Aqu @teach: أنظمة التحكم في الاحتباس الحراري

وتشمل أنظمة التحكم أنظمة الإضاءة والتدفئة والتبريد والرطوبة النسبية وإثراء ثاني أكسيد الكربون. في حين أنه من المفيد أن يكون لديك بيئة تسيطر عليها بشكل كامل، يمكن أن تزدهر الزراعة المائية أيضا دون ذلك، أو مع بعض المعلمات التي يتم التحكم فيها فقط.

ضوء

إن أقصى انتقال للضوء، من الكمية والجودة المناسبتين (PAR، 400-700 نانومتر)، أمر بالغ الأهمية للتركيب الضوئي الأمثل والنمو والعائد. إذا كان هناك الكثير من الضوء في الصيف، يمكن رش طلاء الظل أو الغسيل الأبيض على الجزء الخارجي من الدفيئة. هذا إما أن يزول بحلول نهاية موسم النمو، أو يمكن غسله. يمكن وضع أقمشة الظل الخارجية المصنوعة من درجات متفاوتة من حجم الشبكة لاستبعاد كميات محددة من الضوء (مثل 30٪، 40٪، 50٪ الظل) على السطح الخارجي للبيت الزجاجي أو تعليقها داخله. إذا كان هناك القليل من الضوء خلال فصل الشتاء، فإن الأغطية الأرضية العاكسة البيضاء يمكن أن تزيد بشكل كبير من مستويات الضوء إلى مظلة النبات (Rorabaugh 2015).

يمكن استخدام الأضواء الاصطناعية لتمديد موسم النمو في فصل الشتاء. وتستخدم تقنيات الضوء المختلفة في الدفيئات الزراعية، ولكن النوع الأكثر شيوعا هو الثنائيات الباعثة للضوء (المصابيح). على عكس جميع أنظمة الإضاءة الاصطناعية الأخرى، لا تحتوي مصابيح LED على مكونات زجاجية أو غازية: جميع المكونات هي حالة صلبة. ولذلك فهي أقل هشاشة من الأنواع الأخرى من المصابيح، ويمكن أن تكون موجودة في أماكن قد تتلف فيها المصابيح الأخرى وتشكل خطرا على الصحة والسلامة. ومع ذلك، فإن أحد الآثار السلبية المحتملة لاستخدام إضاءة LED في الدفيئات الزراعية هو نقص الحرارة الإشعاعية التي تنتجها، مما يقلل من إجمالي توفير الطاقة نظراً لوجود طلب أكبر على التدفئة (Davis 2015).

تتوفر مصابيح LED الآن مع أي طول موجي تقريبًا بين 200 و4000 نانومتر. وتتمثل مزايا مصابيح LED في 1 كفاءتها العالية (ناتج الطاقة الخفيفة/الطاقة الكهربائية) مقارنة بمصادر الإضاءة الأخرى؛ 2 أن يكون الضوء المنبعث اتجاهياً، مما يقلل من كمية الضوء الضالة ويضمن وصول أقصى قدر من الضوء إلى المحصول؛ 3 أن الطيف العام يمكن تعديلها لتطبيقات مختلفة عن طريق تغيير عدد وألوان المصابيح المثبتة في وحدة الإضاءة. وبالتالي توفر مصابيح LED إمكانية تحسين العلاجات الخفيفة التي تسمح بتعزيز صفات نباتية محددة أو التحكم في مورفولوجيا النبات ووقت الإزهار. لإنتاج النباتات الصحية، مطلوب كل من الضوء الأحمر والأزرق. ويستخدم الضوء الأحمر بأكبر قدر من الفعالية لدفع عملية التمثيل الضوئي، ولكن عادة ما يتبين أن النباتات تنمو بشكل أكثر فعالية عندما يتم احتواء بعض الضوء الأزرق داخل الطيف الضوئي، لأنه يساعد على تعزيز امتصاص ثاني_أكسيد الكربون الذي يعزز الستوماتا. ومع ذلك، تختلف استجابات الفم للضوء بين الأنواع، لذلك لن تستفيد جميع الأنواع بالتساوي بعد إضافة الضوء الأزرق. ففي الخس، على سبيل المثال، تبين أن معدلات النمو تنخفض مع زيادة الضوء الأزرق (ديفيس 2015).

هناك حالات قد توفر فيها ألوان إضافية من الضوء مزايا إضافية. وقد تبين أن إدراج الضوء الأخضر يزيد من تراكم الكتلة الحيوية الطازجة والجافة في نباتات الخس عندما يحل الضوء الأخضر محل بعض الضوء الأزرق أو الأحمر في الخليط. الضوء الأخضر يمكن أيضا اختراق أعمق في مظلة النبات، وبالتالي دفع المزيد من التمثيل الضوئي. الضوء الأحمر البعيد مهم لتطوير النبات والأداء طوال حياة المحصول. على الرغم من أنه يمكن أن يمنع إنبات بذور الخس، إلا أنه يمكن مع ذلك زيادة مساحة الأوراق، مما قد يسمح بزيادة التقاط الضوء ومعدلات النمو. خلال المراحل اللاحقة من تطوير المحاصيل، من ناحية أخرى، سوف يسبب التمدد والانشقاقات. المنطقة التي يمكن فيها استخدام الضوء الأحمر البعيد لتحقيق أكبر تأثير هي للسيطرة على وقت المزهرة (ديفيس 2015).

كما توفر المصابيح الفرصة للمحاصيل الخفيفة بطرق غير تقليدية. المصابيح هي مصادر ضوء باردة، وعلى هذا النحو، يمكن وضعها بالقرب من المحاصيل أو داخل مظلة إلى الأوراق الخفيفة التي عادة ما تتلقى القليل من الضوء الطبيعي أو التكميلي. عن طريق إضافة الضوء إلى الأوراق بشكل طبيعي في المنطقة المظللة من المظلة، النباتات قادرة على استخدام الضوء بشكل أكثر كفاءة. وهذا يعني أن «التداخل» لديه القدرة على زيادة الغلة أكثر من نفس كمية الضوء المضافة على رأس المظلة. وقد تبين أن الضوء الأزرق البيني له نتائج مختلطة في غلة نباتات الخيار والطماطم (ديفيس 2015).

ويمكن أيضا استخدام التلاعب الطيفي لتحسين التصبغ. الضوء الأزرق مهم لقيادة تركيب الأنثوسيانين، وهو واحد من أنواع المركبات التي تسبب تصبغ أحمر. الضوء مهم أيضا في تنظيم التركيب الحيوي للعديد من المركبات التي تعمل على تغيير نكهة ورائحة الأوراق والفواكه والزهور بشكل مباشر. وقد تم ربط التعرض للأشعة فوق البنفسجية بالأشعة فوق البنفسجية بزيادة الزيت والمحتويات المتطايرة في مجموعة من أنواع الأعشاب، بما في ذلك بلسم الليمون والريحان (Davis 2015).

وفي معظم البحوث، ينظر في تأثير نوعية الضوء على نوعية المحاصيل خلال فترة نمو المحاصيل، ولكن في الآونة الأخيرة تم النظر أيضا في تأثير المعالجة الخفيفة بعد الحصاد. وتتيح معالجة المحاصيل بعد الحصاد إمكانية تعزيز صفات المحاصيل أثناء النقل لتأخير بداية مرحلة الشيخوخة، مما يؤدي إلى إطالة مدة الصلاحية. وتبين أن التعرض لساعتين من الضوء الأحمر المنخفض الكثافة يؤخر شيخوخة أوراق الريحان لمدة يومين أثناء التخزين عند درجة حرارة 20 درجة مئوية في الظلام (Davis 2015).

وبالتالي يمكن استخدام تفاعل النباتات مع ألوان مختلفة من الطيف الخفيف للتلاعب بالنباتات لتلبية الاحتياجات المختلفة، بما في ذلك ما يلي:

• الأشعة فوق البنفسجية يمكن استخدامها لتقصير internodes

• يمكن استخدام الضوء الأزرق والأشعة فوق البنفسجية لزيادة تحمل الإجهاد النباتي قبل الزرع

• يمكن استخدام الضوء الأزرق لتحفيز النمو الخضري ومنع النباتات في اليوم الأقصر من الإزهار خلال مراحل انتشارها

• يمكن استخدام الضوء الأحمر للحث على الإزهار وإطالة إنتيرنوديس لإنتاج نباتات ذات سيقان أطول وزهور أكبر

• يمكن استخدام الضوء الأحمر البعيد للسيطرة على الضوء الضوئي للنباتات

وتستخدم عدادات لوكس على نطاق واسع في البستنة لقياس شدة مصابيح الصوديوم ذات الضغط العالي (هبس). تم تصميم عدادات لوكس ليكون لها نفس الحساسية لمناطق مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي مثل العين البشرية، والتي هي الأكثر حساسية للضوء الأخضر. ومع ذلك، بالنسبة للعديد من مصابيح LED البستانية، وخاصة تلك التي تحتوي على مصابيح LED حمراء وزرقاء في الغالب، ينخفض أطياف الانبعاثات في المناطق التي تكون فيها عدادات لوكس غير حساسة نسبياً، وتقدم تقديرات منخفضة للغاية حتى عندما تكون الكثافة الفعلية لهذه الأطياف عالية. قياس الضوء الأكثر ملاءمة للاستخدام مع النباتات هو إشعاع الفوتون PAR (وتسمى أيضا كثافة تدفق الفوتون الضوئي، PDFD). يشير إشعاع الصورة PAR إلى عدد الفوتونات التي تقع على سطح يقاس بالميكرومولات لكل متر مربع في الثانية (ميكرومول م^-2 ثانية^-1 ). ولأن التمثيل الضوئي يقاس بوحدات مماثلة (ميكرومول\ [CO₂] م^-2 ثانية^-1 )، فإن استخدام إشعاع الفوتون PAR يسمح بإجراء مقارنات مباشرة بين كمية الضوء وكمية التمثيل الضوئي (ديفيس 2015).

الشكل 13: النمو تحت الأشعة فوق البنفسجية < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Aquaponics#/media/File:Light_on_Aquaponics.jpg >

درجة الحرارة والرطوبة

ستحافظ أجهزة التسخين على درجة الحرارة ضمن النطاق الأمثل خلال فترات الطقس البارد. يمكن وضع المواد العازلة (قماش أو ستائر فيلم) فوق المحصول أو بالقرب من السقف للاحتفاظ بالحرارة بالقرب من المحصول. المواد العازلة المستخدمة أثناء الليل يمكن أن تكون هي نفس المواد المستخدمة للتظليل خلال النهار (Rorabaugh 2015).

ارتفاع درجات الحرارة يمكن أن يكون ضارا لنمو النبات، وخاصة أن هناك انخفاض توافر الضوء. يمكن أن يسبب ارتفاع درجات الحرارة مشاكل مثل السيقان الرقيقة والضعيفة، وانخفاض حجم الزهرة، وتأخر الإزهار و/أو سوء التلقيح/الإخصاب ومجموعة الفاكهة، وإجهاض الزهور والبراد/الفاكهة. وتشمل أنظمة التهوية السلبية أقمشة الظل أو طلاء الظل/الغسيل الأبيض الذي، بالإضافة إلى تنظيم كثافة الضوء، يمكن أن يساعد أيضًا على تبريد الدفيئة. فتحات التلال في سقف المسببة للاحتباس الحراري تسمح الهواء الساخن والداخلي للهروب. يجب أن تكون مساحة الفتحات 25٪ من مساحة الأرضية. يمكن استخدام الجدران الجانبية المتدلية في الدفيئات الزجاجية المرنة (فيلم البولي ايثيلين) للسماح بالتدفق الأفقي الطبيعي للهواء فوق النباتات. كما هو الحال مع فتحات التلال، يجب أن تكون مساحة فتحات الجدار الجانبي 25٪ من مساحة الأرضية. يمكن استخدام منصات تبريد المياه في الجزء العلوي من أبراج التبريد لتبريد الهواء المحيط الذي يسقط بعد ذلك، وبالتالي تشريد الهواء الأكثر دفئا أدناه. يمكن أن تشمل التصاميم الحديثة المسببة للاحتباس الحراري سقفًا يتراجع تمامًا للتهوية الطبيعية. وهذا يسمح للنباتات المزروعة بالاحتباس الحراري بالتكيف مع الظروف الخارجية (Rorabaugh 2015).

تتضمن أنظمة التبريد النشطة المروحة والوسادة «تبريد تبخري» حيث يتم سحب الهواء من الخارج من خلال منصات مسامية ورطبة (عادة ورق السليلوز). الحرارة من الهواء واردة يتبخر الماء من منصات، وبالتالي تبريد الهواء. سيساعد التبريد التبخر أيضًا على زيادة الرطوبة النسبية في الدفيئة. وبدلاً من ذلك، تستخدم أنظمة الضباب أيضًا التبريد التبخيري، ولكنها تتضمن تشتت قطرات الماء التي تتبخر وتستخرج الحرارة من الهواء. هذا النظام يعطي التوحيد أفضل منذ يتم توزيع الضباب في جميع أنحاء الدفيئة، وليس فقط بالقرب من نهاية لوحة واحدة كما هو الحال مع نظام المروحة والوسادة. كلما كان حجم القطرة أصغر، كلما تبخر كل قطرة أسرع، وبالتالي كلما كان معدل التبريد أسرع. ويمكن زيادة الرطوبة النسبية عن طريق تشغيل منصات التبريد أو عن طريق الضباب، ويمكن خفضها عن طريق تشغيل السخانات أو ببساطة عن طريق تنفيس (Rorabaugh 2015).

ثاني_أكسيدالكربون

يعتمد معدل التمثيل الضوئي على توافر ثاني أكسيد الكربون. وقد توفر التهوية ما يكفي من ثاني_أكسيد الكربون خلال الربيع و الصيف و الخريف, و لكن في الشتاء, أو في أي وقت في المناخات الباردة, سيؤدي ذلك إلى جلب الهواء البارد إلى الاحتباس الحراري. ثم ستكون هناك حاجة إلى التدفئة للحفاظ على درجة الحرارة المناسبة، والتي قد تصبح غير اقتصادية. ول ذلك فإن جيل ثاني_أكسيد الكربون هو و سيلة فعالة لزيادة المستويات في الدفيئة أثناء فصل الشتاء أو في المناخات الباردة. يمكن لمولدات ثاني_أكسيد الكربون حرق أنواع مختلفة من الوقود، بما في ذلك الغاز الطبيعي (الأكثر اقتصادا) أو البروبان. كما تنتج مولدات اللهب المكشوف الحرارة وبخار الماء كمنتجات ثانوية. ولذلك، يستخدم المزارعون المائي أحيانا مولدات ثاني_أكسيد الكربون في فصل الشتاء، عندما يكون إنتاج الحرارة الزائدة موضع ترحيب، وثاني_أكسيد الكربون والجرعات المعبأة في زجاجات في الصيف، لأنها لا تنتج أي حرارة أو رطوبة إضافية. و بما أن ثاني_أكسيد الكربون تفرضه النباتات عن طريق التنفس ليلا, فإنه ليس من غير المألوف أن تتراكم المستويات إلى ما بين 0.045 في المائة و 0.070 في المائة في غرفة الزراعة بحلول الصباح. إن ضبط الموقت لبدء الجرعات من ثاني_أكسيد الكربون بعد ساعة واحدة من ظهور الأضواء، مع الجرعة الأخيرة قبل ساعة واحدة من انبعاث الأنوار، هو الطريقة الأكثر اقتصادا لتوفير ثاني_أكسيد الكربون التكميلي. ول إبقاء ثاني_أكسيد الكربون عند المستويات المثلى, من الأفضل تناول جرعة لفترات زمنية قصيرة بأحجام أعلى من الجرعة لفترات زمنية أطول عند أحجام منخفضة. (رورابو 2015). في أكوابونيكش، غالبا ما تكون خزانات الأسماك في نفس الغرفة مثل المكون المائي. و يرفع تنفس الأسماك مستويات ثاني_أكسيد الكربون من مياه النظام, و يدخل ثاني_أكسيد الكربون أيضا الغلاف الجوي. ول ذلك فإن مدخلات إضافية من ثاني_أكسيد الكربون إما غير مطلوبة, أو أنها منخفضة جدا (Körner * et al.* 2014).

دوران الهواء

أحد أسباب وجود دفيئة هو خلق «بيئة محكومة» لجميع النباتات. ومع ذلك، وخاصة في الأوقات التي لا تكون فيها أنظمة التدفئة والتبريد قيد قيد التشغيل، قد تتطور جيوب ذات درجة حرارة عالية أو منخفضة أو رطوبة نسبية أو ثاني أكسيد الكربون والتي يمكن أن تكون أقل من الأمثل لنمو النبات أو تنمية الزهور/الفاكهة. يمكن وضع مراوح تدفق الهواء الأفقي (HAF) في العوارض الخشبية للاحتباس الحراري لتعميم الهواء فوق المحصول. وهذا يساعد على تقليل جيوب الهواء الدافئ أو البارد والرطوبة العالية أو المنخفضة أو ثاني أكسيد الكربون. يمكن استخدام مراوح HAF بالتزامن مع أنظمة تسخين الهواء الساخن لتعميم الهواء الدافئ في جميع أنحاء الدفيئة (Rorabaugh 2015).

نظم المراقبة البيئية

و يمكن أن تكون نظم المراقبة البيئية بسيطة جدا أو معقدة جدا. تتضمن أبسط الأنظمة تدحرج فتحة تنفيس جانبية يدويًا، أو فتح فتحة سقف أو باب، أو تشغيل سخان أو برودة. تعمل وحدات التحكم البسيطة من ترموستات في الدفيئة وستقوم تلقائيًا بتعيين نطاقات درجات الحرارة ليلا ونهارا، وفتحها وإغلاقها، وتشغيل السخانات والمبردات أو إيقاف تشغيلها. كما ستتحكم وحدات التحكم في الخطوة تلقائيًا في مرحلة تسخين واحدة أو مرحلتين، اعتمادًا على عدد السخانات، وتتحكم في عدة مراحل تبريد باستخدام مراوح التبريد والمضخة (المضخات) لترطيب الوسادات. تستخدم أنظمة التحكم البيئي الأكثر تعقيدًا أجهزة كمبيوتر متطورة تعمل من جهاز استشعار درجة الحرارة في الدفيئة وتقوم تلقائيًا بتعيين نطاقات درجات الحرارة ليلا ونهارا، والتحكم في معدات التدفئة بما في ذلك الغلايات، وتسخين منطقة الجذر، وستائر الاحتفاظ بالحرارة، وما إلى ذلك، والتحكم في المعدات الأخرى بما في ذلك مراوح HAF، ومراوح العادم، والفتحات، ومضخات الوسادة، وأنظمة الضباب، وما إلى ذلك، والتحكم في الرطوبة النسبية، والتحكم في ستائر الظل والإضاءة الاصطناعية حسب متطلبات الضوء. كما يمكن لأجهزة الكمبيوتر المتطورة مراقبة محطة طقس خارجية واستخدام البيانات المجمعة (الضوء، ودرجة الحرارة، والرطوبة النسبية، والأمطار، والرياح) للتحكم في الظروف الداخلية في الاحتباس الحراري. كما يمكنهم تشغيل نظام الأسمدة باستخدام كمية الضوء تلقائيًا (على سبيل المثال X مل من المحلول/كمية الضوء Y)، والتحكم في توقيت الري، ومدة الري، ودرجة الحموضة في محلول المغذيات، والغش (Rorabaugh 2015).

*حقوق الطبع والنشر © شركاء مشروع Aqu @teach. Aqu @teach هي شراكة استراتيجية إيراسموس في التعليم العالي (2017-2020) بقيادة جامعة غرينتش، بالتعاون مع جامعة زيوريخ للعلوم التطبيقية (سويسرا)، والجامعة التقنية في مدريد (إسبانيا)، وجامعة ليوبليانا ومركز ناكلو التقني الحيوي (سلوفينيا) . *