Tác giả: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, v.v. Nguồn: Kỹ thuật Nông nghiệp (trồng trọt trong nhà kính)

Nhà máy trồng cây này kết hợp công nghiệp hiện đại, công nghệ sinh học, thủy canh dinh dưỡng và công nghệ thông tin để thực hiện kiểm soát chính xác cao các yếu tố môi trường trong cơ sở. Nó được khép kín hoàn toàn, có yêu cầu thấp đối với môi trường xung quanh, rút ​​ngắn thời gian thu hoạch cây trồng, tiết kiệm nước và phân bón, đồng thời có ưu điểm sản xuất không sử dụng thuốc trừ sâu và không thải chất thải, hiệu quả sử dụng đất trên mỗi đơn vị sản phẩm cao gấp 40 đến 108 lần so với sản xuất ngoài trời. Trong đó, nguồn sáng nhân tạo thông minh và khả năng điều chỉnh môi trường ánh sáng đóng vai trò quyết định đến hiệu quả sản xuất.

Là một yếu tố môi trường vật lý quan trọng, ánh sáng đóng vai trò chủ chốt trong việc điều chỉnh sự sinh trưởng của cây trồng và quá trình trao đổi chất của vật chất. “Một trong những đặc điểm chính của nhà máy trồng cây là sử dụng hoàn toàn nguồn ánh sáng nhân tạo và thực hiện điều chỉnh thông minh môi trường ánh sáng” đã trở thành sự đồng thuận chung trong ngành.

Nhu cầu ánh sáng của thực vật

Ánh sáng là nguồn năng lượng duy nhất cho quá trình quang hợp của thực vật. Cường độ ánh sáng, chất lượng ánh sáng (quang phổ) và sự thay đổi định kỳ của ánh sáng có tác động sâu sắc đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, trong đó cường độ ánh sáng có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình quang hợp của thực vật.

■ Cường độ ánh sáng

Cường độ ánh sáng có thể làm thay đổi hình thái của cây trồng, chẳng hạn như sự ra hoa, chiều dài lóng thân, độ dày thân, kích thước và độ dày lá. Nhu cầu về cường độ ánh sáng của cây trồng có thể được chia thành cây ưa sáng, cây ưa sáng trung bình và cây chịu được sáng yếu. Rau quả chủ yếu là cây ưa sáng, và điểm bù sáng cũng như điểm bão hòa sáng của chúng tương đối cao. Trong các nhà máy trồng cây bằng ánh sáng nhân tạo, nhu cầu về cường độ ánh sáng của cây trồng là cơ sở quan trọng để lựa chọn nguồn sáng nhân tạo. Hiểu được nhu cầu ánh sáng của các loại cây khác nhau rất quan trọng để thiết kế nguồn sáng nhân tạo, điều này cực kỳ cần thiết để nâng cao hiệu suất sản xuất của hệ thống.

■ Chất lượng ánh sáng

Chất lượng ánh sáng (phân bố quang phổ) cũng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình quang hợp và hình thái học của thực vật (Hình 1). Ánh sáng là một phần của bức xạ, và bức xạ là sóng điện từ. Sóng điện từ có đặc tính sóng và đặc tính lượng tử (hạt). Lượng tử ánh sáng được gọi là photon trong lĩnh vực làm vườn. Bức xạ có bước sóng từ 300~800nm ​​được gọi là bức xạ hoạt động sinh lý của thực vật; và bức xạ có bước sóng từ 400~700nm được gọi là bức xạ hoạt động quang hợp (PAR) của thực vật.

Diệp lục và caroten là hai sắc tố quan trọng nhất trong quá trình quang hợp của thực vật. Hình 2 thể hiện phổ hấp thụ của từng sắc tố quang hợp, trong đó phổ hấp thụ của diệp lục tập trung ở dải màu đỏ và xanh lam. Hệ thống chiếu sáng dựa trên nhu cầu quang phổ của cây trồng để bổ sung ánh sáng nhân tạo, nhằm thúc đẩy quá trình quang hợp của cây.

■ chu kỳ ánh sáng
Mối quan hệ giữa quá trình quang hợp và quang hình thái của thực vật với độ dài ngày (hay thời gian quang chu kỳ) được gọi là quang chu kỳ của thực vật. Quang chu kỳ có liên quan mật thiết đến số giờ chiếu sáng, tức là thời gian cây trồng được chiếu sáng. Các loại cây trồng khác nhau cần một số giờ chiếu sáng nhất định để hoàn thành quang chu kỳ, ra hoa và kết trái. Theo quang chu kỳ khác nhau, có thể chia thành cây trồng ngày dài, ví dụ như bắp cải, cần hơn 12-14 giờ chiếu sáng ở một giai đoạn sinh trưởng nhất định; cây trồng ngày ngắn, ví dụ như hành tây, đậu nành, v.v., cần ít hơn 12-14 giờ chiếu sáng; cây trồng ưa nắng trung bình, ví dụ như dưa chuột, cà chua, ớt, v.v., có thể ra hoa và kết trái trong điều kiện ánh sáng dài hơn hoặc ngắn hơn.
Trong ba yếu tố của môi trường, cường độ ánh sáng là cơ sở quan trọng để lựa chọn nguồn sáng nhân tạo. Hiện nay, có nhiều cách để biểu thị cường độ ánh sáng, chủ yếu bao gồm ba cách sau.
(1) Độ chiếu sáng đề cập đến mật độ quang thông trên bề mặt (quang thông trên một đơn vị diện tích) nhận được trên mặt phẳng được chiếu sáng, tính bằng lux (lx).

(2) Bức xạ hoạt động quang hợp, PAR, Đơn vị: W/m².

(3) Mật độ thông lượng photon hiệu quả quang hợp PPFD hoặc PPF là số lượng bức xạ hiệu quả quang hợp chiếu tới hoặc đi qua trong một đơn vị thời gian và một đơn vị diện tích, đơn vị: μmol/(m²·s). Chủ yếu đề cập đến cường độ ánh sáng 400~700nm liên quan trực tiếp đến quá trình quang hợp. Đây cũng là chỉ số cường độ ánh sáng được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực sản xuất thực vật.

Phân tích nguồn sáng của hệ thống chiếu sáng bổ sung điển hình
Bổ sung ánh sáng nhân tạo là việc tăng cường cường độ ánh sáng ở khu vực mục tiêu hoặc kéo dài thời gian chiếu sáng bằng cách lắp đặt hệ thống chiếu sáng bổ sung để đáp ứng nhu cầu ánh sáng của cây trồng. Nói chung, hệ thống chiếu sáng bổ sung bao gồm thiết bị chiếu sáng bổ sung, mạch điện và hệ thống điều khiển. Các nguồn sáng bổ sung chủ yếu bao gồm một số loại thông dụng như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn halogen kim loại, đèn natri cao áp và đèn LED. Do hiệu suất điện và quang học thấp, hiệu suất năng lượng quang hợp thấp và các nhược điểm khác của đèn sợi đốt, loại đèn này đã bị loại bỏ khỏi thị trường, vì vậy bài viết này không phân tích chi tiết.

■ Đèn huỳnh quang
Đèn huỳnh quang thuộc loại đèn phóng điện khí áp suất thấp. Ống thủy tinh chứa đầy hơi thủy ngân hoặc khí trơ, và thành trong của ống được phủ một lớp bột huỳnh quang. Màu sắc ánh sáng thay đổi tùy thuộc vào vật liệu huỳnh quang được phủ trong ống. Đèn huỳnh quang có hiệu suất quang phổ tốt, hiệu suất phát sáng cao, công suất thấp, tuổi thọ cao hơn (12000 giờ) so với đèn sợi đốt, và chi phí tương đối thấp. Vì bản thân đèn huỳnh quang phát ra ít nhiệt, nên nó có thể được đặt gần cây trồng để chiếu sáng và phù hợp với canh tác ba chiều. Tuy nhiên, bố trí quang phổ của đèn huỳnh quang không hợp lý. Phương pháp phổ biến nhất trên thế giới là thêm gương phản xạ để tối đa hóa các thành phần nguồn sáng hiệu quả cho cây trồng trong khu vực canh tác. Công ty adv-agri của Nhật Bản cũng đã phát triển một loại nguồn sáng bổ sung mới HEFL. HEFL thực chất thuộc loại đèn huỳnh quang. Nó là thuật ngữ chung cho đèn huỳnh quang catốt lạnh (CCFL) và đèn huỳnh quang điện cực ngoài (EEFL), và là một loại đèn huỳnh quang điện cực hỗn hợp. Ống đèn HEFL cực kỳ mỏng, đường kính chỉ khoảng 4mm, và chiều dài có thể điều chỉnh từ 450mm đến 1200mm tùy theo nhu cầu canh tác. Đây là phiên bản cải tiến của đèn huỳnh quang thông thường.

■ Đèn halogen kim loại
Đèn halogen kim loại là loại đèn phóng điện cường độ cao, có khả năng kích thích các nguyên tố khác nhau để tạo ra các bước sóng khác nhau bằng cách thêm các halogen kim loại khác nhau (thiếc bromua, natri iodua, v.v.) vào ống phóng điện, dựa trên nguyên lý hoạt động của đèn thủy ngân cao áp. Đèn halogen có hiệu suất phát sáng cao, công suất lớn, màu sắc ánh sáng tốt, tuổi thọ cao và phổ ánh sáng rộng. Tuy nhiên, do hiệu suất phát sáng thấp hơn so với đèn natri cao áp và tuổi thọ ngắn hơn, hiện nay nó chỉ được sử dụng ở một số ít nhà máy.

■ Đèn natri cao áp
Đèn natri cao áp thuộc loại đèn phóng điện khí cao áp. Đèn natri cao áp là loại đèn hiệu suất cao, trong đó hơi natri cao áp được chứa trong ống phóng điện, và một lượng nhỏ xenon (Xe) và halogen kim loại thủy ngân được thêm vào. Do đèn natri cao áp có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao với chi phí sản xuất thấp, nên hiện nay đèn natri cao áp được sử dụng rộng rãi nhất trong ứng dụng chiếu sáng bổ sung trong các cơ sở nông nghiệp. Tuy nhiên, do nhược điểm về hiệu suất quang hợp thấp trong phổ ánh sáng của chúng, nên chúng có nhược điểm về hiệu suất năng lượng thấp. Mặt khác, các thành phần quang phổ phát ra từ đèn natri cao áp chủ yếu tập trung trong dải ánh sáng vàng cam, thiếu phổ đỏ và xanh lam cần thiết cho sự phát triển của cây trồng.

■ Điốt phát quang
Là thế hệ nguồn sáng mới, điốt phát quang (LED) có nhiều ưu điểm như hiệu suất chuyển đổi quang điện cao hơn, quang phổ có thể điều chỉnh và hiệu suất quang hợp cao. LED có thể phát ra ánh sáng đơn sắc cần thiết cho sự phát triển của cây trồng. So với đèn huỳnh quang thông thường và các nguồn sáng bổ sung khác, LED có ưu điểm tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường, tuổi thọ cao, ánh sáng đơn sắc, nguồn sáng lạnh, v.v. Với sự cải thiện hơn nữa hiệu suất quang điện của LED và việc giảm chi phí do hiệu ứng quy mô, hệ thống chiếu sáng LED sẽ trở thành thiết bị chủ đạo để bổ sung ánh sáng trong các cơ sở nông nghiệp. Kết quả là, đèn LED trồng cây đã được ứng dụng tại hơn 99,9% các nhà máy trồng cây.

Thông qua việc so sánh, các đặc điểm của các nguồn sáng bổ sung khác nhau có thể được hiểu rõ hơn, như thể hiện trong Bảng 1.

Thiết bị chiếu sáng di động
Cường độ ánh sáng có liên quan mật thiết đến sự sinh trưởng của cây trồng. Phương pháp canh tác ba chiều thường được sử dụng trong các nhà máy trồng cây. Tuy nhiên, do hạn chế về cấu trúc của giàn trồng, sự phân bố ánh sáng và nhiệt độ không đồng đều giữa các giàn sẽ ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và thời gian thu hoạch sẽ không đồng bộ. Một công ty ở Bắc Kinh đã phát triển thành công thiết bị bổ sung ánh sáng nâng hạ thủ công (đèn HPS và đèn LED trồng cây) vào năm 2010. Nguyên lý là xoay trục truyền động và bộ cuộn dây được gắn trên đó bằng cách lắc tay cầm để xoay cuộn phim nhỏ nhằm thu và nhả dây cáp. Dây cáp của đèn trồng cây được kết nối với bánh xe cuộn của thang máy thông qua nhiều bộ bánh xe đảo chiều, để đạt được hiệu quả điều chỉnh chiều cao của đèn trồng cây. Năm 2017, công ty nói trên đã thiết kế và phát triển một thiết bị bổ sung ánh sáng di động mới, có thể tự động điều chỉnh chiều cao bổ sung ánh sáng theo thời gian thực dựa trên nhu cầu sinh trưởng của cây trồng. Thiết bị điều chỉnh này hiện đang được lắp đặt trên giàn trồng ba chiều kiểu nâng nguồn sáng 3 tầng. Lớp trên cùng của thiết bị là lớp có điều kiện ánh sáng tốt nhất, vì vậy nó được trang bị đèn natri cao áp; lớp giữa và lớp dưới cùng được trang bị đèn LED trồng cây và hệ thống điều chỉnh nâng hạ. Nó có thể tự động điều chỉnh độ cao của đèn trồng cây để cung cấp môi trường chiếu sáng phù hợp cho cây trồng.

So với thiết bị chiếu sáng bổ sung di động được thiết kế riêng cho canh tác ba chiều, Hà Lan đã phát triển thiết bị chiếu sáng bổ sung LED di động theo chiều ngang. Để tránh ảnh hưởng của bóng đèn lên sự phát triển của cây trồng dưới ánh nắng mặt trời, hệ thống đèn trồng có thể được đẩy sang hai bên giá đỡ thông qua thanh trượt dạng ống lồng theo chiều ngang, để ánh nắng mặt trời chiếu đều lên cây; vào những ngày nhiều mây hoặc mưa không có nắng, đẩy hệ thống đèn trồng vào giữa giá đỡ để ánh sáng của hệ thống đèn trồng chiếu đều lên cây; di chuyển hệ thống đèn trồng theo chiều ngang thông qua thanh trượt trên giá đỡ, tránh việc tháo lắp thường xuyên, giảm cường độ lao động của nhân viên, từ đó nâng cao hiệu quả công việc.

Ý tưởng thiết kế của hệ thống đèn trồng cây điển hình
Từ thiết kế của thiết bị chiếu sáng bổ sung di động, không khó để nhận thấy rằng thiết kế hệ thống chiếu sáng bổ sung cho nhà máy trồng trọt thường lấy cường độ ánh sáng, chất lượng ánh sáng và các thông số chu kỳ quang hợp của các giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cây trồng làm nội dung cốt lõi, dựa vào hệ thống điều khiển thông minh để thực hiện, nhằm đạt được mục tiêu cuối cùng là tiết kiệm năng lượng và năng suất cao.

Hiện nay, thiết kế và thi công hệ thống chiếu sáng bổ sung cho rau lá đã dần hoàn thiện. Ví dụ, rau lá có thể được chia thành bốn giai đoạn: giai đoạn cây con, giai đoạn giữa sinh trưởng, giai đoạn cuối sinh trưởng và giai đoạn kết thúc; rau quả có thể được chia thành giai đoạn cây con, giai đoạn sinh trưởng thực vật, giai đoạn ra hoa và giai đoạn thu hoạch. Về đặc điểm cường độ ánh sáng bổ sung, cường độ ánh sáng ở giai đoạn cây con nên thấp hơn một chút, ở mức 60~200 μmol/(m²·s), sau đó tăng dần. Rau lá có thể đạt đến 100~200 μmol/(m²·s), và rau quả có thể đạt đến 300~500 μmol/(m²·s) để đảm bảo đáp ứng yêu cầu cường độ ánh sáng cho quá trình quang hợp của cây trong mỗi giai đoạn sinh trưởng và đáp ứng nhu cầu năng suất cao; Về chất lượng ánh sáng, tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh rất quan trọng. Để nâng cao chất lượng cây con và ngăn ngừa sự phát triển quá mức ở giai đoạn cây con, tỷ lệ ánh sáng đỏ/xanh thường được đặt ở mức thấp [(1~2):1], sau đó giảm dần để đáp ứng nhu cầu hình thái ánh sáng của cây. Tỷ lệ ánh sáng đỏ/xanh đối với rau lá có thể được đặt ở mức (3~6):1. Đối với chu kỳ chiếu sáng, tương tự như cường độ ánh sáng, nó nên thể hiện xu hướng tăng dần theo thời gian sinh trưởng, để rau lá có nhiều thời gian quang hợp hơn. Thiết kế bổ sung ánh sáng cho rau quả sẽ phức tạp hơn. Ngoài các quy luật cơ bản đã nêu ở trên, chúng ta cần tập trung vào việc thiết lập chu kỳ chiếu sáng trong thời kỳ ra hoa, và cần thúc đẩy quá trình ra hoa và kết trái của rau để tránh phản tác dụng.

Điều đáng lưu ý là công thức chiếu sáng cần bao gồm cả phương pháp xử lý cuối cùng cho các thiết lập môi trường chiếu sáng. Ví dụ, bổ sung ánh sáng liên tục có thể cải thiện đáng kể năng suất và chất lượng cây con rau lá trồng thủy canh, hoặc sử dụng phương pháp xử lý tia UV để cải thiện đáng kể chất lượng dinh dưỡng của giá đỗ và rau lá (đặc biệt là rau diếp tím và rau diếp lá đỏ).

Bên cạnh việc tối ưu hóa việc bổ sung ánh sáng cho các loại cây trồng được chọn, hệ thống điều khiển nguồn sáng của một số nhà máy trồng cây bằng ánh sáng nhân tạo cũng đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Hệ thống điều khiển này thường dựa trên cấu trúc B/S. Việc điều khiển từ xa và tự động các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và nồng độ CO2 trong quá trình sinh trưởng của cây trồng được thực hiện thông qua WIFI, đồng thời, phương pháp sản xuất không bị hạn chế bởi các điều kiện bên ngoài cũng được hiện thực hóa. Hệ thống chiếu sáng bổ sung thông minh này sử dụng đèn LED trồng cây làm nguồn sáng bổ sung, kết hợp với hệ thống điều khiển thông minh từ xa, có thể đáp ứng nhu cầu chiếu sáng theo bước sóng của cây trồng, đặc biệt phù hợp với môi trường trồng cây được kiểm soát ánh sáng và có thể đáp ứng tốt nhu cầu thị trường.

Lời kết luận
Nhà máy trồng cây được coi là một phương pháp quan trọng để giải quyết các vấn đề về tài nguyên, dân số và môi trường của thế giới trong thế kỷ 21, và là một cách quan trọng để đạt được sự tự túc về lương thực trong các dự án công nghệ cao tương lai. Là một loại hình sản xuất nông nghiệp mới, nhà máy trồng cây vẫn đang trong giai đoạn học hỏi và phát triển, cần được quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn nữa. Bài viết này mô tả các đặc điểm và ưu điểm của các phương pháp chiếu sáng bổ sung phổ biến trong nhà máy trồng cây, và giới thiệu các ý tưởng thiết kế của các hệ thống chiếu sáng bổ sung điển hình cho cây trồng. Qua so sánh, không khó để nhận thấy rằng, để đối phó với tình trạng thiếu sáng do thời tiết khắc nghiệt như nhiều mây và sương mù kéo dài, và để đảm bảo năng suất cao và ổn định của cây trồng trong nhà kính, thiết bị nguồn sáng LED Grow là phù hợp nhất với xu hướng phát triển hiện nay.

Hướng phát triển tương lai của các nhà máy trồng cây nên tập trung vào các cảm biến độ chính xác cao, chi phí thấp mới, hệ thống thiết bị chiếu sáng có thể điều chỉnh quang phổ từ xa và hệ thống điều khiển chuyên gia. Đồng thời, các nhà máy trồng cây trong tương lai sẽ tiếp tục phát triển theo hướng chi phí thấp, thông minh và tự thích ứng. Việc sử dụng và phổ biến nguồn sáng LED đảm bảo kiểm soát môi trường chính xác cao trong các nhà máy trồng cây. Điều chỉnh môi trường ánh sáng LED là một quá trình phức tạp bao gồm điều chỉnh toàn diện chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng và chu kỳ quang hợp. Các chuyên gia và học giả liên quan cần tiến hành nghiên cứu sâu rộng, thúc đẩy việc sử dụng ánh sáng bổ sung LED trong các nhà máy trồng cây sử dụng ánh sáng nhân tạo.