ملخص: في السنوات الأخيرة، ومع التطور المستمر لتقنيات الزراعة الحديثة، شهدت صناعة المصانع النباتية نموًا سريعًا. تتناول هذه الورقة البحثية الوضع الراهن، والمشاكل القائمة، والتدابير التنموية لتطوير تكنولوجيا المصانع النباتية وصناعتها، فضلًا عن استشراف اتجاهات التطور وآفاقها المستقبلية.

1. الوضع الحالي لتطوير التكنولوجيا في المصانع في الصين والخارج

1.1 الوضع الراهن لتطوير التكنولوجيا الأجنبية

منذ بداية القرن الحادي والعشرين، انصبّ التركيز البحثي في ​​مجال المصانع النباتية بشكل أساسي على تحسين كفاءة الإضاءة، وتطوير معدات أنظمة الزراعة ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات، والبحث والتطوير في مجال الإدارة والتحكم الذكيين. وفي القرن الحادي والعشرين، شهد ابتكار مصادر إضاءة LED الزراعية تقدماً ملحوظاً، مما وفر دعماً تقنياً هاماً لتطبيق مصادر إضاءة LED الموفرة للطاقة في المصانع النباتية. وقد حققت جامعة تشيبا في اليابان العديد من الابتكارات في مجال مصادر الإضاءة عالية الكفاءة، والتحكم البيئي الموفر للطاقة، وتقنيات الزراعة. أما جامعة فاغينينغين في هولندا، فتستخدم محاكاة بيئة المحاصيل وتقنية التحسين الديناميكي لتطوير نظام معدات ذكي للمصانع النباتية، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل ويرفع إنتاجية العمل بشكل ملحوظ.

في السنوات الأخيرة، حققت مصانع النباتات تدريجياً أتمتة جزئية لعمليات الإنتاج بدءاً من البذر، مروراً بتربية الشتلات، وزراعة الشتلات، وصولاً إلى الحصاد. وتتصدر اليابان وهولندا والولايات المتحدة هذا المجال، إذ تتمتع بدرجة عالية من الميكنة والأتمتة والذكاء الاصطناعي، وتتجه نحو الزراعة الرأسية والتشغيل الآلي.

1.2 حالة تطور التكنولوجيا في الصين

1.2.1 مصدر إضاءة LED متخصص ومعدات تقنية تطبيق موفرة للطاقة للإضاءة الاصطناعية في المصانع

تم تطوير مصادر إضاءة LED خاصة باللونين الأحمر والأزرق لإنتاج أنواع نباتية مختلفة في المصانع النباتية تباعًا. تتراوح قدرة هذه المصادر بين 30 و300 واط، بينما تتراوح شدة الإضاءة بين 80 و500 ميكرومول/(م²•ث)، مما يوفر شدة إضاءة ضمن نطاق عتبة مناسب، مع مراعاة معايير جودة الضوء، لتحقيق كفاءة عالية في توفير الطاقة، وملاءمة لاحتياجات نمو النبات وإضاءته. وفيما يتعلق بإدارة تبديد حرارة مصدر الإضاءة، تم اعتماد تصميم فعال لتبديد حرارة مروحة مصدر الإضاءة، مما يقلل من معدل انخفاض شدة الإضاءة ويضمن عمرًا أطول للمصدر. إضافةً إلى ذلك، تم اقتراح طريقة لتقليل حرارة مصدر إضاءة LED من خلال تدوير المحلول المغذي أو الماء. أما فيما يخص إدارة مساحة مصدر الإضاءة، فوفقًا لقانون تطور حجم النبات في مرحلة الشتلات والمراحل اللاحقة، ومن خلال إدارة الحركة الرأسية لمصدر إضاءة LED، يمكن إضاءة غطاء النبات من مسافة قريبة، وبالتالي تحقيق هدف توفير الطاقة. حالياً، قد تصل نسبة استهلاك الطاقة لمصادر الإضاءة الاصطناعية في مصانع النباتات إلى ما بين 50% و60% من إجمالي استهلاك الطاقة التشغيلية للمصنع. ورغم أن مصابيح LED توفر 50% من الطاقة مقارنةً بالمصابيح الفلورية، إلا أن هناك حاجة ماسة لإجراء المزيد من البحوث حول ترشيد استهلاك الطاقة.

1.2.2 تقنية ومعدات الزراعة ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات

يُقلل استبدال مصابيح الفلورسنت بمصابيح LED من الفجوة بين الطبقات في الزراعة ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات، مما يُحسّن كفاءة استغلال المساحة ثلاثية الأبعاد في زراعة النباتات. وقد أُجريت العديد من الدراسات حول تصميم قاع أحواض الزراعة، حيث صُممت الشرائط المرتفعة لتوليد تدفق مضطرب، مما يُساعد جذور النباتات على امتصاص العناصر الغذائية من المحلول المغذي بشكل متساوٍ، ويزيد من تركيز الأكسجين المذاب. وباستخدام لوحة الاستيطان، توجد طريقتان للاستيطان: أكواب الاستيطان البلاستيكية بأحجام مختلفة، أو طريقة الاستيطان المحيطي باستخدام الإسفنج. كما ظهر نظام أحواض زراعة قابل للانزلاق، حيث يُمكن دفع لوحة الزراعة والنباتات عليها يدويًا من طرف إلى آخر، مما يُتيح نمط الإنتاج بالزراعة في أحد طرفي حوض الزراعة والحصاد في الطرف الآخر. وفي الوقت الحاضر، تم تطوير مجموعة متنوعة من تقنيات ومعدات الزراعة ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات بدون تربة، والتي تعتمد على تقنية الأغشية السائلة المغذية وتقنية التدفق السائل العميق، كما ظهرت تقنيات ومعدات لزراعة الفراولة في الركائز، وزراعة الخضراوات الورقية والزهور بالرذاذ. لقد تطورت التكنولوجيا المذكورة بسرعة.

1.2.3 تقنية ومعدات تدوير المحلول المغذي

بعد استخدام المحلول المغذي لفترة من الزمن، يلزم إضافة الماء والعناصر المعدنية. عادةً، تُحدد كمية المحلول المغذي المُحضر حديثًا وكمية محلول الحموضة والقلوية بقياس التوصيل الكهربائي (EC) ودرجة الحموضة (pH). يجب إزالة جزيئات الرواسب الكبيرة أو بقايا الجذور من المحلول المغذي باستخدام مرشح. يمكن إزالة إفرازات الجذور من المحلول المغذي باستخدام طرق التحفيز الضوئي لتجنب مشاكل الزراعة المستمرة في الزراعة المائية، ولكن هناك بعض المخاطر المتعلقة بتوافر العناصر الغذائية.

1.2.4 تكنولوجيا ومعدات التحكم البيئي

تُعدّ نظافة الهواء في منطقة الإنتاج أحد أهم مؤشرات جودة الهواء في المصنع. يجب ضبط نظافة الهواء (مؤشرات الجسيمات العالقة والبكتيريا المستقرة) في منطقة الإنتاج، في ظل الظروف الديناميكية، بحيث لا تتجاوز 100,000. وتُعتبر إجراءات تعقيم المواد الداخلة، ومعالجة الهواء الداخل للعاملين، ونظام تنقية الهواء (نظام ترشيح الهواء) من الضمانات الأساسية. كما تُعدّ درجة الحرارة والرطوبة وتركيز ثاني أكسيد الكربون وسرعة تدفق الهواء في منطقة الإنتاج من العناصر المهمة الأخرى للتحكم في جودة الهواء. وتشير التقارير إلى أن تركيب معدات مثل صناديق خلط الهواء، وقنوات التهوية، ومداخل ومخارج الهواء، يُمكن من التحكم بشكل متساوٍ في درجة الحرارة والرطوبة وتركيز ثاني أكسيد الكربون وسرعة تدفق الهواء في منطقة الإنتاج، وذلك لتحقيق تجانس مكاني عالٍ وتلبية احتياجات المصنع في مختلف المواقع. ويتم دمج نظام التحكم في درجة الحرارة والرطوبة وتركيز ثاني أكسيد الكربون ونظام الهواء النقي بشكل متكامل في نظام تدوير الهواء. تتشارك الأنظمة الثلاثة في قناة التهوية، ومدخل ومخرج الهواء، وتوفر الطاقة عبر المروحة لتحقيق دوران الهواء، والترشيح، والتعقيم، وتحديث جودة الهواء وتوحيدها. يضمن ذلك خلو إنتاج النباتات في المصنع من الآفات والأمراض، وعدم الحاجة إلى استخدام المبيدات. في الوقت نفسه، يضمن النظام توحيد درجة الحرارة، والرطوبة، وتدفق الهواء، وتركيز ثاني أكسيد الكربون في بيئة نمو النباتات داخل الغطاء النباتي، بما يلبي احتياجات نموها.

2. حالة تطور صناعة المصانع النباتية

2.1 الوضع الراهن لصناعة المصانع الأجنبية

في اليابان، يشهد البحث والتطوير والتصنيع في مصانع نباتات الإضاءة الاصطناعية نموًا سريعًا نسبيًا، ويحتل هذا القطاع مكانة رائدة. ففي عام 2010، خصصت الحكومة اليابانية 50 مليار ين لدعم البحث والتطوير التكنولوجي والتطبيق العملي في هذا المجال. وشاركت ثماني مؤسسات، من بينها جامعة تشيبا وجمعية أبحاث مصانع النباتات اليابانية، في هذا المشروع. وتولت شركة "جابان فيوتشر" تشغيل أول مشروع تجريبي صناعي لمصنع نباتات بطاقة إنتاجية يومية تبلغ 3000 نبتة. وفي عام 2012، بلغت تكلفة إنتاج المصنع 700 ين/كجم. وفي عام 2014، اكتمل بناء مصنع حديث لنباتات الإضاءة في قلعة تاغا بمحافظة مياغي، ليصبح أول مصنع في العالم لإنتاج نباتات LED بطاقة إنتاجية يومية تبلغ 10000 نبتة. ومنذ عام 2016، دخلت مصانع نباتات LED مرحلة التصنيع السريع في اليابان، وبرزت تباعًا شركات تحقق نقطة التعادل أو الربحية. في عام 2018، ظهرت تباعاً مصانع نباتية واسعة النطاق، بطاقة إنتاجية يومية تتراوح بين 50,000 و100,000 نبتة، وشهد قطاع المصانع النباتية العالمي تطوراً نحو التوسع والاحترافية والذكاء. في الوقت نفسه، بدأت شركات الطاقة الكهربائية في طوكيو وأوكيناوا وغيرها من القطاعات الاستثمار في هذه المصانع. وبحلول عام 2020، بلغت حصة الخس المنتج في المصانع اليابانية حوالي 10% من إجمالي سوق الخس. ومن بين أكثر من 250 مصنعاً نباتياً تعمل حالياً بتقنية الإضاءة الاصطناعية، 20% منها في مرحلة الخسارة، و50% في مرحلة التعادل، و30% في مرحلة الربحية، وتشمل هذه المصانع أنواعاً نباتية مزروعة مثل الخس والأعشاب والشتلات.

تُعدّ هولندا رائدةً عالميةً في مجال تقنيات التطبيقات المُدمجة للطاقة الشمسية والإضاءة الاصطناعية في المصانع الزراعية، حيث تتميز بدرجة عالية من الميكنة والأتمتة والذكاء الاصطناعي، وقد صدّرت مجموعةً كاملةً من التقنيات والمعدات عالية الجودة إلى الشرق الأوسط وأفريقيا والصين وغيرها من الدول. تقع مزرعة "أمريكان أيروفارمز" في نيوارك، نيو جيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية، على مساحة 6500 متر مربع. وتُزرع فيها الخضراوات والتوابل بشكل رئيسي، ويبلغ إنتاجها حوالي 900 طن سنويًا.

الزراعة العمودية في المزارع الهوائية

تعتمد شركة "بلنتي" الأمريكية، المتخصصة في الزراعة العمودية، على إضاءة LED وهيكل زراعة عمودي بارتفاع 6 أمتار. تنمو النباتات من جوانب أحواض الزراعة. وبفضل اعتمادها على الري بالجاذبية، لا تتطلب هذه الطريقة مضخات إضافية، كما أنها أكثر كفاءة في استخدام المياه من الزراعة التقليدية. وتزعم "بلنتي" أن مزرعتها تنتج 350 ضعف إنتاج المزرعة التقليدية، بينما تستهلك 1% فقط من المياه.

مصنع نباتات الزراعة العمودية، شركة بلنتي

2.2 وضع صناعة المصانع في الصين

في عام 2009، تم بناء وتشغيل أول مصنع إنتاجي في الصين يعتمد على التحكم الذكي في حديقة تشانغتشون الزراعية. تبلغ مساحة المبنى 200 متر مربع، ويمكن مراقبة العوامل البيئية، مثل درجة الحرارة والرطوبة والإضاءة وثاني أكسيد الكربون وتركيز المحلول المغذي، في المصنع تلقائيًا وفي الوقت الفعلي لتحقيق إدارة ذكية.

في عام ٢٠١٠، تم إنشاء مصنع تونغتشو للنباتات في بكين. يتميز هيكله الرئيسي بهيكل فولاذي خفيف أحادي الطبقة، بمساحة بناء إجمالية تبلغ ١٢٨٩ مترًا مربعًا. ويتخذ شكل حاملة طائرات، رمزًا لريادة الزراعة الصينية في تبني أحدث التقنيات الزراعية الحديثة. وقد تم تطوير معدات أوتوماتيكية لبعض عمليات إنتاج الخضراوات الورقية، مما ساهم في رفع مستوى أتمتة الإنتاج وكفاءته في المصنع. كما يعتمد المصنع على نظام مضخة حرارية أرضية ونظام لتوليد الطاقة الشمسية، مما يساهم في خفض تكاليف التشغيل المرتفعة.

منظر داخلي وخارجي لمصنع تونغتشو

في عام ٢٠١٣، تأسست العديد من شركات التكنولوجيا الزراعية في منطقة يانغلينغ الزراعية التجريبية عالية التقنية بمقاطعة شنشي. تقع معظم مشاريع مصانع النباتات قيد الإنشاء والتشغيل في حدائق تجريبية زراعية عالية التقنية، تُستخدم أساسًا لعرض العلوم الشعبية ولأغراض السياحة الترفيهية. ونظرًا لمحدودية وظائفها، يصعب على هذه المصانع تحقيق الإنتاجية العالية والكفاءة المطلوبة للتصنيع، وسيكون من الصعب عليها أن تصبح الشكل السائد للتصنيع في المستقبل.

في عام ٢٠١٥، تعاونت إحدى كبرى شركات تصنيع رقائق LED في الصين مع معهد علم النبات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم لإطلاق مشروع مشترك لإنشاء شركة متخصصة في زراعة النباتات. وقد انتقلت هذه الشركة من صناعة الإلكترونيات الضوئية إلى صناعة "البيولوجيا الضوئية"، لتصبح بذلك نموذجًا يحتذى به لشركات تصنيع LED الصينية للاستثمار في إنشاء مصانع نباتية ضمن إطار التوسع الصناعي. يلتزم مصنع النباتات هذا بالاستثمار الصناعي في مجال البيولوجيا الضوئية الناشئ، حيث يجمع بين البحث العلمي والإنتاج والعرض والتطوير وغيرها من الوظائف، برأس مال مسجل قدره ١٠٠ مليون يوان. في يونيو ٢٠١٦، تم الانتهاء من بناء هذا المصنع المكون من ثلاثة طوابق، والذي يمتد على مساحة ٣٠٠٠ متر مربع، بالإضافة إلى مساحة زراعية تزيد عن ١٠٠٠٠ متر مربع، وبدأ تشغيله. وبحلول مايو ٢٠١٧، بلغ حجم الإنتاج اليومي ١٥٠٠ كيلوغرام من الخضراوات الورقية، أي ما يعادل ١٥٠٠٠ نبتة خس يوميًا.

آراء هذه الشركة

3. المشاكل والتدابير المضادة التي تواجه تطوير المصانع النباتية

3.1 المشاكل

3.1.1 ارتفاع تكلفة البناء

تحتاج المصانع النباتية إلى إنتاج المحاصيل في بيئة مغلقة. لذا، من الضروري إنشاء مشاريع ومعدات داعمة، تشمل هياكل صيانة خارجية، وأنظمة تكييف، ومصادر إضاءة اصطناعية، وأنظمة زراعة متعددة الطبقات، ونظام تدوير المحلول المغذي، وأنظمة تحكم حاسوبية. وتُعدّ تكلفة الإنشاء مرتفعة نسبيًا.

3.1.2 ارتفاع تكلفة التشغيل

تعتمد معظم مصادر الإضاءة في مصانع النباتات على مصابيح LED، التي تستهلك كميات كبيرة من الكهرباء لتوفير الأطياف الضوئية اللازمة لنمو المحاصيل المختلفة. كما تستهلك المعدات المستخدمة في عمليات الإنتاج، مثل أجهزة التكييف والتهوية ومضخات المياه، الكهرباء، مما يجعل فواتير الكهرباء عبئًا ماليًا كبيرًا. وتشير الإحصاءات إلى أن تكاليف إنتاج مصانع النباتات تتوزع كالتالي: 29% من إجمالي تكاليف الكهرباء، و26% من تكاليف العمالة، و23% من استهلاك الأصول الثابتة، و12% من تكاليف التعبئة والتغليف والنقل، و10% من تكاليف مواد الإنتاج.

تفصيل تكلفة الإنتاج لمصنع النباتات

3.1.3 مستوى منخفض من الأتمتة

يتميز مصنع النباتات المطبق حاليًا بمستوى منخفض من الأتمتة، ولا تزال عمليات مثل الشتلات، ونقل النباتات، وزراعة الحقول، والحصاد تتطلب عمليات يدوية، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف العمالة.

3.1.4 أنواع محدودة من المحاصيل التي يمكن زراعتها

في الوقت الراهن، تُعدّ أنواع المحاصيل المناسبة للزراعة في المصانع النباتية محدودة للغاية، وتتركز بشكل أساسي على الخضراوات الورقية الخضراء سريعة النمو، والتي تستجيب بسهولة لمصادر الإضاءة الاصطناعية، وتتميز بانخفاض كثافة أوراقها. ولا يمكن تنفيذ الزراعة على نطاق واسع في حال وجود متطلبات زراعية معقدة (مثل المحاصيل التي تحتاج إلى التلقيح، وما إلى ذلك).

3.2 استراتيجية التنمية

نظراً للمشاكل التي تواجه صناعة المصانع النباتية، فمن الضروري إجراء بحوث من جوانب متعددة كالتكنولوجيا والتشغيل. وفيما يلي التدابير المقترحة لمواجهة هذه المشاكل.

(1) تعزيز البحث في مجال التكنولوجيا الذكية للمصانع النباتية وتحسين مستوى الإدارة المكثفة والمتطورة. يُسهم تطوير نظام إدارة وتحكم ذكي في تحقيق إدارة مكثفة ومتطورة للمصانع النباتية، مما يُقلل بشكل كبير من تكاليف العمالة ويوفرها.

(2) تطوير معدات تقنية متطورة وفعالة لمصانع النباتات لتحقيق إنتاجية عالية الجودة وغزيرة على مدار العام. إن تطوير مرافق ومعدات زراعية عالية الكفاءة، وتقنيات ومعدات إضاءة موفرة للطاقة، وغيرها، لرفع مستوى ذكاء مصانع النباتات، يُسهم في تحقيق إنتاجية عالية الكفاءة على مدار العام.

(3) إجراء البحوث حول تكنولوجيا الزراعة الصناعية للنباتات ذات القيمة المضافة العالية مثل النباتات الطبية ونباتات الرعاية الصحية والخضراوات النادرة، وزيادة أنواع المحاصيل المزروعة في المصانع النباتية، وتوسيع قنوات الربح، وتحسين نقطة البداية للربح.

(4) إجراء البحوث على مصانع النباتات للاستخدام المنزلي والتجاري، وإثراء أنواع مصانع النباتات، وتحقيق الربحية المستمرة من خلال وظائف متنوعة.

4. اتجاهات التطور وآفاق مصانع النباتات

4.1 اتجاهات تطوير التكنولوجيا

4.1.1 عملية التفكير الكاملة

استنادًا إلى دمج الفن الآلي وآلية منع الخسائر لنظام الروبوت الزراعي، ينبغي إنشاء روبوتات ذكية ومعدات داعمة مثل معدات الزراعة والحصاد والتعبئة، وذلك لتحقيق التشغيل الآلي للعملية بأكملها.

4.1.2 جعل مراقبة الإنتاج أكثر ذكاءً

استنادًا إلى آلية استجابة نمو المحاصيل وتطورها للإشعاع الضوئي، ودرجة الحرارة، والرطوبة، وتركيز ثاني أكسيد الكربون، وتركيز العناصر الغذائية في المحلول المغذي، والتوصيل الكهربائي، ينبغي بناء نموذج كمي للتغذية الراجعة بين المحاصيل والبيئة. كما ينبغي إنشاء نموذج أساسي استراتيجي لتحليل معلومات حياة الخضراوات الورقية ومعايير بيئة الإنتاج بشكل ديناميكي. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي إنشاء نظام تشخيص وتحديد ومراقبة العمليات البيئية بشكل ديناميكي عبر الإنترنت. وأخيرًا، ينبغي إنشاء نظام ذكاء اصطناعي تعاوني متعدد الآلات لاتخاذ القرارات، يغطي كامل عملية الإنتاج في مصنع زراعي رأسي عالي الإنتاجية.

4.1.3 إنتاج منخفض الكربون وتوفير الطاقة

إنشاء نظام لإدارة الطاقة يستخدم مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، لإتمام عملية نقل الطاقة والتحكم في استهلاكها لتحقيق أهداف الإدارة المثلى للطاقة. كما يشمل ذلك احتجاز انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وإعادة استخدامها لدعم إنتاج المحاصيل.

4.1.3 القيمة العالية للأصناف الممتازة

ينبغي اتخاذ استراتيجيات قابلة للتطبيق لتربية أصناف مختلفة ذات قيمة مضافة عالية لتجارب الزراعة، وبناء قاعدة بيانات لخبراء تكنولوجيا الزراعة، وإجراء البحوث حول تكنولوجيا الزراعة، واختيار الكثافة، وترتيب بقايا المحاصيل، وقابلية التكيف مع الأصناف والمعدات، ووضع مواصفات فنية قياسية للزراعة.

4.2 آفاق تطوير الصناعة

تُتيح المصانع النباتية التخلص من قيود الموارد والبيئة، وتحقيق الإنتاج الزراعي الصناعي، واستقطاب جيل جديد من القوى العاملة للانخراط في الإنتاج الزراعي. وقد باتت الابتكارات التكنولوجية الرئيسية والتصنيع في المصانع النباتية الصينية رائدة عالميًا. ومع التوسع في استخدام مصادر إضاءة LED، والرقمنة، والأتمتة، والتقنيات الذكية في هذا المجال، ستجذب المصانع النباتية المزيد من الاستثمارات الرأسمالية، واستقطاب الكفاءات، واستخدام المزيد من الطاقة والمواد والمعدات الجديدة. وبذلك، يُمكن تحقيق التكامل العميق بين تكنولوجيا المعلومات والمرافق والمعدات، ورفع مستوى ذكاء هذه المرافق والمعدات وتشغيلها دون تدخل بشري، وخفض استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل باستمرار من خلال الابتكار المتواصل، وتنمية الأسواق المتخصصة تدريجيًا، مما يُبشّر بعصر ذهبي من التطور للمصانع النباتية الذكية.

بحسب تقارير أبحاث السوق، بلغ حجم سوق الزراعة العمودية العالمية 2.9 مليار دولار أمريكي فقط في عام 2020، ومن المتوقع أن يصل إلى 30 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2025. باختصار، تتمتع مزارع النباتات بآفاق تطبيق واسعة وفرص تطوير واعدة.

المؤلف: Zengchan Zhou، Weidong، إلخ

معلومات الاقتباس:الوضع الحالي وآفاق تطوير صناعة المصانع النباتية [J]. هندسة التكنولوجيا الزراعية، 2022، 42(1): 18-23.بواسطة زينجتشان تشو، وي دونغ، شيوغانغ لي، وآخرون.