Auteur: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Quell Medien: Agrartechnik (Treibhausgaart)

D'Planzefabréck kombinéiert modern Industrie, Biotechnologie, Nährstoffhydroponik an Informatiounstechnologie fir eng héichpräzis Kontroll vun Ëmweltfaktoren an der Anlag ëmzesetzen. Si ass komplett zougemaach, huet niddreg Ufuerderungen un d'Ëmwelt, verkierzt d'Planzenernteperiod, spuert Waasser an Dünger, a mat de Virdeeler vun der Pestizidfräier Produktioun a kenger Offallentsuergung ass d'Landnotzungseffizienz vun der Eenheet 40 bis 108 Mol sou héich wéi bei der Produktioun am oppene Feld. Dorënner spillen déi intelligent künstlech Liichtquell an hir Liichtëmfeldreguléierung eng entscheedend Roll bei hirer Produktiounseffizienz.

Als wichtege physikalesche Ëmweltfaktor spillt d'Liicht eng Schlësselroll bei der Reguléierung vum Planzewuesstum an dem Materialstoffwiessel. „Ee vun den Haaptmerkmale vun der Planzefabréck ass déi voll künstlech Liichtquell an d'Realiséierung vun enger intelligenter Reguléierung vun der Liichtëmfeld“ ass zu engem allgemenge Konsens an der Industrie ginn.

Liichtbedarf vu Planzen

Liicht ass déi eenzeg Energiequell vun der Planzenfotosynthese. Liichtintensitéit, Liichtqualitéit (Spektrum) a periodesch Ännerunge vum Liicht hunn e groussen Afloss op d'Wuesstum an d'Entwécklung vu Kulturen, dorënner d'Liichtintensitéit, déi de gréissten Afloss op d'Planzefotosynthese huet.

■ Liichtintensitéit

D'Liichtintensitéit kann d'Morphologie vu Kulturen änneren, wéi zum Beispill d'Bléien, d'Längt vun den Internoden, d'Stammdicke an d'Blatgréisst an -dicke. D'Ufuerderunge vu Planzen u Liichtintensitéit kënnen a liichtléif, mëttelliichtléif a liichtschwaach Planzen opgedeelt ginn. Geméis si meeschtens liichtléif Planzen, an hir Liichtkompensatiounspunkten a Liichtsättigungspunkten si relativ héich. A Fabrike fir künstlech Liichtplanze sinn déi relevant Ufuerderunge vu Kulturen u Liichtintensitéit eng wichteg Basis fir d'Auswiel vu künstleche Liichtquellen. D'Liichtufuerderunge vu verschiddene Planzen ze verstoen ass wichteg fir d'Gestaltung vu künstleche Liichtquellen. Et ass extrem néideg d'Produktiounsleistung vum System ze verbesseren.

■ Liichtqualitéit

D'Verdeelung vun der Liichtqualitéit (Spektral) huet och en entscheedenden Afloss op d'Photosynthese a Morphogenese vu Planzen (Figur 1). Liicht ass en Deel vun der Stralung, a Stralung ass eng elektromagnetesch Well. Elektromagnetesch Wellen hunn Wellencharakteristiken a Quantencharakteristiken (Partikelcharakteristiken). De Quante vum Liicht gëtt am Gaart als Photon bezeechent. Stralung mat engem Wellelängteberäich vun 300~800 nm gëtt physiologesch aktiv Stralung vu Planzen genannt; a Stralung mat engem Wellelängteberäich vun 400~700 nm gëtt photosynthetesch aktiv Stralung vu Planzen (PAR) genannt.

Chlorophyll a Caroten sinn déi zwee wichtegst Pigmenter an der Planzenfotosynthese. Figur 2 weist de Spektralabsorptiounsspektrum vun all photosyntheteschem Pigment, bei deem de Chlorophyllabsorptiounsspektrum sech an de rouden a bloe Bänner konzentréiert. D'Beliichtungssystem baséiert op de spektrale Bedierfnesser vu Kulturen, fir d'Liicht künstlech z'ergänzen, fir d'Fotosynthese vu Planzen ze fërderen.

■ Fotoperiod
D'Bezéiung tëscht der Fotosynthese a Photomorphogenese vu Planzen an der Dageslängt (oder Photoperiodzäit) gëtt Photoperioditéit vu Planzen genannt. D'Fotoperioditéit ass enk mat de Liichtstonnen verbonnen, wat sech op d'Zäit bezitt, déi d'Kultur mat Liicht bestraalt gëtt. Verschidde Kulturen brauchen eng gewëssen Unzuel u Liichtstonnen, fir d'Fotoperiod ofzeschléissen, fir ze bléien a Friichten ze droen. Jee no de verschiddene Fotoperioden kann et a laangdeeglech Kulturen opgedeelt ginn, wéi Kabes, etc., déi méi wéi 12-14 Stonne Liichtstonnen an enger bestëmmter Phas vun hirem Wuesstum brauchen; kuerzdeeglech Kulturen, wéi Zwiebelen, Sojabounen, etc., brauchen manner wéi 12-14 Stonne Beliichtungsstonnen; mëttelsonneg Kulturen, wéi Gurken, Tomaten, Paprika, etc., kënne bei méi laanger oder méi kuerzer Sonneliicht bléien a Friichte droen.
Ënnert den dräi Elementer vun der Ëmwelt ass d'Liichtintensitéit eng wichteg Basis fir d'Auswiel vun kënschtleche Liichtquellen. Am Moment gëtt et vill Méiglechkeeten fir d'Liichtintensitéit auszedrécken, dorënner haaptsächlech déi folgend dräi.
(1) Beliichtung bezitt sech op d'Uewerflächendicht vum Liichtstroum (Liichtstroum pro Flächeneenheet), déi op der beliichter Fläch empfaange gëtt, a Lux (lx).

(2) Photosynthetesch aktiv Stralung, PAR, Eenheet: W/m².

(3) Déi photosynthetesch effektiv Photonenfluxdicht PPFD oder PPF ass d'Zuel vun der photosynthetesch effektiver Stralung, déi eng Zäiteenheet an eng Flächeneenheet erreecht oder duerchgeet, Eenheet: μmol/(m²·s). Bezitt sech haaptsächlech op d'Liichtintensitéit vun 400~700nm, déi direkt mat der Fotosynthese zesummenhänkt. Et ass och den am meeschte verbreeten Liichtintensitéitsindikator am Beräich vun der Planzeproduktioun.

Liichtquellanalyse vun typeschen Ergänzungsliichtsystemer
Kënschtlech Liichtergänzung ass fir d'Liichtintensitéit am Zilberäich ze erhéijen oder d'Liichtzäit ze verlängeren andeems en Ergänzungsliichtsystem installéiert gëtt fir de Liichtbedarf vu Planzen ze decken. Am Allgemengen ëmfaasst den Ergänzungsliichtsystem zousätzlech Beliichtungsausrüstung, Schaltkreesser a säi Kontrollsystem. Zu den Ergänzungsliichtquellen gehéieren haaptsächlech verschidde gängeg Zorten wéi Glühlampen, Leuchtstofflampen, Metallhalogenidlampen, Natriumhéichdrocklampen an LEDs. Wéinst der gerénger elektrescher an optescher Effizienz vun Glühlampen, der gerénger photosynthetescher Energieeffizienz an anere Mängel, gouf se vum Maart eliminéiert, dofir gëtt dësen Artikel keng detailléiert Analyse gemaach.

■ Fluoreszentlampe
Fluoreszentlampen gehéieren zu der Aart vun Nidderdrock-Gasentladungslampen. D'Glasröhre ass mat Quecksëlwerdamp oder Inertgas gefëllt, an d'Innerewand vun der Röhre ass mat Fluoreszentpulver beschichtet. D'Liichtfaarf variéiert jee no dem Fluoreszentmaterial, dat an der Röhre beschichtet ass. Fluoreszentlampen hunn eng gutt Spektralleistung, eng héich Liichteffizienz, eng niddreg Leeschtung, eng méi laang Liewensdauer (12000 Stonnen) am Verglach mat Glühlampen a relativ niddreg Käschten. Well d'Fluoreszentlamp selwer manner Hëtzt ofgëtt, kann se no bei de Planzen fir d'Beliichtung placéiert ginn an ass fir dräidimensional Kultivatioun gëeegent. Wéi och ëmmer, d'Spektralstruktur vun der Fluoreszentlamp ass net raisonnabel. Déi heefegst Method op der Welt ass et, Reflekteren derbäizesetzen, fir déi effektiv Liichtquellkomponenten vun de Kulturen am Kultivatiounsberäich ze maximéieren. Déi japanesch Firma adv-agri huet och eng nei Zort vun zousätzlecher Liichtquell HEFL entwéckelt. HEFL gehéiert tatsächlech zu der Kategorie vu Fluoreszentlampen. Et ass den allgemenge Begrëff fir Kaltkathode-Fluoreszentlampen (CCFL) an extern Elektroden-Fluoreszentlampen (EEFL), an ass eng gemëscht Elektroden-Fluoreszentlamp. D'HEFL-Röhre ass extrem dënn, mat engem Duerchmiesser vu just ongeféier 4 mm, an d'Längt kann jee no de Bedierfnesser vum Kultivatioun vun 450 mm bis 1200 mm ugepasst ginn. Et ass eng verbessert Versioun vun der konventioneller Fluoreszentlampe.

■ Metallhalogenlampe
D'Metallhalogenidlampe ass eng Héichintensiv Entladungslampe, déi verschidden Elementer uschalte kann, fir verschidde Wellelängten ze produzéieren, andeems verschidde Metallhalogeniden (Zinnbromid, Natriumiodid, asw.) an d'Entladungsröhre bäigefüügt ginn, baséiert op enger Héichdrockquecksëlwerlampe. Halogenlampen hunn eng héich Liichtleistung, héich Leeschtung, eng gutt Liichtfaarf, eng laang Liewensdauer an e grousst Spektrum. Well d'Liichtleistung awer méi niddreg ass wéi déi vun Héichdrocknatriumlampen, an d'Liewensdauer méi kuerz ass wéi déi vun Héichdrocknatriumlampen, gëtt se de Moment nëmmen an e puer Fabriken agesat.

■ Héichdrock-Natriumlampe
Héichdrock-Natriumlampen gehéieren zu der Aart vun Héichdrock-Gasentladungslampen. D'Héichdrock-Natriumlamp ass eng héicheffizient Lamp, bei där Héichdrock-Natriumdamp an den Entladungsröhr gefëllt ass, an eng kleng Quantitéit Xenon (Xe) a Quecksëlwermetallhalogenid derbäigesat gëtt. Well Héichdrock-Natriumlampen eng héich elektrooptesch Konversiounseffizienz mat méi niddrege Produktiounskäschten hunn, sinn Héichdrock-Natriumlampen de Moment am meeschte verbreet fir d'Uwendung vun zousätzlechem Liicht an landwirtschaftleche Betriber. Wéinst de Nodeeler vun der gerénger Fotosyntheseeffizienz an hirem Spektrum hunn se awer och d'Nodeeler vun enger gerénger Energieeffizienz. Op der anerer Säit sinn d'Spektralkomponenten, déi vun Héichdrock-Natriumlampen ausgestraalt ginn, haaptsächlech am giel-orange Liichtband konzentréiert, wou déi rout a blo Spektren feelen, déi fir de Planzewuesstum néideg sinn.

■ Liichtemittéierend Diode
Als nei Generatioun vu Liichtquellen hunn Liichtemittéierend Dioden (LEDs) vill Virdeeler, wéi zum Beispill eng méi héich elektrooptesch Konversiounseffizienz, en justierbart Spektrum an eng héich Fotosynthetesch Effizienz. LED kann monochromatescht Liicht ausstrahlen, dat fir de Planzewuesstum gebraucht gëtt. Am Verglach mat gewéinleche Leuchtstofflampen an aneren zousätzleche Liichtquellen huet LED d'Virdeeler vun Energiespueren, Ëmweltschutz, laanger Liewensdauer, monochromateschem Liicht, kaler Liichtquell a sou weider. Mat der weiderer Verbesserung vun der elektrooptescher Effizienz vun LEDs an der Reduktioun vun de Käschten, déi duerch den Skaleneffekt verursaacht ginn, ginn LED-Wuessbeliichtungssystemer zur Mainstream-Ausrüstung fir d'Ergänzung vum Liicht an landwirtschaftleche Betriber. Dofir ginn LED-Wuessbeliichtungen a méi wéi 99,9% vu Planzefabriken agesat.

Duerch e Verglach kënnen d'Charakteristike vun de verschiddenen zousätzleche Liichtquellen kloer verstanen ginn, wéi an der Tabell 1 gewisen.

Mobil Beliichtungsapparat
D'Intensitéit vum Liicht ass enk mam Wuesstum vu Kulturen verbonnen. Dräidimensional Kultivatioun gëtt dacks a Planzefabriken benotzt. Wéinst der Limitatioun vun der Struktur vun de Kultivatiounsregaler beaflosst déi ongläichméisseg Verdeelung vu Liicht an Temperatur tëscht de Regaler awer den Ertrag vun de Kulturen an d'Ernteperiod gëtt net synchroniséiert. Eng Firma zu Peking huet am Joer 2010 erfollegräich en manuelle Lift-Liichtergänzungsapparat (HPS Beliichtung an LED Wuessbeliichtung) entwéckelt. De Prinzip ass d'Undriffswell an d'Wicklung, déi drop befestegt ass, ze dréinen andeems de Grëff gerëselt gëtt fir déi kleng Filmroll ze dréinen, fir den Zweck vum Zréckzéien an Ofwéckelen vum Drotseel z'erreechen. Den Drotseel vun der Wuessluucht ass mam Wickrad vum Lift iwwer verschidde Sätz vu Réckwärtsrieder verbonnen, fir den Effekt vun der Upassung vun der Héicht vun der Wuessluucht z'erreechen. Am Joer 2017 huet déi uewe genannte Firma en neie mobilen Liichtergänzungsapparat entworf an entwéckelt, deen d'Héicht vun der Liichtergänzung automatesch a Echtzäit no de Wuesstumsbedürfnisser vun der Kultur upasse kann. Den Upassungsapparat ass elo um 3-Schicht-Liichtquell-Lift-Typ dräidimensionalen Kultivatiounsregal installéiert. Déi iewescht Schicht vum Apparat ass déi mat de beschte Liichtkonditiounen, dofir ass se mat Natriumhéichdrocklampen ausgestatt; déi mëttler an déi ënnescht Schicht si mat LED-Wuessluuchten an engem Hebejustierungssystem ausgestatt. Si kann d'Héicht vun der Wuessluucht automatesch upassen, fir eng passend Beliichtungsëmfeld fir d'Kulturen ze bidden.

Am Verglach mat dem mobilen Liichtergänzungsgerät, deen op dräidimensional Kultivatioun zougeschnidden ass, huet Holland en horizontal beweeglechen LED-Wuessliichtergänzungsgerät entwéckelt. Fir den Afloss vum Schiet vum Wuessliicht op d'Wuesstum vu Planzen an der Sonn ze vermeiden, kann de Wuessliichtsystem op béide Säite vun der Halterung duerch den Teleskopschieber an horizontal Richtung gedréckt ginn, sou datt d'Sonn voll op d'Planzen ausstraalt; bei bewölkten an reenegen Deeg ouni Sonneliicht, dréckt de Wuessliichtsystem an d'Mëtt vun der Halterung, fir datt d'Liicht vum Wuessliichtsystem d'Planzen gläichméisseg fëllt; beweegt de Wuessliichtsystem horizontal duerch de Schieber op der Halterung, vermeit heefeg Demontage an Entfernung vum Wuessliichtsystem, an reduzéiert d'Aarbechtsintensitéit vun de Mataarbechter, wat d'Aarbechtseffizienz effektiv verbessert.

Designideen vun typesche Wuessliichtsystemer
Et ass net schwéier aus dem Design vun der mobiler Beliichtung ze gesinn, datt den Design vum zousätzleche Beliichtungssystem vun der Fabréck normalerweis d'Liichtintensitéit, d'Liichtqualitéit an d'Fotoperiodparameter vun de verschiddene Kulturwuesstemsperioden als Kärinhalt vum Design hëlt, andeems en op dat intelligent Kontrollsystem baséiert fir d'Ëmsetzung, fir dat ultimativt Zil vun Energiespueren an héijem Rendement z'erreechen.

Aktuell ass den Design an d'Konstruktioun vun zousätzlechem Liicht fir Blatgeméis lues a lues reif ginn. Zum Beispill kann Blatgeméis a véier Stadien opgedeelt ginn: Keimlingstadium, Mëttwuesstum, Spéitwuesstum an Ennstadium; Uebstgeméis kann a Keimlingstadium, Vegetativwuesstumsstadium, Bléiungsstadium an Erntestadium opgedeelt ginn. Aus den Attributer vun der zousätzlecher Liichtintensitéit soll d'Liichtintensitéit an der Keimlingstadium liicht méi niddreg sinn, bei 60~200 μmol/(m²·s), an dann lues a lues eropgoen. Blatgeméis kann bis zu 100~200 μmol/(m²·s) erreechen, an Uebstgeméis kann 300~500 μmol/(m²·s) erreechen, fir d'Liichtintensitéitsufuerderunge vun der Planzefotosynthese an all Wuesstumsperiod ze garantéieren an d'Bedierfnesser vun engem héije Rendement ze erfëllen; Wat d'Liichtqualitéit ugeet, ass de Verhältnis vu Rout a Blo ganz wichteg. Fir d'Qualitéit vun de Keimlinger ze verbesseren an exzessivt Wuesstem an der Keimlingstadium ze verhënneren, gëtt d'Verhältnes vu Rout zu Blo allgemeng op en niddregen Niveau gesat [(1~2):1], an dann no an no reduzéiert fir de Besoine vun der Liichtmorphologie vun der Planz gerecht ze ginn. D'Verhältnes vu Rout zu Blo zu Blatgeméis kann op (3~6):1 gesat ginn. Fir d'Fotoperiod, ähnlech wéi d'Liichtintensitéit, soll se en Trend weisen, deen mat der Verlängerung vun der Wuesstemsperiod eropgeet, sou datt Blatgeméis méi Fotosynthesezäit fir d'Photosynthese huet. Den Design vun der Liichtergänzung fir Uebst a Geméis wäert méi komplizéiert sinn. Zousätzlech zu den uewe genannten Grondgesetzer solle mir eis op d'Astellung vun der Fotoperiod während der Bléizäit konzentréieren, an d'Bléien an d'Fruuchtbildung vu Geméis musse gefördert ginn, fir net Réckschlag ze verursaachen.

Et ass derwäert ze erwähnen, datt d'Liichtformel d'Endbehandlung fir Liichtëmfeldëmfeld enthalen soll. Zum Beispill kann eng kontinuéierlech Liichtzousaz den Ertrag an d'Qualitéit vun hydroponesche Blatgeméisseeë staark verbesseren, oder UV-Behandlung kann d'Ernärungsqualitéit vu Sprossen a Blatgeméis (besonnesch violett Blieder a rout Blatsalat) däitlech verbesseren.

Nieft der Optimiséierung vun der Liichtergänzung fir ausgewielte Kulturen huet sech och de Kontrollsystem fir d'Liichtquell vu verschiddene Fabriken fir kënschtlech Liichtplanzen an de leschte Jore séier entwéckelt. Dëst Kontrollsystem baséiert allgemeng op der B/S-Struktur. Fernbedienung an automatesch Kontroll vun Ëmweltfaktoren wéi Temperatur, Fiichtegkeet, Liicht a CO2-Konzentratioun während dem Wuesstum vu Kulturen ginn iwwer WIFI realiséiert, an zur selwechter Zäit gëtt eng Produktiounsmethod realiséiert, déi net duerch extern Bedéngungen ageschränkt ass. Dës Zort intelligent Ergänzungsliichtsystem benotzt LED-Wuessluuchtarmatur als Ergänzungsliichtquell, kombinéiert mat engem intelligenten Fernsteierungssystem, kann d'Bedierfnesser vun der Wellelängtenbeliichtung vu Planzen erfëllen, ass besonnesch gëeegent fir liichtkontrolléiert Planzekultivatiounsëmfeld a kann d'Maartnofro gutt gerecht ginn.

Schlussbemierkungen
Planzefabriken gëllen als e wichtege Wee fir d'Weltressourcen-, Bevëlkerungs- an Ëmweltproblemer am 21. Joerhonnert ze léisen, an e wichtege Wee fir d'Liewensmëttelonofhängegkeet an zukünftegen High-Tech-Projeten z'erreechen. Als nei Aart vu landwirtschaftlecher Produktiounsmethod sinn d'Planzefabriken nach ëmmer an der Léier- a Wuesstumsphase, a méi Opmierksamkeet a Fuerschung ass néideg. Dësen Artikel beschreift d'Charakteristiken an d'Virdeeler vun übleche Methoden fir zousätzlech Beliichtung a Planzefabriken a stellt d'Designidee vun typesche Systemer fir zousätzlech Beliichtung fir Kulturen vir. Et ass net schwéier duerch Vergläicher ze fannen, fir mat dem niddrege Liicht ëmzegoen, deen duerch schwéiert Wieder wéi dauernd bewölkt a niwweleg Wieder verursaacht gëtt, an eng héich a stabil Produktioun vun den Anlagekulturen ze garantéieren, ass d'LED-Grow-Liichtquellenausrüstung am beschten am Aklang mat den aktuellen Entwécklungstrends.

Déi zukünfteg Entwécklungsrichtung vu Fabriken sollt sech op nei héichpräzis, bëlleg Sensoren, ferngesteiert, justierbar Beliichtungssystemer mat engem Spektrum an Expertenkontrollsystemer konzentréieren. Gläichzäiteg wäerten déi zukünfteg Fabriken sech weiderhin a Richtung niddreg, intelligent an selweradaptiv entwéckelen. D'Benotzung an d'Populariséierung vun LED-Wuesslummquellen garantéieren eng héichpräzis Ëmweltkontroll vu Fabriken. D'Reguléierung vun der LED-Liichtëmfeld ass e komplexe Prozess, deen eng ëmfaassend Reguléierung vun der Liichtqualitéit, der Liichtintensitéit an der Fotoperiod ëmfaasst. Relevant Experten a Wëssenschaftler mussen eng grëndlech Fuerschung maachen, déi d'Ergänzungsbeliichtung vun LED a Fabriken fir künstlech Liicht fördert.