مقدمة

يلعب الضوء دورًا محوريًا في عملية نمو النبات، فهو أفضل سماد لتعزيز امتصاص الكلوروفيل وامتصاص مختلف العناصر الغذائية اللازمة لنمو النبات، مثل الكاروتين. مع ذلك، فإن العامل الحاسم في تحديد نمو النباتات هو عامل شامل، لا يقتصر على الضوء فحسب، بل يشمل أيضًا جودة الماء والتربة والسماد، وظروف بيئة النمو، والتحكم التقني المتكامل.

خلال العامين أو الثلاثة أعوام الماضية، توالت التقارير حول استخدام تقنية إضاءة أشباه الموصلات في مزارع النباتات ثلاثية الأبعاد أو في نمو النباتات. ولكن بعد قراءة هذه التقارير بتأنٍّ، يبقى شعورٌ بالقلق. فعمومًا، لا يوجد فهمٌ حقيقيٌّ لدور الضوء في نمو النباتات.

لنبدأ بفهم طيف الشمس، كما هو موضح في الشكل 1. يتضح أن الطيف الشمسي طيف متصل، حيث يكون الطيف الأزرق والأخضر أقوى من الطيف الأحمر، ويتراوح طيف الضوء المرئي بين 380 و780 نانومتر. يرتبط نمو الكائنات الحية في الطبيعة بشدة هذا الطيف. على سبيل المثال، تنمو معظم النباتات في المناطق القريبة من خط الاستواء بسرعة كبيرة، ويكون حجم نموها كبيرًا نسبيًا. لكن شدة إشعاع الشمس العالية ليست دائمًا الأفضل، فهناك درجة معينة من الانتقائية في نمو الحيوانات والنباتات.

الشكل 1، خصائص الطيف الشمسي وطيف الضوء المرئي الخاص به

ثانيًا، يظهر مخطط الطيف الثاني لعدة عناصر امتصاص رئيسية لنمو النبات في الشكل 2.

الشكل 2، أطياف امتصاص العديد من الأوكسينات في نمو النبات

يتضح من الشكل 2 أن أطياف امتصاص الضوء لعدة أوكسينات رئيسية تؤثر على نمو النبات تختلف اختلافًا كبيرًا. لذا، فإن استخدام مصابيح LED لنمو النبات ليس بالأمر البسيط، بل يتطلب دقة عالية. ومن الضروري هنا شرح مفهومي أهم عنصرين في عملية التمثيل الضوئي لنمو النبات.

• الكلوروفيل

الكلوروفيل أحد أهم الأصباغ المرتبطة بعملية التمثيل الضوئي. وهو موجود في جميع الكائنات الحية القادرة على القيام بهذه العملية، بما في ذلك النباتات الخضراء، والطحالب الخضراء المزرقة بدائية النواة (البكتيريا الزرقاء)، والطحالب حقيقية النواة. يمتص الكلوروفيل الطاقة من الضوء، والتي تُستخدم بعد ذلك لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات.

يمتص الكلوروفيل أ الضوء الأحمر بشكل أساسي، بينما يمتص الكلوروفيل ب الضوء الأزرق البنفسجي بشكل أساسي، وذلك لتمييز نباتات الظل عن نباتات الشمس. نسبة الكلوروفيل ب إلى الكلوروفيل أ في نباتات الظل منخفضة، مما يسمح لها بالاستفادة القصوى من الضوء الأزرق والتكيف مع النمو في الظل. يتميز الكلوروفيل أ بلونه الأزرق المخضر، بينما يتميز الكلوروفيل ب بلونه الأصفر المخضر. يوجد امتصاصان قويان للكلوروفيل أ والكلوروفيل ب، أحدهما في نطاق الضوء الأحمر بطول موجي يتراوح بين 630 و680 نانومتر، والآخر في نطاق الضوء الأزرق البنفسجي بطول موجي يتراوح بين 400 و460 نانومتر.

• الكاروتينات

الكاروتينات مصطلح عام يُطلق على فئة من الأصباغ الطبيعية الهامة، والتي توجد عادةً باللون الأصفر أو البرتقالي المحمر أو الأحمر في الحيوانات والنباتات الراقية والفطريات والطحالب. وقد تم اكتشاف أكثر من 600 نوع من الكاروتينات الطبيعية حتى الآن.

يغطي امتصاص الكاروتينات للضوء نطاقًا يتراوح بين 303 و505 نانومتر، وهو ما يمنح الطعام لونه ويؤثر على امتصاص الجسم له. في الطحالب والنباتات والكائنات الدقيقة، يُغطى لونها بالكلوروفيل فلا يظهر. في الخلايا النباتية، لا تقتصر وظيفة الكاروتينات المنتجة على امتصاص الطاقة ونقلها للمساعدة في عملية التمثيل الضوئي، بل تشمل أيضًا حماية الخلايا من التلف الناتج عن جزيئات الأكسجين ذات الرابطة الإلكترونية المفردة المثارة.

بعض المفاهيم الخاطئة

بغض النظر عن تأثيرها في توفير الطاقة، وانتقائية الضوء، وتنسيقه، فقد أظهرت إضاءة أشباه الموصلات مزايا كبيرة. مع ذلك، شهدنا خلال العامين الماضيين تطورًا سريعًا، وظهرت أيضًا العديد من المفاهيم الخاطئة في تصميم الإضاءة وتطبيقاتها، والتي تتجلى بشكل رئيسي في الجوانب التالية.

① طالما تم دمج الرقائق الحمراء والزرقاء ذات الطول الموجي المحدد بنسبة معينة، فيمكن استخدامها في زراعة النباتات، على سبيل المثال، نسبة الأحمر إلى الأزرق هي 4:1، 6:1، 9:1 وما إلى ذلك.

٢- طالما أنه ضوء أبيض، فإنه يمكن أن يحل محل ضوء الشمس، مثل أنبوب الضوء الأبيض ثلاثي الألوان المستخدم على نطاق واسع في اليابان، وما إلى ذلك. إن استخدام هذه الأطياف له تأثير معين على نمو النباتات، لكن التأثير ليس جيدًا مثل مصدر الضوء المصنوع من LED.

③ طالما أن كثافة تدفق الكم الضوئي (PPFD)، وهي مُعامل مهم للإضاءة، تصل إلى قيمة مُعينة، على سبيل المثال، أن تكون PPFD أكبر من 200 ميكرومول/م²/ثانية. مع ذلك، عند استخدام هذا المؤشر، يجب الانتباه إلى ما إذا كانت النبتة تنمو في الظل أو في الشمس. من الضروري البحث عن نقطة تشبع تعويض الضوء لهذه النباتات، والتي تُسمى أيضًا نقطة تعويض الضوء. في التطبيقات العملية، غالبًا ما تحترق الشتلات أو تذبل. لذلك، يجب تصميم هذا المُعامل وفقًا لنوع النبات وبيئة نموه وظروفه.

فيما يتعلق بالجانب الأول، وكما ذُكر في المقدمة، ينبغي أن يكون الطيف الضوئي اللازم لنمو النبات طيفًا متصلًا بعرض توزيع معين. ومن الواضح أنه من غير المناسب استخدام مصدر ضوئي مصنوع من شريحتين ضوئيتين محددتين بطول موجي معين، إحداهما حمراء والأخرى زرقاء، ذات طيف ضيق جدًا (كما هو موضح في الشكل 3(أ)). وقد أظهرت التجارب أن النباتات تميل إلى الاصفرار، وأن سيقان أوراقها فاتحة اللون جدًا، ورفيعة جدًا.

بالنسبة لأنابيب الفلورسنت ذات الألوان الأساسية الثلاثة الشائعة الاستخدام في السنوات السابقة، فعلى الرغم من تصنيع اللون الأبيض، إلا أن أطياف الأحمر والأخضر والأزرق منفصلة (كما هو موضح في الشكل 3(ب))، وعرض الطيف ضيق للغاية. تكون شدة الطيف في الجزء المتصل التالي ضعيفة نسبيًا، بينما يظل استهلاك الطاقة مرتفعًا نسبيًا مقارنةً بمصابيح LED، حيث يتراوح بين 1.5 و3 أضعاف استهلاك الطاقة. لذلك، فإن كفاءة استخدامها ليست بجودة مصابيح LED.

الشكل 3، ضوء نباتي LED ذو رقائق حمراء وزرقاء وطيف ضوء فلورسنت بثلاثة ألوان أساسية

كثافة تدفق الكم الضوئي (PPFD) هي كثافة تدفق الكم الضوئي، وتشير إلى كثافة تدفق الإشعاع الضوئي الفعال في عملية التمثيل الضوئي، وتمثل العدد الإجمالي لكمات الضوء الساقطة على سيقان أوراق النبات في نطاق الأطوال الموجية من 400 إلى 700 نانومتر لكل وحدة زمنية ووحدة مساحة. ووحدتها هي ميكرومول/م²·ث (μE·m⁻²·s⁻¹). أما الإشعاع النشط ضوئيًا (PAR) فيشير إلى إجمالي الإشعاع الشمسي ذي الطول الموجي في نطاق 400 إلى 700 نانومتر. ويمكن التعبير عنه إما بكمات الضوء أو بالطاقة الإشعاعية.

في السابق، كان قياس شدة الضوء المنعكس بواسطة جهاز قياس الإضاءة يُشير إلى السطوع، ولكن طيف نمو النبات يتغير تبعًا لارتفاع مصدر الضوء عن النبات، وتغطية الضوء، وقدرة الضوء على اختراق الأوراق. لذا، لا يُعد استخدام مؤشر PAR كمؤشر لشدة الضوء في دراسة عملية التمثيل الضوئي دقيقًا.

بشكل عام، تبدأ عملية التمثيل الضوئي عندما تتجاوز كثافة تدفق الفوتونات الضوئية (PPFD) للنباتات المحبة للشمس 50 ميكرومول/م²/ثانية، بينما تحتاج النباتات المحبة للظل إلى 20 ميكرومول/م²/ثانية فقط. لذا، عند شراء مصابيح LED للزراعة، يمكنك اختيار عددها بناءً على هذه القيمة المرجعية ونوع النباتات التي تزرعها. على سبيل المثال، إذا كانت كثافة تدفق الفوتونات الضوئية لمصباح LED واحد 20 ميكرومول/م²/ثانية، فستحتاج إلى أكثر من 3 مصابيح LED مخصصة للنباتات المحبة للشمس.

حلول تصميم متعددة لإضاءة أشباه الموصلات

تُستخدم إضاءة أشباه الموصلات لنمو النباتات أو زراعتها، وهناك طريقتان مرجعيتان أساسيتان.

• يحظى نموذج الزراعة الداخلية بشعبية كبيرة في الصين حالياً. يتميز هذا النموذج بعدة خصائص:

① يتمثل دور مصابيح LED في توفير الطيف الكامل لإضاءة النبات، ويتطلب نظام الإضاءة توفير كل طاقة الإضاءة، وتكون تكلفة الإنتاج مرتفعة نسبيًا؛
② يجب أن يراعي تصميم مصابيح LED للنمو استمرارية وسلامة الطيف؛
③ من الضروري التحكم بشكل فعال في وقت الإضاءة وشدتها، مثل ترك النباتات تستريح لبضع ساعات، أو إذا كانت شدة الإشعاع غير كافية أو قوية جدًا، وما إلى ذلك؛
④ يجب أن تحاكي العملية بأكملها الظروف المطلوبة لبيئة النمو المثلى الفعلية للنباتات في الهواء الطلق، مثل الرطوبة ودرجة الحرارة وتركيز ثاني أكسيد الكربون.

• وضع الزراعة الخارجية مع أساس متين للزراعة في البيوت الزجاجية الخارجية. خصائص هذا النموذج هي:

① يتمثل دور مصابيح LED في توفير إضاءة إضافية. يتمثل أحد جوانبها في تعزيز شدة الإضاءة في المناطق الزرقاء والحمراء تحت أشعة الشمس خلال النهار لتعزيز عملية التمثيل الضوئي للنباتات، والآخر في التعويض عن نقص ضوء الشمس ليلاً لتعزيز معدل نمو النبات.
② يجب مراعاة مرحلة نمو النبات عند استخدام الإضاءة التكميلية، مثل فترة الشتلات أو فترة الإزهار والإثمار.

لذا، ينبغي أن يتضمن تصميم مصابيح LED لنمو النباتات نمطين أساسيين، هما: الإضاءة المستمرة على مدار 24 ساعة (للزراعة الداخلية) والإضاءة التكميلية لنمو النبات (للزراعة الخارجية). بالنسبة للزراعة الداخلية، يتطلب تصميم مصابيح LED مراعاة ثلاثة جوانب، كما هو موضح في الشكل 4. ولا يمكن تغليف الرقائق بثلاثة ألوان أساسية بنسب محددة.

الشكل 4، فكرة تصميم استخدام مصابيح LED داخلية معززة لنمو النباتات للإضاءة على مدار 24 ساعة

على سبيل المثال، بالنسبة للطيف في مرحلة الحضانة، مع الأخذ في الاعتبار أنه يحتاج إلى تقوية نمو الجذور والسيقان، وتقوية تفرع الأوراق، ويتم استخدام مصدر الضوء في الداخل، يمكن تصميم الطيف كما هو موضح في الشكل 5.

الشكل 5، الهياكل الطيفية المناسبة لفترة حضانة الأطفال الداخلية باستخدام مصابيح LED

يهدف تصميم النوع الثاني من مصابيح LED لنمو النباتات بشكل أساسي إلى توفير إضاءة إضافية لتعزيز نمو النباتات في قاعدة البيوت الزجاجية الخارجية. يوضح الشكل 6 فكرة التصميم.

الشكل 6، أفكار تصميم مصابيح النمو الخارجية 

يقترح الكاتب أن تتبنى المزيد من شركات الزراعة الخيار الثاني المتمثل في استخدام مصابيح LED لتعزيز نمو النباتات.

أولاً، تتمتع الصين بخبرة واسعة وممتدة لعقود في مجال الزراعة المحمية في الهواء الطلق، سواء في الجنوب أو الشمال. ولديها أساس متين في تقنيات الزراعة المحمية، وتوفر كميات كبيرة من الفواكه والخضراوات الطازجة للمدن المجاورة. وقد حققت نتائج بحثية قيّمة، لا سيما في مجال تحسين التربة والمياه والأسمدة الزراعية.

ثانيًا، يُمكن لهذا النوع من حلول الإضاءة التكميلية أن يُقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة غير الضروري، وفي الوقت نفسه يُمكنه زيادة إنتاجية الفواكه والخضراوات بشكل فعال. إضافةً إلى ذلك، تُعدّ المساحة الجغرافية الشاسعة للصين عاملًا مُلائمًا جدًا للترويج لهذا النوع من الحلول.

باعتبارها بحثًا علميًا في مجال إضاءة النباتات بتقنية LED، فإنها توفر أيضًا قاعدة تجريبية أوسع نطاقًا. يوضح الشكل 7 نوعًا من مصابيح LED المخصصة لنمو النباتات، والتي طورها فريق البحث هذا، وهي مناسبة للزراعة في البيوت الزجاجية، ويظهر طيفها في الشكل 8.

الشكل 7، نوع من مصابيح LED لنمو النباتات

الشكل 8، طيف نوع من مصابيح LED لنمو النباتات

استنادًا إلى أفكار التصميم المذكورة أعلاه، أجرى فريق البحث سلسلة من التجارب، وكانت نتائجها بالغة الأهمية. فعلى سبيل المثال، في مرحلة نمو الشتلات، كان المصباح المستخدم في الأصل مصباحًا فلوريًا بقدرة 32 واط، ودورة نمو الشتلات 40 يومًا. قمنا بتوفير مصباح LED بقدرة 12 واط، مما قلل دورة نمو الشتلات إلى 30 يومًا، وخفّض بشكل ملحوظ تأثير درجة حرارة المصابيح في ورشة الشتلات، ووفر استهلاك الطاقة لمكيف الهواء. وقد تحسّن سمك الشتلات وطولها ولونها مقارنةً بالحل التقليدي. وبالنسبة لشتلات الخضراوات الشائعة، تم التوصل أيضًا إلى نتائج إيجابية، مُلخّصة في الجدول التالي.

من بينها، بلغت كثافة تدفق الفوتونات الضوئية (PPFD) في مجموعة الإضاءة التكميلية 70-80 ميكرومول/م²/ثانية، ونسبة الأحمر إلى الأزرق 0.6-0.7. أما في المجموعة الطبيعية، فتراوحت قيمة PPFD خلال النهار بين 40 و800 ميكرومول/م²/ثانية، ونسبة الأحمر إلى الأزرق بين 0.6 و1.2. يتضح من ذلك أن هذه المؤشرات أفضل من تلك الخاصة بالشتلات النامية طبيعياً.

خاتمة

تُقدّم هذه المقالة أحدث التطورات في استخدام مصابيح LED لنمو النباتات، وتُشير إلى بعض المفاهيم الخاطئة الشائعة حول استخدامها. كما تُقدّم الأفكار والخطط التقنية لتطوير مصابيح LED المُخصصة لنمو النباتات. تجدر الإشارة إلى وجود بعض العوامل التي يجب مراعاتها عند تركيب واستخدام هذه المصابيح، مثل المسافة بين المصباح والنبات، ونطاق إشعاع المصباح، وكيفية استخدامها مع الماء والسماد والتربة المناسبة.

المؤلف: يي وانغ وآخرون. المصدر: CNKI