نویسنده: جینگ ژائو، زنگچان ژو، یونلونگ بو و غیره. منبع رسانه: فناوری مهندسی کشاورزی (باغبانی گلخانه‌ای)

این کارخانه گیاهان، صنعت مدرن، بیوتکنولوژی، هیدروپونیک مواد مغذی و فناوری اطلاعات را برای اجرای کنترل دقیق عوامل محیطی در این مرکز ترکیب می‌کند. این کارخانه کاملاً محصور است، نیاز کمی به محیط اطراف دارد، دوره برداشت گیاه را کوتاه می‌کند، در مصرف آب و کود صرفه‌جویی می‌کند و با مزایای تولید بدون آفت‌کش و عدم تخلیه زباله، راندمان استفاده از زمین در واحد سطح 40 تا 108 برابر تولید در فضای باز است. در میان آنها، منبع نور مصنوعی هوشمند و تنظیم محیط نوری آن نقش تعیین‌کننده‌ای در راندمان تولید آن دارند.

نور به عنوان یک عامل مهم فیزیکی محیطی، نقش کلیدی در تنظیم رشد گیاه و متابولیسم مواد ایفا می‌کند. «یکی از ویژگی‌های اصلی کارخانه گیاه، منبع نور مصنوعی کامل و تحقق تنظیم هوشمند محیط نوری است» که به یک اجماع عمومی در صنعت تبدیل شده است.

نیاز گیاهان به نور

نور تنها منبع انرژی فتوسنتز گیاه است. شدت نور، کیفیت نور (طیف) و تغییرات دوره‌ای نور تأثیر عمیقی بر رشد و نمو محصولات کشاورزی دارند که در این میان شدت نور بیشترین تأثیر را بر فتوسنتز گیاه دارد.

■ شدت نور

شدت نور می‌تواند مورفولوژی محصولات کشاورزی مانند گلدهی، طول میانگره، ضخامت ساقه و اندازه و ضخامت برگ را تغییر دهد. نیاز گیاهان به شدت نور را می‌توان به گیاهان نوردوست، نوردوست متوسط ​​و گیاهان مقاوم به نور کم تقسیم کرد. سبزیجات عمدتاً گیاهان نوردوست هستند و نقاط جبران نور و نقاط اشباع نور آنها نسبتاً زیاد است. در کارخانه‌های تولید نور مصنوعی، نیازهای مربوط به شدت نور محصولات کشاورزی، مبنای مهمی برای انتخاب منابع نور مصنوعی است. درک نیاز نوری گیاهان مختلف برای طراحی منابع نور مصنوعی مهم است و برای بهبود عملکرد تولید سیستم بسیار ضروری است.

■ کیفیت نور

توزیع کیفیت نور (طیفی) نیز تأثیر مهمی بر فتوسنتز و ریخت‌زایی گیاه دارد (شکل 1). نور بخشی از تابش است و تابش یک موج الکترومغناطیسی است. امواج الکترومغناطیسی دارای ویژگی‌های موجی و ویژگی‌های کوانتومی (ذره‌ای) هستند. کوانتوم نور در حوزه باغبانی فوتون نامیده می‌شود. تابش با محدوده طول موج 300 تا 800 نانومتر، تابش فعال فیزیولوژیکی گیاهان نامیده می‌شود؛ و تابش با محدوده طول موج 400 تا 700 نانومتر، تابش فعال فتوسنتزی (PAR) گیاهان نامیده می‌شود.

کلروفیل و کاروتن دو رنگدانه مهم در فتوسنتز گیاهان هستند. شکل 2 طیف جذبی طیفی هر رنگدانه فتوسنتزی را نشان می‌دهد که در آن طیف جذبی کلروفیل در نوارهای قرمز و آبی متمرکز شده است. سیستم نورپردازی بر اساس نیازهای طیفی محصولات کشاورزی برای تکمیل مصنوعی نور، به منظور ترویج فتوسنتز گیاهان، طراحی شده است.

■ دوره نوری
رابطه بین فتوسنتز و فتومورفوژنز گیاهان و طول روز (یا زمان فتوپریود) فتوپریودیت گیاهان نامیده می‌شود. فتوپریودیت ارتباط نزدیکی با ساعات نور دارد که به زمانی که محصول توسط نور تحت تابش قرار می‌گیرد، اشاره دارد. محصولات مختلف برای تکمیل فتوپریود به تعداد مشخصی از ساعات نور نیاز دارند تا بتوانند فتوپریود را تکمیل کنند و میوه دهند. با توجه به فتوپریودیت‌های مختلف، می‌توان آن را به محصولات روز بلند مانند کلم و غیره تقسیم کرد که در مرحله خاصی از رشد خود به بیش از ۱۲ تا ۱۴ ساعت نور نیاز دارند؛ محصولات روز کوتاه مانند پیاز، سویا و غیره به کمتر از ۱۲ تا ۱۴ ساعت نور نیاز دارند؛ محصولات با نور متوسط ​​مانند خیار، گوجه فرنگی، فلفل و غیره می‌توانند در زیر نور خورشید طولانی‌تر یا کوتاه‌تر شکوفا شوند و میوه دهند.
در میان سه عنصر محیط، شدت نور مبنای مهمی برای انتخاب منابع نور مصنوعی است. در حال حاضر، روش‌های زیادی برای بیان شدت نور وجود دارد که عمدتاً شامل سه مورد زیر می‌شود.
(1) روشنایی به چگالی سطحی شار نوری (شار نوری در واحد سطح) دریافتی در صفحه روشن، بر حسب لوکس (lx) اشاره دارد.

(2) تابش فعال فتوسنتزی، PAR، واحد: W/m².

(3) چگالی شار فوتون مؤثر فتوسنتزی (PPFD یا PPF) تعداد تابش مؤثر فتوسنتزی است که در واحد زمان و واحد سطح، واحد: میکرومول بر (متر مربع بر ثانیه) به گیاه می‌رسد یا از آن عبور می‌کند. این اصطلاح عمدتاً به شدت نور 400 تا 700 نانومتر اشاره دارد که مستقیماً با فتوسنتز مرتبط است. همچنین رایج‌ترین شاخص شدت نور مورد استفاده در زمینه تولید گیاهان است.

تحلیل منبع نور سیستم نور تکمیلی معمول
مکمل نور مصنوعی به معنای افزایش شدت نور در منطقه مورد نظر یا افزایش زمان روشنایی با نصب یک سیستم نور مکمل برای برآوردن نیاز نوری گیاهان است. به طور کلی، سیستم نور مکمل شامل تجهیزات نور مکمل، مدارها و سیستم کنترل آن است. منابع نور مکمل عمدتاً شامل چندین نوع رایج مانند لامپ‌های رشته‌ای، لامپ‌های فلورسنت، لامپ‌های متال هالید، لامپ‌های سدیم فشار بالا و LEDها هستند. به دلیل راندمان الکتریکی و نوری پایین لامپ‌های رشته‌ای، راندمان انرژی فتوسنتزی پایین و سایر کاستی‌ها، این لامپ‌ها توسط بازار حذف شده‌اند، بنابراین این مقاله تجزیه و تحلیل دقیقی ارائه نمی‌دهد.

■ لامپ فلورسنت
لامپ‌های فلورسنت از نوع لامپ‌های تخلیه گازی کم‌فشار هستند. لوله شیشه‌ای با بخار جیوه یا گاز بی‌اثر پر شده است و دیواره داخلی لوله با پودر فلورسنت پوشانده شده است. رنگ نور با توجه به ماده فلورسنت پوشش داده شده در لوله متفاوت است. لامپ‌های فلورسنت در مقایسه با لامپ‌های رشته‌ای، عملکرد طیفی خوبی دارند، بازده نوری بالایی دارند، توان کم، عمر طولانی‌تر (12000 ساعت) و هزینه نسبتاً کمی دارند. از آنجا که خود لامپ فلورسنت گرمای کمتری ساطع می‌کند، می‌تواند برای روشنایی به گیاهان نزدیک باشد و برای کشت سه‌بعدی مناسب است. با این حال، طرح طیفی لامپ فلورسنت غیرمنطقی است. رایج‌ترین روش در جهان، اضافه کردن بازتابنده‌ها برای به حداکثر رساندن اجزای منبع نور مؤثر محصولات در منطقه کشت است. شرکت ژاپنی adv-agri همچنین نوع جدیدی از منبع نور تکمیلی HEFL را توسعه داده است. HEFL در واقع به دسته لامپ‌های فلورسنت تعلق دارد. این اصطلاح عمومی برای لامپ‌های فلورسنت کاتد سرد (CCFL) و لامپ‌های فلورسنت الکترود خارجی (EEFL) است و یک لامپ فلورسنت الکترود مختلط است. لوله HEFL بسیار نازک است و قطر آن تنها حدود ۴ میلی‌متر است و طول آن را می‌توان از ۴۵۰ میلی‌متر تا ۱۲۰۰ میلی‌متر بسته به نیاز کشت تنظیم کرد. این لامپ، نسخه بهبود یافته لامپ فلورسنت معمولی است.

■ لامپ متال هالید
لامپ متال هالید یک لامپ تخلیه با شدت بالا است که می‌تواند عناصر مختلف را برای تولید طول موج‌های مختلف با افزودن هالیدهای فلزی مختلف (برمید قلع، یدید سدیم و غیره) در لوله تخلیه بر اساس لامپ جیوه‌ای فشار بالا تحریک کند. لامپ‌های هالوژن دارای بازده نوری بالا، توان بالا، رنگ نور خوب، عمر طولانی و طیف وسیعی هستند. با این حال، از آنجا که بازده نوری آنها کمتر از لامپ‌های سدیم فشار بالا است و طول عمر آنها نیز کوتاه‌تر از لامپ‌های سدیم فشار بالا است، در حال حاضر فقط در چند کارخانه کارخانه‌ای استفاده می‌شود.

■ لامپ سدیم فشار بالا
لامپ‌های سدیم فشار بالا از نوع لامپ‌های تخلیه گازی فشار بالا هستند. لامپ سدیم فشار بالا، لامپی با راندمان بالا است که در آن بخار سدیم فشار بالا در لوله تخلیه پر شده و مقدار کمی زنون (Xe) و هالید فلزی جیوه به آن اضافه می‌شود. از آنجا که لامپ‌های سدیم فشار بالا راندمان تبدیل الکترواپتیکی بالایی با هزینه‌های تولید پایین‌تر دارند، لامپ‌های سدیم فشار بالا در حال حاضر بیشترین کاربرد را در کاربرد نور مکمل در تأسیسات کشاورزی دارند. با این حال، به دلیل کاستی‌های راندمان فتوسنتزی پایین در طیف آنها، دارای کاستی‌های راندمان انرژی پایین نیز هستند. از سوی دیگر، اجزای طیفی ساطع شده توسط لامپ‌های سدیم فشار بالا عمدتاً در باند نوری زرد-نارنجی متمرکز هستند که فاقد طیف‌های قرمز و آبی لازم برای رشد گیاه است.

■ دیود ساطع کننده نور
دیودهای ساطع‌کننده نور (LED) به عنوان نسل جدیدی از منابع نور، مزایای بسیاری مانند راندمان تبدیل الکترواپتیکی بالاتر، طیف قابل تنظیم و راندمان فتوسنتزی بالا دارند. LED می‌تواند نور تک‌رنگ مورد نیاز برای رشد گیاه را ساطع کند. در مقایسه با لامپ‌های فلورسنت معمولی و سایر منابع نور مکمل، LED مزایای صرفه‌جویی در مصرف انرژی، حفاظت از محیط زیست، طول عمر بالا، نور تک‌رنگ، منبع نور سرد و غیره را دارد. با بهبود بیشتر راندمان الکترواپتیکی LEDها و کاهش هزینه‌های ناشی از اثر مقیاس، سیستم‌های روشنایی رشد LED به تجهیزات اصلی برای تکمیل نور در تأسیسات کشاورزی تبدیل خواهند شد. در نتیجه، چراغ‌های رشد LED در بیش از 99.9٪ کارخانه‌های گیاهی استفاده شده‌اند.

از طریق مقایسه، ویژگی‌های منابع نور تکمیلی مختلف را می‌توان به وضوح درک کرد، همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است.

دستگاه روشنایی سیار
شدت نور ارتباط نزدیکی با رشد محصولات دارد. کشت سه‌بعدی اغلب در کارخانه‌های گیاهان دارویی استفاده می‌شود. با این حال، به دلیل محدودیت ساختار قفسه‌های کشت، توزیع ناهموار نور و دما بین قفسه‌ها بر عملکرد محصولات تأثیر می‌گذارد و دوره برداشت هماهنگ نخواهد بود. شرکتی در پکن در سال ۲۰۱۰ با موفقیت یک دستگاه مکمل نور بالابر دستی (چراغ روشنایی HPS و چراغ روشنایی رشد LED) را توسعه داده است. اصل کار این است که شفت محرک و وایندر نصب شده بر روی آن را با تکان دادن دسته بچرخانید تا حلقه فیلم کوچک بچرخد و طناب سیمی جمع و باز شود. طناب سیمی چراغ رشد از طریق چندین مجموعه چرخ معکوس به چرخ سیم‌پیچ آسانسور متصل می‌شود تا اثر تنظیم ارتفاع چراغ رشد حاصل شود. در سال ۲۰۱۷، شرکت فوق‌الذکر یک دستگاه مکمل نور سیار جدید طراحی و توسعه داد که می‌تواند به طور خودکار ارتفاع مکمل نور را در زمان واقعی با توجه به نیازهای رشد محصول تنظیم کند. دستگاه تنظیم اکنون بر روی قفسه کشت سه‌بعدی از نوع بالابر منبع نور سه لایه نصب شده است. لایه بالایی دستگاه، سطحی با بهترین شرایط نوری است، بنابراین به لامپ‌های سدیمی فشار بالا مجهز شده است؛ لایه میانی و لایه پایینی به چراغ‌های رشد LED و سیستم تنظیم ارتفاع مجهز شده‌اند. این دستگاه می‌تواند به طور خودکار ارتفاع چراغ رشد را تنظیم کند تا محیط نوری مناسبی برای محصولات فراهم شود.

در مقایسه با دستگاه مکمل نور سیار که برای کشت سه‌بعدی طراحی شده است، هلند یک دستگاه مکمل نور رشد LED با قابلیت حرکت افقی توسعه داده است. به منظور جلوگیری از تأثیر سایه نور رشد بر رشد گیاهان در زیر نور خورشید، سیستم نور رشد را می‌توان از طریق اسلاید تلسکوپی در جهت افقی به دو طرف براکت هل داد تا نور خورشید به طور کامل بر روی گیاهان بتابد. در روزهای ابری و بارانی بدون نور خورشید، سیستم نور رشد را به وسط براکت فشار دهید تا نور سیستم نور رشد به طور یکنواخت گیاهان را پر کند. سیستم نور رشد را به صورت افقی از طریق اسلاید روی براکت حرکت دهید، از جداسازی و برداشتن مکرر سیستم نور رشد جلوگیری کنید و شدت کار کارکنان را کاهش دهید و در نتیجه به طور مؤثر راندمان کار را بهبود بخشید.

ایده‌های طراحی سیستم نور رشد معمولی
از طراحی دستگاه مکمل روشنایی سیار، به راحتی می‌توان دریافت که طراحی سیستم روشنایی تکمیلی کارخانه گیاهان دارویی معمولاً پارامترهای شدت نور، کیفیت نور و دوره نوری دوره‌های مختلف رشد محصول را به عنوان محتوای اصلی طراحی در نظر می‌گیرد و با تکیه بر سیستم کنترل هوشمند برای پیاده‌سازی، به هدف نهایی صرفه‌جویی در مصرف انرژی و عملکرد بالا دست می‌یابد.

در حال حاضر، طراحی و ساخت نور تکمیلی برای سبزیجات برگ‌دار به تدریج تکامل یافته است. به عنوان مثال، سبزیجات برگ‌دار را می‌توان به چهار مرحله تقسیم کرد: مرحله گیاهچه، اواسط رشد، اواخر رشد و مرحله پایانی؛ سبزیجات میوه‌ای را می‌توان به مرحله گیاهچه، مرحله رشد رویشی، مرحله گلدهی و مرحله برداشت تقسیم کرد. از ویژگی‌های شدت نور تکمیلی، شدت نور در مرحله گیاهچه باید کمی کمتر، در حدود 60 تا 200 میکرومول بر متر مربع بر ثانیه باشد و سپس به تدریج افزایش یابد. سبزیجات برگ‌دار می‌توانند تا 100 تا 200 میکرومول بر متر مربع بر ثانیه و سبزیجات میوه‌ای می‌توانند به 300 تا 500 میکرومول بر متر مربع بر ثانیه برسند تا نیازهای شدت نور فتوسنتز گیاه در هر دوره رشد تضمین شود و نیازهای عملکرد بالا را برآورده سازد. از نظر کیفیت نور، نسبت قرمز به آبی بسیار مهم است. به منظور افزایش کیفیت نهال‌ها و جلوگیری از رشد بیش از حد در مرحله نهالی، نسبت قرمز به آبی معمولاً در سطح پایین [(1~2):1] تنظیم می‌شود و سپس به تدریج کاهش می‌یابد تا نیازهای مورفولوژی نوری گیاه برآورده شود. نسبت قرمز به آبی به سبزیجات برگی را می‌توان روی (3~6):1 تنظیم کرد. برای دوره نوری، مشابه شدت نور، باید با افزایش دوره رشد، روند افزایشی نشان دهد، به طوری که سبزیجات برگی زمان فتوسنتز بیشتری برای فتوسنتز داشته باشند. طراحی مکمل نور میوه‌ها و سبزیجات پیچیده‌تر خواهد بود. علاوه بر قوانین اساسی ذکر شده در بالا، باید بر تنظیم دوره نوری در طول دوره گلدهی تمرکز کنیم و گلدهی و میوه‌دهی سبزیجات باید ارتقا یابد تا نتیجه معکوس ندهد.

شایان ذکر است که فرمول نور باید شامل تیمار نهایی برای تنظیمات محیط نوری باشد. به عنوان مثال، مکمل نوری مداوم می‌تواند عملکرد و کیفیت نهال‌های سبزیجات برگ‌دار هیدروپونیک را تا حد زیادی بهبود بخشد، یا از تیمار UV برای بهبود قابل توجه کیفیت تغذیه‌ای جوانه‌ها و سبزیجات برگ‌دار (به ویژه برگ‌های بنفش و کاهوی برگ قرمز) استفاده شود.

علاوه بر بهینه‌سازی مکمل نور برای محصولات منتخب، سیستم کنترل منبع نور برخی از کارخانه‌های تولید گیاهان با نور مصنوعی نیز در سال‌های اخیر به سرعت توسعه یافته است. این سیستم کنترل عموماً مبتنی بر ساختار B/S است. کنترل از راه دور و خودکار عوامل محیطی مانند دما، رطوبت، نور و غلظت CO2 در طول رشد محصولات از طریق WIFI محقق می‌شود و در عین حال، یک روش تولیدی که توسط شرایط خارجی محدود نمی‌شود، محقق می‌شود. این نوع سیستم نور مکمل هوشمند از چراغ رشد LED به عنوان منبع نور مکمل استفاده می‌کند، همراه با سیستم کنترل هوشمند از راه دور، می‌تواند نیازهای روشنایی طول موج گیاه را برآورده کند، به ویژه برای محیط کشت گیاهان با نور کنترل شده مناسب است و می‌تواند به خوبی تقاضای بازار را برآورده کند.

سخنان پایانی
کارخانه‌های گیاهی به عنوان راهی مهم برای حل مشکلات منابع جهانی، جمعیت و محیط زیست در قرن بیست و یکم و راهی مهم برای دستیابی به خودکفایی غذایی در پروژه‌های پیشرفته آینده در نظر گرفته می‌شوند. کارخانه‌های گیاهی به عنوان نوع جدیدی از روش تولید کشاورزی، هنوز در مرحله یادگیری و رشد هستند و توجه و تحقیقات بیشتری مورد نیاز است. این مقاله ویژگی‌ها و مزایای روش‌های رایج نورپردازی تکمیلی در کارخانه‌های گیاهی را شرح می‌دهد و ایده‌های طراحی سیستم‌های نورپردازی تکمیلی محصولات کشاورزی را معرفی می‌کند. یافتن این موضوع از طریق مقایسه دشوار نیست، به منظور مقابله با نور کم ناشی از آب و هوای شدید مانند ابری و مه مداوم و برای اطمینان از تولید بالا و پایدار محصولات زراعی، تجهیزات منبع نور LED Grow بیشترین مطابقت را با روندهای توسعه فعلی دارند.

جهت‌گیری توسعه آینده کارخانه‌های گیاهی باید بر حسگرهای جدید با دقت بالا و کم‌هزینه، سیستم‌های روشنایی طیفی قابل تنظیم و قابل کنترل از راه دور و سیستم‌های کنترل تخصصی متمرکز شود. در عین حال، کارخانه‌های گیاهی آینده به سمت کم‌هزینه، هوشمند و خود تطبیقی ​​​​پیش خواهند رفت. استفاده و رواج منابع نور رشد LED تضمینی برای کنترل دقیق محیطی کارخانه‌های گیاهی است. تنظیم محیط نور LED فرآیندی پیچیده است که شامل تنظیم جامع کیفیت نور، شدت نور و دوره نوری است. متخصصان و محققان مربوطه باید تحقیقات عمیقی انجام دهند و روشنایی تکمیلی LED را در کارخانه‌های گیاهی با نور مصنوعی ترویج دهند.