نور مصنوعی برای رشد گیاهان

نور مصنوعی برای رشد گیاهان یکی از چالش های اصلی در استفاده از برخی گیاهان برای فضای داخلی است، در این مقاله راهکارهای علمی برای حل این چالش ارائه می کنیم.

چرخه رشد گیاهان و تاثیر نور بر این چرخه

فرآیند فتوسنتز که تامین کننده مواد غذایی و انرژی برای رشد گیاه است به واسطه وجود سبزینه یا کلروفیل  و با جذب نور صورت می پذیرد. تاثیرات نور بر روی گیاه وابستگی مستقیمی به خصوصیات آن نظیر شدت (مقدار فتون یا انرژی تابشی جذب شده)، مدت زمان تابش، کیفیت نور ( از نظر ترکیب طیفی) و جهت تابش آن ( از نظر موقعیت نسبی منبع نور و درجه پراکندگی ) دارد. نور برای گیاهان سبز هم منبع انرژی و هم منبع اطلاعات است. در پروسه فتوسنتز نور به عنوان منبع انرژی برای گیاه تعریف می شود و در عین حال حاوی اطلاعاتی در مورد طول دوره شب و روز و جهت تابش و مقدار و کیفیت نور می باشد. در حقیقت حساسیت گیاهان نسبت به نور به مانند نوعی حس بینایی نسبت به محیط عمل می کند که البته با بینایی سایر موجودات زنده متفاوت است.

• تاثیر شدت نور و جهت و مدت زمان تابش بر چرخه رشد گیاه

مقدار انرژی نورانی دریافتی توسط گیاه که ارتباط مستقیمی با میزان فتوسنتز انجام شده دارد به پارامترهایی نظیر شدت و مدت زمان تابش و جهت آن وابسته است. میزان انرژی دریافتی گیاه بسته به میزان دریافت بسته های کوانتومی نور یا همان فتون ها است. مقدار انرژی هر فتون به طول موج آن بستگی دارد. بر این اساس، معیارهای اندازه گیری انرژی دریافتی توسط گیاه که در فتوسنتز تاثیرگذار هستند چه برای نور طبیعی و چه برای منابع نور مصنوعی به صورت پارامترهای مشخص شده در جدول زیر معرفی می شوند. مقادیر فتون دریافتی بر اساس میکرو مول اندازه گیری می شوند.

با توجه به اینکه بیشتر حجم فتوسنتز در گیاه در طول موجهای ۴۰۰  تا ۷۰۰ نانومتر صورت می پذیرد، معیارهای ارایه شده در جدول فوق در این محدوده طول موج مورد بررسی قرار می گیرند. نکته قابل ذکر این است که، با توجه به اینکه با کاهش طول موج در طیف مریی انرژی فتونها افزایش پیدا می کند، برای مقدار مشخصی از سطح انرژی، تعداد فتونهای دریافتی توسط گیاه در طول موجهای کوتاهتر نسبت به طول موجهای بالاتر، کمتر است. همین افزایش انرژی فتونها با کاهش طول موج سبب می شود که در طول موجهای کمتر از نور بنفش (UV) سطح انرژی فتونها به حدی برسد که به بافت گیاه آسیب برساند و در طول موجهای بیشتر از نور قرمز (IR) سطح پایین انرژی فتون باعث تحریک کلروفیل نمی شود و عمده انرژی به حرارت تبدیل می گردد.

برای محاسبه شار خروجی یک منبع نور تامین کننده انرژی گیاه، نیاز به تبدیل معیارهای ذکر شده به معیارهای متداول روشنایی می باشد. اگر معیار PPFD را به عنوان شدت روشنایی مورد نیاز برای گیاه در نظر بگیریم با استفاده از روابط مشخصی می توان ضرایبی برای تبدیل آن به واحد  شدت روشنایی (Lux) یافت.

مجموع مقادیر PPF در برای هر طول موج در طیف طول موج ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر مشخص کننده مجموع PPF حاصل از یک منبع روشنایی خاص است و از این طریق می توان با در نظر گرفتن شدت روشنایی در هر متر مربع ناشی از یک منبع نوری و تبدیل PPF به PPFD به ضریب تبدیل برای آن منبع رسید. بدین صورت انتخاب منبع روشنایی مورد نیاز با توجه به نیاز گیاه مورد نظر امکان پذیر می باشد.

در یک تقسیم بندی کلی گیاهان از نظر شدت روشنایی مورد نیاز برای فتوسنتز به ۴ دسته تقسیم می شوند:

• گیاهانی که حداقل به شدت روشنایی ۱۰۷۶۰ لوکس نیاز دارند
• گیاهانی که حداقل به شدت روشنایی ۲۱۵۰ لوکس نیاز دارند
• گیاهانی که به شدت روشنایی ۸۰۷ تا ۲۱۵۰ لوکس نیاز دارند
• گیاهانی که به شدت روشنایی ۲۷۰ تا ۸۰۷ لوکس نیاز دارند

نکته قابل توجه این است که با افزایش سن گیاه، میزان نور مورد نیاز آن نیز افزایش پیدا می کند.در واقع با پیرتر شدن گیاه توانایی آن در جذب فتونها کاهش می یابد و لذا برای جبران این کمبود، گیاه به شدت نور بیشتری نیاز خواهد داشت. با توجه به دسته بندی فوق و این واقعیت که در صورت بیشتر بودن شدت نور از میزان مورد نیاز برای گیاه، مقدار اضافی فتونها توسط گیاه جذب نمی شود و عملا تاثیری در فتوسنتز ندارد، در هرترکیب متفاوت از گیاهان در دیوار سبز باید حداقل مقدار روشنایی مورد نیاز برای گیاهانی که به شدت روشنایی بیشتر نیاز دارند، تامین گردد.

از دیگر عوامل موثر بر رشد گیاه طول زمان روز و شب یا طول دوره تابش بر گیاه است.بیشتر گیاهان معمولا به طول دوره تابش نور عکس العمل نشان می دهند. این عکس العمل به ویژه در روند گلدهی گیاهان تزیینی (مانند بسیاری از گیاهان دیوار سبز) نمود پیدا می کند.در یک دسته بندی کلی گیاهان از نظر طول زمان شب و روز مورد نیاز به ۳ دسته اصلی زیر تقسیم می شوند:

• گیاهان روز بلند یا شب کوتاه: این دسته گیاهان حداقل ۱۴-۱۰ساعت برای گلدهی نیاز دارند
• گیاهان روز کوتاه یا شب بلند: با افزایش طول روز این گیاهان فقط رشد رویشی نموده و به مرحله گلدهی نمی رسند. این گیاهان به طول روز کمتر از ۱۲ساعت نیاز دارند.
• گیاهان بی تفاوت یا خنثی: این دسته شامل گیاهانی هستند که در مقابل تغییرات شبانه روز از خود واکنش نشان نمی دهند.

گیاهان مورد استفاده  می توانند از هر سه دسته باشند ولی در انتخاب گیاهان باید دقت لازم به عمل آید تا در حد امکان جزو دسته های مشابه باشند. حداقل مقدار تابش مورد نیاز روزانه بر اساس پارامتر DLI مشخص می شود. مقدار DLI در فضای آزاد بین ۵ تا ۶۰ مول بر هر متر مربع بر اساس موقعیت جغرافیایی و فصول سال متغیر است.در مجموع این مقدار برای رشد گیاهان روزبلند حداقل ۱۰ مول بر متر مربع و برای رشد گیاهان روزکوتاه حداقل ۴ مول بر متر مربع است که باید در طراحی سیستم روشنایی مورد توجه قرار بگیرد.

تاثیر طیف نور تابشی بر چرخه رشد گیاه (تحلیل طیفی)

به طور کلی گیرنده های نوری موجود در گیاهان که تغییرات نور را احساس می کنند به سه گروه تقسیم بندی می شوند:

• فیتوکرومها که بیشترین حساسیت را به طول موجهای ۶۶۰ نانومتر (سرخ) تا ۷۳۰ نانومتر (فرو سرخ) دارند.
• گیرنده های دارای بیشترین حساسیت به طول موجهای ۳۱۵ تا ۴۵۰ نانومتر (آبی/UV-A)
• گیرنده های دارای بیشترین حساسیت به طول موجهای ۲۸۰ تا ۳۱۵ نانومتر( UV-B)

همانطور که اشاره شد فرآیند فتوسنتز در گیاه به واسطه وجود رنگدانه یا کلروفیل انجام می شود کلروفیل موجود در بیشتر گیاهان شامل دو گونه کلروفیل اصلی(chlorophyll A) و کلروفیل فرعی (chlorophyll B) می باشد که بیشتر حجم فعالیت آنها در طول موجهای خاصی  صورت می پذیرد . تشخیص این طول موجها توسط گیرنده های نوری موجود در گیاه انجام می شود. به طور کلی طول موجهای مختلف نور تاثیرات مختلفی بر گیاه دارد که پاره ای از این تاثیرات در جدول زیر قابل مشاهده است.

با توجه به موارد ذکر شده فعالیت گیاه در دو بخش از طیف طول موج یعنی طول موج های نزدیک به رنگ قرمز و آبی بیشتر از بقیه بخشهای طول موج است. در طول موج های نزدیک به طول موج آبی که توسط گیرنده های نوع b در گیاه حس می شود با افزایش PAR دریافتی و سیگنالی که از سوی گیرنده های نوع b ارسال می شود، رشد شاخ و برگ گیاه افزایش می یابد. همچنین در طول موج های نزدیک به قرمز که توسط فیتوکرومها حس می شوند با افزایش مجدد PAR دریافتی و سیگنال ارسالی از طرف گیرنده های فیتوکروم، فرآیند جوانه زنی و گلدهی گیاه آغاز می شود. مورد قابل توجه دیگر این است که در طول موج های نزدیک به نور سبز مقدار PAR دریافتی توسط گیاه به حداقل می رسد.این پدیده سبب می شود که مقدار رشد گیاه در این حالت به حداقل برسد. نمودار میزان PAR دریافتی توسط  گیاه و مراحل رشد آن در طول موج های مختلف نور مریی در تصویر قابل مشاهده است.این نمودار طیف فعالیت فتوسنتز یا به طور خلاصه PAS نامیده می شود.