一، أساسيات علم الأحياء الضوئية: كيف تمتص النباتات الضوء وتستجيب له
تشتمل البلاستيدات الخضراء في النباتات على أصباغ التمثيل الضوئي التي تسمح لها بامتصاص أطوال موجية معينة من الضوء. النطاقات الرئيسية التي تحرك عملية التمثيل الضوئي هي الضوء الأحمر (600-700 نانومتر) والضوء الأزرق (400-500 نانومتر). يتحكم الضوء الأحمر في تشكل الضوء عن طريق استخدام أصباغ حساسة للضوء لجعل السيقان تنمو لفترة أطول وتنتج الكربوهيدرات. يتوقف الضوء الأزرق عن النمو الزائد، ويجعل الكلوروفيل والبروتين يتراكمان من خلال الكريبتوكروم، ويجعل السيقان تنمو لفترة أطول. عندما تكون نسبة الضوء الأحمر إلى الضوء الأزرق 4:1، أظهرت التجارب أن تراكم المادة الجافة في الخس يرتفع بنسبة 30% مقارنة بالضوء الأحادي اللون، كما يرتفع محتوى الكلوروفيل بنسبة 22%.
تعتبر نسبة الضوء الأحمر البعيد (700-800 نانومتر) إلى الضوء الأحمر (R/FR) مهمة جدًا أيضًا لكيفية نمو النباتات. ستعمل النباتات على إطالة العقد الجذعية وتوسيع مساحة الورقة من خلال "استجابة تجنب الظل" للتنافس على موارد الضوء عندما تنخفض نسبة R/FR. تعتبر هذه التقنية ضرورية جدًا للمحاصيل التي يتم زراعتها بالقرب من بعضها البعض، مثل الطماطم المزروعة عموديًا، حيث يمكن أن يؤدي تغيير نسبة R/FR إلى خفض ارتفاع النبات بنسبة 18% وزيادة إنتاج الفاكهة بنسبة 15%.
2، فوائد تقنية LED: التحكم الدقيق وثورة في كفاءة الطاقة
1. الانضباط الطيفي: خطوة كبيرة للأمام من الضوء أحادي اللون إلى الطيف بأكمله
تركز مصادر الضوء التقليدية، مثل-مصابيح الصوديوم عالية الضغط (HPS)، أطيافها على الضوء الأصفر-الأخضر (550–600 نانومتر). ومن ناحية أخرى، تمتص النباتات أقل من 5% فقط من الضوء الأخضر. يمكن لتقنية LED تغيير طيف الضوء بدقة شديدة من خلال التحكم في شرائح الضوء الأحمر والأزرق والأبيض بشكل منفصل. على سبيل المثال، يستخدم مصباح النمو LED من سلسلة FloraFlex ضوءًا أحمر عميقًا بطول 660 نانومتر، وضوءًا أزرق بطول 450 نانومتر، وضوءًا أبيض بقوة 5000 كلفن. تتميز بكثافة تدفق فوتون التمثيل الضوئي (PPFD) تبلغ 1200 ميكرومول/م ²/ث، وهي أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بنسبة 40%-من مصابيح HPS.
2. مميزات مصدر الضوء البارد: تجاوز الحدود الجغرافية
تتميز مصابيح LED بسطوع أكثر من 200lm/W، وتنتج فقط 1/5 من الحرارة التي تنتجها مصابيح HPS. وبسبب هذه الميزة، يمكن وضع لوحة الإضاءة LED بالقرب من مظلة النبات (على بعد 10-30 سم)، مما يجعل شدة الضوء لكل وحدة مساحة أقوى 3-5 مرات. يتم استخدام نظام زراعة LED ثلاثي الأبعاد-متعدد الطبقات-في مزرعة عمودية في شنتشن. تستخدم هذه التقنية الأراضي بكفاءة 8 مرات أكثر من المزارع التقليدية وتستخدم مياه أقل بنسبة 92%.
3. التحكم في بيئة ضوئية ديناميكية تحاكي الإيقاعات الطبيعية
يمكن لـ LED تغيير السطوع واللون ومدة الضوء ديناميكيًا بمساعدة نظام التحكم الذكي. على سبيل المثال، خلال مرحلة شتلة الخس، يمكن للضوء الأزرق لمدة 16 ساعة ودورة الضوء الأحمر لمدة 8 ساعات أن يرفع معدل إنبات البذور من 78% إلى 92%. أيضًا، خلال فترة تحريض الإزهار، زيادة كمية الضوء الأحمر البعيد من 5% إلى 15% يمكن أن تجعل الأقحوان يزهر قبل 7 أيام.
3، حالات الاستخدام في الصناعة: من المختبر إلى الإنتاج التجاري
1. مصنع النبات: معيار صنع الأشياء في المصانع
تدير شركة Mirai أكبر مصنع نباتي في العالم في اليابان، والذي يغطي مساحة قدرها 23000 متر مربع ويستخدم مصابيح LED فقط. تنتج 30000 كجم من الخضار كل عام. يمكن للنظام تغيير الصيغة الطيفية تلقائيًا من خلال مراقبة العوامل البيئية في الوقت الفعلي. على سبيل المثال، الضوء الأحمر والأزرق هما اللونان الرئيسيان خلال فترة النمو الغذائي (نسبة 3:1)، ويتم إضافة الضوء الأحمر البعيد خلال فترة النمو الإنجابي (R/FR=0.8). وينتج عن ذلك محتوى VC أعلى بمقدار 1.8 مرة من محتوى زراعة الخس في الهواء الطلق.
2. الزراعة العمودية: تغيير في طريقة استخدام المدن للفضاء
صممت شركة Sky Greens في سنغافورة حامل نمو-ثلاثي الأبعاد-على شكل حرف A مزود بشرائط إضاءة LED على كل طبقة يمكن ضبطها بزوايا مختلفة. يتم استخدام أسلوب "الضوء الأحمر في الصباح + الضوء الأزرق بعد الظهر"-لتقاسم إمداد الضوء لزراعة الخضروات الورقية. وهذا يعزز العائد لكل وحدة مساحة بمقدار أربع مرات مقارنة بالزراعة المسطحة النموذجية. وقد تم دفع هذه التكنولوجيا إلى الأماكن التي يصعب الحصول على المياه فيها، مثل دبي، حيث تستخدم فقط 2.5 لتر من الماء لكل كيلوغرام من الخضار.
3. البستنة المنزلية: جعل الزراعة الشخصية أكثر شعبية
تتوفر الآن صناديق زراعة LED ذات طيف قابل للتعديل لنباتات الشرفة. على سبيل المثال، تحتوي سلسلة AeroGarden على مصابيح LED باللون الأحمر والأزرق والأبيض يمكن تنظيمها باستخدام تطبيق لخفض دورة نمو نباتات الفانيليا بنسبة 30% من حيث طول الأضواء ومدى سطوعها. إضافة مصابيح LED إلى الأماكن ذات الإضاءة المحدودة، مثل الشرفات التي تواجه الشمال، يمكن أن تجعل سيقان اللبلاب الأخضر تنمو أطول بنسبة 44% والأوراق أوسع بنسبة 15%.
4، المشاكل والاتجاهات في الصناعة
1. حاجز تقني: تحسين الطيف وخفض التكاليف
لا تزال تكلفة شراء مصابيح النمو LED تعادل 2 إلى 3 أضعاف تكلفة مصابيح HPS. على الرغم من أن العمر الطويل (أكثر من 50000 ساعة) يمكن أن يوفر نفقات التشغيل-على المدى الطويل، فلا يزال يتعين على تكنولوجيا التخصيص الطيفي أن تحقق تقدمًا. إن قاعدة بيانات "الصيغة الخفيفة" لمختلف المحاصيل لم تنته بعد وتحتاج إلى المزيد من الاختبارات الميدانية للحصول على بيانات كافية.
2. لا توجد معايير: ثغرات في تنظيم السوق
لا يوجد في السوق العالمية لإضاءة المصانع LED أي معايير ثابتة، وتواجه بعض المنتجات صعوبات مثل وضع العلامات الزائفة على الطيف والاحتيال في كفاءة الطاقة. تتم كتابة "المواصفات الفنية لمصابيح LED لنمو النباتات" من قبل وزارة الزراعة والشؤون الريفية الصينية. وسوف تحدد المعايير المطلوبة للعوامل المهمة بما في ذلك نسبة PPFD وR/FR.
3. يتجه مسار الابتكار نحو الذكاء والتكامل متعدد الوظائف.
في المستقبل، سوف تكون مصابيح النمو LED قادرة على التحكم في "درجة حرارة الضوء والرطوبة والهواء" مرة واحدة. على سبيل المثال، يستخدم نظام GrowWise من شركة Philips في هولندا لوحات إضاءة LED مزودة بأجهزة استشعار لمراقبة مدى سرعة نتح النباتات وتغيير شدة الضوء تلقائيًا. وهذا يجعل الاستخدام الأمثل للموارد المائية بنسبة 60٪.
