Автор: Цзин Чжао, Цзэнчан Чжоу, Юньлун Бу және т.б. Дереккөз: Ауыл шаруашылығы инженериясы технологиясы (жылыжай бау-бақша шаруашылығы)

Зауыт заманауи өнеркәсіпті, биотехнологияны, қоректік гидропониканы және ақпараттық технологияларды біріктіріп, нысанда қоршаған орта факторларын жоғары дәлдікпен бақылауды жүзеге асырады. Ол толығымен қоршалған, қоршаған ортаға төмен талаптар қояды, өсімдік жинау мерзімін қысқартады, су мен тыңайтқышты үнемдейді, сондай-ақ пестицидтерді қолданбай өндірудің және қалдықтарды шығармаудың артықшылықтарымен жерді пайдалану тиімділігі ашық даладағы өндіріске қарағанда 40-тан 108 есеге дейін артады. Олардың ішінде ақылды жасанды жарық көзі және оның жарық ортасын реттеуі өндіріс тиімділігінде шешуші рөл атқарады.

Маңызды физикалық қоршаған орта факторы ретінде жарық өсімдіктердің өсуі мен зат алмасуын реттеуде маңызды рөл атқарады. «Өсімдік фабрикасының негізгі ерекшеліктерінің бірі - толық жасанды жарық көзі және жарық ортасын ақылды реттеуді жүзеге асыру» салада жалпы консенсусқа айналды.

Өсімдіктердің жарыққа деген қажеттілігі

Жарық - өсімдіктер фотосинтезінің жалғыз энергия көзі. Жарық қарқындылығы, жарық сапасы (спектр) және жарықтың мерзімді өзгерістері дақылдардың өсуі мен дамуына терең әсер етеді, олардың ішінде жарық қарқындылығы өсімдік фотосинтезіне ең үлкен әсер етеді.

■ Жарық қарқындылығы

Жарықтың қарқындылығы дақылдардың морфологиясын, мысалы, гүлденуін, түйінаралық ұзындығын, сабақтың қалыңдығын, жапырақтың мөлшері мен қалыңдығын өзгертуі мүмкін. Өсімдіктердің жарық қарқындылығына қойылатын талаптарын жарық сүйгіш, орташа жарық сүйгіш және аз жарыққа төзімді өсімдіктер деп бөлуге болады. Көкөністер негізінен жарық сүйгіш өсімдіктер болып табылады, және олардың жарықты өтеу нүктелері мен жарықтың қанығу нүктелері салыстырмалы түрде жоғары. Жасанды жарық зауыттарында дақылдардың жарық қарқындылығына қойылатын тиісті талаптары жасанды жарық көздерін таңдаудың маңызды негізі болып табылады. Әр түрлі өсімдіктердің жарыққа қойылатын талаптарын түсіну жасанды жарық көздерін жобалау үшін маңызды, жүйенің өндірістік өнімділігін жақсарту өте қажет.

■ Жарық сапасы

Жарық сапасының (спектрлік) таралуы өсімдіктердің фотосинтезі мен морфогенезіне де маңызды әсер етеді (1-сурет). Жарық сәулеленудің бөлігі болып табылады, ал сәулелену электромагниттік толқын болып табылады. Электромагниттік толқындардың толқындық сипаттамалары және кванттық (бөлшектік) сипаттамалары бар. Бау-бақша саласында жарық кванттары фотон деп аталады. Толқын ұзындығы диапазоны 300-800 нм болатын сәулелену өсімдіктердің физиологиялық белсенді сәулеленуі деп аталады; ал толқын ұзындығы диапазоны 400-700 нм болатын сәулелену өсімдіктердің фотосинтетикалық белсенді сәулеленуі (PAR) деп аталады.

Хлорофилл мен каротиндер өсімдіктер фотосинтезіндегі ең маңызды екі пигмент болып табылады. 2-суретте әрбір фотосинтетикалық пигменттің спектрлік жұтылу спектрі көрсетілген, онда хлорофиллдің жұтылу спектрі қызыл және көк жолақтарда шоғырланған. Жарықтандыру жүйесі өсімдіктердің фотосинтезін ынталандыру үшін жасанды түрде жарықты толықтыруға арналған дақылдардың спектрлік қажеттіліктеріне негізделген.

■ фотопериод
Фотосинтез бен өсімдіктердің фотоморфогенезі мен күндізгі уақыт (немесе фотопериод уақыты) арасындағы байланыс өсімдіктердің фотопериодтылығы деп аталады. Фотопериодтылық жарық сағаттарымен тығыз байланысты, бұл дақылдың жарықпен сәулелену уақытын білдіреді. Әр түрлі дақылдар фотопериодты аяқтап, гүлдеп, жеміс беру үшін белгілі бір сағат жарықты қажет етеді. Әр түрлі фотопериодтарға сәйкес, оны өсудің белгілі бір кезеңінде 12-14 сағаттан астам жарық сағатын қажет ететін қырыққабат және т.б. сияқты ұзақ күнді дақылдарға бөлуге болады; пияз, соя және т.б. сияқты қысқа күнді дақылдар 12-14 сағаттан аз жарық сағаттарын қажет етеді; қияр, қызанақ, бұрыш және т.б. сияқты орташа күнді дақылдар ұзақ немесе қысқа күн сәулесінде гүлдеп, жеміс бере алады.
Қоршаған ортаның үш элементінің ішінде жарық қарқындылығы жасанды жарық көздерін таңдаудың маңызды негізі болып табылады. Қазіргі уақытта жарық қарқындылығын білдірудің көптеген жолдары бар, негізінен келесі үшеуін қамтиды.
(1) Жарықтандыру дегеніміз жарықтандырылған жазықтықта люкспен (люкс) берілген жарық ағынының (бірлік ауданға шаққандағы жарық ағыны) беттік тығыздығын білдіреді.

(2) Фотосинтетикалық белсенді сәулелену, PAR, бірлік: Вт/м².

(3) Фотосинтетикалық тиімді фотон ағынының тығыздығы PPFD немесе PPF - уақыт бірлігі мен аудан бірлігіне жететін немесе өтетін фотосинтетикалық тиімді сәулелену саны, бірлік: мкмоль/(м²·с). Негізінен фотосинтезге тікелей қатысты 400 ~ 700 нм жарық қарқындылығын білдіреді. Сондай-ақ, бұл өсімдік шаруашылығы саласында ең көп қолданылатын жарық қарқындылығының көрсеткіші болып табылады.

Қосымша жарық жүйесінің типтік жарық көзін талдау
Жасанды жарықтандыру өсімдіктердің жарыққа деген сұранысын қанағаттандыру үшін мақсатты аймақтағы жарық қарқындылығын арттыру немесе жарық уақытын ұзарту үшін қосымша жарық жүйесін орнату болып табылады. Жалпы алғанда, қосымша жарықтандыру жүйесіне қосымша жарықтандыру жабдықтары, тізбектері және оны басқару жүйесі кіреді. Қосымша жарық көздеріне негізінен қыздыру шамдары, люминесцентті шамдар, металл галогенидті шамдар, жоғары қысымды натрий шамдары және жарықдиодты шамдар сияқты бірнеше кең таралған түрлері кіреді. Қыздыру шамдарының төмен электрлік және оптикалық тиімділігі, төмен фотосинтетикалық энергия тиімділігі және басқа да кемшіліктеріне байланысты ол нарық тарапынан жойылды, сондықтан бұл мақалада егжей-тегжейлі талдау жасалмаған.

■ Флуоресцентті шам
Флуоресцентті шамдар төмен қысымды газ разрядты шамдар түріне жатады. Шыны түтік сынап буымен немесе инертті газбен толтырылған, ал түтіктің ішкі қабырғасы флуоресцентті ұнтақпен қапталған. Жарық түсі түтікке қапталған флуоресцентті материалға байланысты өзгереді. Флуоресцентті шамдар жақсы спектрлік өнімділікке, жоғары жарық тиімділігіне, төмен қуатқа, қыздыру шамдарымен салыстырғанда ұзақ қызмет ету мерзіміне (12000 сағ) және салыстырмалы түрде төмен құнына ие. Флуоресцентті шамның өзі аз жылу шығаратындықтан, оны жарықтандыру үшін өсімдіктерге жақын орналастыруға болады және үш өлшемді өсіруге жарамды. Дегенмен, флуоресцентті шамның спектрлік орналасуы ақылға қонымсыз. Әлемдегі ең көп таралған әдіс - өсіру аймағындағы дақылдардың тиімді жарық көзі компоненттерін барынша пайдалану үшін шағылыстырғыштарды қосу. Жапондық adv-agri компаниясы сонымен қатар HEFL қосымша жарық көзінің жаңа түрін жасап шығарды. HEFL іс жүзінде флуоресцентті шамдар санатына жатады. Бұл суық катодты флуоресцентті шамдардың (CCFL) және сыртқы электродты флуоресцентті шамдардың (EEFL) жалпы атауы және аралас электродты флуоресцентті шам. HEFL түтігі өте жұқа, диаметрі небәрі 4 мм, ал ұзындығын өсіру қажеттіліктеріне сәйкес 450 мм-ден 1200 мм-ге дейін реттеуге болады. Бұл дәстүрлі люминесцентті шамның жетілдірілген нұсқасы.

■ Металл галогенидті шам
Металл галогенидті шам - жоғары қысымды сынап шамының негізінде разряд түтігіне әртүрлі металл галогенидтерін (қалайы бромиді, натрий йодиді және т.б.) қосу арқылы әртүрлі элементтерді қоздыру арқылы әртүрлі толқын ұзындықтарын шығара алатын жоғары қарқынды разрядты шам. Галогенді шамдар жоғары жарық тиімділігіне, жоғары қуатқа, жақсы жарық түсіне, ұзақ қызмет ету мерзіміне және үлкен спектрге ие. Дегенмен, жарық тиімділігі жоғары қысымды натрий шамдарына қарағанда төмен және қызмет ету мерзімі жоғары қысымды натрий шамдарына қарағанда қысқа болғандықтан, ол қазіргі уақытта тек бірнеше зауыт зауыттарында қолданылады.

■ Жоғары қысымды натрий шамы
Жоғары қысымды натрий шамдары жоғары қысымды газ разрядты шамдар түріне жатады. Жоғары қысымды натрий шамы - жоғары қысымды натрий буы разряд түтігіне толтырылатын және аз мөлшерде ксенон (Xe) және сынап металл галогениді қосылатын жоғары тиімді шам. Жоғары қысымды натрий шамдары жоғары электрооптикалық түрлендіру тиімділігіне және өндіріс шығындарының төмендігіне ие болғандықтан, жоғары қысымды натрий шамдары қазіргі уақытта ауылшаруашылық нысандарында қосымша жарықты қолдануда кеңінен қолданылады. Дегенмен, олардың спектріндегі фотосинтетикалық тиімділіктің төмендігіне байланысты олардың энергия тиімділігінің төмендігі сияқты кемшіліктері бар. Екінші жағынан, жоғары қысымды натрий шамдары шығаратын спектрлік компоненттер негізінен өсімдіктің өсуіне қажетті қызыл және көк спектрлер жетіспейтін сары-қызғылт сары жарық жолағында шоғырланған.

■ Жарық шығаратын диод
Жарық көздерінің жаңа буыны ретінде жарық шығаратын диодтар (ЖД) электрооптикалық түрлендіру тиімділігінің жоғарылауы, реттелетін спектр және жоғары фотосинтетикалық тиімділік сияқты көптеген артықшылықтарға ие. Жарықдиод өсімдіктердің өсуіне қажетті монохроматикалық жарық шығара алады. Кәдімгі люминесцентті шамдармен және басқа да қосымша жарық көздерімен салыстырғанда, ЖД энергияны үнемдеу, қоршаған ортаны қорғау, ұзақ қызмет ету мерзімі, монохроматикалық жарық, суық жарық көзі және т.б. артықшылықтарға ие. Жарықдиодтардың электрооптикалық тиімділігін одан әрі жақсарту және масштаб әсерінен туындайтын шығындарды азайту арқылы ЖД өсу жарықтандыру жүйелері ауылшаруашылық нысандарында жарықты толықтыруға арналған негізгі жабдыққа айналады. Нәтижесінде, ЖД өсу шамдары зауыттардың 99,9%-дан астамында қолданылған.

Салыстыру арқылы әртүрлі қосымша жарық көздерінің сипаттамаларын 1-кестеде көрсетілгендей анық түсінуге болады.

Жылжымалы жарықтандыру құрылғысы
Жарықтың қарқындылығы дақылдардың өсуімен тығыз байланысты. Үш өлшемді өсіру көбінесе өсімдік зауыттарында қолданылады. Дегенмен, өсіру сөрелерінің құрылымының шектеулілігіне байланысты сөрелер арасындағы жарық пен температураның біркелкі таралмауы дақылдардың өнімділігіне әсер етеді және егін жинау кезеңі синхрондалмайды. Бейжіңдегі бір компания 2010 жылы қолмен көтеретін жарық қоспасын (HPS жарықтандыру құрылғысы және LED өсіру жарықтандыру құрылғысы) сәтті жасап шығарды. Принципі - жетек білігі мен оған бекітілген ораманы айналдыру, сым арқанды тартып алу және босату мақсатына жету үшін кішкентай пленка катушкасын айналдыру үшін тұтқаны шайқау. Өсіру шамының сым арқаны өсіру шамының биіктігін реттеу әсеріне қол жеткізу үшін бірнеше кері дөңгелектер жиынтығы арқылы элеватордың орамалы дөңгелегімен байланысты. 2017 жылы жоғарыда аталған компания дақылдың өсу қажеттіліктеріне сәйкес жарық қоспасының биіктігін нақты уақыт режимінде автоматты түрде реттей алатын жаңа мобильді жарық қоспасын жасап шығарды. Реттеу құрылғысы қазір 3 қабатты жарық көзін көтеретін үш өлшемді өсіру сөресіне орнатылған. Құрылғының үстіңгі қабаты ең жақсы жарық жағдайы бар деңгей болып табылады, сондықтан ол жоғары қысымды натрий шамдарымен жабдықталған; ортаңғы қабаты мен астыңғы қабаты жарықдиодты өсіру шамдарымен және көтеруді реттеу жүйесімен жабдықталған. Ол дақылдарға қолайлы жарықтандыру ортасын қамтамасыз ету үшін өсіру шамының биіктігін автоматты түрде реттей алады.

Үш өлшемді өсіруге арналған жылжымалы жарықтандыру құрылғысымен салыстырғанда, Нидерланды көлденең қозғалатын жарықдиодты жарықтандыру құрылғысын жасап шығарды. Өсіру шамының көлеңкесінің күн сәулесіндегі өсімдіктердің өсуіне әсерін болдырмау үшін, өсіру шамын кронштейннің екі жағына да телескопиялық сырғыма арқылы көлденең бағытта жылжытуға болады, осылайша күн өсімдіктерге толық сәулеленеді; бұлтты және жаңбырлы күндері күн сәулесі түспейтін күндері, өсіру шамының жарығы өсімдіктерді біркелкі толтыру үшін өсіру шамын кронштейннің ортасына қарай итеріңіз; өсіру шамын кронштейндегі сырғыма арқылы көлденең жылжытыңыз, өсіру шамын жиі бөлшектеуден және алып тастаудан аулақ болыңыз және қызметкерлердің еңбек қарқындылығын азайтыңыз, осылайша жұмыс тиімділігін тиімді түрде арттырыңыз.

Әдеттегі өсіруге арналған жарықтандыру жүйесінің дизайн идеялары
Жылжымалы жарықтандыру құрылғысының жобасынан өсімдік зауытының қосымша жарықтандыру жүйесінің жобасында әдетте әртүрлі дақылдардың өсу кезеңдерінің жарық қарқындылығы, жарық сапасы және фотопериод параметрлері жобаның негізгі мазмұны ретінде қабылданатынын, ақылды басқару жүйесіне сүйеніп, энергия үнемдеу және жоғары өнімділік мақсатына қол жеткізілетінін байқау қиын емес.

Қазіргі уақытта жапырақты көкөністерге арналған қосымша жарықты жобалау және салу біртіндеп жетілді. Мысалы, жапырақты көкөністерді төрт кезеңге бөлуге болады: көшет кезеңі, өсудің орта кезеңі, өсудің соңғы кезеңі және соңғы кезеңі; жеміс-жидек көкөністерін көшет кезеңі, вегетативті өсу кезеңі, гүлдену кезеңі және жинау кезеңі деп бөлуге болады. Қосымша жарық қарқындылығының ерекшеліктеріне қарай көшет кезеңіндегі жарық қарқындылығы сәл төмен, 60-200 мкмоль/(м²·с) болуы керек, содан кейін біртіндеп артады. Әрбір өсу кезеңінде өсімдік фотосинтезінің жарық қарқындылығына қойылатын талаптарды қамтамасыз ету және жоғары өнімділік қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін жапырақты көкөністер 100-200 мкмоль/(м²·с) дейін жетуі мүмкін, ал жеміс көкөністері 300-500 мкмоль/(м²·с) дейін жетуі мүмкін; жарық сапасы тұрғысынан қызыл мен көк түстің қатынасы өте маңызды. Көшеттердің сапасын арттыру және көшет кезеңінде шамадан тыс өсудің алдын алу үшін қызыл мен көк түстің арақатынасы әдетте төмен деңгейде белгіленеді [(1~2:1], содан кейін өсімдік жарық морфологиясының қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін біртіндеп төмендетіледі. Қызыл мен көктің жапырақты көкөністерге арақатынасын (3~6):1 деп орнатуға болады. Фотопериод үшін, жарық қарқындылығына ұқсас, өсу кезеңінің ұзаруымен өсу үрдісі көрсетілуі керек, осылайша жапырақты көкөністерде фотосинтез үшін фотосинтез уақыты көбірек болады. Жемістер мен көкөністердің жарық қоспасының дизайны күрделірек болады. Жоғарыда аталған негізгі заңдардан басқа, гүлдену кезеңінде фотопериодтың орналасуына назар аударуымыз керек, ал көкөністердің гүлденуі мен жеміс беруі кері әсер етпеуі үшін ынталандырылуы керек.

Жарық формуласы жарық ортасы параметрлеріне арналған соңғы өңдеуді қамтуы керек екенін атап өткен жөн. Мысалы, үздіксіз жарық қоспалары гидропоникалық жапырақты көкөніс көшеттерінің өнімділігі мен сапасын айтарлықтай жақсарта алады немесе өскіндер мен жапырақты көкөністердің (әсіресе күлгін жапырақтар мен қызыл салат жапырақтарының) тағамдық сапасын айтарлықтай жақсарту үшін ультракүлгін сәулемен өңдеуді қолдана алады.

Таңдалған дақылдарға жарық қоспаларын оңтайландырумен қатар, соңғы жылдары кейбір жасанды жарық зауыттарының жарық көзін басқару жүйесі де тез дамыды. Бұл басқару жүйесі, әдетте, B/S құрылымына негізделген. Дақылдардың өсуі кезінде температура, ылғалдылық, жарық және CO2 концентрациясы сияқты қоршаған орта факторларын қашықтан басқару және автоматты түрде басқару WIFI арқылы жүзеге асырылады, сонымен бірге сыртқы жағдайлармен шектелмейтін өндіріс әдісі жүзеге асырылады. Бұл интеллектуалды қосымша жарық жүйесі қосымша жарық көзі ретінде жарықдиодты өсу шамын пайдаланады, қашықтан интеллектуалды басқару жүйесімен біріктірілген, өсімдіктердің толқын ұзындығын жарықтандыру қажеттіліктерін қанағаттандыра алады, әсіресе жарықпен басқарылатын өсімдіктерді өсіру ортасына өте қолайлы және нарық сұранысын жақсы қанағаттандыра алады.

Қорытынды сөздер
Өсімдік зауыттары XXI ғасырда әлемдік ресурстарды, халық санын және қоршаған ортаны қорғау мәселелерін шешудің маңызды жолы және болашақ жоғары технологиялық жобаларда азық-түлікпен өзін-өзі қамтамасыз етудің маңызды жолы болып саналады. Ауыл шаруашылығы өндірісінің жаңа түрі ретінде өсімдік зауыттары әлі де оқу және өсу кезеңінде, сондықтан көбірек назар аудару және зерттеу қажет. Бұл мақалада өсімдік зауыттарындағы кең таралған қосымша жарықтандыру әдістерінің сипаттамалары мен артықшылықтары сипатталған және әдеттегі дақылдарды қосымша жарықтандыру жүйелерінің дизайн идеялары ұсынылған. Үздіксіз бұлттылық пен тұман сияқты қатты ауа райынан туындаған аз жарықпен күресу және нысан дақылдарының жоғары және тұрақты өндірісін қамтамасыз ету үшін салыстыру арқылы табу қиын емес, LED Grow жарық көзі жабдықтары қазіргі даму үрдістеріне ең сәйкес келеді.

Зауыт зауыттарының болашақ даму бағыты жаңа жоғары дәлдіктегі, арзан бағадағы сенсорларға, қашықтан басқарылатын, реттелетін спектрлі жарықтандыру құрылғылары жүйелеріне және сараптамалық басқару жүйелеріне бағытталуы керек. Сонымен қатар, болашақ зауыт зауыттары арзан бағадағы, ақылды және өзін-өзі бейімдейтін бағытқа қарай дамуын жалғастырады. Жарықдиодты өсу жарық көздерін пайдалану және танымал ету зауыт зауыттарының жоғары дәлдіктегі қоршаған ортаны бақылауына кепілдік береді. Жарықдиодты жарық ортасын реттеу - жарық сапасын, жарық қарқындылығын және фотопериодты кешенді реттеуді қамтитын күрделі процесс. Тиісті сарапшылар мен ғалымдар жасанды жарық зауыттарында жарықдиодты қосымша жарықтандыруды ілгерілету үшін терең зерттеулер жүргізуі керек.