[ملخص] تعتمد أجهزة الزراعة المنزلية حاليًا على تصميم متكامل، مما يُسبب صعوبة في النقل والتحميل والتفريغ. وانطلاقًا من خصائص مساحات معيشة سكان المدن وهدف تصميم إنتاج النباتات المنزلية، تقترح هذه المقالة تصميمًا جديدًا لجهاز زراعة منزلي مُسبق الصنع. يتكون الجهاز من أربعة أجزاء: نظام دعم، ونظام زراعة، ونظام ري وتسميد، ونظام إضاءة (غالبًا مصابيح LED للنمو). يتميز الجهاز بصغر حجمه، واستغلاله الأمثل للمساحة، وهيكله المبتكر، وسهولة فكه وتركيبه، وانخفاض تكلفته، وفعاليته العالية. يُلبي الجهاز احتياجات سكان المدن فيما يتعلق بزراعة الخس والكرفس والخضراوات سريعة النمو والملفوف المغذي ونبات البيجونيا. وبعد إجراء تعديلات بسيطة، يُمكن استخدامه أيضًا في البحوث العلمية النباتية.

التصميم العام لمعدات الزراعة

مبادئ التصميم

صُممت وحدة الزراعة الجاهزة خصيصًا لسكان المدن. وقد درس الفريق خصائص مساحاتهم المعيشية دراسةً وافية. تتميز هذه الوحدة بصغر مساحتها وكفاءتها العالية في استغلال المساحة، فضلًا عن تصميمها المبتكر والجميل، وسهولة فكها وتركيبها، وبساطتها وسهولة تعلم استخدامها، وانخفاض تكلفتها، وفعاليتها العملية. وقد شكّلت هذه المبادئ الأربعة حجر الزاوية في عملية التصميم، سعيًا لتحقيق الهدف الأسمى المتمثل في التناغم مع البيئة المنزلية، والجمال، والقيمة الاقتصادية والعملية.

المواد المستخدمة

تم شراء إطار الدعم من رفوف متعددة الطبقات متوفرة في السوق، بطول 1.5 متر وعرض 0.6 متر وارتفاع 2.0 متر. وهو مصنوع من الفولاذ المطلي والمقاوم للصدأ، ومثبت بعجلات فرامل في زواياه الأربع. تم اختيار صفيحة مضلعة لتقوية طبقة إطار الدعم، وهي مصنوعة من صفيحة فولاذية بسمك 2 مم معالجة بطبقة بلاستيكية مقاومة للصدأ، قطعتان لكل طبقة. أما حوض الزراعة، فهو مصنوع من أنبوب PVC مربع مفتوح الغطاء، بأبعاد 10 سم × 10 سم. وهو مصنوع من لوح PVC صلب بسمك 2.4 مم. يبلغ قطر فتحات الزراعة 5 سم، والمسافة بينها 10 سم. أما خزان المحلول المغذي أو خزان الماء، فهو عبارة عن صندوق بلاستيكي بسمك جدار 7 مم، بطول 120 سم وعرض 50 سم وارتفاع 28 سم.

تصميم هيكل جهاز الزراعة

وفقًا لخطة التصميم العامة، يتكون جهاز الزراعة العائلي الجاهز من أربعة أجزاء: نظام دعم، ونظام زراعة، ونظام ري وتسميد، ونظام إضاءة تكميلية (غالبًا مصابيح LED للنمو). يوضح الشكل 1 توزيع هذه الأجزاء في النظام.

يوضح الشكل 1 التوزيع في النظام.

تصميم نظام دعم الدعم

يتكون نظام دعم جهاز الزراعة المنزلي الجاهز من عمود رأسي وعارضة ولوح داعم. يتم إدخال العمود والعارضة عبر مشبك ذي فتحة فراشة، مما يسهل فكهما وتركيبهما. العارضة مزودة بلوح داعم مقوى. تم لحام الزوايا الأربع لإطار الزراعة بعجلات دوارة مزودة بمكابح لزيادة مرونة حركة جهاز الزراعة.

تصميم نظام الزراعة

حوض الزراعة عبارة عن أنبوب مربع الشكل للزراعة المائية، أبعاده 10 سم × 10 سم، مزود بغطاء مفتوح يسهل تنظيفه، ويمكن استخدامه لزراعة النباتات في محلول مغذي، أو وسط زراعي، أو في التربة. في حالة الزراعة في محلول مغذي، توضع سلة الزراعة في فتحة الزراعة، وتُثبت الشتلات بإسفنجة مناسبة. أما عند زراعة النباتات في وسط زراعي أو في التربة، فتُحشى فتحات التوصيل في طرفي حوض الزراعة بإسفنجة أو شاش لمنع انسداد نظام الصرف. يتصل طرفا حوض الزراعة بنظام الدوران بواسطة خرطوم مطاطي بقطر داخلي 30 مم، مما يمنع بشكل فعال عيوب التصلب الهيكلي الناتجة عن استخدام غراء PVC، والتي تعيق حركة النباتات.

تصميم نظام تدوير المياه والأسمدة

في الزراعة باستخدام المحلول المغذي، تُستخدم مضخة قابلة للتعديل لإضافة المحلول المغذي إلى خزان الزراعة العلوي، ويتم التحكم في اتجاه تدفق المحلول عبر السدادة الداخلية لأنبوب PVC. ولتجنب التدفق غير المنتظم للمحلول المغذي، يُعتمد في خزان الزراعة ذي الطبقة الواحدة تدفق أحادي الاتجاه على شكل حرف "S". ولزيادة محتوى الأكسجين في المحلول المغذي، تُصمم فجوة معينة بين مخرج الماء ومستوى السائل في خزان الماء عند خروج المحلول من الطبقة السفلية. أما في الزراعة في الركيزة أو التربة، فيُوضع خزان الماء في الطبقة العلوية، ويتم الري والتسميد عبر نظام الري بالتنقيط. الأنبوب الرئيسي مصنوع من البولي إيثيلين الأسود بقطر 32 مم وسماكة جدار 2.0 مم، بينما الأنابيب الفرعية مصنوعة من البولي إيثيلين الأسود بقطر 16 مم وسماكة جدار 1.2 مم. ويُزود كل أنبوب فرعي بصمام للتحكم الفردي. يستخدم نظام الري بالتنقيط قطارة مستقيمة ذات رأس مقوّس معوضة للضغط، اثنتان لكل فتحة، تُغرس في جذر الشتلة في حفرة الزراعة. ويتم تجميع الماء الزائد من خلال نظام الصرف، ثم ترشيحه وإعادة استخدامه.

نظام المكملات الغذائية الخفيفة

عند استخدام جهاز الزراعة في الشرفة، يمكن الاستفادة من ضوء الشمس الطبيعي دون الحاجة إلى إضاءة إضافية أو بكمية قليلة منها. أما عند الزراعة في غرفة المعيشة، فيُشترط توفير إضاءة إضافية. وحدة الإضاءة عبارة عن مصباح LED للنمو بطول 1.2 متر، ويتم التحكم في مدة الإضاءة بواسطة مؤقت تلقائي. مدة الإضاءة مضبوطة على 14 ساعة، ومدة الإضاءة بدون إضاءة إضافية 10 ساعات. يوجد 4 مصابيح LED في كل طبقة، مثبتة في أسفلها. تُوصل الأنابيب الأربعة في الطبقة الواحدة على التوالي، بينما تُوصل الطبقات على التوازي. وبناءً على احتياجات الإضاءة المختلفة للنباتات، يمكن اختيار مصابيح LED ذات أطياف ضوئية مختلفة.

تجميع الأجهزة

جهاز الزراعة المنزلية الجاهز بسيط التركيب (الشكل 2)، وعملية تجميعه سهلة. في الخطوة الأولى، بعد تحديد ارتفاع كل طبقة وفقًا لارتفاع المحاصيل المزروعة، يتم إدخال العارضة في فتحة الفراشة الموجودة في العمود الرأسي لتكوين هيكل الجهاز. في الخطوة الثانية، يتم تثبيت أنبوب إضاءة LED على الضلع المقوي الموجود في الجزء الخلفي من الطبقة، ثم توضع الطبقة في الحوض الداخلي للعارضة المتقاطعة لإطار الزراعة. في الخطوة الثالثة، يتم توصيل حوض الزراعة بنظام تدوير المياه والأسمدة بواسطة خرطوم مطاطي. في الخطوة الرابعة، يتم تركيب أنبوب LED، وضبط المؤقت التلقائي، ووضع خزان المياه. في الخطوة الخامسة - ضبط النظام - يتم إضافة الماء إلى خزان المياه، وبعد ضبط رأس المضخة ومعدل التدفق، يتم فحص نظام تدوير المياه والأسمدة ووصلة خزان الزراعة للتأكد من عدم وجود تسريب للمياه، ثم يتم تشغيل الجهاز والتحقق من توصيلات مصابيح LED وحالة عمل المؤقت التلقائي.

الشكل 2، التصميم العام لجهاز الزراعة الجاهز

التطبيق والتقييم

تطبيق الزراعة

في عام 2019، استُخدم الجهاز لزراعة الخضراوات على نطاق صغير داخل المنازل، مثل الخس والملفوف الصيني والكرفس (الشكل 3). وفي عام 2020، استنادًا إلى الخبرة الزراعية السابقة، طوّر فريق المشروع تقنية زراعة الخضراوات الغذائية والدوائية في ركائز عضوية، وتقنية زراعة نبات بيجونيا فيمبريستيبولا هانس في محاليل مغذية، مما أثرى تطبيقات الجهاز المنزلية. خلال العامين الماضيين من الزراعة والتطبيق، أمكن حصاد الخس والخضراوات سريعة النمو بعد 25 يومًا من زراعتها في درجة حرارة داخلية تتراوح بين 20 و25 درجة مئوية؛ بينما يحتاج الكرفس إلى النمو لمدة تتراوح بين 35 و40 يومًا؛ أما بيجونيا فيمبريستيبولا هانس والملفوف الصيني فهما نباتات معمرة يمكن حصادها عدة مرات؛ ويمكن حصاد الجزء العلوي من سيقان وأوراق بيجونيا فيمبريستيبولا (بطول 10 سم) في غضون 35 يومًا تقريبًا، بينما يمكن حصاد السيقان والأوراق الصغيرة في غضون 45 يومًا تقريبًا لزراعة الملفوف. عند الحصاد، يكون محصول الخس والملفوف الصيني من 100 إلى 150 غرامًا لكل نبتة؛ ويتراوح محصول الكرفس الأبيض والكرفس الأحمر من 100 إلى 120 غرامًا لكل نبتة؛ أما محصول بيجونيا فيمبريستيبولا هانس في الحصاد الأول فهو منخفض، من 20 إلى 30 غرامًا لكل نبتة، ومع استمرار إنبات الفروع الجانبية، يمكن حصاده للمرة الثانية، بفاصل زمني يبلغ حوالي 15 يومًا، ويتراوح محصوله من 60 إلى 80 غرامًا لكل نبتة؛ ويبلغ محصول ثقوب التغذية من 50 إلى 80 غرامًا، ويتم حصاده مرة كل 25 يومًا، ويمكن حصاده بشكل مستمر.

الشكل 3، تطبيق إنتاج جهاز الزراعة الجاهز

تأثيرات التطبيق

بعد أكثر من عام من الإنتاج والتطبيق، يُمكن للجهاز الاستفادة الكاملة من المساحة ثلاثية الأبعاد للغرفة لإنتاج محاصيل متنوعة على نطاق صغير. عمليات التحميل والتفريغ بسيطة وسهلة التعلم، ولا تتطلب تدريبًا متخصصًا. من خلال ضبط رفع وتدفق مضخة المياه، يُمكن تجنب مشكلة التدفق الزائد وطفح المحلول المغذي في خزان الزراعة. تصميم الغطاء المفتوح لخزان الزراعة لا يُسهّل التنظيف بعد الاستخدام فحسب، بل يُسهّل أيضًا استبدال الملحقات عند تلفها. يتصل خزان الزراعة بخرطوم مطاطي لنظام تدوير المياه والأسمدة، مما يُحقق تصميمًا معياريًا لخزان الزراعة ونظام تدوير المياه والأسمدة، ويتجنب عيوب التصميم المتكامل في أجهزة الزراعة المائية التقليدية. إضافةً إلى ذلك، يُمكن استخدام الجهاز في البحث العلمي في ظل ظروف درجة حرارة ورطوبة قابلة للتحكم، إلى جانب إنتاج المحاصيل المنزلية. فهو لا يُوفر مساحة الاختبار فحسب، بل يُلبي أيضًا متطلبات بيئة الإنتاج، وخاصةً ثبات بيئة نمو الجذور. بعد إجراء تحسينات بسيطة، يمكن لجهاز الزراعة أيضًا تلبية متطلبات طرق المعالجة المختلفة لبيئة الجذور، وقد تم استخدامه على نطاق واسع في التجارب العلمية النباتية.

مصدر المقال: حساب وي تشات لـتكنولوجيا الهندسة الزراعية (زراعة البيوت المحمية) 

المعلومات المرجعية: وانغ فاي، وانغ تشانغي، شي جينغشوان، وآخرون.تصميم وتطبيق جهاز زراعة منزلي مسبق الصنع[J]. هندسة التكنولوجيا الزراعية، 2021، 41 (16): 12-15.