[ملخص] استنادًا إلى عدد كبير من البيانات التجريبية، تناقش هذه المقالة عدة قضايا مهمة في اختيار جودة الإضاءة في المصانع النباتية، بما في ذلك اختيار مصادر الإضاءة، وتأثيرات الضوء الأحمر والأزرق والأصفر، واختيار النطاقات الطيفية، وذلك بهدف تقديم رؤى معمقة حول جودة الإضاءة في هذه المصانع. كما يقدم تحديد استراتيجية التوافق بعض الحلول العملية التي يمكن الاسترشاد بها.
اختيار مصدر الضوء

تستخدم مزارع النباتات عادةً مصابيح LED. ويعود ذلك إلى خصائصها المتميزة، كالكفاءة الضوئية العالية، واستهلاك الطاقة المنخفض، وانخفاض توليد الحرارة، وطول العمر، وإمكانية تعديل شدة الإضاءة وطيفها، مما يلبي متطلبات نمو النباتات وتراكم المواد بكفاءة، فضلاً عن توفير الطاقة، وخفض الحرارة المتولدة، وتكاليف الكهرباء. وتنقسم مصابيح LED المخصصة للزراعة إلى ثلاثة أنواع: مصابيح LED أحادية الشريحة واسعة الطيف للأغراض العامة، ومصابيح LED أحادية الشريحة واسعة الطيف مخصصة لأنواع معينة من النباتات، ومصابيح LED متعددة الشرائح قابلة لتعديل الطيف. وعادةً ما يزيد سعر النوعين الأخيرين (مصابيح LED المخصصة للنباتات) عن خمسة أضعاف سعر مصابيح LED العادية، لذا يُنصح باختيار مصادر إضاءة مختلفة حسب الغرض. وبالنسبة لمزارع النباتات الكبيرة، تتغير أنواع النباتات المزروعة تبعًا لمتطلبات السوق. ولتقليل تكاليف الإنشاء دون التأثير بشكل كبير على كفاءة الإنتاج، يوصي الكاتب باستخدام رقائق LED واسعة الطيف للإضاءة العامة. بالنسبة للمزارع الصغيرة، إذا كانت أنواع النباتات ثابتة نسبيًا، ولتحقيق كفاءة إنتاجية وجودة عاليتين دون زيادة كبيرة في تكلفة الإنشاء، يمكن استخدام رقائق LED واسعة الطيف للإضاءة المخصصة لأنواع معينة من النباتات أو الإضاءة العامة. أما إذا كان الهدف دراسة تأثير الضوء على نمو النباتات وتراكم المواد الفعالة، بهدف توفير أفضل تركيبة إضاءة للإنتاج على نطاق واسع مستقبلًا، فيمكن استخدام مجموعة متعددة من رقائق LED ذات طيف قابل للتعديل لتغيير عوامل مثل شدة الضوء وطيفه ومدة الإضاءة، وذلك للحصول على أفضل تركيبة إضاءة لكل نبتة، مما يوفر أساسًا للإنتاج على نطاق واسع.

الضوء الأحمر والأزرق

فيما يتعلق بالنتائج التجريبية المحددة، أظهرت التجربة أنه عندما يكون محتوى الضوء الأحمر (R) أعلى من محتوى الضوء الأزرق (B) (الخس R:B = 6:2 و7:3؛ السبانخ R:B = 4:1؛ شتلات القرع R:B = 7:3؛ شتلات الخيار R:B = 7:3)، كان محتوى الكتلة الحيوية (بما في ذلك ارتفاع الجزء الهوائي من النبات، وأقصى مساحة للأوراق، والوزن الطازج والوزن الجاف، وما إلى ذلك) أعلى، بينما كان قطر الساق ومؤشر قوة الشتلات أكبر عندما كان محتوى الضوء الأزرق أعلى من محتوى الضوء الأحمر. بالنسبة للمؤشرات البيوكيميائية، فإن محتوى الضوء الأحمر الأعلى من محتوى الضوء الأزرق مفيد بشكل عام لزيادة محتوى السكريات الذائبة في النباتات. ومع ذلك، بالنسبة لتراكم فيتامين ج، والبروتين الذائب، والكلوروفيل، والكاروتينات في النباتات، من الأفضل استخدام إضاءة LED ذات محتوى أعلى من الضوء الأزرق مقارنةً بالضوء الأحمر، كما أن محتوى مالونديالدهيد يكون منخفضًا نسبيًا في ظل ظروف الإضاءة هذه.

بما أن مصنع النباتات يُستخدم بشكل أساسي لزراعة الخضراوات الورقية أو لإنتاج الشتلات على نطاق صناعي، فإنه يمكن استنتاج من النتائج السابقة أنه مع مراعاة زيادة الإنتاج والجودة، يُفضّل استخدام رقائق LED ذات محتوى ضوئي أحمر أعلى من الضوء الأزرق كمصدر للضوء. وتُعدّ النسبة المثلى هي 7:3 (أحمر:أزرق). علاوة على ذلك، فإن هذه النسبة من الضوء الأحمر والأزرق قابلة للتطبيق بشكل عام على جميع أنواع الخضراوات الورقية أو الشتلات، ولا توجد متطلبات خاصة لأنواع النباتات المختلفة.

اختيار الطول الموجي الأحمر والأزرق

أثناء عملية التمثيل الضوئي، تُمتص طاقة الضوء بشكل رئيسي عبر الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب. يوضح الشكل أدناه أطياف امتصاص الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب، حيث يمثل الخط الطيفي الأخضر طيف امتصاص الكلوروفيل أ، بينما يمثل الخط الطيفي الأزرق طيف امتصاص الكلوروفيل ب. يتضح من الشكل أن لكل من الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب قمتي امتصاص، إحداهما في منطقة الضوء الأزرق والأخرى في منطقة الضوء الأحمر. إلا أن هاتين القمتين تختلفان قليلاً. تحديدًا، يبلغ طول موجتي القمتين للكلوروفيل أ 430 نانومتر و662 نانومتر على التوالي، بينما يبلغ طول موجتي القمتين للكلوروفيل ب 453 نانومتر و642 نانومتر على التوالي. لن تتغير قيم الطول الموجي الأربعة هذه مع اختلاف النباتات، لذا فإن اختيار الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء في مصدر الضوء لن يتغير مع اختلاف أنواع النباتات.

أطياف امتصاص الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب

يمكن استخدام مصابيح LED عادية ذات طيف واسع كمصدر إضاءة في مصنع النباتات، شريطة أن يغطي الضوء الأحمر والأزرق نطاقي الطول الموجي للكلوروفيل أ والكلوروفيل ب، أي أن نطاق الطول الموجي للضوء الأحمر يتراوح عادةً بين 620 و680 نانومتر، بينما يتراوح نطاق الطول الموجي للضوء الأزرق بين 400 و480 نانومتر. مع ذلك، يجب ألا يكون نطاق الطول الموجي للضوء الأحمر والأزرق واسعًا جدًا، لأنه لا يهدر طاقة الضوء فحسب، بل قد يكون له آثار سلبية أخرى.

إذا تم استخدام ضوء LED مكون من رقائق حمراء وصفراء وزرقاء كمصدر للضوء في مصنع النباتات، فيجب ضبط الطول الموجي الأقصى للضوء الأحمر على الطول الموجي الأقصى للكلوروفيل أ، أي عند 660 نانومتر، ويجب ضبط الطول الموجي الأقصى للضوء الأزرق على الطول الموجي الأقصى للكلوروفيل ب، أي عند 450 نانومتر.

دور الضوء الأصفر والأخضر

يكون ذلك أكثر ملاءمة عندما تكون نسبة الضوء الأحمر والأخضر والأزرق هي 6:1:3. أما بالنسبة لتحديد ذروة الطول الموجي للضوء الأخضر، فنظرًا لدوره التنظيمي الرئيسي في عملية نمو النبات، يكفي أن يكون بين 530 و550 نانومتر.

ملخص

تتناول هذه المقالة استراتيجية اختيار جودة الإضاءة في المصانع النباتية من الناحيتين النظرية والعملية، بما في ذلك اختيار نطاق الطول الموجي للضوء الأحمر والأزرق في مصدر إضاءة LED، ودور الضوء الأصفر والأخضر ونسبتهما. في عملية نمو النبات، ينبغي مراعاة التوافق الأمثل بين ثلاثة عوامل رئيسية: شدة الإضاءة، وجودتها، ومدة التعرض لها، وعلاقتها بالعناصر الغذائية، ودرجة الحرارة، والرطوبة، وتركيز ثاني أكسيد الكربون. في الإنتاج الفعلي، سواءً أكان الهدف استخدام ضوء LED واسع الطيف أو ضوء LED متعدد الشرائح قابل لضبط الطيف، فإن نسبة الأطوال الموجية هي الاعتبار الأساسي، لأنه بالإضافة إلى جودة الإضاءة، يمكن تعديل العوامل الأخرى في الوقت الفعلي أثناء التشغيل. لذا، يُعد اختيار جودة الإضاءة أهم اعتبار في مرحلة تصميم المصانع النباتية.

المؤلف: يونغ شو

مصدر المقال: حساب WeChat الخاص بتكنولوجيا الهندسة الزراعية (زراعة البيوت المحمية)

المرجع: يونغ شو،استراتيجية اختيار جودة الضوء في المصانع النباتية [J]. هندسة التكنولوجيا الزراعية، 2022، 42(4): 22-25.