Avtor: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu itd. Vir: Tehnologija kmetijskega inženiringa (vrtnarjenje v rastlinjakih)

Tovarna rastlin združuje sodobno industrijo, biotehnologijo, hidroponiko s hranili in informacijsko tehnologijo za izvajanje visoko natančnega nadzora okoljskih dejavnikov v obratu. Je popolnoma zaprta, ima nizke zahteve do okolice, skrajša obdobje obiranja rastlin, prihrani vodo in gnojila, s prednostmi pridelave brez pesticidov in brez izpustov odpadkov pa je učinkovitost rabe zemljišč na enoto od 40 do 108-krat večja kot pri pridelavi na prostem. Med njimi imata inteligentni vir umetne svetlobe in njegova regulacija svetlobnega okolja odločilno vlogo pri učinkovitosti proizvodnje.

Svetloba kot pomemben fizikalni dejavnik okolja igra ključno vlogo pri uravnavanju rasti rastlin in presnove snovi. »Ena glavnih značilnosti rastlinske tovarne je popoln umetni vir svetlobe in uresničitev inteligentne regulacije svetlobnega okolja« je postalo splošno soglasje v industriji.

Potreba rastlin po svetlobi

Svetloba je edini vir energije za fotosintezo rastlin. Intenzivnost svetlobe, kakovost svetlobe (spekter) in periodične spremembe svetlobe imajo velik vpliv na rast in razvoj poljščin, med katerimi ima intenzivnost svetlobe največji vpliv na fotosintezo rastlin.

■ Intenzivnost svetlobe

Intenzivnost svetlobe lahko spremeni morfologijo pridelkov, kot so cvetenje, dolžina internodija, debelina stebla ter velikost in debelina listov. Zahteve rastlin glede intenzivnosti svetlobe lahko razdelimo na svetloljubne, srednje svetloljubne in rastline, ki prenašajo malo svetlobe. Zelenjava je večinoma svetloljubna rastlina, njene točke kompenzacije svetlobe in točke nasičenosti svetlobe pa so relativno visoke. V tovarnah umetne svetlobe so ustrezne zahteve pridelkov glede intenzivnosti svetlobe pomembna osnova za izbiro umetnih virov svetlobe. Razumevanje svetlobnih potreb različnih rastlin je pomembno za načrtovanje umetnih virov svetlobe, kar je izjemno pomembno za izboljšanje proizvodne učinkovitosti sistema.

■ Kakovost svetlobe

Porazdelitev kakovosti svetlobe (spektralna) ima prav tako pomemben vpliv na fotosintezo in morfogenezo rastlin (slika 1). Svetloba je del sevanja, sevanje pa je elektromagnetno valovanje. Elektromagnetni valovi imajo valovne in kvantne (delčne) značilnosti. Kvant svetlobe se v vrtnarstvu imenuje foton. Sevanje z valovnimi dolžinami od 300 do 800 nm se imenuje fiziološko aktivno sevanje rastlin; sevanje z valovnimi dolžinami od 400 do 700 nm pa se imenuje fotosintetsko aktivno sevanje (PAR) rastlin.

Klorofil in karoteni sta dva najpomembnejša pigmenta v fotosintezi rastlin. Slika 2 prikazuje spektralni absorpcijski spekter vsakega fotosintetskega pigmenta, v katerem je absorpcijski spekter klorofila koncentriran v rdečem in modrem pasu. Sistem osvetlitve temelji na spektralnih potrebah poljščin po umetnem dopolnjevanju svetlobe, da bi spodbudili fotosintezo rastlin.

■ fotoperioda
Razmerje med fotosintezo in fotomorfogenezo rastlin ter dolžino dneva (ali fotoperiodo) se imenuje fotoperiodnost rastlin. Fotoperiodnost je tesno povezana s svetlobnimi urami, ki se nanašajo na čas, ko je pridelek obsevan s svetlobo. Različni pridelki potrebujejo določeno število svetlobnih ur, da dokončajo fotoperiodo, da zacvetijo in obrodijo plodove. Glede na različne fotoperiode jih lahko razdelimo na dolgodnevne pridelke, kot je zelje itd., ki v določeni fazi rasti potrebujejo več kot 12–14 ur svetlobnih ur; kratkodnevne pridelke, kot so čebula, soja itd., ki potrebujejo manj kot 12–14 ur svetlobnih ur; srednje sončne pridelke, kot so kumare, paradižnik, paprika itd., lahko cvetijo in obrodijo plodove pod daljšo ali krajšo sončno svetlobo.
Med tremi elementi okolja je intenzivnost svetlobe pomembna osnova za izbiro umetnih virov svetlobe. Trenutno obstaja veliko načinov za izražanje intenzivnosti svetlobe, med katerimi so predvsem naslednji trije.
(1) Osvetljenost se nanaša na površinsko gostoto svetlobnega toka (svetlobni tok na enoto površine), ki ga prejme osvetljena ravnina, v luksih (lx).

(2) Fotosintetsko aktivno sevanje, PAR, enota: W/m².

(3) Fotosintetsko učinkovita gostota fotonskega toka PPFD ali PPF je število fotosintetsko učinkovitega sevanja, ki doseže ali preide skozi enoto časa in enoto površine, enota: μmol/(m²·s). Predvsem se nanaša na jakost svetlobe 400~700 nm, ki je neposredno povezana s fotosintezo. Je tudi najpogosteje uporabljen indikator jakosti svetlobe na področju rastlinske pridelave.

Analiza svetlobnega vira tipičnega dodatnega svetlobnega sistema
Dodatek umetne svetlobe je namenjen povečanju intenzivnosti svetlobe na ciljnem območju ali podaljšanju časa svetlobe z namestitvijo dodatnega svetlobnega sistema, ki zadosti svetlobnim potrebam rastlin. Na splošno dodatni svetlobni sistem vključuje dodatno svetlobno opremo, vezja in njihov krmilni sistem. Dodatni svetlobni viri vključujejo predvsem več pogostih vrst, kot so žarnice z žarilno nitko, fluorescenčne sijalke, metalhalogenidne sijalke, visokotlačne natrijeve sijalke in LED diode. Zaradi nizke električne in optične učinkovitosti žarnic z žarilno nitko, nizke fotosintetske energijske učinkovitosti in drugih pomanjkljivosti jih je trg izločil, zato ta članek ne vsebuje podrobne analize.

■ Fluorescentna sijalka
Fluorescentne sijalke spadajo v vrsto nizkotlačnih plinskih sijalk. Steklena cev je napolnjena z živosrebrnimi hlapi ali inertnim plinom, notranja stena cevi pa je prevlečena s fluorescentnim prahom. Barva svetlobe se spreminja glede na fluorescenčni material, s katerim je prevlečena cev. Fluorescentne sijalke imajo v primerjavi z žarnicami z žarilno nitko dobro spektralno delovanje, visok svetlobni izkoristek, nizko porabo energije, daljšo življenjsko dobo (12000 ur) in relativno nizke stroške. Ker fluorescenčna sijalka sama oddaja manj toplote, jo je mogoče namestiti blizu rastlin za osvetlitev in je primerna za tridimenzionalno gojenje. Vendar pa je spektralna razporeditev fluorescenčne sijalke nerazumna. Najpogostejša metoda na svetu je dodajanje reflektorjev za maksimiranje učinkovitih komponent svetlobnega vira pridelkov na območju gojenja. Japonsko podjetje adv-agri je razvilo tudi novo vrsto dodatnega svetlobnega vira HEFL. HEFL dejansko spada v kategorijo fluorescenčnih sijalk. To je splošni izraz za hladnokatodne fluorescenčne sijalke (CCFL) in fluorescenčne sijalke z zunanjo elektrodo (EEFL) ter je fluorescenčna sijalka z mešanimi elektrodami. Cev HEFL je izjemno tanka, s premerom le približno 4 mm, dolžino pa je mogoče nastaviti od 450 mm do 1200 mm glede na potrebe gojenja. Gre za izboljšano različico običajne fluorescenčne sijalke.

■ Metalhalogenidna sijalka
Metalhalogenidna sijalka je visokointenzivna razelektritvena sijalka, ki lahko z dodajanjem različnih kovinskih halogenidov (kositrovega bromida, natrijevega jodida itd.) v razelektritveno cev na osnovi visokotlačne živosrebrne sijalke vzbuja različne elemente za proizvodnjo različnih valovnih dolžin. Halogenske sijalke imajo visok svetlobni izkoristek, veliko moč, dobro barvo svetlobe, dolgo življenjsko dobo in širok spekter. Ker pa je svetlobni izkoristek nižji kot pri visokotlačnih natrijevih sijalkah in življenjska doba krajša kot pri visokotlačnih natrijevih sijalkah, se trenutno uporabljajo le v nekaj tovarnah.

■ Visokotlačna natrijeva svetilka
Visokotlačne natrijeve sijalke spadajo v vrsto visokotlačnih plinskih sijalk. Visokotlačna natrijeva sijalka je visoko učinkovita sijalka, pri kateri je v razelektritveni cevi visokotlačna natrijeva para, dodana pa je majhna količina ksenona (Xe) in živosrebrnega kovinskega halogenida. Ker imajo visokotlačne natrijeve sijalke visoko elektrooptično učinkovitost pretvorbe z nižjimi proizvodnimi stroški, se visokotlačne natrijeve sijalke trenutno najpogosteje uporabljajo za dodatno osvetlitev v kmetijskih objektih. Vendar pa imajo zaradi nizke fotosintetske učinkovitosti v svojem spektru tudi nizko energetsko učinkovitost. Po drugi strani pa so spektralne komponente, ki jih oddajajo visokotlačne natrijeve sijalke, večinoma skoncentrirane v rumeno-oranžnem svetlobnem pasu, ki nima rdečega in modrega spektra, potrebnega za rast rastlin.

■ Svetleča dioda
Svetleče diode (LED) kot nova generacija svetlobnih virov imajo številne prednosti, kot so višja učinkovitost elektrooptične pretvorbe, nastavljiv spekter in visoka fotosintetska učinkovitost. LED lahko oddaja monokromatsko svetlobo, potrebno za rast rastlin. V primerjavi z navadnimi fluorescentnimi sijalkami in drugimi dodatnimi svetlobnimi viri ima LED prednosti varčevanja z energijo, varovanja okolja, dolge življenjske dobe, monokromatske svetlobe, hladnega svetlobnega vira in tako naprej. Z nadaljnjim izboljšanjem elektrooptične učinkovitosti LED in zmanjšanjem stroškov zaradi učinka obsega bodo LED sistemi za rastno razsvetljavo postali glavna oprema za dopolnilno svetlobo v kmetijskih objektih. Posledično se LED luči za rast uporabljajo v več kot 99,9 % rastlinskih tovarn.

S primerjavo je mogoče jasno razumeti značilnosti različnih dodatnih svetlobnih virov, kot je prikazano v tabeli 1.

Mobilna svetlobna naprava
Intenzivnost svetlobe je tesno povezana z rastjo pridelkov. Tridimenzionalno gojenje se pogosto uporablja v rastlinskih tovarnah. Vendar pa zaradi omejitev strukture gojitvenih regalov neenakomerna porazdelitev svetlobe in temperature med regali vpliva na pridelek pridelkov in obdobje žetve ne bo sinhronizirano. Podjetje v Pekingu je leta 2010 uspešno razvilo ročno dvižno napravo za dodatno svetlobo (svetilka HPS in LED gojitvena svetilka). Načelo je vrtenje pogonske gredi in navijalca, pritrjenega na njo, s stresanjem ročaja, da se zavrti majhen kolut folije, da se doseže namen navijanja in odvijanja žične vrvi. Žična vrv gojitvene svetilke je povezana z navijalnim kolesom dvigala prek več sklopov obračalnih koles, tako da se doseže učinek nastavitve višine gojitvene svetilke. Leta 2017 je zgoraj omenjeno podjetje zasnovalo in razvilo novo mobilno napravo za dodatno svetlobo, ki lahko samodejno prilagaja višino dodatne svetlobe v realnem času glede na potrebe rasti pridelkov. Naprava za nastavitev je zdaj nameščena na trislojnem tridimenzionalnem gojitvenem stojalu z dvižnim virom svetlobe. Zgornja plast naprave je raven z najboljšimi svetlobnimi pogoji, zato je opremljena z visokotlačnimi natrijevimi sijalkami; srednja in spodnja plast sta opremljeni z LED lučmi za rast in sistemom za nastavitev dviga. Sistem lahko samodejno prilagodi višino luči za rast, da zagotovi primerno svetlobno okolje za rastline.

V primerjavi z mobilno napravo za dodatno svetlobo, prilagojeno za tridimenzionalno gojenje, je Nizozemska razvila vodoravno premično LED napravo za dodatno svetlobo za rast rastlin. Da bi se izognili vplivu sence luči za rast na rast rastlin na soncu, je mogoče sistem luči za rast potisniti na obe strani nosilca skozi teleskopski drsnik v vodoravni smeri, tako da so rastline v celoti obsevane s soncem; v oblačnih in deževnih dneh brez sončne svetlobe potisnite sistem luči za rast na sredino nosilca, da svetloba sistema luči za rast enakomerno napolni rastline; premaknite sistem luči za rast vodoravno skozi drsnik na nosilcu, da se izognete pogostemu razstavljanju in odstranjevanju sistema luči za rast ter zmanjšate delovno intenzivnost zaposlenih, s čimer se učinkovito izboljša delovna učinkovitost.

Ideje za oblikovanje tipičnega sistema za rast svetlobe
Iz zasnove dodatne naprave za mobilno razsvetljavo ni težko razbrati, da zasnova dodatnega sistema razsvetljave v tovarni rastlin običajno upošteva parametre intenzivnosti svetlobe, kakovosti svetlobe in fotoperiode različnih obdobij rasti pridelkov kot osrednjo vsebino zasnove, pri čemer se zanaša na inteligentni krmilni sistem, ki ga je treba izvesti, s čimer dosežemo končni cilj varčevanja z energijo in visokega donosa.

Trenutno se je načrtovanje in konstrukcija dodatne svetlobe za listnato zelenjavo postopoma izpopolnjevala. Na primer, listnato zelenjavo lahko razdelimo na štiri faze: fazo sadik, srednjo rast, pozna rast in končno fazo; sadno zelenjavo lahko razdelimo na fazo sadik, fazo vegetativne rasti, fazo cvetenja in fazo žetve. Glede na lastnosti intenzivnosti dodatne svetlobe mora biti intenzivnost svetlobe v fazi sadik nekoliko nižja, pri 60~200 μmol/(m²·s), nato pa se postopoma povečuje. Listnata zelenjava lahko doseže do 100~200 μmol/(m²·s), sadna zelenjava pa 300~500 μmol/(m²·s), da se zagotovijo zahteve glede intenzivnosti svetlobe za fotosintezo rastlin v vsakem obdobju rasti in izpolnijo potrebe po visokem pridelku; Kar zadeva kakovost svetlobe, je razmerje med rdečo in modro zelo pomembno. Da bi povečali kakovost sadik in preprečili prekomerno rast v fazi sadik, je razmerje med rdečo in modro običajno nastavljeno na nizko raven [(1~2):1], nato pa se postopoma zmanjšuje, da zadosti potrebam svetlobne morfologije rastlin. Razmerje med rdečo in modro pri listnati zelenjavi se lahko nastavi na (3~6):1. Fotoperioda bi morala, podobno kot intenzivnost svetlobe, kazati trend naraščanja s podaljševanjem rastnega obdobja, tako da ima listnata zelenjava več fotosintetskega časa za fotosintezo. Zasnova svetlobnega dodatka za sadje in zelenjavo bo bolj zapletena. Poleg zgoraj omenjenih osnovnih zakonov se moramo osredotočiti na nastavitev fotoperiode med cvetenjem ter spodbujati cvetenje in plodovanje zelenjave, da se ne bi pojavili nasprotni učinki.

Omeniti velja, da mora formula svetlobe vključevati končno obdelavo za svetlobne nastavitve okolja. Na primer, neprekinjeno dodajanje svetlobe lahko močno izboljša pridelek in kakovost hidroponičnih sadik listnate zelenjave ali pa uporaba UV-obdelave znatno izboljša prehransko vrednost kalčkov in listnate zelenjave (zlasti vijolične in rdečelistne solate).

Poleg optimizacije dodajanja svetlobe za izbrane pridelke se je v zadnjih letih hitro razvil tudi sistem za nadzor svetlobnih virov v nekaterih tovarnah rastlin z umetno svetlobo. Ta sistem nadzora običajno temelji na strukturi B/S. Daljinsko upravljanje in avtomatsko krmiljenje okoljskih dejavnikov, kot so temperatura, vlažnost, svetloba in koncentracija CO2 med rastjo pridelkov, se izvajata prek omrežja Wi-Fi, hkrati pa se doseže proizvodna metoda, ki ni omejena z zunanjimi pogoji. Ta vrsta inteligentnega sistema dodatne razsvetljave uporablja LED-svetilo za rast kot dodatni vir svetlobe v kombinaciji z daljinskim inteligentnim sistemom za upravljanje, kar lahko zadosti potrebam po osvetlitvi rastlin glede na valovno dolžino, je še posebej primerna za gojenje rastlin v okolju z nadzorovano svetlobo in dobro zadovolji povpraševanje na trgu.

Zaključne opombe
Rastlinske tovarne veljajo za pomemben način reševanja svetovnih problemov z viri, prebivalstvom in okoljem v 21. stoletju ter za pomemben način za doseganje prehranske samozadostnosti v prihodnjih visokotehnoloških projektih. Rastlinske tovarne so kot nova vrsta kmetijske proizvodne metode še vedno v fazi učenja in rasti, zato je potrebnih več pozornosti in raziskav. Ta članek opisuje značilnosti in prednosti običajnih metod dodatne razsvetljave v rastlinskih tovarnah ter predstavlja ideje za oblikovanje tipičnih sistemov dodatne razsvetljave pridelkov. S primerjavo ni težko ugotoviti, ali je LED oprema za rast najbolj v skladu s trenutnimi razvojnimi trendi, da bi se spopadla s slabo svetlobo, ki jo povzročajo hude vremenske razmere, kot sta neprekinjena oblačnost in meglica, ter zagotovila visoko in stabilno proizvodnjo rastlinskih pridelkov.

Prihodnja smer razvoja tovarn rastlin se mora osredotočiti na nove visoko natančne, cenovno ugodne senzorje, daljinsko vodene sisteme svetlobnih naprav z nastavljivim spektrom in sisteme za strokovno krmiljenje. Hkrati se bodo prihodnje tovarne rastlin še naprej razvijale v smeri nizkocenovnih, inteligentnih in samoprilagodljivih sistemov. Uporaba in popularizacija LED-svetlobnih virov za rast zagotavljata visoko natančen nadzor okolja v tovarnah rastlin. Regulacija okolja z LED-svetlobo je kompleksen proces, ki vključuje celovito regulacijo kakovosti svetlobe, intenzivnosti svetlobe in fotoperiode. Ustrezni strokovnjaki in znanstveniki morajo izvesti poglobljene raziskave, s katerimi bodo spodbujali dodatno LED-razsvetljavo v tovarnah rastlin z umetno svetlobo.