ليست الإضاءة الزراعية مفهومًا جديدًا، لكن LED يُحدث نقلة نوعية في القطاع، إذ يستطيع المزارعون ضبط شدّات طيفية مختلفة وتعديلها بطرق لم تكن ممكنة بالتقنيات السابقة.
ولكن مع تطور التقنية، هل تقود المقاييس المستخدمة لعرض المنتجات ومقارنتها المزارعين في الاتجاه الصحيح؟
الإضاءة الزراعية قطاع يتوسع بسرعة، ويتوقع بعض الخبراء أن يبلغ حجم السوق 4.85 مليار جنيه إسترليني بحلول 2023. وتجري مشاريع إضاءة ضخمة محليًا وفي الأسواق الدولية، أبرزها مشروع البيوت المحمية Lyudinovo في روسيا، الذي سيستخدم نحو 240,000 وحدة إضاءة عند اكتماله.
وقد ثبت أن إضاءة LED، في المشاريع بمختلف أحجامها:
- تزيد الإنتاجية؛
- تحسّن استقرار المحاصيل ومقاومتها للظروف البيئية؛
- توفر فترات نمو يمكن التنبؤ بها بشكل أفضل؛
- توفر الطاقة؛
- وتخفض التكاليف
ولوحظت أيضًا فوائد نوعية، مثل زيادة تصبّغ الألوان وتغيّر النكهة. وتتيح التحسينات في تقنية LED استهدافًا طيفيًا أدق وكفاءة تتزايد باستمرار، ما يوسّع الفجوة بين LED والتقنيات السابقة.
كيف تُقاس إضاءة النباتات حاليًا؟
تستخدم النباتات في عملية البناء الضوئي الضوءَ ضمن نطاق من الطيف الكهرومغناطيسي يُسمى الإشعاع النشط في البناء الضوئي (PAR). ويغطي PAR الأطوال الموجية للضوء في النطاق المرئي بين 400 nm و700 nm، وهو ما نعتمد عليه في تحديد قياساتنا.
والمقياس الرئيسي للضوء الصادر، والمعيار الفعلي في القطاع، هو تدفق الفوتونات البنائية الضوئية (PPF)، وهو ببساطة تعبير عن كمية PAR بالفوتونات المنبعثة في الثانية.
أما المقياس الأساسي الأخير المستخدم اليوم فهو كثافة تدفق الفوتونات البنائية الضوئية (PPFD)، أي عدد فوتونات PAR التي تسقط على متر مربع في الثانية. ويمكن ربط هذه المفاهيم بسهولة نسبية بالمعرفة الأساسية لمهندس الإنارة، على النحو التالي:
- PAR يعادل تقريبًا جزء الضوء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي
- PPF مرتبط بالقدرة الإشعاعية (بين 400 nm و700 nm)
- PPFD يعادل تقريبًا شدة الاستضاءة ولكن دون الترجيح V(λ)
يحدد PAR الضوء الذي يهمنا، وPPF هو كمية هذا الضوء الخارجة من مصدر الضوء، وPPFD هو كمية هذا الضوء على متر مربع من سطح الزراعة.
لماذا ينبغي الحذر من PPF كمقياس؟
رغم أن لاستخدام PPF نقاط قوة بوصفه وحدة قياس، فهو سهل الفهم وسهل القياس وواسع الانتشار، إلا أن له أيضًا حدودًا؛
يقيس كمية الضوء فقط، لا نوعه أو جودته
يتضح أكثر فأكثر أن جودة الضوء عامل مهم في زراعة أي محصول، وأن الكمية ليست سوى جزء من الصورة. فمعدلات الامتصاص والاستجابة للبناء الضوئي والاستجابات غير المرتبطة بالبناء الضوئي قد لا تؤخذ في الحسبان حاليًا.
وبينما يركز القطاع على PPF لكل واط، نرى أن ذلك قد يضر بمعدلات النمو بدلًا من أن يفيدها.
ويمكن القول إن جهات التصميم والمواصفات التي تركز على PPF/W معيارًا للاختيار تؤثر في تطوير وحدات إضاءة جديدة، إذ تدفع المصنّعين إلى زيادة المكوّن الأحمر، لأن إنتاج الفوتون الأحمر يتطلب طاقة أقل من إنتاج الفوتون الأزرق.
ومن المسلّم به على نطاق واسع أن مصدر ضوء أحمر خالصًا سيؤدي إلى نمو ضعيف جدًا رغم ارتفاع قيمة PPF/W لديه كثيرًا، وهذا دليل على أن مقياس PPF/W لا يكفي لقياس أداء المنتجات مقارنةً ببعضها، بل قد يعيق اختيار منتج أنسب.
وحين يُستخدم PPF رقمًا رئيسيًا للتعبير عن ناتج الوحدة، فإنه يعطي صورة غير دقيقة عن فائدة مصدر الضوء. فبتجاهل الاحتياجات الفعلية للنباتات، قد تبدو وحدة LED عالية الكفاءة، بينما تحقق نموًا فعليًا أقل مقارنةً بحل مصمم بعناية أكبر.
مقارنة بالنظام الغذائي
قصور PPF في مراعاة جودة الضوء يشبه قصور السعرات الحرارية عن الدلالة على نظام غذائي صحي. فلو تناول شخصان طعامًا يحتوي على 2,000 سعرة حرارية، لحصل كل منهما على كمية الطاقة نفسها وفقًا للمحتوى الحراري.
ولكن لو حصل أحدهما على 2,000 سعرة من نظام غذائي متوازن والآخر من صنف واحد من الطعام (الزبدة مثلًا)، فستختلف القيمة الغذائية والقدرة على استخلاص الطاقة، بل والحالة الصحية الناتجة، اختلافًا كبيرًا بين الحالتين.
ومن الواضح أن اعتبار النظامين الغذائيين متماثلين خطأ ومضلل، لكن هذا بالضبط ما يحدث حين يُركَّز على مقياس PPF في اختيار وحدات الإضاءة.
البحث عن مقياس أفضل
تتوفر للمزارعين مقاييس أخرى تعبّر بشكل أفضل عن حساسية النبات للبناء الضوئي.
ومن هذه المقاييس تدفق الفوتونات المرجّح بالإنتاجية (YPF)
YPF نظام مرجّح يقيس قيمة طول موجي معين من الضوء مقابل استجابة البناء الضوئي المتوقعة من المحصول. ففي حين تتساوى كل الفوتونات في PPF، يراعي YPF الكفاءة النسبية للبناء الضوئي عند الأطوال الموجية المختلفة للضوء، فيمنح الضوء الأقل فائدة وزنًا أقل.
ويقدّم مفهوم نسب S/P فهمًا لمدى فائدة مصدر الضوء في ظروف إنارة مختلفة، باستخدام مبدأ الترجيح نفسه. فللعين البشرية منحنيا استجابة: أحدهما للرؤية النهارية (Photopic، V(λ)) والآخر للرؤية الليلية (Scotopic، V'(λ))، وترجّح نسب S/P الاستجابة لهذين النوعين من الضوء لتحديد فائدة المصدر في التطبيقات المختلفة.
فالمنتج الذي يوفر مستويات إنارة جيدة في ظروف الرؤية النهارية قد لا يفعل ذلك في ظروف الرؤية الليلية، والعكس صحيح. وبالطريقة نفسها، قد تكون استجابة PPF لمنتج ما جيدة واستجابة YPF ضعيفة، لأن منحنيي الاستجابة مختلفان.
ففي حين يقيس PPF الفوتونات ضمن PAR، أي الأطوال الموجية بين 400 nm و700 nm، ينظر YPF إلى نطاق أوسع، فيراعي انبعاثات المصدر من 360 nm (الأزرق العميق) حتى 760 nm (الأحمر البعيد). وتشمل هذه الأطوال الموجية الإضافية ضوءًا له تأثيرات ملحوظة على نمو النبات، إذ تُستخدم الأطوال الموجية التي تتجاوز 700 nm بكميات قليلة لتحفيز النباتات على الاستطالة ولمحاكاة ظروف إضاءة الغسق، التي تُستخدم لضبط الإيقاعات اليومية، مع ملاحظة خصائص مرغوبة في بعض النباتات.
فالنبات الذي ينمو في الظل في البيئة الطبيعية يتلقى قدرًا أكبر من ضوء الأحمر البعيد، ويستجيب لهذا المحفز في توجيه نموه. وتتوقع بعض النباتات التي تنمو طبيعيًا تحت الغطاء النباتي نسبة من الأحمر البعيد إلى الأحمر أعلى من المتوسط، وتتفاعل سلبًا مع طيف لا يحتوي على ما يكفي من ضوء الأحمر البعيد.
وبعض استجابات متلازمة تجنّب الظل مرغوبة لدى المزارعين؛ فبكميات أكبر، يمكن استخدام الضوء الذي يتجاوز 700 nm لإطلاق متلازمة تجنّب الظل عمدًا، ما يحفّز الإزهار السريع والنمو الأكثر اندماجًا في بعض النباتات، مع احتمال تحسين قدرتها على التحمّل.
ويغفل PPF دقائق هذه الاستجابات النباتية لأنه لا يراعي إلا الضوء ضمن PAR، ولا يستطيع وحده تقديم الصورة الكاملة. فالعمليات الأوسع التي تتحكم في تطور النبات، والمعروفة بالتشكّل الضوئي، تتأثر بأطوال موجية تبدأ من 300 nm وتصل إلى 800 nm (كما يبيّن منحنى McCree)، ويلتقط YPF قدرًا أكبر منها.
نهج شامل
لا يمكن بالطبع أن يُستخدم YPF بمعزل عن غيره. فـYPF رقم رئيسي مناسب لتقديم تقدير تقريبي للأداء، أو لتحديد المنتج والناتج المناسبين تقريبًا لتحقيق تكامل ضوئي يومي (Daily Light Integral) مستهدف. أما PPF فيُستخدم رقمًا رئيسيًا، لكنه لا يراعي أن الأطوال الموجية المختلفة قد يكون لها تأثير أكبر في النمو.
وتزيد وحدات LED أحادية اللون من انحراف هذا المقياس، إذ تستهدف كثير من الشرائح الزرقاء والحمراء نطاقًا محددًا وضيقًا من الأطوال الموجية. ورغم أن ذلك قد يحقق قيمة PPF مرتفعة، فإنه قد يُضعف حل الإضاءة، لأن أي تفاوت في تدهور المصادر سيغيّر الطيف الناتج مع مرور الوقت.
ويمكن الحد من هذا الخطر باستخدام وحدات LED واسعة الطيف بطبقة فوسفور، لأن تدهور LED يحدده الباعث الأزرق وحده. والأهم أن وحدات الإضاءة واسعة الطيف تملأ الفجوات بين الجزأين الأزرق والأحمر من الطيف، فتقترب أكثر من ضوء الشمس الطبيعي. ويحتوي ضوء الشمس على مجموعة من الأطوال الموجية عبر الطيف المرئي، يُرجَّح أنها تؤدي مجموعة من الوظائف التي لا نفهمها بالكامل بعد.
ولـYPF أوجه قصور، لأن المقياس الأصلي مبني على قراءات أُخذت لأجزاء من ورقة واحدة في ظروف مضبوطة. وعند الاستخدام الفعلي، يمكن للضوء الذي يعبر الورقة أن يفيد الأسطح الأدنى في النبات، لذا فإن الاكتفاء بجزء من ورقة واحدة يتجاهل الضوء العابر.
ومع ذلك، فهذا أفضل من عدم مراعاته إطلاقًا. فبتجاهل الفروق بين الأطوال الموجية، يقدّم لنا PPF سمة محبطة في مقياس تجريبي: فارتفاع PPF لا يعني بالضرورة منتج إضاءة أفضل.
التعاون بين العميل والشركة المصنّعة أو المورّد لإضاءة LED هو الأساس
يقع جزء كبير من العبء على جهات التصميم والمواصفات، إذ يلزم البحث والتخطيط في المراحل الأولى من المشروع لتحديد التأثير المطلوب للإضاءة على المنتج النهائي. والاهتمام بالتفاصيل أساسي، مع مراعاة نوع النبات والاستجابة المستهدفة عند اختيار حل الإضاءة. وينبغي للشركة المصنّعة المرنة أن تكون مستعدة للعمل مع المزارعين لتحديد الأطياف المصممة لمحصولهم والنتيجة التي يستهدفونها وإنتاجها.
وعند مقارنة المنتجات، يُعد YPF نقطة انطلاق أفضل من PPF، لكن الناتج ينبغي أن يكون اعتبارًا واحدًا ضمن نهج شامل يضم مجموعة من العوامل: الطيف الواسع مقابل الطيف الضيق، والفترة الضوئية، والفوائد النوعية كالنكهة أو اللون، ومراعاة الأطوال الموجية خارج PAR.
ولا يزال هناك الكثير مما لم يُفهم بعد عن استجابات النباتات والتركيب الطيفي المثالي لمختلف المحاصيل والنتائج المرجوة. وينبغي أن يكون سد الفجوة بين كتيّب المنتج والأطياف المثلى جهدًا مشتركًا بين المورّد والعميل، غير أن المقياس الصحيح يقرّب جهات التصميم والمواصفات من المنتج المثالي لمتطلباتها.
تعرّفوا على نظام الإضاءة العلوية LED من INDO >
ورقة بحثية من إعداد Toby Penter، تطوير الأعمال في INDO
المصادر:
(1) Worldwide Horticulture Lighting Market [by segments (Hardware, Software, Services); by Deployment (Turnkey, Retrofit); by Environment (Indoor, Vertical, Greenhouse, Research); by Crop Type; by Regions]: Market Sizes and Forecasts (2018-2023)
(2) Ashdown, I 2018. ‘Far-Red Lighting and the Phytochromes’. MAXIMUM YIELD USA, Oct 2018, p. 60-66.
(3) Shinkle, J 2016. ‘BASIC PHOTOMORPHOGENESIS’. photobiology.info. Department of Biology, Trinity University, San Antonio. Available online: http://photobiology.info/Shinkle.html
(4) Nelson, J. A., & Bugbee, B. (2014). Economic Analysis of Greenhouse Lighting: Light Emitting Diodes vs. High Intensity Discharge Fixtures. PLoS ONE, 9(6), e99010. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0099010
(5) (Nelson, JA. 2014)
