Авторы: Цзин Чжао, Цзэнчань Чжоу, Юньлун Бу и др. Источник информации: Сельскохозяйственная инженерная технология (тепличное садоводство).

Завод по выращиванию растений сочетает в себе современные технологии промышленности, биотехнологии, гидропонику с питательными веществами и информационные технологии для обеспечения высокоточного контроля факторов окружающей среды на предприятии. Он полностью закрыт, предъявляет низкие требования к окружающей среде, сокращает период сбора урожая, экономит воду и удобрения, а благодаря преимуществам производства без пестицидов и без сброса отходов, эффективность использования земельного участка в 40-108 раз выше, чем при выращивании в открытом грунте. При этом решающую роль в повышении эффективности производства играют интеллектуальные искусственные источники света и регулирование светового режима.

Свет, как важный физический фактор окружающей среды, играет ключевую роль в регулировании роста растений и метаболизма веществ. В отрасли сложилось общее мнение: «Одной из главных особенностей питомника для выращивания растений является полностью искусственное освещение и реализация интеллектуального регулирования светового режима».

Растениям необходим свет.

Свет является единственным источником энергии для фотосинтеза растений. Интенсивность света, качество света (спектр) и периодические изменения освещения оказывают существенное влияние на рост и развитие сельскохозяйственных культур, при этом интенсивность света оказывает наибольшее влияние на фотосинтез растений.

■ Интенсивность света

Интенсивность света может изменять морфологию сельскохозяйственных культур, например, цветение, длину междоузлий, толщину стебля, а также размер и толщину листьев. Потребности растений в интенсивности света можно разделить на светолюбивые, умеренно светолюбивые и малосветоустойчивые растения. Овощи в основном светолюбивы, и их точки световой компенсации и светового насыщения относительно высоки. В теплицах, использующих искусственное освещение, соответствующие потребности культур в интенсивности света являются важной основой для выбора источников искусственного освещения. Понимание световых потребностей различных растений важно для проектирования источников искусственного освещения и крайне необходимо для повышения производительности системы.

■ Качество света

Распределение светового качества (спектральное распределение) также оказывает важное влияние на фотосинтез и морфогенез растений (рис. 1). Свет является частью излучения, а излучение — это электромагнитная волна. Электромагнитные волны обладают волновыми и квантовыми (частичными) характеристиками. Квант света в садоводстве называется фотоном. Излучение с длиной волны 300–800 нм называется физиологически активным излучением растений; а излучение с длиной волны 400–700 нм называется фотосинтетически активным излучением (ФАР) растений.

Хлорофилл и каротины — два наиболее важных пигмента в процессе фотосинтеза растений. На рисунке 2 показан спектр поглощения каждого фотосинтетического пигмента, при этом спектр поглощения хлорофилла сосредоточен в красной и синей полосах. Система освещения основана на спектральных потребностях растений и предусматривает искусственное дополнительное освещение для стимулирования фотосинтеза.

■ фотопериод
Взаимосвязь между фотосинтезом и фотоморфогенезом растений и продолжительностью светового дня (или фотопериодом) называется фотопериодичностью растений. Фотопериодичность тесно связана со световыми часами, то есть временем, в течение которого растение подвергается воздействию света. Различным культурам требуется определенное количество световых часов для завершения фотопериода, чтобы зацвести и плодоносить. В зависимости от фотопериода, культуры можно разделить на длиннодневные, такие как капуста и др., которым требуется более 12-14 часов светового дня на определенном этапе роста; короткодневные, такие как лук, соя и др., которым требуется менее 12-14 часов освещения; культуры, требующие среднего солнечного света, такие как огурцы, помидоры, перец и др., которые могут цвести и плодоносить при более длительном или более коротком солнечном свете.
Среди трех элементов окружающей среды интенсивность света является важным критерием выбора искусственных источников света. В настоящее время существует множество способов выражения интенсивности света, в основном включающих следующие три.
(1) Освещенность относится к поверхностной плотности светового потока (световой поток на единицу площади), получаемого на освещенной плоскости, в люксах (лк).

(2) Фотосинтетически активное излучение, ФАР, Единица измерения: Вт/м².

(3) Эффективная фотосинтетическая плотность потока фотонов PPFD или PPF — это количество фотосинтетически эффективного излучения, которое достигает или проходит через единицу времени и единицу площади, единица измерения: мкмоль/(м²·с). В основном относится к интенсивности света в диапазоне 400–700 нм, непосредственно связанной с фотосинтезом. Это также наиболее часто используемый показатель интенсивности света в области растениеводства.

Анализ источников света в типичной системе дополнительного освещения
Дополнительное искусственное освещение — это увеличение интенсивности света в целевой зоне или продление времени освещения путем установки системы дополнительного освещения для удовлетворения потребности растений в свете. Как правило, система дополнительного освещения включает в себя дополнительное световое оборудование, схемы и систему управления. В качестве источников дополнительного света используются несколько распространенных типов, таких как лампы накаливания, люминесцентные лампы, металлогалогенные лампы, натриевые лампы высокого давления и светодиоды. Из-за низкой электрической и оптической эффективности ламп накаливания, низкой эффективности фотосинтеза и других недостатков они были сняты с производства, поэтому в данной статье подробный анализ не проводится.

■ Люминесцентная лампа
Люминесцентные лампы относятся к типу газоразрядных ламп низкого давления. Стеклянная трубка заполнена парами ртути или инертным газом, а внутренняя стенка трубки покрыта люминесцентным порошком. Цвет света зависит от люминесцентного материала, нанесенного на трубку. Люминесцентные лампы обладают хорошими спектральными характеристиками, высокой световой эффективностью, низким энергопотреблением, более длительным сроком службы (12000 часов) по сравнению с лампами накаливания и относительно низкой стоимостью. Поскольку сама люминесцентная лампа выделяет меньше тепла, она может располагаться близко к растениям для освещения и подходит для трехмерного выращивания. Однако спектральная схема люминесцентной лампы нерациональна. Наиболее распространенный в мире метод — добавление отражателей для максимизации эффективности источников света для растений на площади выращивания. Японская компания adv-agri также разработала новый тип дополнительного источника света — HEFL (High-Early Lighting — высокоэнергетическая люминесцентная лампа). HEFL фактически относится к категории люминесцентных ламп. Это общее название для люминесцентных ламп с холодным катодом (CCFL) и люминесцентных ламп с внешним электродом (EEFL), представляющих собой люминесцентную лампу со смешанным электродом. Трубка HEFL чрезвычайно тонкая, диаметром всего около 4 мм, а ее длина может регулироваться от 450 мм до 1200 мм в зависимости от потребностей выращивания. Это улучшенная версия обычной люминесцентной лампы.

■ Металлогалогенная лампа
Металлогалогенная лампа — это разрядная лампа высокой интенсивности, которая, подобно ртутной лампе высокого давления, способна возбуждать различные элементы для получения различных длин волн путем добавления в разрядную трубку различных галогенидов металлов (бромида олова, йодида натрия и др.). Галогенные лампы обладают высокой светоотдачей, большой мощностью, хорошей цветопередачей, длительным сроком службы и широким спектром. Однако, поскольку светоотдача у них ниже, чем у натриевых ламп высокого давления, и срок службы короче, в настоящее время они используются лишь в немногих промышленных предприятиях.

■ Натриевая лампа высокого давления
Натриевые лампы высокого давления относятся к типу газоразрядных ламп высокого давления. Натриевая лампа высокого давления — это высокоэффективная лампа, в разрядной трубке которой находится пар натрия высокого давления, а также небольшое количество ксенона (Xe) и галогенида ртути. Благодаря высокой эффективности электрооптического преобразования и низким производственным затратам, натриевые лампы высокого давления в настоящее время наиболее широко используются в качестве дополнительного освещения в сельском хозяйстве. Однако из-за низкой эффективности фотосинтеза в их спектре они имеют недостаток в виде низкой энергоэффективности. С другой стороны, спектральные компоненты, излучаемые натриевыми лампами высокого давления, в основном сосредоточены в желто-оранжевом диапазоне света, в котором отсутствуют красный и синий спектры, необходимые для роста растений.

■ Светодиод
Светодиоды (LED), как новое поколение источников света, обладают множеством преимуществ, таких как более высокая эффективность электрооптического преобразования, регулируемый спектр и высокая эффективность фотосинтеза. Светодиоды способны излучать монохроматический свет, необходимый для роста растений. По сравнению с обычными люминесцентными лампами и другими дополнительными источниками света, светодиоды обладают преимуществами энергосбережения, экологичности, длительного срока службы, монохроматического света, холодного источника света и т.д. Благодаря дальнейшему повышению электрооптической эффективности светодиодов и снижению затрат, обусловленному масштабным эффектом, светодиодные системы освещения для выращивания растений станут основным оборудованием для дополнительного освещения в сельскохозяйственных угодьях. В результате светодиодные светильники для выращивания растений применяются более чем в 99,9% растениеводческих хозяйств.

Сравнительный анализ позволяет четко понять характеристики различных дополнительных источников света, как показано в таблице 1.

Мобильное осветительное устройство
Интенсивность света тесно связана с ростом растений. В растениеводческих хозяйствах часто используется трехмерное выращивание. Однако из-за ограничений конструкции стеллажей для выращивания неравномерное распределение света и температуры между стеллажами влияет на урожайность, и период сбора урожая не синхронизируется. В 2010 году одна компания в Пекине успешно разработала ручное устройство для дополнительной подсветки (светильники HPS и светодиодные светильники для выращивания растений). Принцип работы заключается в вращении приводного вала и закрепленного на нем намотчика путем встряхивания рукоятки для вращения небольшой катушки пленки с целью наматывания и разматывания троса. Трос светильника для выращивания растений соединен с намоточным колесом элеватора через несколько комплектов реверсивных колес, что позволяет регулировать высоту светильника. В 2017 году вышеупомянутая компания разработала новое мобильное устройство для дополнительной подсветки, которое может автоматически регулировать высоту дополнительной подсветки в режиме реального времени в соответствии с потребностями роста растений. На трехъярусной подъемной стеллаже для выращивания растений установлено регулировочное устройство. Верхний ярус устройства имеет оптимальные условия освещения, поэтому он оснащен натриевыми лампами высокого давления; средний и нижний ярусы оборудованы светодиодными фитолампами и системой регулировки высоты. Она позволяет автоматически регулировать высоту фитоламп, обеспечивая подходящие условия освещения для растений.

В отличие от мобильных устройств дополнительного освещения, предназначенных для трехмерного выращивания, в Нидерландах разработано горизонтально перемещаемое светодиодное дополнительное освещение для выращивания растений. Чтобы избежать влияния тени от светильника на рост растений на солнце, система освещения может перемещаться в горизонтальном направлении по обеим сторонам кронштейна с помощью телескопической направляющей, обеспечивая полное солнечное освещение растений; в пасмурные и дождливые дни без солнечного света, перемещайте систему освещения к центру кронштейна, чтобы свет равномерно освещал растения; горизонтальное перемещение системы освещения с помощью направляющей на кронштейне позволяет избежать частой разборки и демонтажа системы, снижает трудозатраты персонала и, таким образом, эффективно повышает эффективность работы.

Конструктивные идеи типичной системы освещения для выращивания растений.
Нетрудно заметить из конструкции мобильного дополнительного осветительного устройства, что при проектировании системы дополнительного освещения для растениеводческих хозяйств в качестве основного элемента обычно рассматриваются интенсивность света, качество света и параметры фотопериода различных периодов роста культур, а для их реализации используется интеллектуальная система управления, что в конечном итоге приводит к энергосбережению и повышению урожайности.

В настоящее время разработка и создание систем дополнительного освещения для листовых овощей постепенно совершенствуются. Например, листовые овощи можно разделить на четыре стадии: стадия рассады, средняя стадия роста, поздняя стадия роста и заключительная стадия; плодовые овощи — на стадию рассады, стадию вегетативного роста, стадию цветения и стадию сбора урожая. Исходя из характеристик интенсивности дополнительного освещения, интенсивность света на стадии рассады должна быть несколько ниже, в пределах 60–200 мкмоль/(м²·с), а затем постепенно увеличиваться. Для листовых овощей интенсивность может достигать 100–200 мкмоль/(м²·с), а для плодовых овощей — 300–500 мкмоль/(м²·с), чтобы обеспечить необходимую интенсивность света для фотосинтеза растений в каждый период роста и удовлетворить потребности в высокой урожайности; с точки зрения качества света, очень важно соотношение красного и синего света. Для повышения качества рассады и предотвращения чрезмерного роста на стадии рассады, соотношение красного и синего света обычно устанавливается на низком уровне [(1~2):1], а затем постепенно снижается в соответствии с потребностями растений в освещении. Для листовых овощей соотношение красного и синего света может быть установлено на уровне (3~6):1. Что касается фотопериода, аналогично интенсивности света, он должен демонстрировать тенденцию к увеличению с увеличением продолжительности периода роста, чтобы листовые овощи имели больше времени для фотосинтеза. Разработка системы дополнительного освещения для фруктов и овощей будет более сложной. В дополнение к вышеупомянутым основным принципам, следует сосредоточиться на настройке фотопериода в период цветения, чтобы стимулировать цветение и плодоношение овощей, избегая негативных последствий.

Стоит отметить, что в состав светового раствора следует включить заключительную обработку для настройки условий освещения. Например, непрерывное дополнительное освещение может значительно улучшить урожайность и качество рассады листовых овощей, выращиваемых гидропонным методом, или использование УФ-обработки может существенно улучшить питательную ценность ростков и листовых овощей (особенно фиолетового и красного листового салата).

Помимо оптимизации дополнительного освещения для отдельных культур, в последние годы также быстро развиваются системы управления источником света на некоторых предприятиях по выращиванию растений с искусственным освещением. Эти системы управления, как правило, основаны на структуре B/S. Дистанционное и автоматическое управление такими факторами окружающей среды, как температура, влажность, освещенность и концентрация CO2, во время роста растений осуществляется через Wi-Fi, что одновременно обеспечивает метод производства, не ограниченный внешними условиями. Такая интеллектуальная система дополнительного освещения использует светодиодные светильники для выращивания растений в качестве дополнительного источника света, в сочетании с дистанционной интеллектуальной системой управления, может удовлетворить потребности в освещении растений в зависимости от длины волны, особенно подходит для выращивания растений в условиях контролируемого освещения и хорошо отвечает рыночному спросу.

Заключительные замечания
Растительные фабрики считаются важным способом решения мировых проблем, связанных с ресурсами, населением и окружающей средой в XXI веке, а также важным путем достижения продовольственной самообеспеченности в будущих высокотехнологичных проектах. Как новый тип сельскохозяйственного производства, растительные фабрики все еще находятся на стадии изучения и развития, и им требуется больше внимания и исследований. В данной статье описываются характеристики и преимущества распространенных методов дополнительного освещения в растительных фабриках, а также представлены идеи проектирования типичных систем дополнительного освещения для выращивания сельскохозяйственных культур. Нетрудно заметить, что для борьбы с недостатком света, вызванным суровыми погодными условиями, такими как постоянная облачность и дымка, и для обеспечения высокой и стабильной урожайности культур на фабриках, светодиодное освещение для выращивания растений наиболее соответствует современным тенденциям развития.

В будущем развитие теплиц для выращивания растений должно быть сосредоточено на новых высокоточных и недорогих датчиках, системах дистанционного управления освещением с регулируемым спектром и экспертных системах управления. Одновременно с этим, будущие теплицы будут продолжать развиваться в направлении низкой стоимости, интеллектуальности и самоадаптации. Использование и популяризация светодиодных источников света для выращивания растений гарантируют высокоточный контроль микроклимата в теплицах. Регулирование светового режима с помощью светодиодов — сложный процесс, включающий комплексное регулирование качества света, интенсивности света и фотопериода. Соответствующим экспертам и ученым необходимо проводить углубленные исследования, продвигая дополнительное светодиодное освещение в теплицах с искусственным освещением.