Muallif: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu va boshqalar. Manba: Qishloq xo'jaligi muhandisligi texnologiyasi (issiqxona bog'dorchiligi)

Zavod zamonaviy sanoat, biotexnologiya, ozuqaviy gidroponika va axborot texnologiyalarini birlashtirib, ob'ektda atrof-muhit omillarini yuqori aniqlikda nazorat qilishni amalga oshiradi. U to'liq yopiq, atrof-muhitga past talablarga ega, o'simliklarni yig'ib olish muddatini qisqartiradi, suv va o'g'itni tejaydi, pestitsidlarsiz ishlab chiqarish va chiqindilarni chiqindisiz chiqarishning afzalliklari bilan yer birligidan foydalanish samaradorligi ochiq maydondagi ishlab chiqarish samaradorligidan 40 dan 108 baravargacha yuqori. Ular orasida aqlli sun'iy yorug'lik manbai va uning yorug'lik muhitini boshqarish uning ishlab chiqarish samaradorligida hal qiluvchi rol o'ynaydi.

Muhim jismoniy atrof-muhit omili sifatida yorug'lik o'simliklarning o'sishi va moddiy metabolizmni tartibga solishda muhim rol o'ynaydi. "O'simlik fabrikasining asosiy xususiyatlaridan biri to'liq sun'iy yorug'lik manbai va yorug'lik muhitini aqlli tartibga solishni amalga oshirishdir" degan fikr sanoatda umumiy konsensusga aylandi.

O'simliklarning yorug'likka bo'lgan ehtiyoji

Yorug'lik o'simliklar fotosintezining yagona energiya manbai hisoblanadi. Yorug'lik intensivligi, yorug'lik sifati (spektri) va yorug'likning davriy o'zgarishlari ekinlarning o'sishi va rivojlanishiga chuqur ta'sir ko'rsatadi, ular orasida yorug'lik intensivligi o'simliklar fotosinteziga eng katta ta'sir ko'rsatadi.

■ Yorug'lik intensivligi

Yorug'lik intensivligi ekinlarning morfologiyasini, masalan, gullash, tugunlararo uzunlik, poyaning qalinligi va barg hajmi va qalinligini o'zgartirishi mumkin. O'simliklarning yorug'lik intensivligiga bo'lgan talablarini yorug'likni sevuvchi, o'rtacha yorug'likni sevuvchi va kam yorug'likka chidamli o'simliklarga bo'lish mumkin. Sabzavotlar asosan yorug'likni sevuvchi o'simliklar bo'lib, ularning yorug'likni kompensatsiya qilish nuqtalari va yorug'likning to'yinganlik nuqtalari nisbatan yuqori. Sun'iy yorug'lik zavodlarida ekinlarning yorug'lik intensivligiga bo'lgan tegishli talablari sun'iy yorug'lik manbalarini tanlash uchun muhim asos hisoblanadi. Turli o'simliklarning yorug'lik talablarini tushunish sun'iy yorug'lik manbalarini loyihalash uchun muhimdir, tizimning ishlab chiqarish ko'rsatkichlarini yaxshilash juda zarur.

■ Yorug'lik sifati

Yorug'lik sifati (spektral) taqsimoti o'simliklar fotosintezi va morfogeneziga ham muhim ta'sir ko'rsatadi (1-rasm). Yorug'lik nurlanishning bir qismidir, nurlanish esa elektromagnit to'lqindir. Elektromagnit to'lqinlar to'lqin xususiyatlariga va kvant (zarracha) xususiyatlariga ega. Yorug'lik kvanti bog'dorchilik sohasida foton deb ataladi. 300 ~ 800 nm to'lqin uzunligi diapazoniga ega nurlanish o'simliklarning fiziologik faol nurlanishi deb ataladi; 400 ~ 700 nm to'lqin uzunligi diapazoniga ega nurlanish esa o'simliklarning fotosintetik faol nurlanishi (PAR) deb ataladi.

Xlorofill va karotinlar o'simliklar fotosintezidagi eng muhim ikkita pigmentdir. 2-rasmda har bir fotosintetik pigmentning spektral yutilish spektri ko'rsatilgan, unda xlorofill yutilish spektri qizil va ko'k chiziqlarda to'plangan. Yoritish tizimi o'simliklar fotosintezini rag'batlantirish uchun ekinlarning yorug'likni sun'iy ravishda to'ldirishga bo'lgan spektral ehtiyojlariga asoslangan.

■ fotoperiod
Fotosintez va o'simliklarning fotomorfogenezi hamda kunduzgi yorug'lik vaqti (yoki fotoperiod vaqti) o'rtasidagi bog'liqlik o'simliklarning fotoperiodligi deb ataladi. Fotoperiodlik yorug'lik soatlari bilan chambarchas bog'liq bo'lib, bu hosilning yorug'lik bilan nurlanish vaqtini anglatadi. Turli ekinlar fotoperiodni to'liq gullashi va meva berishi uchun ma'lum miqdordagi yorug'lik soatlarini talab qiladi. Turli fotoperiodlarga ko'ra, uni karam va boshqalar kabi uzoq kunlik ekinlarga bo'lish mumkin, ular o'sishining ma'lum bir bosqichida 12-14 soatdan ortiq yorug'lik soatlarini talab qiladi; piyoz, soya va boshqalar kabi qisqa kunlik ekinlar 12-14 soatdan kam yorug'lik soatlarini talab qiladi; bodring, pomidor, qalampir va boshqalar kabi o'rtacha quyoshli ekinlar uzoqroq yoki qisqaroq quyosh nuri ostida gullashi va meva berishi mumkin.
Atrof-muhitning uchta elementi orasida yorug'lik intensivligi sun'iy yorug'lik manbalarini tanlashda muhim asos hisoblanadi. Hozirgi vaqtda yorug'lik intensivligini ifodalashning ko'plab usullari mavjud, asosan quyidagi uchta usul.
(1) Yoritish deganda yoritilgan tekislikda qabul qilingan yorug'lik oqimining (birlik maydonga to'g'ri keladigan yorug'lik oqimi) sirt zichligi, lyuks (lyuks) da tushuniladi.

(2) Fotosintetik faol nurlanish, PAR, birlik: Vt/m².

(3) Fotosintetik jihatdan samarali foton oqimi zichligi PPFD yoki PPF - bu birlik vaqt va birlik maydonga yetib boradigan yoki o'tadigan fotosintetik jihatdan samarali nurlanish soni, birlik: μmol/(m²·s). Asosan fotosintez bilan bevosita bog'liq bo'lgan 400 ~ 700 nm yorug'lik intensivligini anglatadi. Shuningdek, u o'simlik ishlab chiqarish sohasida eng ko'p ishlatiladigan yorug'lik intensivligi ko'rsatkichidir.

Odatdagi qo'shimcha yorug'lik tizimining yorug'lik manbalarini tahlil qilish
Sun'iy yorug'lik qo'shimchasi maqsadli hududdagi yorug'lik intensivligini oshirish yoki o'simliklarning yorug'lik talabini qondirish uchun qo'shimcha yorug'lik tizimini o'rnatish orqali yorug'lik vaqtini uzaytirishdan iborat. Umuman olganda, qo'shimcha yorug'lik tizimi qo'shimcha yorug'lik uskunalari, sxemalar va uni boshqarish tizimini o'z ichiga oladi. Qo'shimcha yorug'lik manbalari asosan akkor lampalar, lyuminestsent lampalar, metall galogenid lampalar, yuqori bosimli natriy lampalar va LEDlar kabi bir nechta keng tarqalgan turlarni o'z ichiga oladi. Akkor lampalarning past elektr va optik samaradorligi, past fotosintetik energiya samaradorligi va boshqa kamchiliklari tufayli bozor tomonidan bartaraf etilgan, shuning uchun ushbu maqolada batafsil tahlil qilinmagan.

■ Floresan chiroq
Floresan lampalar past bosimli gaz chiqarish lampalari turiga kiradi. Shisha naycha simob bug'i yoki inert gaz bilan to'ldirilgan va naychaning ichki devori lyuminestsent kukun bilan qoplangan. Yorug'lik rangi naychada qoplangan lyuminestsent materialga qarab farq qiladi. Floresan lampalar yaxshi spektral ishlashga, yuqori yorug'lik samaradorligiga, past quvvatga, akkor lampalarga nisbatan uzoqroq ishlash muddatiga (12000 soat) va nisbatan arzon narxga ega. Floresan lampaning o'zi kamroq issiqlik chiqargani uchun u yoritish uchun o'simliklarga yaqin bo'lishi mumkin va uch o'lchovli ekin ekish uchun mos keladi. Biroq, lyuminestsent lampaning spektral joylashuvi asossizdir. Dunyoda eng keng tarqalgan usul - ekin ekish maydonidagi ekinlarning samarali yorug'lik manbai komponentlarini maksimal darajada oshirish uchun reflektorlarni qo'shishdir. Yaponiyaning adv-agri kompaniyasi shuningdek, yangi turdagi qo'shimcha yorug'lik manbai HEFL ni ishlab chiqdi. HEFL aslida lyuminestsent lampalar toifasiga kiradi. Bu sovuq katodli lyuminestsent lampalar (CCFL) va tashqi elektrodli lyuminestsent lampalar (EEFL) uchun umumiy atama bo'lib, aralash elektrodli lyuminestsent lampadir. HEFL trubkasi juda yupqa, diametri atigi 4 mm va uzunligini yetishtirish ehtiyojlariga qarab 450 mm dan 1200 mm gacha sozlash mumkin. Bu an'anaviy lyuminestsent lampaning takomillashtirilgan versiyasidir.

■ Metall galogenid chiroq
Metall galogenid lampasi yuqori intensivlikdagi razryad lampasi bo'lib, u yuqori bosimli simob lampasi asosida razryad naychasiga turli xil metall galogenidlarni (qalay bromidi, natriy yodid va boshqalar) qo'shish orqali turli elementlarni qo'zg'atib, turli to'lqin uzunliklarini hosil qila oladi. Galogen lampalar yuqori yorug'lik samaradorligi, yuqori quvvat, yaxshi yorug'lik rangi, uzoq umr va keng spektrga ega. Biroq, yorug'lik samaradorligi yuqori bosimli natriy lampalarga qaraganda pastroq va ishlash muddati yuqori bosimli natriy lampalarga qaraganda qisqaroq bo'lgani uchun, u hozirda faqat bir nechta zavodlarda qo'llaniladi.

■ Yuqori bosimli natriy lampa
Yuqori bosimli natriy lampalar yuqori bosimli gazli razryad lampalari turiga kiradi. Yuqori bosimli natriy lampa - bu razryad naychasiga yuqori bosimli natriy bug'i to'ldirilgan va oz miqdordagi ksenon (Xe) va simob metall galogenid qo'shilgan yuqori samarali lampa. Yuqori bosimli natriy lampalar yuqori elektro-optik konversiya samaradorligiga va ishlab chiqarish xarajatlarining pastligiga ega bo'lganligi sababli, yuqori bosimli natriy lampalar hozirda qishloq xo'jaligi inshootlarida qo'shimcha yorug'likni qo'llashda eng keng qo'llaniladi. Biroq, ularning spektridagi past fotosintetik samaradorlikning kamchiliklari tufayli ular past energiya samaradorligi kabi kamchiliklarga ega. Boshqa tomondan, yuqori bosimli natriy lampalar chiqaradigan spektral komponentlar asosan sariq-to'q sariq yorug'lik tasmasida to'plangan bo'lib, unda o'simliklarning o'sishi uchun zarur bo'lgan qizil va ko'k spektrlar yo'q.

■ Yorug'lik chiqaradigan diod
Yorug'lik manbalarining yangi avlodi sifatida yorug'lik chiqaradigan diodlar (LED) yuqori elektro-optik konvertatsiya samaradorligi, sozlanishi spektr va yuqori fotosintetik samaradorlik kabi ko'plab afzalliklarga ega. LED o'simliklarning o'sishi uchun zarur bo'lgan monoxromatik yorug'likni chiqarishi mumkin. Oddiy lyuminestsent lampalar va boshqa qo'shimcha yorug'lik manbalari bilan taqqoslaganda, LED energiya tejash, atrof-muhitni muhofaza qilish, uzoq umr ko'rish, monoxromatik yorug'lik, sovuq yorug'lik manbai va boshqalar kabi afzalliklarga ega. LEDlarning elektro-optik samaradorligini yanada oshirish va shkala effekti tufayli xarajatlarni kamaytirish bilan LED o'stirish yoritish tizimlari qishloq xo'jaligi inshootlarida yorug'likni qo'shimcha ravishda qo'llash uchun asosiy uskunaga aylanadi. Natijada, LED o'stirish chiroqlari o'simlik zavodlarining 99,9% dan ortig'ida qo'llanilgan.

Taqqoslash orqali turli qo'shimcha yorug'lik manbalarining xususiyatlarini aniq tushunish mumkin, bu 1-jadvalda ko'rsatilgan.

Mobil yoritish moslamasi
Yorug'lik intensivligi ekinlarning o'sishi bilan chambarchas bog'liq. Uch o'lchovli kultivatsiya ko'pincha o'simlik fabrikalarida qo'llaniladi. Biroq, kultivatsiya tokchalarining tuzilishi cheklanganligi sababli, tokchalar orasidagi yorug'lik va haroratning notekis taqsimlanishi ekinlar hosildorligiga ta'sir qiladi va hosil yig'ish davri sinxronlashtirilmaydi. Pekindagi bir kompaniya 2010-yilda qo'lda ko'tariladigan yorug'lik qo'shimcha qurilmasini (HPS yoritish moslamasi va LED o'stirish yoritish moslamasi) muvaffaqiyatli ishlab chiqdi. Printsip shundaki, sim arqonni tortib olish va ochish maqsadiga erishish uchun kichik plyonkali g'altakni aylantirish uchun tutqichni silkitib, qo'zg'atuvchi valni va unga o'rnatilgan o'rash moslamasini aylantirish kerak. O'stirish chiroqining sim arqoni o'stirish chiroqining balandligini sozlash effektiga erishish uchun bir nechta teskari g'ildiraklar to'plami orqali liftning o'rash g'ildiragiga ulangan. 2017-yilda yuqorida tilga olingan kompaniya yangi mobil yorug'lik qo'shimcha qurilmasini loyihalashtirdi va ishlab chiqdi, u yorug'lik qo'shimcha balandligini ekinlarning o'sish ehtiyojlariga qarab real vaqt rejimida avtomatik ravishda sozlashi mumkin. Sozlash moslamasi endi 3 qavatli yorug'lik manbai ko'taruvchi turdagi uch o'lchovli kultivatsiya tokchasiga o'rnatildi. Qurilmaning yuqori qatlami eng yaxshi yorug'lik holatiga ega bo'lgan darajadir, shuning uchun u yuqori bosimli natriy lampalar bilan jihozlangan; o'rta va pastki qatlamlar LED o'stirish chiroqlari va ko'tarish moslamalari bilan jihozlangan. U ekinlar uchun mos yorug'lik muhitini ta'minlash uchun o'stirish chiroqining balandligini avtomatik ravishda sozlashi mumkin.

Uch o'lchovli o'stirish uchun mo'ljallangan mobil yorug'lik qo'shimcha qurilmasi bilan taqqoslaganda, Niderlandiyada gorizontal ravishda harakatlanuvchi LED o'stirish chiroq qo'shimcha yorug'lik moslamasi ishlab chiqildi. Quyoshda o'simliklarning o'sishiga o'stirish chiroqlarining soyasining ta'siridan qochish uchun o'stirish chiroqlari tizimini gorizontal yo'nalishda teleskopik slayd orqali qavsning ikkala tomoniga ham surish mumkin, shunda quyosh o'simliklarga to'liq nur soladi; quyosh nuri tushmaydigan bulutli va yomg'irli kunlarda, o'stirish chiroqlari tizimining yorug'ligi o'simliklarni teng ravishda to'ldirishi uchun o'stirish chiroqlari tizimini qavsning o'rtasiga suring; o'stirish chiroqlari tizimini qavsdagi slayd orqali gorizontal ravishda harakatlantiring, o'stirish chiroqlari tizimini tez-tez qismlarga ajratish va olib tashlashdan saqlaning va xodimlarning mehnat zichligini kamaytiring, shu bilan ish samaradorligini samarali ravishda oshiring.

Odatdagi o'stirish yorug'lik tizimining dizayn g'oyalari
Mobil yoritish qo'shimcha qurilmasining dizaynidan ko'rinib turibdiki, zavodning qo'shimcha yoritish tizimining dizayni odatda turli ekin o'sish davrlarining yorug'lik intensivligi, yorug'lik sifati va fotoperiod parametrlarini dizaynning asosiy mazmuni sifatida qabul qiladi, aqlli boshqaruv tizimiga tayanadi, energiya tejash va yuqori hosil olishning asosiy maqsadiga erishiladi.

Hozirgi vaqtda bargli sabzavotlar uchun qo'shimcha yorug'likni loyihalash va qurish asta-sekin pishib yetildi. Masalan, bargli sabzavotlarni to'rt bosqichga bo'lish mumkin: ko'chat bosqichi, o'rta o'sish, kech o'sish va oxirgi bosqich; mevali sabzavotlarni ko'chat bosqichi, vegetativ o'sish bosqichi, gullash bosqichi va hosil yig'ish bosqichiga bo'lish mumkin. Qo'shimcha yorug'lik intensivligining xususiyatlaridan kelib chiqib, ko'chat bosqichidagi yorug'lik intensivligi biroz pastroq, 60 ~ 200 mkmol/(m²·s) da bo'lishi va keyin asta-sekin ortishi kerak. Bargli sabzavotlar har bir o'sish davrida o'simlik fotosintezining yorug'lik intensivligi talablarini ta'minlash va yuqori hosildorlik ehtiyojlarini qondirish uchun 100 ~ 200 mkmol/(m²·s) gacha, mevali sabzavotlar esa 300 ~ 500 mkmol/(m²·s) ga yetishi mumkin; Yorug'lik sifati nuqtai nazaridan qizil va ko'k ranglarning nisbati juda muhimdir. Ko'chatlarning sifatini oshirish va ko'chat bosqichida haddan tashqari o'sishni oldini olish uchun qizil va ko'k ranglarning nisbati odatda past darajada [(1~2:1] belgilanadi va keyin o'simlik yorug'lik morfologiyasi ehtiyojlarini qondirish uchun asta-sekin kamayadi. Qizil va ko'k ranglarning bargli sabzavotlarga nisbati (3~6):1 ga o'rnatilishi mumkin. Yorug'lik intensivligiga o'xshash fotoperiod uchun u o'sish davrining uzayishi bilan ortish tendentsiyasini ko'rsatishi kerak, shunda bargli sabzavotlar fotosintez uchun ko'proq fotosintez vaqtiga ega bo'ladi. Meva va sabzavotlarning yorug'lik qo'shimchasi dizayni yanada murakkablashadi. Yuqorida aytib o'tilgan asosiy qonunlarga qo'shimcha ravishda, biz gullash davrida fotoperiodning o'rnatilishiga e'tibor qaratishimiz kerak va sabzavotlarning gullashi va meva berishi teskari natija bermasligi uchun rag'batlantirilishi kerak.

Shuni ta'kidlash kerakki, yorug'lik formulasi yorug'lik muhiti sharoitlari uchun oxirgi ishlov berishni o'z ichiga olishi kerak. Masalan, doimiy yorug'lik qo'shimchalari gidroponik bargli sabzavot ko'chatlarining hosildorligi va sifatini sezilarli darajada oshirishi yoki nihol va bargli sabzavotlarning (ayniqsa, binafsha barglar va qizil bargli salat) ozuqaviy sifatini sezilarli darajada yaxshilash uchun UB nurlari bilan ishlov berishdan foydalanishi mumkin.

Tanlangan ekinlar uchun yorug'lik qo'shimchalarini optimallashtirishdan tashqari, so'nggi yillarda ba'zi sun'iy yorug'lik zavodlarining yorug'lik manbasini boshqarish tizimi ham tez rivojlandi. Ushbu boshqaruv tizimi odatda B/S tuzilishiga asoslangan. Ekinlar o'sishi paytida harorat, namlik, yorug'lik va CO2 konsentratsiyasi kabi atrof-muhit omillarini masofadan boshqarish va avtomatik boshqarish WIFI orqali amalga oshiriladi va shu bilan birga tashqi sharoitlar bilan cheklanmagan ishlab chiqarish usuli amalga oshiriladi. Ushbu turdagi aqlli qo'shimcha yorug'lik tizimi qo'shimcha yorug'lik manbai sifatida LED o'sish chiroqlaridan foydalanadi, masofadan turib aqlli boshqaruv tizimi bilan birgalikda o'simliklarning to'lqin uzunligini yoritish ehtiyojlarini qondira oladi, ayniqsa yorug'lik bilan boshqariladigan o'simliklarni yetishtirish muhiti uchun mos keladi va bozor talabini yaxshi qondira oladi.

Yakuniy fikrlar
O'simlik fabrikalari 21-asrda jahon resurslari, aholisi va ekologik muammolarini hal qilishning muhim usuli va kelajakdagi yuqori texnologiyali loyihalarda oziq-ovqat bilan o'zini o'zi ta'minlashga erishishning muhim usuli hisoblanadi. Qishloq xo'jaligi ishlab chiqarishining yangi turi sifatida o'simlik fabrikalari hali ham o'rganish va o'sish bosqichida va ko'proq e'tibor va tadqiqotlar talab etiladi. Ushbu maqolada o'simlik fabrikalarida keng tarqalgan qo'shimcha yoritish usullarining xususiyatlari va afzalliklari tasvirlangan va odatiy ekin qo'shimcha yoritish tizimlarining dizayn g'oyalari taqdim etilgan. Doimiy bulutli va tuman kabi qattiq ob-havo tufayli yuzaga keladigan kam yorug'likka dosh berish va yuqori va barqaror hosil olishni ta'minlash uchun taqqoslash orqali topish qiyin emas, LED Grow yorug'lik manbai uskunalari hozirgi rivojlanish tendentsiyalariga eng mos keladi.

O'simlik fabrikalarining kelajakdagi rivojlanish yo'nalishi yangi yuqori aniqlikdagi, arzon sensorlar, masofadan boshqariladigan, sozlanishi mumkin bo'lgan spektrli yoritish moslamalari tizimlari va ekspert boshqaruv tizimlariga qaratilishi kerak. Shu bilan birga, kelajakdagi o'simlik fabrikalari arzon, aqlli va o'zini o'zi moslashuvchan tomon rivojlanishda davom etadi. LED o'stirish yorug'lik manbalaridan foydalanish va ommalashtirish o'simlik fabrikalarining yuqori aniqlikdagi ekologik nazoratini kafolatlaydi. LED yorug'lik muhitini tartibga solish yorug'lik sifati, yorug'lik intensivligi va fotoperiodni kompleks tartibga solishni o'z ichiga olgan murakkab jarayondir. Tegishli mutaxassislar va olimlar sun'iy yorug'lik o'simlik fabrikalarida LED qo'shimcha yoritishni targ'ib qilish uchun chuqur tadqiqotlar o'tkazishlari kerak.