المؤلفون: يامين لي وهوتشنغ ليو، وآخرون، من كلية البستنة، جامعة جنوب الصين الزراعية

مصدر المقال: البستنة في البيوت الزجاجية

تشمل أنواع منشآت البستنة الصناعية بشكل رئيسي البيوت البلاستيكية، والبيوت الشمسية، والبيوت متعددة الأقواس، ومزارع النباتات. ونظرًا لأن مباني هذه المنشآت تحجب مصادر الضوء الطبيعي إلى حد ما، فإن الإضاءة الداخلية غير كافية، مما يؤدي بدوره إلى انخفاض غلة المحاصيل وجودتها. لذا، تلعب الإضاءة التكميلية دورًا لا غنى عنه في الحصول على محاصيل عالية الجودة والإنتاجية، إلا أنها أصبحت أيضًا عاملًا رئيسيًا في زيادة استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل.

لطالما اقتصرت مصادر الإضاءة الاصطناعية المستخدمة في مجال الزراعة المحمية على مصابيح الصوديوم عالية الضغط، والمصابيح الفلورية، ومصابيح الهالوجين المعدنية، والمصابيح المتوهجة، وغيرها. ومن أبرز عيوبها ارتفاع إنتاج الحرارة، واستهلاك الطاقة، وتكاليف التشغيل. وقد أتاح تطوير الجيل الجديد من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) إمكانية استخدام مصادر إضاءة اصطناعية منخفضة الطاقة في هذا المجال. تتميز مصابيح LED بكفاءة تحويل كهروضوئية عالية، وقدرة على العمل بالتيار المستمر، وصغر حجمها، وعمرها الطويل، وانخفاض استهلاكها للطاقة، وثبات طول موجتها، وانخفاض إشعاعها الحراري، فضلاً عن كونها صديقة للبيئة. وبالمقارنة مع مصابيح الصوديوم عالية الضغط والمصابيح الفلورية الشائعة الاستخدام حاليًا، لا تقتصر مزايا مصابيح LED على إمكانية ضبط كمية ونوعية الضوء (نسبة نطاقات الضوء المختلفة) وفقًا لاحتياجات نمو النبات، بل يمكنها أيضًا إضاءة النباتات من مسافة قريبة بفضل ضوئها البارد. وبالتالي، يمكن تحسين عدد طبقات الزراعة ومعدل استغلال المساحة، وتحقيق وظائف توفير الطاقة، وحماية البيئة، والاستخدام الأمثل للمساحة التي لا يمكن لمصادر الإضاءة التقليدية أن تحل محلها.

بفضل هذه المزايا، استُخدمت تقنية LED بنجاح في إضاءة المنشآت الزراعية، والبحوث الأساسية في مجال البيئات القابلة للتحكم، وزراعة الأنسجة النباتية، وإنتاج شتلات المصانع النباتية، وفي النظم البيئية الفضائية. في السنوات الأخيرة، شهد أداء إضاءة LED للنمو تحسناً ملحوظاً، وانخفضت أسعارها، ويجري تطوير أنواع مختلفة من المنتجات ذات أطوال موجية محددة تدريجياً، مما سيؤدي إلى توسيع نطاق استخدامها في مجالي الزراعة وعلم الأحياء.

تلخص هذه المقالة حالة البحث المتعلقة بتقنية LED في مجال البستنة في المنشآت، وتركز على تطبيق الإضاءة التكميلية بتقنية LED في أساس بيولوجيا الضوء، وتأثير مصابيح النمو LED على تكوين ضوء النبات، والجودة الغذائية، وتأثير تأخير الشيخوخة، وبناء وتطبيق تركيبة الضوء، وتحليل وتوقعات المشكلات الحالية وآفاق تقنية الإضاءة التكميلية بتقنية LED.

تأثير الإضاءة التكميلية بتقنية LED على نمو المحاصيل البستانية

تشمل التأثيرات التنظيمية للضوء على نمو النبات وتطوره إنبات البذور، واستطالة الساق، ونمو الأوراق والجذور، والانتحاء الضوئي، وتخليق الكلوروفيل وتحلله، وتحفيز الإزهار. وتشمل عناصر بيئة الإضاءة في المنشأة شدة الضوء، ودورة الضوء، والتوزيع الطيفي. ويمكن تعديل هذه العناصر بإضافة إضاءة اصطناعية دون التقيد بالظروف الجوية.

يوجد حاليًا ثلاثة أنواع على الأقل من المستقبلات الضوئية في النباتات: الفيتوكروم (الذي يمتص الضوء الأحمر والضوء الأحمر البعيد)، والكريبتوكروم (الذي يمتص الضوء الأزرق والأشعة فوق البنفسجية القريبة)، والأشعة فوق البنفسجية A وB. يُمكن استخدام مصادر ضوئية ذات أطوال موجية محددة لإشعاع المحاصيل لتحسين كفاءة التمثيل الضوئي، وتسريع عملية التشكّل الضوئي، وتعزيز نمو النباتات وتطورها. وقد استُخدم الضوء الأحمر البرتقالي (610-720 نانومتر) والضوء الأزرق البنفسجي (400-510 نانومتر) في عملية التمثيل الضوئي للنباتات. باستخدام تقنية الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، يُمكن إشعاع ضوء أحادي اللون (مثل الضوء الأحمر ذي ذروة 660 نانومتر، والضوء الأزرق ذي ذروة 450 نانومتر، وما إلى ذلك) بما يتوافق مع أقوى نطاق امتصاص للكلوروفيل، ويبلغ عرض النطاق الطيفي ± 20 نانومتر فقط.

يُعتقد حاليًا أن الضوء الأحمر البرتقالي يُسرّع نمو النباتات بشكل ملحوظ، ويُعزز تراكم المادة الجافة، وتكوين البصيلات والدرنات وبصيلات الأوراق وغيرها من أعضاء النبات، مما يُسرّع من إزهار النباتات وإثمارها، ويلعب دورًا رئيسيًا في تحسين لونها. أما الضوء الأزرق والبنفسجي، فيُمكنهما التحكم في الانتحاء الضوئي لأوراق النبات، وتعزيز فتح الثغور وحركة البلاستيدات الخضراء، وتثبيط استطالة الساق، ومنع استطالة النبات، وتأخير الإزهار، وتعزيز نمو الأعضاء الخضرية. كما يُمكن لمزيج مصابيح LED الحمراء والزرقاء تعويض نقص الضوء الناتج عن كل لون على حدة، وتكوين ذروة امتصاص طيفي تتوافق بشكل أساسي مع عملية التمثيل الضوئي وشكل النبات. تصل نسبة استغلال طاقة الضوء إلى 80% إلى 90%، مما يُحقق وفورات كبيرة في الطاقة.

يُمكن تحقيق زيادة ملحوظة في الإنتاج عند استخدام إضاءة LED تكميلية في الزراعة المحمية. وقد أظهرت الدراسات زيادةً كبيرةً في عدد الثمار، وإجمالي الإنتاج، ووزن كل ثمرة طماطم كرزية عند استخدام إضاءة تكميلية من شرائط وأنابيب LED بقوة 300 ميكرومول/(م²·ث) لمدة 12 ساعة (من 8:00 إلى 20:00). وقد زادت هذه الزيادة بشكل ملحوظ عند استخدام إضاءة تكميلية من شرائط LED بنسبة 42.67%، و66.89%، و16.97% على التوالي، بينما زادت عند استخدام إضاءة تكميلية من أنابيب LED بنسبة 48.91%، و94.86%، و30.86% على التوالي. كما أن استخدام إضاءة LED التكميلية في وحدات إضاءة النمو خلال فترة النمو الكاملة (بنسبة 3:2 بين الضوء الأحمر والأزرق، وكثافة إضاءة 300 ميكرومول/(م²·ث)) يُحسّن بشكل كبير جودة الثمرة الواحدة وإنتاجية وحدة المساحة من نباتات الشيهوا والباذنجان. ارتفعت نسبة إنتاج فاكهة تشيكوكوان بنسبة 5.3% و15.6%، بينما ارتفعت نسبة إنتاج الباذنجان بنسبة 7.6% و7.8%. وبفضل جودة إضاءة LED وشدتها ومدتها طوال فترة النمو، يمكن تقصير دورة نمو النبات، وتحسين المحصول التجاري والقيمة الغذائية والشكلية للمنتجات الزراعية، وتحقيق إنتاج عالي الكفاءة وموفر للطاقة وذكي لمحاصيل البستنة في البيوت المحمية.

استخدام إضاءة LED التكميلية في زراعة شتلات الخضراوات

يُعدّ تنظيم شكل النبات ونموه وتطوره باستخدام مصادر ضوء LED تقنيةً مهمةً في مجال الزراعة المحمية. تستطيع النباتات الراقية استشعار واستقبال الإشارات الضوئية عبر أنظمة مستقبلات ضوئية مثل الفيتوكروم والكريبتوكروم والمستقبلات الضوئية، وتُجري تغييرات شكلية من خلال رسائل داخلية لتنظيم أنسجة النبات وأعضائه. وتعني عملية التشكّل الضوئي اعتماد النباتات على الضوء للتحكم في تمايز الخلايا، والتغيرات التركيبية والوظيفية، بالإضافة إلى تكوين الأنسجة والأعضاء، بما في ذلك التأثير على إنبات بعض البذور، وتعزيز السيادة القمية، وتثبيط نمو البراعم الجانبية، واستطالة الساق، والانتحاء.

تُعدّ زراعة شتلات الخضراوات جزءًا أساسيًا من الزراعة المحمية. يؤدي استمرار هطول الأمطار إلى نقص الإضاءة داخل المحمية، مما يجعل الشتلات عرضةً للاستطالة، الأمر الذي يؤثر سلبًا على نمو الخضراوات، وتمايز براعم الزهور، وتطور الثمار، وبالتالي على إنتاجيتها وجودتها. في الإنتاج، تُستخدم بعض منظمات نمو النبات، مثل الجبريلين والأوكسين والباكلوبوترازول والكلورميكوات، لتنظيم نمو الشتلات. مع ذلك، فإن الاستخدام غير الرشيد لمنظمات نمو النبات قد يُلوّث بيئة الخضراوات والمحميات بسهولة، مما يُلحق الضرر بصحة الإنسان.

تتميز الإضاءة التكميلية بتقنية LED بالعديد من المزايا الفريدة، وهي طريقة فعّالة لإنبات الشتلات. في تجربة الإضاءة التكميلية بتقنية LED [25±5 ميكرومول/(م²·ث)] التي أُجريت في ظروف إضاءة منخفضة [0~35 ميكرومول/(م²·ث)]، وُجد أن الضوء الأخضر يُعزز استطالة ونمو شتلات الخيار، بينما يُثبط الضوء الأحمر والأزرق نموها. بالمقارنة مع الإضاءة الطبيعية الخافتة، ارتفع مؤشر قوة الشتلات المُغذّاة بالضوء الأحمر والأزرق بنسبة 151.26% و237.98% على التوالي. وبالمقارنة مع الإضاءة أحادية اللون، ارتفع مؤشر قوة الشتلات التي تحتوي على مكونات حمراء وزرقاء بنسبة 304.46% عند تعريضها للإضاءة التكميلية المركبة.

يمكن أن يؤدي تعريض شتلات الخيار للضوء الأحمر إلى زيادة عدد الأوراق الحقيقية، ومساحة الورقة، وطول النبات، وقطر الساق، وجودة الأوراق الجافة والطازجة، ومؤشر قوة الشتلات، وحيوية الجذور، ونشاط إنزيم SOD، ومحتوى البروتين الذائب في شتلات الخيار. كما يمكن أن يؤدي التعريض للأشعة فوق البنفسجية من النوع B إلى زيادة محتوى الكلوروفيل أ، والكلوروفيل ب، والكاروتينات في أوراق شتلات الخيار. وبالمقارنة مع الضوء الطبيعي، فإن إضافة ضوء LED الأحمر والأزرق يمكن أن يزيد بشكل ملحوظ من مساحة الورقة، وجودة المادة الجافة، ومؤشر قوة الشتلات في شتلات الطماطم. كما أن إضافة ضوء LED الأحمر والأخضر يزيد بشكل ملحوظ من طول وسمك ساق شتلات الطماطم. ويمكن أن يؤدي التعريض لضوء LED الأخضر إلى زيادة ملحوظة في الكتلة الحيوية لشتلات الخيار والطماطم، ويزداد الوزن الطازج والجاف للشتلات مع زيادة شدة الضوء الأخضر، بينما يزداد سمك الساق ومؤشر قوة الشتلات في شتلات الطماطم تبعًا لزيادة شدة الضوء الأخضر. يمكن أن يؤدي الجمع بين الضوء الأحمر والأزرق بتقنية LED إلى زيادة سُمك الساق، ومساحة الأوراق، والوزن الجاف للنبات بأكمله، ونسبة الجذر إلى الساق، ومؤشر قوة الشتلات في الباذنجان. وبالمقارنة مع الضوء الأبيض، يزيد الضوء الأحمر بتقنية LED من الكتلة الحيوية لشتلات الملفوف، ويعزز استطالة نموها وتوسع أوراقها. أما الضوء الأزرق بتقنية LED فيعزز نمو شتلات الملفوف، وتراكم المادة الجافة فيها، ومؤشر قوة الشتلات، ولكنه يجعلها قصيرة القامة. تُظهر النتائج المذكورة أعلاه بوضوح مزايا زراعة شتلات الخضراوات بتقنية تنظيم الإضاءة.

تأثير الإضاءة التكميلية بتقنية LED على القيمة الغذائية للفواكه والخضراوات

تُعدّ البروتينات والسكريات والأحماض العضوية والفيتامينات الموجودة في الفواكه والخضراوات مواد غذائية مفيدة لصحة الإنسان. يؤثر نوع الضوء على محتوى فيتامين ج في النباتات من خلال تنظيم نشاط إنزيمات تخليق وتفكيك فيتامين ج، كما يُنظّم استقلاب البروتين وتراكم الكربوهيدرات في نباتات البستنة. يُعزز الضوء الأحمر تراكم الكربوهيدرات، بينما يُفيد الضوء الأزرق في تكوين البروتين، في حين أن الجمع بين الضوء الأحمر والأزرق يُحسّن القيمة الغذائية للنباتات بشكل ملحوظ يفوق تأثير الضوء أحادي اللون.

يمكن أن يؤدي إضافة ضوء LED أحمر أو أزرق إلى تقليل محتوى النترات في الخس، بينما يعزز إضافة ضوء LED أزرق أو أخضر تراكم السكريات الذائبة فيه، كما أن إضافة ضوء LED بالأشعة تحت الحمراء يُسهم في تراكم فيتامين ج. وأظهرت النتائج أن إضافة الضوء الأزرق تُحسّن محتوى فيتامين ج والبروتين الذائب في الطماطم؛ وأن الضوء الأحمر، والضوء الأحمر والأزرق المُدمج، يُحسّنان محتوى السكر والحموضة في ثمار الطماطم، وكانت نسبة السكر إلى الحموضة أعلى ما يمكن عند استخدام الضوء الأحمر والأزرق المُدمج؛ كما يُحسّن الضوء الأحمر والأزرق المُدمج محتوى فيتامين ج في ثمار الخيار.

لا تؤثر الفينولات والفلافونويدات والأنثوسيانين والمواد الأخرى الموجودة في الفواكه والخضروات بشكل كبير على لون ونكهة وقيمة الفواكه والخضروات فحسب، بل لها أيضًا نشاط مضاد للأكسدة طبيعي، ويمكنها تثبيط أو إزالة الجذور الحرة في جسم الإنسان بشكل فعال.

يُمكن استخدام الضوء الأزرق المُستمد من مصابيح LED كمكمل للإضاءة لزيادة محتوى الأنثوسيانين في قشرة الباذنجان بنسبة 73.6%، بينما يُمكن استخدام الضوء الأحمر المُستمد من مصابيح LED أو مزيج من الضوء الأحمر والأزرق لزيادة محتوى الفلافونويدات والفينولات الكلية. يُعزز الضوء الأزرق تراكم الليكوبين والفلافونويدات والأنثوسيانين في ثمار الطماطم. يُعزز مزيج الضوء الأحمر والأزرق إنتاج الأنثوسيانين إلى حدٍ ما، ولكنه يُثبط تخليق الفلافونويدات. بالمقارنة مع المعالجة بالضوء الأبيض، تُزيد المعالجة بالضوء الأحمر محتوى الأنثوسيانين في براعم الخس بشكل ملحوظ، بينما تُسجل المعالجة بالضوء الأزرق أدنى محتوى من الأنثوسيانين. كان محتوى الفينولات الكلية في الخس الأخضر والبنفسجي والأحمر أعلى تحت تأثير الضوء الأبيض، والضوء المُركب الأحمر والأزرق، والضوء الأزرق، ولكنه كان الأدنى تحت تأثير الضوء الأحمر. يمكن أن يؤدي استخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية أو الضوء البرتقالي من مصابيح LED إلى زيادة محتوى المركبات الفينولية في أوراق الخس، بينما يؤدي استخدام الضوء الأخضر إلى زيادة محتوى الأنثوسيانين. لذا، يُعد استخدام مصابيح LED للنمو طريقة فعالة لتحسين القيمة الغذائية للفواكه والخضراوات في الزراعة البستانية داخل البيوت المحمية.

تأثير الإضاءة التكميلية بتقنية LED على مكافحة شيخوخة النباتات

يتجلى تدهور الكلوروفيل، وفقدان البروتين السريع، وتحلل الحمض النووي الريبي (RNA) أثناء شيخوخة النبات بشكل رئيسي في شيخوخة الأوراق. وتُعد البلاستيدات الخضراء حساسة للغاية للتغيرات في بيئة الإضاءة الخارجية، وخاصةً لجودة الضوء. يُساعد الضوء الأحمر، والضوء الأزرق، والضوء الأحمر والأزرق المُركب على تكوين البلاستيدات الخضراء، بينما يُساعد الضوء الأزرق على تراكم حبيبات النشا فيها، في حين أن للضوء الأحمر والضوء الأحمر البعيد تأثيرًا سلبيًا على نمو البلاستيدات الخضراء. يُمكن أن يُعزز مزيج الضوء الأزرق والضوء الأحمر والأزرق معًا تخليق الكلوروفيل في أوراق شتلات الخيار، كما يُمكن أن يُؤخر انخفاض محتوى الكلوروفيل في الأوراق في المراحل اللاحقة. ويكون هذا التأثير أكثر وضوحًا مع انخفاض نسبة الضوء الأحمر وزيادة نسبة الضوء الأزرق. وكان محتوى الكلوروفيل في أوراق شتلات الخيار المُعرضة للضوء الأحمر والأزرق المُركب من مصابيح LED أعلى بكثير من محتواه في حالة التحكم بالضوء الفلوري والمعالجة بالضوء الأحمر والأزرق أحادي اللون. يمكن للضوء الأزرق LED أن يزيد بشكل كبير من قيمة الكلوروفيل أ/ب في شتلات نبات الووتاكاي والثوم الأخضر.

خلال مرحلة الشيخوخة، تحدث تغيرات في محتوى السيتوكينينات (CTK) والأوكسين (IAA) وحمض الأبسيسيك (ABA)، بالإضافة إلى تغيرات متنوعة في نشاط الإنزيمات. ويتأثر محتوى الهرمونات النباتية بسهولة بالبيئة الضوئية. وتختلف تأثيرات جودة الضوء المختلفة على تنظيم الهرمونات النباتية، وتتضمن الخطوات الأولية لمسار نقل الإشارة الضوئية السيتوكينينات.

يحفز السيتوكينين (CTK) تمدد خلايا الأوراق، ويعزز عملية التمثيل الضوئي فيها، بينما يثبط نشاط إنزيمات الريبونيوكلياز والديوكسي ريبونيوكلياز والبروتياز، ويؤخر تحلل الأحماض النووية والبروتينات والكلوروفيل، مما يؤخر شيخوخة الأوراق بشكل ملحوظ. يوجد تفاعل بين الضوء وتنظيم النمو بواسطة السيتوكينين، حيث يحفز الضوء زيادة مستويات السيتوكينين الداخلي. وعندما تكون أنسجة النبات في حالة شيخوخة، ينخفض ​​محتواها من السيتوكينين الداخلي.

يتركز حمض الإندول أسيتيك (IAA) بشكل رئيسي في أجزاء النباتات سريعة النمو، بينما يكون تركيزه ضئيلاً جداً في الأنسجة أو الأعضاء المتقدمة في السن. يمكن للضوء البنفسجي أن يزيد من نشاط إنزيم أوكسيداز حمض الإندول أسيتيك، كما أن انخفاض مستويات حمض الإندول أسيتيك قد يثبط استطالة النباتات ونموها.

يتشكل حمض الأبسيسيك (ABA) بشكل رئيسي في أنسجة الأوراق المتساقطة، والثمار الناضجة، والبذور، والسيقان، والجذور، وأجزاء أخرى من الجسم. ويكون محتوى حمض الأبسيسيك في الخيار والملفوف تحت تأثير الضوء الأحمر والأزرق معاً أقل منه تحت تأثير الضوء الأبيض أو الأزرق فقط.

تُعدّ إنزيمات البيروكسيداز (POD)، وديسموتاز الفائق (SOD)، وبيروكسيداز الأسكوربات (APX)، والكاتالاز (CAT) من أهم الإنزيمات الواقية المرتبطة بالضوء في النباتات. ومع تقدم النباتات في العمر، يتناقص نشاط هذه الإنزيمات بسرعة.

تؤثر خصائص الضوء المختلفة بشكل ملحوظ على نشاط إنزيمات مضادات الأكسدة في النباتات. فبعد 9 أيام من التعرض للضوء الأحمر، ازداد نشاط إنزيم بيروكسيداز الأسكوربات (APX) في شتلات اللفت بشكل ملحوظ، بينما انخفض نشاط إنزيم بيروكسيداز (POD). وكان نشاط إنزيم بيروكسيداز الأسكوربات في الطماطم بعد 15 يومًا من التعرض للضوء الأحمر والأزرق أعلى بنسبة 20.9% و11.7% على التوالي مقارنةً بالضوء الأبيض. وبعد 20 يومًا من التعرض للضوء الأخضر، بلغ نشاط إنزيم بيروكسيداز الأسكوربات في الطماطم أدنى مستوياته، حيث وصل إلى 55.4% فقط من نشاطه في الضوء الأبيض. ويمكن أن يؤدي إضافة 4 ساعات من الضوء الأزرق إلى زيادة ملحوظة في محتوى البروتين الذائب، ونشاط إنزيمات بيروكسيداز الأسكوربات، وديسموتاز الفائق (SOD)، وبيروكسيداز الأسكوربات، والكاتالاز في أوراق الخيار في مرحلة الشتلات. بالإضافة إلى ذلك، يتناقص نشاط إنزيمي ديسموتاز الفائق وبيروكسيداز الأسكوربات تدريجيًا مع زيادة مدة التعرض للضوء. ويتناقص نشاط هذين الإنزيمين ببطء تحت الضوء الأزرق والأحمر، ولكنه يبقى دائمًا أعلى من نشاطهما تحت الضوء الأبيض. أدى التعرض للضوء الأحمر إلى انخفاض ملحوظ في نشاط إنزيم البيروكسيداز وإنزيم بيروكسيداز حمض الإندول أسيتيك في أوراق الطماطم، وانخفاض ملحوظ في نشاط إنزيم بيروكسيداز حمض الإندول أسيتيك في أوراق الباذنجان، بينما أدى إلى زيادة ملحوظة في نشاط إنزيم البيروكسيداز في أوراق الباذنجان. لذا، فإن اعتماد استراتيجية إضاءة تكميلية مناسبة باستخدام مصابيح LED يُمكن أن يُؤخر بشكل فعال شيخوخة محاصيل البستنة المزروعة في البيوت المحمية، ويُحسّن من إنتاجيتها وجودتها.

تركيب وتطبيق تركيبة إضاءة LED

يتأثر نمو النباتات وتطورها بشكل كبير بجودة الضوء ونسب مكوناته المختلفة. تشمل تركيبة الضوء بشكل أساسي عدة عناصر مثل نسبة جودة الضوء، وشدة الضوء، ومدة التعرض للضوء. ونظرًا لاختلاف احتياجات النباتات من الضوء ومراحل نموها وتطورها، فإنّ الجمع الأمثل بين جودة الضوء وشدته ومدة التعرض له ضروري للمحاصيل المزروعة.

 ◆نسبة طيف الضوء

بالمقارنة مع الضوء الأبيض والضوء الأحمر والأزرق المنفرد، فإن الجمع بين الضوء الأحمر والأزرق من مصابيح LED له ميزة شاملة على نمو وتطور شتلات الخيار والملفوف.

عندما تكون نسبة الضوء الأحمر إلى الأزرق 8:2، فإن سمك ساق النبات، وارتفاع النبات، والوزن الجاف للنبات، والوزن الطازج، ومؤشر قوة الشتلات، وما إلى ذلك، تزداد بشكل ملحوظ، كما أنها مفيدة لتكوين مصفوفة البلاستيدات الخضراء والصفيحة القاعدية وإنتاج المواد التمثيلية.

يُعدّ استخدام مزيج من الضوء الأحمر والأخضر والأزرق مفيدًا لنمو براعم الفاصوليا الحمراء، حيث يُعزز الضوء الأخضر تراكم المادة الجافة فيها. ويكون النمو أكثر وضوحًا عند نسبة 6:2:1 من الضوء الأحمر إلى الأخضر إلى الأزرق. وقد لوحظ أفضل تأثير في استطالة ساق براعم الفاصوليا الحمراء عند نسبة 8:1 من الضوء الأحمر إلى الأزرق، بينما تثبطت هذه الاستطالة بشكل ملحوظ عند نسبة 6:3، مع العلم أن محتوى البروتين الذائب كان الأعلى.

عندما تكون نسبة الضوء الأحمر إلى الأزرق 8:1 لشتلات اللوف، يكون مؤشر قوة الشتلات ومحتوى السكريات الذائبة فيها في أعلى مستوياتهما. أما عند استخدام إضاءة بنسبة 6:3 من الضوء الأحمر إلى الأزرق، فيكون محتوى الكلوروفيل أ، ونسبة الكلوروفيل أ/ب، ومحتوى البروتين الذائب في شتلات اللوف في أعلى مستوياتها.

عند استخدام نسبة 3:1 من الضوء الأحمر والأزرق لنبات الكرفس، يُمكن تعزيز نموه بشكل فعال، وزيادة طوله، وطول أعناقه، وعدد أوراقه، وجودة مادته الجافة، ومحتواه من فيتامين ج، والبروتين الذائب، والسكريات الذائبة. أما في زراعة الطماطم، فإن زيادة نسبة الضوء الأزرق المُستخدم في مصابيح LED تُحفز تكوين الليكوبين، والأحماض الأمينية الحرة، والفلافونويدات، بينما تُحفز زيادة نسبة الضوء الأحمر تكوين الأحماض القابلة للمعايرة. وعندما تكون نسبة الضوء الأحمر إلى الأزرق في أوراق الخس 8:1، فإنها تُفيد في تراكم الكاروتينات، وتُقلل بشكل فعال من محتوى النترات، وتزيد من محتوى فيتامين ج.

 ◆شدة الإضاءة

تكون النباتات النامية تحت إضاءة خافتة أكثر عرضةً للتثبيط الضوئي مقارنةً بتلك النامية تحت إضاءة قوية. يزداد معدل التمثيل الضوئي الصافي لشتلات الطماطم مع ازدياد شدة الإضاءة [50، 150، 200، 300، 450، 550 ميكرومول/(م²·ث)]، حيث يظهر اتجاهًا تصاعديًا ثم تنازليًا، ويبلغ ذروته عند 300 ميكرومول/(م²·ث). وقد ازداد طول النبات ومساحة الورقة ومحتوى الماء ومحتوى فيتامين ج في الخس بشكل ملحوظ عند تعريضه لشدة إضاءة 150 ميكرومول/(م²·ث). تحت تأثير شدة إضاءة تبلغ 200 ميكرومول/م²·ث، ازداد الوزن الطازج والوزن الكلي ومحتوى الأحماض الأمينية الحرة بشكل ملحوظ. أما تحت تأثير شدة إضاءة تبلغ 300 ميكرومول/م²·ث، فقد انخفضت مساحة الورقة ومحتوى الماء والكلوروفيل أ والكلوروفيل أ+ب والكاروتينات في الخس. بالمقارنة مع الظلام، ومع زيادة شدة إضاءة LED المستخدمة في النمو [3، 9، 15 ميكرومول/م²·ث]، ازداد محتوى الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب والكلوروفيل أ+ب في براعم الفاصوليا السوداء بشكل ملحوظ. بلغ محتوى فيتامين ج أعلى مستوياته عند 3 ميكرومول/م²·ث، بينما بلغ محتوى البروتين الذائب والسكريات الذائبة والسكروز أعلى مستوياته عند 9 ميكرومول/م²·ث. في ظل نفس ظروف درجة الحرارة، ومع زيادة شدة الضوء [(2~2.5)lx×103 lx، (4~4.5)lx×103 lx، (6~6.5)lx×103 lx]، يتم تقصير وقت إنبات شتلات الفلفل، ويزداد محتوى السكر القابل للذوبان، لكن محتوى الكلوروفيل أ والكاروتينات ينخفض ​​تدريجياً.

 ◆وقت الضوء

يمكن أن يؤدي إطالة مدة الإضاءة بشكل مناسب إلى تخفيف الإجهاد الناتج عن نقص شدة الضوء إلى حد ما، مما يساعد على تراكم نواتج عملية التمثيل الضوئي في محاصيل البستنة، ويحقق زيادة في المحصول وتحسينًا في الجودة. أظهر محتوى فيتامين ج في البراعم اتجاهًا تصاعديًا تدريجيًا مع إطالة مدة الإضاءة (0، 4، 8، 12، 16، 20 ساعة/يوم)، بينما أظهر محتوى الأحماض الأمينية الحرة، ونشاط إنزيمي سوبرأكسيد ديسميوتاز (SOD) وكاتالاز (CAT) اتجاهًا تنازليًا. مع إطالة مدة الإضاءة (12، 15، 18 ساعة)، ازداد الوزن الطازج لنباتات الملفوف الصيني بشكل ملحوظ. كان محتوى فيتامين ج في أوراق وسيقان الملفوف الصيني في أعلى مستوياته عند 15 و12 ساعة على التوالي. انخفض محتوى البروتين الذائب في أوراق الملفوف الصيني تدريجيًا، بينما كان في أعلى مستوياته في السيقان بعد 15 ساعة. ازداد محتوى السكر الذائب في أوراق الملفوف الصيني تدريجيًا، بينما كان في أعلى مستوياته في السيقان عند 12 ساعة. عندما تكون نسبة الضوء الأحمر إلى الأزرق 1:2، مقارنةً بمدة إضاءة 12 ساعة، فإن المعالجة الضوئية لمدة 20 ساعة تقلل من المحتوى النسبي للفينولات والفلافونويدات الكلية في الخس الأخضر، ولكن عندما تكون نسبة الضوء الأحمر إلى الأزرق 2:1، فإن المعالجة الضوئية لمدة 20 ساعة تزيد بشكل ملحوظ من المحتوى النسبي للفينولات والفلافونويدات الكلية في الخس الأخضر.

يتضح مما سبق أن تركيبات الإضاءة المختلفة تؤثر بشكل متباين على عملية التمثيل الضوئي، والتطور الضوئي، واستقلاب الكربون والنيتروجين في أنواع المحاصيل المختلفة. ويتطلب تحديد أفضل تركيبة إضاءة، وتكوين مصدر الضوء، وصياغة استراتيجيات التحكم الذكي، دراسة نوع النبات كنقطة انطلاق، وإجراء التعديلات المناسبة وفقًا لاحتياجات المحاصيل البستانية، وأهداف الإنتاج، وعوامل الإنتاج، وغيرها، وذلك لتحقيق هدف التحكم الذكي في بيئة الإضاءة، وإنتاج محاصيل بستانية عالية الجودة والإنتاجية في ظل ظروف موفرة للطاقة.

المشاكل الحالية والآفاق المستقبلية

تتمثل الميزة الرئيسية لإضاءة LED الزراعية في قدرتها على إجراء تعديلات ذكية ومتكاملة وفقًا لمتطلبات خصائص التمثيل الضوئي، وشكل النبات، وجودته، وإنتاجيته. فلكل نوع من المحاصيل، ولكل مرحلة نمو مختلفة، متطلبات متباينة من حيث جودة الضوء وشدته وفترة الإضاءة. وهذا يتطلب مزيدًا من التطوير والتحسين في أبحاث معادلات الإضاءة لإنشاء قاعدة بيانات ضخمة لها. وبالتزامن مع البحث والتطوير في مجال المصابيح المتخصصة، يمكن تحقيق أقصى استفادة من إضاءة LED التكميلية في التطبيقات الزراعية، مما يُسهم في ترشيد استهلاك الطاقة، ورفع كفاءة الإنتاج، وتحقيق فوائد اقتصادية. وقد أظهر استخدام إضاءة LED الزراعية في الزراعة المحمية حيويةً ملحوظة، إلا أن أسعار معدات وأجهزة إضاءة LED مرتفعة نسبيًا، كما أن الاستثمار الأولي كبير. ولا تزال متطلبات الإضاءة التكميلية لمختلف المحاصيل في ظل ظروف بيئية متباينة غير واضحة، كما أن طيف الإضاءة التكميلية، والشدة، والمدة غير المناسبة لإضاءة النمو، كلها عوامل تُسبب حتمًا مشاكل عديدة في صناعة إضاءة النمو.

مع ذلك، ومع تطور التكنولوجيا وانخفاض تكلفة إنتاج مصابيح LED لنمو النباتات، سيزداد استخدام الإضاءة التكميلية بتقنية LED في الزراعة المحمية. وفي الوقت نفسه، سيسهم تطوير نظام تقنية الإضاءة التكميلية بتقنية LED، بالإضافة إلى دمجها مع مصادر الطاقة الجديدة، في تسريع نمو الزراعة المحمية، والزراعة المنزلية، والزراعة الحضرية، والزراعة الفضائية، لتلبية احتياجات الناس من المحاصيل البستانية في بيئات خاصة.