المؤلفون: جينغ تشاو، تسنغشان تشو، يونلونغ بو، وغيرهم. مصدر الوسائط: تكنولوجيا الهندسة الزراعية (زراعة البيوت المحمية)

يجمع مصنع النباتات بين الصناعة الحديثة والتكنولوجيا الحيوية والزراعة المائية المغذية وتكنولوجيا المعلومات لتطبيق تحكم دقيق للغاية في العوامل البيئية داخل المنشأة. وهو مغلق بالكامل، ولا يتطلب الكثير من البيئة المحيطة، ويقصر فترة حصاد النباتات، ويوفر المياه والأسمدة، ومع مزايا الإنتاج بدون مبيدات حشرية وعدم وجود نفايات، تصل كفاءة استخدام وحدة الأرض إلى 40 إلى 108 أضعاف كفاءة الإنتاج في الحقول المفتوحة. ومن بين هذه العوامل، يلعب مصدر الإضاءة الاصطناعي الذكي وتنظيم بيئته الضوئية دورًا حاسمًا في كفاءة الإنتاج.

يلعب الضوء، باعتباره عاملاً بيئياً فيزيائياً هاماً، دوراً محورياً في تنظيم نمو النباتات وعمليات الأيض. وقد بات من المسلّم به في هذا القطاع أن "من أبرز سمات المصانع النباتية الاعتماد الكامل على مصادر الإضاءة الاصطناعية وتحقيق تنظيم ذكي لبيئة الإضاءة".

حاجة النباتات للضوء

يُعدّ الضوء المصدر الوحيد للطاقة في عملية التمثيل الضوئي للنباتات. وتؤثر شدة الضوء وجودته (طيفه) وتغيراته الدورية تأثيراً بالغاً على نمو المحاصيل وتطورها، حيث تُعدّ شدة الضوء العامل الأكثر تأثيراً على عملية التمثيل الضوئي للنباتات.

■ شدة الإضاءة

تؤثر شدة الضوء على مورفولوجيا المحاصيل، مثل الإزهار، وطول السلاميات، وسماكة الساق، وحجم الأوراق وسماكتها. ويمكن تصنيف احتياجات النباتات من شدة الضوء إلى نباتات محبة للضوء، ونباتات متوسطة المحبة للضوء، ونباتات قليلة التحمل للضوء. وتُعد الخضراوات في الغالب من النباتات المحبة للضوء، وتتميز بنقاط تعويض الضوء ونقاط تشبع الضوء العالية نسبيًا. في مزارع النباتات ذات الإضاءة الاصطناعية، تُشكل احتياجات المحاصيل من شدة الضوء أساسًا هامًا لاختيار مصادر الإضاءة الاصطناعية. ويُعد فهم احتياجات الإضاءة لمختلف النباتات أمرًا بالغ الأهمية لتصميم مصادر الإضاءة الاصطناعية، وهو ضروري للغاية لتحسين أداء النظام الإنتاجي.

■ جودة الإضاءة

يؤثر التوزيع الطيفي لجودة الضوء تأثيرًا كبيرًا على عملية التمثيل الضوئي وتكوين النبات (الشكل 1). الضوء جزء من الإشعاع، والإشعاع موجة كهرومغناطيسية. تتميز الموجات الكهرومغناطيسية بخصائص موجية وكمية (جسيمية). يُطلق على كمية الضوء اسم الفوتون في مجال البستنة. يُسمى الإشعاع ذو الطول الموجي الذي يتراوح بين 300 و800 نانومتر بالإشعاع النشط فيزيولوجيًا للنباتات، بينما يُسمى الإشعاع ذو الطول الموجي الذي يتراوح بين 400 و700 نانومتر بالإشعاع النشط ضوئيًا (PAR) للنباتات.

يُعدّ الكلوروفيل والكاروتينات أهم صبغتين في عملية التمثيل الضوئي للنباتات. يوضح الشكل 2 طيف الامتصاص الطيفي لكل صبغة من صبغات التمثيل الضوئي، حيث يتركز طيف امتصاص الكلوروفيل في نطاقي اللونين الأحمر والأزرق. يعتمد نظام الإضاءة على الاحتياجات الطيفية للمحاصيل لتوفير إضاءة إضافية اصطناعية، وذلك لتعزيز عملية التمثيل الضوئي للنباتات.

■ الفترة الضوئية
تُعرف العلاقة بين عملية التمثيل الضوئي والتطور الضوئي للنباتات وطول النهار (أو مدة الفترة الضوئية) باسم الفترة الضوئية للنباتات. ترتبط الفترة الضوئية ارتباطًا وثيقًا بساعات الضوء، والتي تشير إلى الوقت الذي تتعرض فيه المحاصيل للضوء. تحتاج المحاصيل المختلفة إلى عدد معين من ساعات الضوء لإكمال الفترة الضوئية اللازمة للإزهار والإثمار. وبناءً على اختلاف الفترات الضوئية، يمكن تقسيم المحاصيل إلى محاصيل النهار الطويل، مثل الملفوف، التي تحتاج إلى أكثر من 12-14 ساعة من الضوء في مرحلة معينة من نموها؛ ومحاصيل النهار القصير، مثل البصل وفول الصويا، التي تحتاج إلى أقل من 12-14 ساعة من الضوء؛ ومحاصيل الشمس المتوسطة، مثل الخيار والطماطم والفلفل، التي يمكنها الإزهار والإثمار تحت أشعة شمس أطول أو أقصر.
من بين العناصر الثلاثة للبيئة، تُعدّ شدة الإضاءة أساسًا هامًا لاختيار مصادر الإضاءة الاصطناعية. وتوجد حاليًا طرق عديدة للتعبير عن شدة الإضاءة، تشمل بشكل رئيسي الطرق الثلاث التالية.
(1) يشير الإضاءة إلى كثافة التدفق الضوئي السطحي (التدفق الضوئي لكل وحدة مساحة) الذي يتم استقباله على المستوى المضاء، بوحدة اللوكس (lx).

(2) الإشعاع النشط ضوئياً، PAR، الوحدة: واط/م²

(3) كثافة تدفق الفوتونات الفعالة لعملية التمثيل الضوئي (PPFD أو PPF) هي كمية الإشعاع الفعال لعملية التمثيل الضوئي الذي يصل إلى وحدة الزمن ووحدة المساحة أو يمر عبرها، ووحدتها: ميكرومول/(م²·ث). تشير بشكل أساسي إلى شدة الضوء في نطاق 400-700 نانومتر المرتبط مباشرة بعملية التمثيل الضوئي. وهي أيضًا المؤشر الأكثر شيوعًا لشدة الضوء في مجال الإنتاج النباتي.

تحليل مصدر الضوء لنظام الإضاءة التكميلية النموذجي
يهدف استخدام الإضاءة التكميلية إلى زيادة شدة الإضاءة في المنطقة المستهدفة أو إطالة مدة الإضاءة من خلال تركيب نظام إضاءة تكميلية لتلبية احتياجات النباتات من الضوء. يتضمن نظام الإضاءة التكميلية عادةً معدات الإضاءة التكميلية، والدوائر الكهربائية، ونظام التحكم الخاص بها. وتشمل مصادر الإضاءة التكميلية أنواعًا شائعة مثل المصابيح المتوهجة، والمصابيح الفلورية، ومصابيح هاليد المعادن، ومصابيح الصوديوم عالية الضغط، ومصابيح LED. ونظرًا لانخفاض كفاءة المصابيح المتوهجة الكهربائية والبصرية، وانخفاض كفاءة الطاقة الضوئية، وغيرها من العيوب، فقد تم استبعادها من السوق، لذا لن يتناول هذا المقال تحليلًا مفصلًا لها.

■ مصباح فلورسنت
تُصنّف المصابيح الفلورية ضمن فئة مصابيح التفريغ الغازي منخفضة الضغط. يتكون أنبوبها الزجاجي من بخار الزئبق أو غاز خامل، ويُغطى جداره الداخلي بمسحوق فلوري. ويتغير لون الضوء تبعًا للمادة الفلورية المستخدمة في طلاء الأنبوب. تتميز المصابيح الفلورية بأداء طيفي ممتاز، وكفاءة إضاءة عالية، واستهلاك منخفض للطاقة، وعمر افتراضي طويل (12000 ساعة) مقارنةً بالمصابيح المتوهجة، فضلًا عن تكلفتها المنخفضة نسبيًا. ونظرًا لأن المصباح الفلوري يُصدر حرارة أقل، يُمكن وضعه بالقرب من النباتات لإضاءتها، مما يجعله مناسبًا للزراعة ثلاثية الأبعاد. مع ذلك، فإن التوزيع الطيفي للمصابيح الفلورية غير مُناسب. وتتمثل الطريقة الأكثر شيوعًا عالميًا في إضافة عاكسات لزيادة فعالية مصادر الضوء المُستخدمة في إضاءة المحاصيل في منطقة الزراعة. وقد طورت شركة "أدف-أغري" اليابانية نوعًا جديدًا من مصادر الإضاءة التكميلية، وهو مصباح HEFL، الذي يُصنف ضمن فئة المصابيح الفلورية. هو المصطلح العام لمصابيح الفلورسنت ذات الكاثود البارد (CCFL) ومصابيح الفلورسنت ذات القطب الخارجي (EEFL)، وهو مصباح فلورسنت ذو قطب مختلط. يتميز أنبوب HEFL بسمكه الفائق، حيث يبلغ قطره حوالي 4 مم فقط، ويمكن تعديل طوله من 450 مم إلى 1200 مم حسب احتياجات الزراعة. وهو نسخة مطورة من مصباح الفلورسنت التقليدي.

■ مصباح هاليد معدني
مصباح هاليد المعدن هو مصباح تفريغ عالي الكثافة، يُثير عناصر مختلفة لإنتاج أطوال موجية متنوعة بإضافة هاليدات معدنية مختلفة (مثل بروميد القصدير ويوديد الصوديوم) إلى أنبوب التفريغ، وذلك بالاعتماد على مصباح الزئبق عالي الضغط. تتميز مصابيح الهالوجين بكفاءة إضاءة عالية، وقدرة عالية، ولون ضوء جيد، وعمر طويل، وطيف واسع. مع ذلك، ونظرًا لأن كفاءتها الضوئية أقل من كفاءة مصابيح الصوديوم عالية الضغط، وعمرها أقصر منها، فإنها تُستخدم حاليًا في عدد قليل من المصانع.

■ مصباح الصوديوم عالي الضغط
تُصنّف مصابيح الصوديوم عالية الضغط ضمن فئة مصابيح التفريغ الغازي عالية الضغط. وهي مصابيح عالية الكفاءة، حيث يُملأ أنبوب التفريغ ببخار الصوديوم عالي الضغط، ويُضاف إليه كمية قليلة من غاز الزينون (Xe) وهاليد الزئبق. ونظرًا لكفاءتها العالية في تحويل الطاقة الكهروضوئية وانخفاض تكاليف تصنيعها، تُعدّ مصابيح الصوديوم عالية الضغط الأكثر استخدامًا حاليًا في تطبيقات الإضاءة التكميلية في المنشآت الزراعية. مع ذلك، ونظرًا لانخفاض كفاءة التمثيل الضوئي في طيفها، فإنها تعاني من انخفاض كفاءة الطاقة. من جهة أخرى، تتركز المكونات الطيفية المنبعثة من مصابيح الصوديوم عالية الضغط بشكل أساسي في نطاق الضوء الأصفر البرتقالي، ما يُفقدها الطيفين الأحمر والأزرق الضروريين لنمو النبات.

■ الصمام الثنائي الباعث للضوء
تُعدّ الثنائيات الباعثة للضوء (LED) جيلاً جديداً من مصادر الإضاءة، وتتمتع بالعديد من المزايا، منها كفاءة تحويل كهروضوئية عالية، وطيف ضوئي قابل للتعديل، وكفاءة عالية في عملية التمثيل الضوئي. تُصدر مصابيح LED ضوءاً أحادي اللون ضرورياً لنمو النباتات. وبالمقارنة مع المصابيح الفلورية العادية ومصادر الإضاءة التكميلية الأخرى، تتميز مصابيح LED بتوفير الطاقة، وحماية البيئة، وعمرها الطويل، وإضاءتها أحادية اللون، وكونها مصدراً للضوء البارد، وغيرها. ومع استمرار تحسين الكفاءة الكهروضوئية لمصابيح LED، وانخفاض التكاليف الناتج عن زيادة الإنتاج، ستصبح أنظمة إضاءة LED للزراعة هي المعدات الأساسية لتوفير الإضاءة التكميلية في المنشآت الزراعية. ونتيجة لذلك، تُستخدم مصابيح LED للزراعة في أكثر من 99.9% من مزارع النباتات.

من خلال المقارنة، يمكن فهم خصائص مصادر الإضاءة التكميلية المختلفة بوضوح، كما هو موضح في الجدول 1.

جهاز إضاءة محمول
ترتبط شدة الإضاءة ارتباطًا وثيقًا بنمو المحاصيل. غالبًا ما تُستخدم الزراعة ثلاثية الأبعاد في المصانع النباتية. مع ذلك، ونظرًا لمحدودية تصميم رفوف الزراعة، فإن التوزيع غير المتساوي للضوء ودرجة الحرارة بين الرفوف يؤثر على إنتاجية المحاصيل، ولا يتزامن موسم الحصاد. في عام 2010، نجحت إحدى الشركات في بكين في تطوير جهاز يدوي لرفع الإضاءة التكميلية (يجمع بين مصباح HPS ومصباح LED للنمو). يعتمد مبدأ عمله على تدوير عمود الدوران واللفافة المثبتة عليه عن طريق هز المقبض لتدوير بكرة الفيلم الصغيرة، ما يؤدي إلى سحب وفك سلك الإضاءة. يتصل سلك الإضاءة بعجلة لف الرافعة عبر عدة مجموعات من عجلات عكسية، ما يسمح بضبط ارتفاع الإضاءة. في عام 2017، صممت الشركة المذكورة وطورت جهازًا متنقلًا جديدًا للإضاءة التكميلية، قادرًا على ضبط ارتفاع الإضاءة تلقائيًا في الوقت الفعلي وفقًا لاحتياجات نمو المحاصيل. تم تركيب جهاز الضبط على رف الزراعة ثلاثي الأبعاد ذي الثلاث طبقات المزود بمصدر إضاءة. الطبقة العلوية هي الطبقة ذات الإضاءة المثلى، لذا فهي مزودة بمصابيح صوديوم عالية الضغط؛ أما الطبقتان الوسطى والسفلية فهما مزودتان بمصابيح LED للنمو ونظام ضبط الرفع. يقوم النظام بضبط ارتفاع مصباح النمو تلقائيًا لتوفير بيئة إضاءة مناسبة للمحاصيل.

بالمقارنة مع جهاز الإضاءة التكميلية المتنقل المصمم خصيصًا للزراعة ثلاثية الأبعاد، طورت هولندا جهاز إضاءة LED تكميليًا للنمو قابلًا للتحريك أفقيًا. ولتجنب تأثير ظل ضوء النمو على نمو النباتات تحت أشعة الشمس، يمكن تحريك نظام الإضاءة إلى جانبي الحامل أفقيًا عبر آلية انزلاق تلسكوبية، مما يضمن وصول أشعة الشمس إلى النباتات بشكل كامل. وفي الأيام الغائمة والممطرة، يُدفع نظام الإضاءة إلى منتصف الحامل لتوزيع الضوء بالتساوي على النباتات. كما أن تحريك نظام الإضاءة أفقيًا عبر آلية الانزلاق على الحامل يقلل من الحاجة إلى فكه وإزالته بشكل متكرر، ويخفف من الجهد المبذول من قبل الموظفين، مما يحسن كفاءة العمل بشكل فعال.

أفكار تصميمية لنظام إضاءة النمو النموذجي
ليس من الصعب أن نرى من تصميم جهاز الإضاءة التكميلية المتنقلة أن تصميم نظام الإضاءة التكميلية لمصنع النبات عادة ما يأخذ شدة الضوء وجودة الضوء ومعايير الفترة الضوئية لفترات نمو المحاصيل المختلفة كمحتوى أساسي للتصميم، معتمدًا على نظام التحكم الذكي للتنفيذ، مما يحقق الهدف النهائي المتمثل في توفير الطاقة وزيادة الإنتاجية.

في الوقت الراهن، وصل تصميم وبناء أنظمة الإضاءة التكميلية للخضراوات الورقية إلى مرحلة متقدمة من التطور. فعلى سبيل المثال، يمكن تقسيم الخضراوات الورقية إلى أربع مراحل: مرحلة الشتلات، ومرحلة النمو المتوسط، ومرحلة النمو المتأخر، ومرحلة الحصاد. أما الخضراوات الثمرية، فيمكن تقسيمها إلى مراحل: مرحلة الشتلات، ومرحلة النمو الخضري، ومرحلة الإزهار، ومرحلة الحصاد. من حيث خصائص شدة الإضاءة التكميلية، ينبغي أن تكون شدة الإضاءة في مرحلة الشتلات منخفضة قليلاً، عند 60-200 ميكرومول/(م²·ث)، ثم تزداد تدريجياً. يمكن أن تصل شدة الإضاءة في الخضراوات الورقية إلى 100-200 ميكرومول/(م²·ث)، وفي الخضراوات الثمرية إلى 300-500 ميكرومول/(م²·ث) لضمان متطلبات شدة الإضاءة اللازمة لعملية التمثيل الضوئي في كل مرحلة من مراحل النمو، وتحقيق إنتاجية عالية. أما من حيث جودة الضوء، فإن نسبة الضوء الأحمر إلى الضوء الأزرق تُعدّ بالغة الأهمية. لتحسين جودة الشتلات ومنع النمو المفرط في مرحلة الإنبات، تُضبط نسبة الضوء الأحمر إلى الأزرق عادةً عند مستوى منخفض (1-2:1)، ثم تُخفّض تدريجيًا لتلبية احتياجات النبات من الضوء. ويمكن ضبط هذه النسبة للخضراوات الورقية لتكون (3-6:1). أما بالنسبة لفترة الإضاءة، فيجب أن تزداد مع امتداد فترة النمو، تمامًا كما هو الحال مع شدة الضوء، وذلك لإتاحة وقت أطول لعملية التمثيل الضوئي للخضراوات الورقية. سيكون تصميم نظام الإضاءة التكميلية للفواكه والخضراوات أكثر تعقيدًا. إضافةً إلى القوانين الأساسية المذكورة، ينبغي التركيز على ضبط فترة الإضاءة خلال فترة الإزهار، مع ضرورة تحفيز إزهار وإثمار الخضراوات لتجنب أي نتائج عكسية.

تجدر الإشارة إلى أن تركيبة الإضاءة يجب أن تتضمن المعالجة النهائية لظروف الإضاءة. على سبيل المثال، يمكن للإضاءة المستمرة أن تُحسّن بشكل كبير من إنتاجية وجودة شتلات الخضراوات الورقية المزروعة بتقنية الزراعة المائية، أو يمكن استخدام الأشعة فوق البنفسجية لتحسين القيمة الغذائية للبراعم والخضراوات الورقية (خاصةً الخس الأرجواني والخس الأحمر) بشكل ملحوظ.

إلى جانب تحسين الإضاءة التكميلية لمحاصيل مختارة، شهد نظام التحكم في مصادر الإضاءة في بعض مصانع النباتات ذات الإضاءة الاصطناعية تطورًا سريعًا في السنوات الأخيرة. يعتمد هذا النظام عمومًا على بنية B/S، حيث يتم التحكم عن بُعد والتحكم التلقائي في العوامل البيئية كدرجة الحرارة والرطوبة والإضاءة وتركيز ثاني أكسيد الكربون أثناء نمو المحاصيل عبر تقنية الواي فاي، مما يتيح في الوقت نفسه أسلوب إنتاج غير مقيد بالظروف الخارجية. يستخدم هذا النوع من أنظمة الإضاءة التكميلية الذكية مصابيح LED للنمو كمصدر إضاءة تكميلي، وبالاقتران مع نظام تحكم ذكي عن بُعد، يلبي احتياجات النباتات من حيث طول موجة الإضاءة، وهو مناسب بشكل خاص لبيئات زراعة النباتات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في الإضاءة، ويلبي متطلبات السوق بكفاءة.

ملاحظات ختامية
تُعتبر المصانع النباتية وسيلةً مهمةً لحل مشكلات الموارد والسكان والبيئة في القرن الحادي والعشرين، وطريقةً أساسيةً لتحقيق الاكتفاء الذاتي الغذائي في مشاريع التكنولوجيا المتقدمة المستقبلية. وباعتبارها نمطًا جديدًا من أنماط الإنتاج الزراعي، لا تزال المصانع النباتية في طور التعلم والتطور، وتحتاج إلى مزيد من الاهتمام والبحث. تتناول هذه المقالة خصائص ومزايا أساليب الإضاءة التكميلية الشائعة في المصانع النباتية، وتقدم أفكارًا تصميمية لأنظمة الإضاءة التكميلية النموذجية للمحاصيل. ومن خلال المقارنة، يتضح أن معدات الإضاءة LED Grow هي الأنسب لمواجهة نقص الإضاءة الناتج عن الظروف الجوية القاسية كالغيوم والضباب المستمر، ولضمان إنتاجية عالية ومستقرة للمحاصيل في هذه المصانع، بما يتماشى مع اتجاهات التطوير الحالية.

ينبغي أن يركز التوجه المستقبلي لتطوير مصانع النباتات على أجهزة استشعار جديدة عالية الدقة ومنخفضة التكلفة، وأنظمة إضاءة قابلة للتحكم عن بُعد وذات طيف قابل للتعديل، وأنظمة تحكم متطورة. في الوقت نفسه، ستواصل مصانع النباتات المستقبلية تطورها نحو أن تكون منخفضة التكلفة وذكية وقادرة على التكيف الذاتي. يوفر استخدام مصادر إضاءة LED للنمو وانتشارها ضمانًا للتحكم البيئي عالي الدقة في مصانع النباتات. يُعد تنظيم بيئة إضاءة LED عملية معقدة تشمل تنظيمًا شاملاً لجودة الضوء وشدته وفترة الإضاءة. يحتاج الخبراء والباحثون المختصون إلى إجراء بحوث معمقة، وتعزيز استخدام إضاءة LED التكميلية في مصانع النباتات ذات الإضاءة الاصطناعية.