روشنایی رشد گیاه – پرورش گیاه با نور

مقاله ی مربوط به استفاده از روشنایی مصنوعی در پرورش و رشد گیاه، منتشر شده در ماهنامه امواج برتر شماره 88

روشنایی مصنوعی ، راهکار جدید برای نگهداری و باروری سریع تر گیاهان.

نویسنده: علی توانائی جبارزاده

سال ها است که بشر در صدد تامین سریع تر و مناسب تر مواد غذایی مورد نیاز خود –چه از راه طبیعی و چه از راه های مصنوعی- است. در این سال ها کشاورزی و صنایع مربوط به کشاورزی رشد چشم گیری داشته اند. از تولید انواع مختلف سموم و کودهای گیاهی گرفته، تا روش های اصلاح نژادی و یا حتی دستکاری های ژنتیکی. البته در اینجا قصد بررسی خوب و یا بد بودن هیچ یکی از موارد فوق را نداریم، لیکن قصد داریم به بررسی شیوه های نوین پرورش گیاهان با نوری مصنوعی[1] بپردازیم.

در جهان کشورهای مختلفی هستند که از دیرباز به کشاورزی می پردازند. بخش عمده ای از این کشورها –که عمدتا در قاره اروپا ساکن هستند-  علارغم داشتن منابع آبی مناسب، فاقد مقادیر کافی نور طبیعی هستند. از این رو نور طبیعی خورشید نتوانسته است پاسخگوی نیاز این کشورها باشد. رشد صنعت تولید انرژی الکتریکی ، و رسیدن بشر به انرژی های ارزان قیمت ، محققین را بر آن داشت که گام های تازه ای به سمت تامین نور مورد نیاز گیاهان به وسیله نور مصنوعی بردارند. تکنولوژی های مختلف تولید نور مصنوعی نیز رفته رفته رشد پیدا کرده و امکان تولید نور ارزان قیمت تر (چه از نظر هزینه تامین انرژی و چه از نظر هزینه تامین مواد اولیه) فراهم شده.

در این سال ها، تکنولوژی تولید روشنایی حالت جامد[2] نیز رشد خوبی داشته و چراغ های LED رشد کیفی بسیار زیادی داشتند که باعث شد بازده تولید انرژی افزایش پیدا کند، همین طور رفته رفته این تکنولوژی فراگیر شد و قیمت چراغ های LED نیز مقرون به صرفه شد. پس رفته رفته، اشکالاتی که منابع نور مصنوعی – از لامپ های التهابی تا لامپ های تخلیه الکتریکی[3]– داشتند ، بر طرف گردید. از مزایای منابع نوری LED نسبت به منابع نوری تخلیه الکتریکی -که قبل از این ها برای تامین روشنایی مصنوعی گلخانه ای مورد استفاده قرار می گرفتند- می توان به موارد زیر اشاره کرد :

1. مانورپذیری طیفی بالا از نظر تولید نور سفارشی با طیف الکترومغناطیسی[4] مطلوب
2. قدرت جهت پذیری و تمرکز راحت نور بر روی هدف (گیاه)
3. بازده نوری بیشتر (که همچنان در حال بهتر شدن است)
4. قابلیت روشن و خاموش شدن لحظه ای و دیمینگ[5](تغییر شدت نور راحت تر)
5. طول عمر بالاتر

که در ادامه به توضیح برخی بند ها می پردازیم

 

 تولید نور سفارشی : چشم بشر به عنوان مرجع تشخیص شدت نور منابع نوری شناخته می شود، و دستگاه های اندازه گیری شدت نور[6] رایج با اعمال فیلتر هایی مطابق با حساسیت طیفی چشم انسان، شدت یک نور مصنوعی را اندازه می گیرند. با این وجود، نیاز گیاهان به نور بسیار متفاوت تر از پاسخ نوری چشم بشر است. در واقع گیاهان برای تامین قند –که محصول طبیعی هر گیاه ، مورد نیاز برای بقا، رشد ، تولید مثل و طبیعتا تولید محصول است- مورد نیاز خود ، اقدام به فرآیند ساده و در عین حال پیچیده و منحصر به فرد فتوسنتز[7] می نمایند.

گیاه در برگ ها ، نور خورشید، دی اکسید کربن و همین طور با واسطه ریشه ها و آوند ها، آب را جذب می کند، و طی فرآیندی آن را تبدیل به گلوکز می نماید. در واقع نور خورشید تامین کننده انرژی مورد نیاز فوتوسنتر است که البته هنوز بشر علارغم در دست داشتن تمام پیش نیازهای طبیعی این فرآیند (همانند کلروفیل[8]) نتوانسته است فرآیند فوتوسنتز را به صورت آزمایشگاهی انجام دهد. البته موضوع مورد بحث ما ، انجام فتوسنتز توسط گیاه ، ولی زیر نور مصنوعی (هر نوری غیر از نور خورشید) و در نتیجه بقا ، رشد و تولید محصول مورد نیاز ما است.

همان طور که گفته شد، این کلروفیل (ها) است که وظیفه انجام فرآیند فتوسنتز را به عهده دارد. البته در بعضی گیاهان، رنگدانه[9] های دیگری مثل انواع کاروتنوئید[10]ها نیز موجود هستند که نیازهای طیفی متفاوت خودشان را دارند، لیکن بیشتر گیاهان مورد بحث در نورپردازی مصنوعی از دو رنگدانه کلروفیل a و کلروفیل b برای انجام فتوسنتز بهره می برند که نمودار نیاز طیفی آن ها توسط دانشمندان برآورد شده است (نمودار 1). البته باید متذکر شد که نسبت این دو نوع کلروفیل نیز در گیاهان مختلف متفاوت است، اما این نسبت در بیشتر گیاهان آلپی (گیاهان گروههای آلپ) –که نور پسند هستند- ، تقریبا مساوی است ]2[ . لذا معمولا برای بررسی نور مناسب جهت فتوسنتز گیاهان رایج و کاربردی، مجموع این دو نمودار مورد استفاده قرار می گیرد.

مطابق نمودار یک، پاسخ طیفی فتوسنتز گیاه به نور، در طیف هایی بیشتر و در طیف هایی کمتر است، مثلا نور سبز کمتر (به همین دلیل هم کلروفیل را سبزینه می نامند، چرا که بیشتر نور سبز را جذب نکرده و بازتاب می کند) ، و نورهای آبی و قرمز بیشتر باعث فعال شدن فرآیند فتوسنتز می شوند . پیک مجموع نمودار جذب این دو کلروفیل حوالی 660 نانومتر (قرمز) و 450 نانومتر (آبی) است. با دیدن این نمودار و مقایسه آن با نمودار طیفی حساسیت چشم انسان به نور (نمودار 2) –که مرجع اندازه گیری شار و شدت نور می باشد- ، در می یابیم که یک تضاد آشکار بین این دو وجود دارد . پس نتیجه می گیریم، لوکس متر های موجود و همین طور واحد های اندازه گیری شار نوری همچون لومن، کاربردی در محاسبه شدت نور مورد نیاز گیاه ندارند. لذا ، همان طور که پیش از این نیز در رابطه شماره 1 نشان دادیم ، مسئله مهم تعداد فوتون[11] های تابیده شده به کلروفیل ها است . به همین دلیل، برای این که واحدی متناسب جهت بررسی فرآیند داشته باشیم ، انرژی خروجی منبع نور را بر حسب تعداد فوتون در ثانیه (که چون این عدد بزرگ است است، با تقسیم بر ثابت آووگادرو[12] ،  مقدار بر حسب  مول بر ثانیه و یا بالتبع آن میکرو مول بر ثانیه به دست می آید) بیان می کنیم.

همان گونه که گفته شد، تعداد فوتون ها ، خصوصا فوتون های موثر تر ، مشخص کننده شدت فرآیند فتوسنتز است، دو رنگ آبی و قرمز با طول موج های معین، تقریبا تاثیر گذاری مشابهی دارند، ولی مطابق رابطه E=nhv=nh/λ (انرژی کل = تعداد فوتون ضربدر ثابت پلانک[13] تقسیم بر طول موج) و در نتیجه N=Eλ/h  ، هر چه طول موج بزرگ تر باشد ، با یک انرژی یکسان تعداد فوتون بیشتری به دست می آوریم. به همین دلیل، به ازای مصرف هر وات انرژی برای تولید نور قرمز 660 نانومتر، حدود یک و نیم برابر نسبت به نور آبی 450 نانومتر، فوتون تولید خواهیم نمود . البته از آنجا که نور آبی دارای طول موج کمتری است و قدرت نفوذ بیشتر به بافت های گیاه دارا است ، می بایست به نسبتی منطقی از طیف نوری آبی نیز بهره برد . در مجموع ترکیب نوری که بیشتر از همه رایج شده و مورد استفاده قرار میگیرد، ترکیب نوری دو LED قرمز و یک LED آبی است،  که باید با توجه به پایین تر بودن ولتاژ درایو LED قرمز در نظر داشت که توان هر LED قرمز حدود دو سوم LED آبی است . البته به این نکته توجه داریم که تمام محاسبات فوق بر اساس شرایط رشد گیاه انجام گرفته است و در صورتی که نیاز به گل دهی داشته باشیم ، حجم نور و مقدار نور قرمز بیشتری نیز نیاز خواهیم داشت.

یکی از اشتباهات رایج که توسط برخی افراد رخ می دهد، استفاده از LED های آبی و قرمز موجود در بازار با طول موج های 620 و 460 نانومتر است، در صورتی که مظابق نمودار 1 ، این دو طول موج –خصوصا قرمز 620 نانومتر- دارای بازده حداکثری نیستند. همین طور بعضی افراد ، از انواع LED های سفید بهره می برند که این LED ها نیز علارغم کاربردی بودن دارای بازده کمتری نسبت به LED های مخصوص رشد گیاه –خصوصا در طیف قرمز- هستند.

از آنجا که LED های تک رنگ مورد بحث ، دارای قیمت به نسبت بالایی هستند ، بسیاری از شرکت های تولید کننده LED رو به ساخت LED هایی آورده اند که توسط ماده فسفرسان خاصی  -شبیه LED های سفید- نور یک LED آبی را گرفته و تبدیل به طیف مورد نیاز جهت رشد گیاه می کنند. این نوع LED ها با نام فول اسپکتروم [14] عرضه می شوند. گستره طیفی این LED ها وسیع تر از گستره طیفی ترکیب دو LED تک طول موج است. این نوع LED ها، معمولا به شکل پاور LED های یک یا سه وات ، و پکیج های COB و SMD ارائه می شوند، که پای شرکت های تولید کننده بزرگی مثل Osram ، Cree و Citizen [15] نیز به تولید این محصولات باز شده است. همین طور پکیج های فوق با دو ولتاژ کاری نامی 220 ولت AC (مناسب استفاده با برق شهر) و همین طور DC  ارائه می شوند. البته مطمئنا پکیج های 220 ولتی قیمت کمتری دارند و ساده تر مورد استقاده قرار می گیرند، لیکن کیفیت پایین تری از انوع DC -که نیازمند یک درایور LED [16] بیرونی می باشند- دارند. البته انواعی نیز در بازار وجود دارند که جهت بهتر کردن دید انسان در محیط ، مقدار کمی نور سبز نیز به گستره طیفی خود افزوده اند ، که در نهایت نور خروجی سفید تر دیده می شود .

همان طور که ذکر شد ، با وجود این نوع منابع نور مصنوعی ، شرایط فتوسنتز گیاه تامین می شود، ولی آیا همه چیز به این جا ختم می شود؟ در این سال ها مقالات بسیاری را در این زمینه دیده و مطالعه کرده ام، بعضی ها شرایط را با نورهای ذکر شده مورد بررسی قرار داده و مثلا برای گیاه کاهو شرایط رشد خوبی را به دست آورده اند [6]، همین طور در تحقیق مشترک دانشگاه های کوئینزلند[17] و سیدنی[18] با مرکز جان اینز در نورویچ[19]  انگلستان ، با اعمال روزی 22 ساعت نور مصنوعی LED ، گندم را در 8هفته –نصف مدت زمان معمول- به بار نشانده اند ]8[ ، همچنین شرکت هایی مثل شرکت نیمه هادی های سئول[20] ، اقدام به تولید LED هایی به نام خورشیدگون[21] با گستره طیفی مشابه نور خورشید نموده اند و اصرار دارند که این نورها باعث تولید محصولاتی با کیفیت تر خواهند شد. و همین طور مقالاتی نیز نگاشته شده اند که تاثیر نور سبز بر رشد گیاه [9] ، و همین طور تاثیر نورهای فرابنفش و فروسرخ را مورد بررسی قرار داده اند ، و علاوه بر کمیت تولید محصول، به بررسی کیفی محصول تولیدی و شبیه سازی بهتر شرایط واقعی رشد گیاه نیز پرداخته اند، لیکن این مباحث هنوز مورد بحث قرار دارند و این که آیا هزینه بیشتر تولید چراغ های دارای نور مشابه نور خورشید، و هزینه زیادتر برای تامین انرژی  این چراغ ها –که بازده کمتری از انواع مورد بحث در این مقاله دارند- و همین طور سرعت کمتر تولید محصول زیر نور این چراغ ها، در مقابل افت کیفیت شاید محسوس یا نامحسوس محصولات زیر نور این چراغ ها، توجیه دارد یاخیر؟ مورد بحث قرار دادند که متاسفانه هنوز جوابی قطعی برای این معادله پیدا نشده است و توضیحات بیشتر نیز در حوصله این مقاله نمی گنجد.

بازده نوری بیشتر : همان طور که پیشتر نیز گفتیم، LED ها یکی از بیشترین (یا در شرایطی بیشترین) بازده نوری را در بین منابع روشنایی دارا هستند. زمینه تولید نور مخصوص رشد گیاه نیز از این قضیه مستثنا نیست.

گیاهان در شرایط مختلف نیازهای نوری متفاوتی دارند. مثلا همان طور که گفتیم در شرایط گل دهی نیاز نوری گیاه بیشتر است. با این شرایط ، بر اساس منابعی که مقادیر متفاوتی را بیان کرده اند، در شرایط عادی ما برای هر متر مربع حدود 40 تا 150 وات –بسته به نوع گیاه و طیف الکترومغناطیسی چراغ و یا شرایط رشد- انرژی نوری –و نه الکتریکی- نیازمند هستیم. برای تامین چنین انرژی ، می توان از انواع منابع نوری بهره برد، لیکن هر چه بازده نوری منبع نور بالاتر باشد، مصرف انرژی الکتریکی کمتر خواهد شد. با این وجود، مثلا برای این منظور نیاز به چیزی حدود 100 تا 350 وات بر متر مربع منبع نور بر پایه LED داریم ، در صورتی که این مقدار برای منابع نوری رایج دیگر، مثل منابع نوری بخار سدیم[22]  -که پیش از این برای این منظور رایج بودند- می تواند دو تا سه برابر باشد. علت این امر به دو موضوع بستگی دارد، یکی این که منابع نوری LED بازده نوری بیشتری دارند، و دو این که این منابع اتلاف طیفی –خارج از نیاز گیاه- کم تری نیز دارند.

همین طور قابلیت جهت دهی بهتر منابع نوری LED باعث می شود که توان کمتری از نور تولید در محیط هدر برود و نور به صورت متمرکز تری به سوی هدف –که همان برگ ها گیاه باشند- جهت دهی شود.

امکان تغییر شدت نور : همان طور که ذکر شد، بعضی از متد های تامین نور مصنوعی برای گیاه، مبتنی بر تغییر شدت نور (یا حتی طیف های مختلف نور) در زمان رشد گیاه هستند. این یعنی، وقتی شما مثلا در مرحله جوانه زنی بذر یا پیاز هستید ، نیاز کمتری به نور خواهید داشت و طبیعتا این تابش کمتر می تواند باعث درک بهتر گیاه از محیط و سازگاری بهتر آن با محیط مصنوعی شود. همین طور با استفاده از دیمینگ می توان بر حسب زمان، طیف های مختلف تابشی –مثل تابش بیشتر نور قرمز در زمان گل دهی- را نیز کنترل کرد. همین طور وجود انواع LED کوچک و کم توان، امکان استفاده از این محصولات برای گیاهان کوچک و نشاء ها را نیز فراهم کرده است.

واحد های مخصوص تامین روشنایی  گیاهان: همان طور که پیش تر گفتیم، واحد اصلی تابش نور بر گیاه، تعداد فوتون است که نهایتا بر حسب مول ، یا میکرومول بر متر مربع در ثانیه بیان می شود . برای بیان قدرت تابشی یک منبع نور –بر حسب میکرومول بر ثانیه- چندین تکنیک وجود دارد [10]. در روش اول این واحد بر اساس مقدار فوتون تابش شده قابل رویت –طیف بین 400 تا 700 نانومتر- بیان می شود ، این مقدار را [23]PAR یا تابش فعال فتوسنتزی می نامند.  در روش دیگری ، این واحد بر اساس مقدار فوتون تابش شده قابل استفاده برای فتوسنتز بیان می شود ، این مقدار را [24]PUR یا تابش قابل استفاده فتوسنتزی می نامند. در بیان دیگر، این واحد بر اساس مقدار فوتون تابش شده ، جذب شده و تبدیل شده به انرژی پتانسیل شیمیایی بیان می کنند. این مقدار را PSR [25]  یا تابش ذخیره شده فتوسنتزی می نامند. برای دو مورد اول –PAR و PUR- دستگاه های اندازه گیری خاصی ساخته شده اند. با احتساب تعاریف فوق، برای ک منبع نور، همیشه PSR<PUR<PAR خواهد بود.

همان طور که گفته شد، صنعت پرورش گیاهان با نور مصنوعی، هنوز یک صنعت در حال رشد و توسعه است و هنوز مقالات مختلفی در تایید یا رد نظریات فوق مطرح می شود. این که آیا محصولات به دست آمده از این روش برای سلامتی مفید است یا خیر؟ مورد بحث است، اما چیزی که مشخص است، این صنعت جایگاه  خود را در محافل علمی باز کرده است و محصولاتی توسط این روش –حتی به صورت رسمی و غیر رسمی در ایران- تولید می شوند ، و این صنعت نیازمند تحقیق ، توسعه و توجه بیشتر دانشگاهیان می باشد ، چرا که کشاورزی گلخانه ای باعث کاهش مصرف آب و افزایش بهره وری خواهد شد.

 

[1] http://www.mpsd.mpg.de/154930/2015-04-chlorophyll-rubio

[2] http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=کلروفیلهای+گیاهان&SSOReturnPage=Check&Rand=0

[3] http://laser.physics.sunysb.edu/~carolyn/report/

[4] https://www.advancedaquarist.com/2012/10/aafeature

[5] https://www.7colorstek.com/product/led-grow-lights-full-spectrum/

[6]https://www.endrich.com/fm/2474/CITIZEN%20HORTICULTURE%20COBS%20FOR%20PLANT%20GROWING.pdf

[7] http://www.seoulsemicon.com/en/technology/SunLike/

[8] https://www.ledsmagazine.com/horticulture/articles/wheat-grows-twice-as-fast-under-leds.html

[9] http://www.induluxtech.com/What%20Light%20Do%20Plants%20Need-Net.pdf

[10] http://www.biophotix.com/resources/Par+vs+PUR+vs+PSR-+20130214.pdf

[1] Artificial Grow Lights

[2] Solid State Lighting

[3] Electrical Discharge Lamps

[4] Electromagnetic Spectrum

[5] Dimming

[6] Light-Meter

[7] Photosynthesis

[8] Chlorophyll

[9] Pigments

[10] Carotenoid

[11] Photon

[12] Avogadro Constant

[13] Plank Constant

[14] Full Spectrum

[15] Citizen Citiled

[16] LED Driver

[17] Queensland

[18] Sydney

[19] John Innes Centre in Norwich

[20] Soul Semiconductors

[21] SunLike

[22] HPS High Pressure Sodium

[23] Photosynthetically active radiation

[24] Photosynthetically Usable Radiation

[25] photosynthetically stored radiation