المستند التقني: ثاني أكسيد الكربون والإضاءة في الزراعة في البيئة المغلقة

المُقدّمة

لقد أحدث ظهور المزارع الرأسية والدفيئات الزراعية الحديثة ثورة في مجال الزراعة البستانية، حيث قدم حلولاً مبتكرة لتلبية الطلب المتزايد على الإنتاج الغذائي المستدام. تستخدم هذه الأنظمة الزراعية الخاضعة للرقابة البيئية تقنيات متقدمة لتحسين استخدام الموارد وزيادة إنتاجية المحاصيل وتقليل التأثير البيئي. ومع ذلك، فإن إدارة وصيانة ظروف النمو المثلى داخل هذه الأماكن المغلقة تشكل تحديات كبيرة. بالإضافة إلى الإضاءة الاصطناعية، أحد العوامل الحاسمة التي تؤثر بشكل كبير على نمو النبات وإنتاجيته هو تركيز ثاني أكسيد الكربون (CO2).

المشكلة بيان

في الزراعة ذات البيئة الخاضعة للرقابة (CEA)، مثل المزارع العمودية والصوبات الزراعية الحديثة، يعد الحفاظ على ظروف النمو المثالية أمرًا ضروريًا لتحقيق أقصى إنتاجية للمحاصيل. هناك عاملان حاسمان يؤثران بشكل كبير على نمو النبات هما الإضاءة الاصطناعية وتركيز ثاني أكسيد الكربون. في CEA، يعد تحسين طيف الضوء وكثافته ومدته التي يتم قياسها بواسطة Daily Light Integral (DLI)، أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز نمو المحاصيل وتعظيم الغلة. على عكس البشر، الذين يعانون من ارتفاع تركيزات ثاني أكسيد الكربون، تحتاج المحاصيل إلى مستوى معين من ثاني أكسيد الكربون، يتم الحفاظ عليه عادة بين 2 جزء في المليون (مثل شتلات الطماطم والخيار) و2 جزء في المليون حتى تتمكن من النمو بكفاءة والازدهار في البيئات الخاضعة للرقابة. تختلف احتياجات الإضاءة ومتطلبات ثاني أكسيد الكربون اعتمادًا على نوع المحصول ومرحلة نموه المحددة. يمكن أن ينخفض ​​تركيز ثاني أكسيد الكربون في عمليات زراعة CEA محكمة الغلق بسرعة إلى 800 جزء في المليون، مما يدفع جميع شركات CEA تقريبًا إلى استخدام جرعات ثاني أكسيد الكربون كإجراء تعويضي لجلب مستويات ثاني أكسيد الكربون إلى التركيز الأمثل. على عكس العوامل البيئية الأخرى، يحتاج ثاني أكسيد الكربون إلى التحكم بدقة ويتأثر بشدة بالتهوية وفترة نمو النبات والطقس. غالبًا ما تتميز مرافق CEA بأنظمة تهوية وهياكل مادية مثل الرفوف والصواني التي تعيق حركة الهواء، مما يؤدي إلى التقسيم الطبقي داخل البيئة. ونتيجة لذلك، قد تشهد بعض المناطق تركيزات دون المستوى الأمثل من ثاني أكسيد الكربون، مما يؤثر سلبًا على عملية التمثيل الضوئي والأداء العام للنبات. وللتخفيف من هذه المشكلة، يقوم المزارعون بزيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون الإجمالية في المزرعة عن طريق حقن ثاني أكسيد الكربون الإضافي. ومع ذلك، يجب على المزارعين توخي الحذر، لأن الجرعات المفرطة من ثاني أكسيد الكربون يمكن أن تؤدي إلى نمو غير متوازن للنباتات، وانخفاض جودة المحاصيل، وزيادة تكاليف التشغيل. كما يساهم عدم التوازن بين إمدادات ثاني أكسيد الكربون، واستيعاب المحاصيل، والتهوية في تغير المناخ من خلال الانبعاثات المباشرة لثاني أكسيد الكربون، في حين تتطلب تفويضات الطاقة الخضراء من المزارع استخدام أنظمة تسخين الغلايات لتوليد ثاني أكسيد الكربون لاستكشاف أنظمة تخصيب بديلة.

الحل: يلتقي Infineon مع Crocus Labs

ولمواجهة هذه التحديات، يمكن للمزارعين استغلال العلاقة بين تركيز ثاني أكسيد الكربون، وشدة الضوء، والتمثيل الضوئي لتحسين نمو النبات وإنتاجيته. ويصور الشكل 2 منحنى ثاني أكسيد الكربون وشدة الضوء. من خلال الحفاظ على التوازن الصحيح بين ثاني أكسيد الكربون وأطياف الضوء، يمكن للمزارعين زيادة العائد الكمي لاستيعاب ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، هناك نقطة تشبع يكون فيها للزيادات الإضافية في ثاني أكسيد الكربون وشدة الضوء تأثير ضئيل على نشاط التمثيل الضوئي. يسمح وضع مستشعرات ثاني أكسيد الكربون بشكل استراتيجي في جميع أنحاء منطقة الزراعة للمزارعين بالحصول على رؤى شاملة حول توزيع ثاني أكسيد الكربون واتخاذ قرارات مستنيرة فيما يتعلق بمكملات ثاني أكسيد الكربون وأطياف الضوء. يستفيد نظام الإضاءة الذكي الخاص بـ Crocus Labs من مستشعر Infineon XENSIV™ PAS CO1 من أجل جمع البيانات من أجزاء مختلفة من المزرعة. يتيح هذا التكامل السلس مزامنة المخرجات الطيفية للأضواء مع متطلبات ثاني أكسيد الكربون المحددة للمحطات المختلفة في مراحل نمو مختلفة وفي مواقع مختلفة مما يخلق بيئة نمو مثالية. ومن خلال ضمان معدلات التمثيل الضوئي التي تتناسب مع احتياجات النباتات، يمكن للمزارعين تحقيق غلات أعلى وتحسين جودة المحاصيل وتقليل تكاليف التشغيل (من الكهرباء وجرعات ثاني أكسيد الكربون). كما توفر هذه القدرة على التحكم الدقيق في طيف الضوء وثاني أكسيد الكربون للمزارع المرونة اللازمة للتخفيف من مخاطر السوق من خلال تكييف اختيار محاصيلها. على سبيل المثال، في السيناريو الذي يصبح فيه السوق مشبعًا بالخيار، مما يتسبب في انخفاض أسعاره، يمكن للمزارع ببساطة تعديل معلمات الضوء وثاني أكسيد الكربون لاستيعاب محصول مختلف. تساعدهم هذه القدرة على التكيف على تجنب الخسائر المالية والحفاظ على الربحية.

من خلال دمج مستشعر XENSIV™ PAS CO2 عالي الدقة من Infineon مع نظام الإضاءة الذكي من Crocus Labs، توفر Crocus Labs للمزارعين حلاً شاملاً يجمع بين مراقبة ثاني أكسيد الكربون في الوقت الفعلي والتحكم الدقيق في الإضاءة والضبط الطيفي الذكي. على سبيل المثال، في مزرعة عمودية بارتفاع 2 أمتار وموزعة على مساحة 10 متر مربع لزراعة الخضر الورقية، يمكّن التكامل المزارعين من مراقبة مستويات ثاني أكسيد الكربون وضبط أطياف الإضاءة ديناميكيًا في مواقع مختلفة من المزرعة للتعويض عن الخسارة في المستوى الأمثل لثاني أكسيد الكربون و وبالتالي تتناسب مع الاحتياجات المحددة للنباتات. من خلال تحليل بيانات مستشعر ثاني أكسيد الكربون واستخدام الخوارزميات المتقدمة، يمكن لنظام الإضاءة ضبط الإخراج الطيفي بذكاء لتحسين كفاءة التمثيل الضوئي، وتعزيز جودة النبات مع تقليل الحاجة إلى جرعة زائدة من ثاني أكسيد الكربون.

في حالة استخدام أخرى، فكر في دفيئة تزرع محاصيل مثمرة. ومن خلال دمج مستشعر ثاني أكسيد الكربون من Infineon ونظام الإضاءة من Crocus Labs، يمكن للمزارعين ضبط التركيب الطيفي للضوء استنادًا إلى قياسات ثاني أكسيد الكربون في الوقت الفعلي. على سبيل المثال، أثناء الانتقال من مرحلة الإزهار إلى مرحلة الإثمار، يساعد XENSIV™ PAS CO2 في الحفاظ على مستويات موحدة لثاني أكسيد الكربون، بينما يمكن ضبط نظام إضاءة مختبرات Crocus لإضافة المزيد من الطول الموجي الأحمر لتحسين نمو الفاكهة. من خلال التحكم الدقيق في كل من مستويات ثاني أكسيد الكربون وأطياف الإضاءة، يمكن للمزارعين خلق بيئة نمو مثالية تزيد من قدرة النبات على التمثيل الضوئي، مما يؤدي إلى زهور نابضة بالحياة وصحية.

لمواصلة قراءة هذه الورقة البيضاء، الرجاء النقر هنا.