya mimea ya mwanga bandia.