Autor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu usw.Quellmedien: Agrartechnik (Gewächshausgartenbau)

Die Pflanzenfabrik kombiniert moderne Industrie, Biotechnologie, Nährstoffhydrokultur und Informationstechnologie, um eine hochpräzise Steuerung der Umweltfaktoren in der Anlage zu implementieren.Es ist vollständig umschlossen, stellt geringe Anforderungen an die Umgebung, verkürzt die Erntezeit der Pflanzen, spart Wasser und Dünger und mit den Vorteilen der Produktion ohne Pestizide und ohne Abfallentsorgung beträgt die Landnutzungseffizienz der Einheit das 40- bis 108-fache davon der Freilandproduktion.Unter anderem spielen die intelligente künstliche Lichtquelle und ihre Regulierung der Lichtumgebung eine entscheidende Rolle für die Produktionseffizienz.

Als wichtiger physikalischer Umweltfaktor spielt Licht eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Pflanzenwachstums und des Stoffstoffwechsels.„Eines der Hauptmerkmale der Pflanzenfabrik ist die vollständige künstliche Lichtquelle und die Realisierung einer intelligenten Regulierung der Lichtumgebung“, ist in der Branche zu einem allgemeinen Konsens geworden.

Das Lichtbedürfnis der Pflanzen

Licht ist die einzige Energiequelle der pflanzlichen Photosynthese.Lichtintensität, Lichtqualität (Spektrum) und periodische Lichtveränderungen haben einen tiefgreifenden Einfluss auf das Wachstum und die Entwicklung von Nutzpflanzen, wobei die Lichtintensität den größten Einfluss auf die Photosynthese der Pflanzen hat.

■ Lichtintensität

Die Intensität des Lichts kann die Morphologie von Pflanzen verändern, beispielsweise die Blüte, die Internodienlänge, die Stängeldicke sowie die Blattgröße und -dicke.Die Anforderungen von Pflanzen an die Lichtintensität lassen sich in lichtliebende, mittellichtliebende und schwachlichttolerante Pflanzen einteilen.Gemüse sind meist lichtliebende Pflanzen und ihre Lichtkompensationspunkte und Lichtsättigungspunkte sind relativ hoch.In Kunstlichtanlagenfabriken sind die jeweiligen Anforderungen der Nutzpflanzen an die Lichtintensität eine wichtige Grundlage für die Auswahl künstlicher Lichtquellen.Für die Entwicklung künstlicher Lichtquellen ist es wichtig, den Lichtbedarf verschiedener Pflanzen zu verstehen. Es ist äußerst wichtig, die Produktionsleistung des Systems zu verbessern.

■ Leichte Qualität

Die Verteilung der Lichtqualität (spektral) hat auch einen wichtigen Einfluss auf die Photosynthese und Morphogenese von Pflanzen (Abbildung 1).Licht ist Teil der Strahlung und Strahlung ist eine elektromagnetische Welle.Elektromagnetische Wellen haben Welleneigenschaften und Quanteneigenschaften (Teilcheneigenschaften).Das Lichtquant wird im Gartenbau Photon genannt.Strahlung mit einem Wellenlängenbereich von 300–800 nm wird als physiologisch aktive Strahlung von Pflanzen bezeichnet;und Strahlung mit einem Wellenlängenbereich von 400–700 nm wird als photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) von Pflanzen bezeichnet.

Chlorophyll und Carotine sind die beiden wichtigsten Pigmente der pflanzlichen Photosynthese.Abbildung 2 zeigt das spektrale Absorptionsspektrum jedes photosynthetischen Pigments, wobei das Chlorophyll-Absorptionsspektrum in den roten und blauen Bändern konzentriert ist.Das Beleuchtungssystem basiert auf den spektralen Bedürfnissen der Pflanzen, das Licht künstlich zu ergänzen und so die Photosynthese der Pflanzen zu fördern.

■ Photoperiode
Der Zusammenhang zwischen Photosynthese und Photomorphogenese von Pflanzen und der Tageslänge (oder Photoperiodenzeit) wird als Photoperiodität von Pflanzen bezeichnet.Die Photoperiodität steht in engem Zusammenhang mit den Lichtstunden, die sich auf die Zeit beziehen, in der die Kulturpflanze mit Licht bestrahlt wird.Verschiedene Pflanzen benötigen eine bestimmte Anzahl von Lichtstunden, um die Photoperiode abzuschließen, damit sie blühen und Früchte tragen.Entsprechend den unterschiedlichen Photoperioden kann man sie in Langtagkulturen wie Kohl usw. einteilen, die in einem bestimmten Stadium ihres Wachstums mehr als 12-14 Stunden Lichtstunden benötigen;Kurztagkulturen wie Zwiebeln, Sojabohnen usw. benötigen weniger als 12–14 Stunden Beleuchtung;Pflanzen mit mittlerer Sonneneinstrahlung wie Gurken, Tomaten, Paprika usw. können bei längerer oder kürzerer Sonneneinstrahlung blühen und Früchte tragen.
Unter den drei Elementen der Umgebung ist die Lichtintensität eine wichtige Grundlage für die Auswahl künstlicher Lichtquellen.Gegenwärtig gibt es viele Möglichkeiten, die Lichtintensität auszudrücken, darunter hauptsächlich die folgenden drei.
（1）Beleuchtung bezieht sich auf die Oberflächendichte des Lichtstroms (Lichtstrom pro Flächeneinheit), der auf der beleuchteten Ebene empfangen wird, in Lux (lx).

(2) Photosynthetisch aktive Strahlung, PAR, Einheit: W/m².

(3) Die photosynthetisch wirksame Photonenflussdichte PPFD oder PPF ist die Anzahl der photosynthetisch wirksamen Strahlung, die eine Zeit- und Flächeneinheit erreicht oder durchläuft, Einheit: μmol/(m²·s). Bezieht sich hauptsächlich auf die Lichtintensität von 400–700 nm steht in direktem Zusammenhang mit der Photosynthese.Es ist auch der am häufigsten verwendete Lichtintensitätsindikator im Bereich der Pflanzenproduktion.

Lichtquellenanalyse eines typischen Zusatzlichtsystems
Bei der künstlichen Lichtergänzung geht es darum, die Lichtintensität im Zielbereich zu erhöhen oder die Lichtdauer durch die Installation eines zusätzlichen Lichtsystems zu verlängern, um den Lichtbedarf der Pflanzen zu decken.Im Allgemeinen umfasst das Zusatzlichtsystem Zusatzlichtgeräte, Schaltkreise und deren Steuerungssystem.Zu den Zusatzlichtquellen zählen hauptsächlich mehrere gängige Typen wie Glühlampen, Leuchtstofflampen, Halogen-Metalldampflampen, Natriumdampf-Hochdrucklampen und LEDs.Aufgrund der geringen elektrischen und optischen Effizienz von Glühlampen, der geringen photosynthetischen Energieeffizienz und anderer Mängel wurde sie vom Markt verdrängt, sodass in diesem Artikel keine detaillierte Analyse vorgenommen wird.

■ Leuchtstofflampe
Leuchtstofflampen gehören zur Gattung der Niederdruck-Gasentladungslampen.Die Glasröhre ist mit Quecksilberdampf oder Inertgas gefüllt und die Innenwand der Röhre ist mit fluoreszierendem Pulver beschichtet.Die Lichtfarbe variiert je nach dem in der Röhre beschichteten Leuchtstoffmaterial.Leuchtstofflampen zeichnen sich durch eine gute spektrale Leistung, eine hohe Lichtausbeute, einen geringen Stromverbrauch, eine längere Lebensdauer (12.000 Stunden) im Vergleich zu Glühlampen und relativ niedrige Kosten aus.Da die Leuchtstofflampe selbst weniger Wärme abgibt, kann sie zur Beleuchtung in der Nähe der Pflanzen platziert werden und eignet sich für den dreidimensionalen Anbau.Allerdings ist die spektrale Auslegung der Leuchtstofflampe unzumutbar.Die weltweit gebräuchlichste Methode besteht darin, Reflektoren hinzuzufügen, um die effektiven Lichtquellenkomponenten der Pflanzen im Anbaugebiet zu maximieren.Das japanische Unternehmen adv-agri hat außerdem eine neue Art von Zusatzlichtquelle HEFL entwickelt.HEFL gehört eigentlich zur Kategorie der Leuchtstofflampen.Es ist die allgemeine Bezeichnung für Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) und Leuchtstofflampen mit externen Elektroden (EEFL) und ist eine Leuchtstofflampe mit gemischten Elektroden.Das HEFL-Rohr ist mit einem Durchmesser von nur etwa 4 mm extrem dünn und die Länge kann je nach Anbaubedarf von 450 mm bis 1200 mm angepasst werden.Es handelt sich um eine verbesserte Version der herkömmlichen Leuchtstofflampe.

■ Metallhalogenidlampe
Die Metallhalogenidlampe ist eine Hochleistungsentladungslampe, die auf der Basis einer Quecksilberhochdrucklampe verschiedene Elemente durch Zugabe verschiedener Metallhalogenide (Zinnbromid, Natriumiodid usw.) in die Entladungsröhre anregen kann, um unterschiedliche Wellenlängen zu erzeugen.Halogenlampen zeichnen sich durch eine hohe Lichtausbeute, hohe Leistung, gute Lichtfarbe, lange Lebensdauer und ein großes Spektrum aus.Da die Lichtausbeute jedoch geringer ist als die von Natriumdampf-Hochdrucklampen und die Lebensdauer kürzer ist als die von Natriumdampf-Hochdrucklampen, wird sie derzeit nur in wenigen Anlagenfabriken eingesetzt.

■ Hochdruck-Natriumlampe
Natriumdampf-Hochdrucklampen gehören zur Gattung der Hochdruck-Gasentladungslampen.Die Hochdruck-Natriumlampe ist eine Hochleistungslampe, bei der Hochdruck-Natriumdampf in die Entladungsröhre gefüllt und eine kleine Menge Xenon (Xe) und Quecksilber-Metallhalogenid hinzugefügt werden.Da Natriumdampf-Hochdrucklampen eine hohe elektrooptische Umwandlungseffizienz bei geringeren Herstellungskosten aufweisen, werden Natriumdampf-Hochdrucklampen derzeit am häufigsten für die Anwendung von Zusatzlicht in landwirtschaftlichen Betrieben eingesetzt.Aufgrund der Mängel einer geringen Photosyntheseeffizienz in ihrem Spektrum weisen sie jedoch auch die Mängel einer geringen Energieeffizienz auf.Andererseits konzentrieren sich die von Natriumdampf-Hochdrucklampen emittierten Spektralkomponenten hauptsächlich im gelb-orangefarbenen Lichtband, dem die für das Pflanzenwachstum notwendigen roten und blauen Spektren fehlen.

■ Leuchtdiode
Als neue Generation von Lichtquellen bieten Leuchtdioden (LEDs) viele Vorteile, wie z. B. eine höhere elektrooptische Umwandlungseffizienz, ein einstellbares Spektrum und eine hohe Photosyntheseeffizienz.LED kann monochromatisches Licht ausstrahlen, das für das Pflanzenwachstum benötigt wird.Im Vergleich zu gewöhnlichen Leuchtstofflampen und anderen Zusatzlichtquellen bietet LED die Vorteile von Energieeinsparung, Umweltschutz, langer Lebensdauer, monochromatischem Licht, Kaltlichtquelle usw.Mit der weiteren Verbesserung der elektrooptischen Effizienz von LEDs und der Reduzierung der durch den Skaleneffekt verursachten Kosten werden LED-Wachstumsbeleuchtungssysteme zur gängigen Ausrüstung zur Ergänzung des Lichts in landwirtschaftlichen Betrieben.Infolgedessen wurden LED-Wachstumslampen in über 99,9 % der Pflanzenfabriken eingesetzt.

Durch den Vergleich können die Eigenschaften verschiedener Zusatzlichtquellen klar verstanden werden, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Mobiles Beleuchtungsgerät
Die Intensität des Lichts hängt eng mit dem Wachstum der Pflanzen zusammen.In Pflanzenfabriken wird häufig der dreidimensionale Anbau eingesetzt.Aufgrund der begrenzten Struktur der Anbaugestelle wirkt sich die ungleichmäßige Licht- und Temperaturverteilung zwischen den Gestellen jedoch auf den Ernteertrag aus und die Erntezeit wird nicht synchronisiert.Ein Unternehmen in Peking hat im Jahr 2010 erfolgreich ein manuelles Hublicht-Ergänzungsgerät (HPS-Beleuchtungskörper und LED-Wachstumsbeleuchtungskörper) entwickelt. Das Prinzip besteht darin, die Antriebswelle und den daran befestigten Wickler durch Schütteln des Griffs zu drehen, um die kleine Filmrolle zu drehen um den Zweck des Ein- und Abwickelns des Drahtseils zu erreichen.Das Drahtseil der Wachstumsleuchte ist über mehrere Sätze von Umkehrrädern mit dem Wickelrad des Aufzugs verbunden, um den Effekt einer Höhenverstellung der Wachstumsleuchte zu erzielen.Im Jahr 2017 entwarf und entwickelte das oben genannte Unternehmen ein neues mobiles Lichtzusatzgerät, das die Lichtzusatzhöhe automatisch in Echtzeit an die Wachstumsbedürfnisse der Pflanzen anpassen kann.Die Einstellvorrichtung ist jetzt auf dem dreidimensionalen Kultivierungsgestell mit 3-lagiger Lichtquelle und Hebevorrichtung installiert.Die oberste Schicht des Gerätes ist die Ebene mit den besten Lichtverhältnissen, daher ist es mit Natriumdampf-Hochdrucklampen ausgestattet;Die mittlere Schicht und die untere Schicht sind mit LED-Wachstumslichtern und einem Hubverstellsystem ausgestattet.Es kann die Höhe des Wachstumslichts automatisch anpassen, um eine geeignete Lichtumgebung für die Pflanzen zu schaffen.

Im Vergleich zu dem mobilen Lichtzusatzgerät, das auf den dreidimensionalen Anbau zugeschnitten ist, haben die Niederlande ein horizontal bewegliches LED-Wachstumslichtzusatzlichtgerät entwickelt.Um den Einfluss des Schattens des Wachstumslichts auf das Wachstum von Pflanzen in der Sonne zu vermeiden, kann das Wachstumslichtsystem durch den Teleskopschieber in horizontaler Richtung zu beiden Seiten der Halterung geschoben werden, sodass die Sonne vollständig beleuchtet wird auf die Pflanzen bestrahlt;An bewölkten und regnerischen Tagen ohne Sonnenlicht schieben Sie das Wachstumslichtsystem in die Mitte der Halterung, damit das Licht des Wachstumslichtsystems die Pflanzen gleichmäßig füllt.Bewegen Sie das Wachstumslichtsystem horizontal durch den Schlitten an der Halterung, vermeiden Sie häufiges Zerlegen und Entfernen des Wachstumslichtsystems und reduzieren Sie die Arbeitsintensität der Mitarbeiter, wodurch die Arbeitseffizienz effektiv verbessert wird.

Designideen eines typischen Grow-Lichtsystems
Aus dem Entwurf des mobilen Beleuchtungszusatzgeräts ist nicht schwer zu erkennen, dass der Entwurf des Zusatzbeleuchtungssystems der Pflanzenfabrik in der Regel die Lichtintensität, Lichtqualität und Photoperiodenparameter verschiedener Pflanzenwachstumsperioden als Kerninhalt des Entwurfs berücksichtigt , indem man sich auf das intelligente Steuerungssystem verlässt, um das ultimative Ziel der Energieeinsparung und hohen Ausbeute zu erreichen.

Gegenwärtig ist das Design und die Konstruktion von Zusatzlichtern für Blattgemüse allmählich ausgereift.Beispielsweise kann Blattgemüse in vier Stadien eingeteilt werden: Sämlingsstadium, mittleres Wachstum, spätes Wachstum und Endstadium;Obst und Gemüse können in Sämlingsstadium, vegetatives Wachstumsstadium, Blütestadium und Erntestadium unterteilt werden.Aufgrund der Eigenschaften der zusätzlichen Lichtintensität sollte die Lichtintensität im Sämlingsstadium etwas niedriger sein, bei 60–200 μmol/(m²·s), und dann allmählich ansteigen.Blattgemüse kann bis zu 100–200 μmol/(m²·s) und Obstgemüse 300–500 μmol/(m²·s) erreichen, um den Lichtintensitätsbedarf der pflanzlichen Photosynthese in jeder Wachstumsphase sicherzustellen und die Bedürfnisse von zu erfüllen hohe Ausbeute;Für die Lichtqualität ist das Verhältnis von Rot zu Blau sehr wichtig.Um die Qualität der Sämlinge zu verbessern und übermäßiges Wachstum im Keimlingsstadium zu verhindern, wird das Verhältnis von Rot zu Blau im Allgemeinen auf einen niedrigen Wert [(1~2):1] eingestellt und dann schrittweise reduziert, um den Bedürfnissen der Pflanze gerecht zu werden leichte Morphologie.Das Verhältnis von Rot zu Blau zu Blattgemüse kann auf (3~6):1 eingestellt werden.Die Photoperiode sollte, ähnlich wie die Lichtintensität, mit zunehmender Wachstumsperiode tendenziell zunehmen, sodass Blattgemüse mehr Zeit für die Photosynthese hat.Die leichte Ergänzung von Obst und Gemüse wird komplizierter sein.Zusätzlich zu den oben genannten Grundgesetzen sollten wir uns auf die Einstellung der Photoperiode während der Blütezeit konzentrieren und die Blüte und Fruchtbildung von Gemüse fördern, damit es nicht zu Fehlschlägen kommt.

Es ist erwähnenswert, dass die Lichtformel die Endbehandlung für Lichtumgebungseinstellungen umfassen sollte.Beispielsweise kann eine kontinuierliche Lichtergänzung den Ertrag und die Qualität hydroponischer Blattgemüsesämlinge erheblich verbessern oder durch UV-Behandlung die Nährwertqualität von Sprossen und Blattgemüse (insbesondere violette Blätter und roter Blattsalat) deutlich verbessern.

Neben der Optimierung der Lichtergänzung für ausgewählte Kulturen hat sich in den letzten Jahren auch das Lichtquellensteuerungssystem einiger Kunstlichtpflanzenfabriken rasant weiterentwickelt.Dieses Steuerungssystem basiert im Allgemeinen auf der B/S-Struktur.Durch WIFI wird eine Fernsteuerung und automatische Steuerung von Umweltfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht und CO2-Konzentration während des Pflanzenwachstums realisiert und gleichzeitig eine Produktionsmethode realisiert, die nicht durch äußere Bedingungen eingeschränkt wird.Diese Art von intelligentem Zusatzlichtsystem nutzt LED-Wachstumsleuchten als zusätzliche Lichtquelle, kombiniert mit einem intelligenten Fernsteuerungssystem, kann die Anforderungen der Wellenlängenbeleuchtung von Pflanzen erfüllen, eignet sich besonders für lichtgesteuerte Pflanzenanbauumgebungen und kann die Marktnachfrage gut decken .

Abschließende Bemerkungen
Pflanzenfabriken gelten als wichtiger Weg zur Lösung weltweiter Ressourcen-, Bevölkerungs- und Umweltprobleme im 21. Jahrhundert und als wichtige Möglichkeit, in zukünftigen High-Tech-Projekten Selbstversorgung mit Nahrungsmitteln zu erreichen.Als neuartige landwirtschaftliche Produktionsmethode befinden sich Pflanzenfabriken noch in der Lern- und Wachstumsphase und erfordern mehr Aufmerksamkeit und Forschung.Dieser Artikel beschreibt die Eigenschaften und Vorteile gängiger Zusatzbeleuchtungsmethoden in Pflanzenfabriken und stellt die Designideen typischer Zusatzbeleuchtungssysteme für Nutzpflanzen vor.Es ist nicht schwer, im Vergleich festzustellen, dass LED-Grow-Lichtquellengeräte der aktuellen Entwicklung am besten entsprechen, um mit den schlechten Lichtverhältnissen, die durch schlechtes Wetter wie anhaltende Bewölkung und Dunst verursacht werden, zurechtzukommen und eine hohe und stabile Produktion von Pflanzenkulturen zu gewährleisten Trends.

Die zukünftige Entwicklungsrichtung von Pflanzenfabriken sollte sich auf neue hochpräzise, ​​kostengünstige Sensoren, fernsteuerbare Beleuchtungsgerätesysteme mit einstellbarem Spektrum und Expertensteuerungssysteme konzentrieren.Gleichzeitig werden sich die künftigen Pflanzenfabriken weiter in Richtung kostengünstiger, intelligenter und selbstanpassender Anlagen weiterentwickeln.Der Einsatz und die Verbreitung von LED-Wachstumslichtquellen gewährleisten eine hochpräzise Umweltkontrolle in Pflanzenfabriken.Die Regulierung der LED-Lichtumgebung ist ein komplexer Prozess, der eine umfassende Regulierung der Lichtqualität, Lichtintensität und Photoperiode umfasst.Relevante Experten und Wissenschaftler müssen eingehende Forschung betreiben, um die LED-Zusatzbeleuchtung in Fabriken für Kunstlichtanlagen zu fördern.