شاخص های اندازه گیری نور رشد گیاه


اشکان پاشامهر

Photonics reviewed by Ashkan Pashamehr, MScOE, SBUM-NC. By Shokofe Ashrafi. Updated on January 09, 2024.


ناشر:  واحد نورپردازی کشاورزی و گلخانه ای

تاریخ انتشار:  1401/09/23

کارشناس:  شکوفه اشرفی | sh.ashrafi@sayanelectric.com

دانلود: لینک دانلود فایل کامل >>

خلاصه مطلب

امروزه در دنیای صنعت کشاورزی و باغبانی، نور مکمل رشد گیاه نقش بی‌نظیری ایفا می‌کند که منابع نوری این حوزه با عنوان چراغ‌های گلخانه‌ای یا چراغ های مخصوص رشد گیاه شناخته می‌شوند. این نوآوری نه تنها توجه صنعت کشاورزی را جلب کرده است بلکه با توجه به مزیت های بسیاری زیادی که بوجود آورده، روش‌های کشاورزی و زراعت را نیز تغییر داده است. در گذشته نه چندان دور، افراد از شاخص‌های کیفی و کمی عمومی مانند لومن، لوکس و وات برای ارزیابی نور رشد گیاه استفاده می‌کردند، اما اینکه نور چگونه بر روی گیاهان تأثیر می‌گذارد، یک جهان جدید و تخصصی را با خود به همراه دارد. در این راهنمای کاربردی، با شاخص‌ها و فاکتورهای اساسی نور رشد گیاه، آشنا می شوید تا انجام محاسبات، طراحی و استفاده از سیستم های نورپردازی کشاورزی فضاهای کشت و گلخانه ای خود را به نحو احسن مدیریت کرده و یک خرید مطمئن با افزایش بهره وری بهینه داشته باشید.

فهرست
تابش فعال فتوسنتزی (PAR) ..................................................... 03
اشتباه در اندازه گیری نور رشد گیاه ..................................................... 04
شار فتون فتوسنتری (PPF) ..................................................... 08
اندازه گیری صحیح شار فوتون فتوسنتزی ..................................................... 08
چگالی شار فوتون فتوسنتزی (PPFD) ..................................................... 10
نکات مهم پخش نور بر روی گیاهان ..................................................... 14
شار فوتون کارا (YPF) ..................................................... 16
نورپردازی مکمل برای گیاهان در گلخانه ..................................................... 19
رابطه بین انرژی و نور ..................................................... 19
انتگرال نور روزانه (DLI) ..................................................... 21
بهره وری فوتونی ..................................................... 22
جمع بندی ..................................................... 22
منابع ..................................................... 24

تابش فعال فتوسنتزی (PAR)

PAR مخفف عبارت Photosynthetically Active Radiation می باشد و همانطور که از نام آن پیداست، به تشعشعات جذب شده توسط گیاهان برای انجام فرآیند فتوسنتز اشاره دارد که البته یک واحد اندازه گیری یا معیار متریک مانند فوت، اینچ یا کیلوگرم نیست. PAR نوع نور را براساس طیف نوری ایی که در آن گیاهان بهترین واکنش را به نور با انجام عمل فتوسنتز نشان می دهند، مشخص می کند. در واقع PAR محدوده طیفی (باند موج) تابش خورشیدی از 400 تا 700 نانومتر است که موجودات فتوسنتزی قادر به استفاده از آن در فرآیند فتوسنتز هستند. این ناحیه طیفی کم و بیش با محدوده نور قابل مشاهده برای چشم انسان مطابقت دارد.

گیاهان از طریق فتوسنتز، انرژی نور را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند، که این انرژی شیمیایی غذایی است که گیاهان برای رشد و شکوفایی استفاده می کنند. فتوسنتز فرآیندی برای حفظ حیات گیاهان است.

شکل شماره 1- تصویر میکروسکوپی از وجود مولکول های کلروفیل در یک گیاه

کلروفیل  یا سبزینه، مولکول یا ماده‌ای شیمیایی است که در برگ و ساقه تقریبا تمام گیاهان وجود دارد. وظیفه کلروفیل، فتوسنتز است، به این معنی که دی‌اکسید کربن موجود در هوا را با آب مکش شده توسط ریشه گیاه از زمین را در حضور نور ترکیب می‌کند و قند (کربوهیدرات) و اکسیژن می‌سازد یا به‌طور ساده گیاه را توانا می‌سازد که از نور خورشید انرژی کسب کند. کلروفیل بخش بزرگ نور آبی و قرمز را جذب، و نور سبز و زرد را از بین طیف‌های الکترومغناطیسی بازتاب می‌کند. رنگ سبز گیاهان به دلیل بازتاب نور سبز از کلروفیل‌هاست. عملیات فتوسنتز باعث سبز ماندن گیاهان می‌شود. انواع مختلفی از کلروفیل در گیاهان، جلبک ها و باکتری ها وجود دارد که در گیاهان، نور عمدتاً با کلروفیل a و b واکنش می دهد. 

تشعشع های خورشیدی جذب شده برای فرآیند فتوسنتز در محدوده طول موج 400-700 نانومتر، یعنی طیف نور مرئی قرار دارند. این محدوده یک رنج بهینه ای  است که برای موجودات زنده مضر نیست. طول موج های کوتاه تر به سلول ها آسیب می رساند و توسط لایه ازن فیلتر می شوند و همچنین طول موج های بلندتر انرژی کمتری برای انجام عمل فتوسنتز دارند(هرچه طول موج بیشتر، انرژی کمتر). پس PAR  در محدوده طول موج 400 [nm] تا 700 [nm] قرار دارد. محدوده PAR برای رشد انواع گیاهان متفاوت است. گیاهان مختلف به مقادیر متفاوتی از نور نیاز دارند. به طور کلی، گیاهان نور خورشید را ترجیح می دهند، زیرا نور خورشید طیف کاملی از PAR را ارائه می دهد. با این حال باتوجه به تغییرات فصول، شرایط جغرافیایی و توجه به افزایش بهره وری محصول، نور مصنوعی بعنوان نور مکمل برای رشد گیاهان استفاده شود.در شکل 2 محدوده طول موج قابل درک برای انسان (lumens) و قابل درک برای گیاهان (PAR) را مشاهده می کنید. در ادامه خواهید دید، نوری را که در محدوده زون PAR قرار دارد و روی محصول می‌افتد را  اندازه‌گیری می‌کنیم و با شاخص PPFD یا چگالی شار فوتون فتوسنتزی که بر حسب میکرومول در هر متر در هر ثانیه ( μmool/s.m2) بیان می‌شود، نشان می دهیم- تعاریف شاخص PPFD و سایر شاخص های مهم را در ادامه مشاهده خواهید کرد.

شکل2-محدوه ی طیفی زون PAR قابل درک برای گیاهان و زون نور قابل درک برای انسان

پس در حوزه کشاورزی و باغبانی، PAR به بخشی از طیف الکترومغناطیسی اطلاق می شود که قادر به تحریک فتوسنتز در گیاهان است. معمولاً به عنوان منطقه ای بین 400 تا 700 نانومتر (nm) تعریف می شود که طول موج های مرئی نور را در بر می گیرد. PAR برای گیاهان ضروری است تا نور خورشید را به انرژی تبدیل کنند و آنها را قادر به رشد، توسعه و تولید غذا کند.

اشتباه در اندازه گیری نور رشد گیاه

در گذشته (و یا حتی امروزه) به اشتباه همواره سطح نور گلخانه ها را با لوکس (Lux)  بیان می کردیم در حالیکه لوکس و  لومن معیار اندازه گیری نور درک شده توسط چشم انسان است که به نور سفید واکنش نشان می دهد. PAR  یک محدوده و معیار اندازه گیری دقیق تری از لوکس و لومن ارائه می دهد. لوکس یک واحد اندازه گیری شدت روشنایی است که توسط چشم انسان قابل درک است. درحالیکه، PAR فقط نور مرئی را اندازه گیری نمی کند، بلکه نور ماوراء بنفش و مادون قرمز را نیز اندازه گیری می کند که برای فتوسنتز گیاهان ضروری هستند.

در حالی که می توان از لوکس برای اندازه گیری شدت نور کلی استفاده کرد، اما بین طول موج های مختلف نور تفاوتی قائل نمی شود. اندازه گیری در PAR نمایش دقیق تری از نوری که در واقع برای فتوسنتز در دسترس است را ارائه می دهد.

چشمان ما دارای سه نوع  گیرنده نور هستند، گیرنده های S ، M و L که عمدتاً به  نور آبی، سبز و زرد واکنش نشان می دهند. منحنی که در آن لومن و لوکس اندازه گیری می شود درشکل 2 نشان داده شده است. همانطور که می بینید نقطه شروع و پایان این منحنی(Lumens)، شبیه نقطه شروع و پایان  محدوده PAR است، اما نور آبی و نور قرمز در منحنی  Lumensبه اندازه ی زمانی که نورپردازی گیاهان را اندازه گیری می کنیم، در نظر گرفته نمی شوند.

باتوجه به منحنی جذب نور توسط انسان و گیاه (شکل۳) شاهده می شود، گیاهان نور را در طول موج های آبی و قرمز به بهترین شکل ممکن جذب می کنند. به همین دلیل است که گیاهان اغلب سبز به نظر می رسند، زیرا نور سبز تنها نوری است که آنها جذب نمی کنند. از سوی دیگر، انسان نور را مانند گیاهان جذب نمی کند. انسان ها سلول های گیرنده نوری در چشمان خود دارند که به طول موج های مختلف نور حساس هستند. این سلول ها نور دریافتی خود را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند که به مغز ارسال می شود. مغز این سیگنال ها را به صورت رنگ تفسیر می کند. انسان ها می توانند نوری با طول موج های بین 400 تا 700 نانومتر را ببینند. این به عنوان طیف مرئی شناخته می شود.

شکل3- منحنی جذب نور گیاهان و منحنی جذب نور چشم انسان

در اینجا جدولی وجود دارد که تفاوت های کلیدی بین جذب نور توسط گیاه و انسان را خلاصه می کند:

همانطور که گیرنده های چشم انسان (photoreceptor ) نور را جذب و درک می کنند، کلروفیل a و b نیز در گیاهان وظیفه درک نور را بر عهده دارد. در شکل4 تفاوت بین حساسیت نوری چشم انسان و حساسیت نوری گیاهان را مشاهده می کنید. بعبارت بهتر نوری که انسان درک می کند با نوری که گیاه درک می کند متفاوت است. طبق شکل 4 طول موج های حدود  460 نانومتر (آبی) و حدود 660 نانومتر بیشتر توسط گیاهان درک می شود و در نتیجه تولید کلروفیل گیاهان با فوتون‌های نور آبی و قرمز بهتر صورت می گیرد، این موضوع ربطی به بالا یا پایین بودن طول موج  و یا سطح انرژی طول موج ندارد و یک موضوع ذاتی مربوط به ساختار گیاهان است. با توجه به تفاوت درک نور توسط انسان و گیاه، دیگر نمی‌توانیم سطوح نوری چراغ‌های LED رشد  گیاهان را همانطور که قبلا با واحد  لوکس اندازه گیری می کردیم، بسنجیم. بنابراین جدیدترین معیار اندازه گیری بر حسب ( μmol/s/m2) بیان می شود و شامل تمام فوتون های نوری محدوده 400 نانومتر تا 700 نانومتر می شود که در ادامه درمورد این شاخص ها بیشتر توضیح می دهیم.

شکل4- تفاوت محدوده درک انسان و گیاهان از نور

شکل5- یک دستگاه پارمتر برای اندازه گیری نور درک شده توسط گیاه

بنابراین باتوجه به محدوده اندازه گیری لوکس متر  که شدت روشنایی قابل درک توسط انسان را اندازه گیری می کند (illuminance مقدار نوري كه بر واحد سطح تابيده مي شود )،  برای اندازه گیری شدت روشنایی درک شده توسط گیاه از دستگاه پارمتر(PAR Meter) استفاده می شود. PAR متر، که با عنوان "حسگر کوانتومی" نیز شناخته می شود، شدت نور، میزان تابش الکترومغناطیسی محدوده PAR، زیر یک یا چندین منبع نور را اندازه گیری می کند. تعدادی اپلیکیشن گوشی هوشمند نیز وجود دارد که ادعا می‌کنند به شما امکان اندازه‌گیری PAR (تشعشع فعال فتوسنتزی، طول موج نوری که گیاهان را رشد می‌دهد) را می‌دهد.

شدت PAR بر حسب واحد میکرومول فوتون در هر متر مربع در ثانیه (µmol/m²/s) اندازه‌گیری می‌شود. مقدار PAR بالاتر نشان دهنده در دسترس بودن بیشتر نور برای فتوسنتز است. سطوح PAR بهینه برای رشد گیاه بسته به گونه گیاهی و مرحله رشد متفاوت است. به عنوان مثال، برخی از گیاهان برگ دار معمولاً به سطح PAR 300-400 میکرومول در متر مربع بر ثانیه نیاز دارند. اندازه گیری PAR برای اطمینان از اینکه گیاهان شدت نور مناسب را برای رشد و بهره وری بهینه دریافت می کنند، بسیار مهم است.

 PAR مترها دستگاه های دستی هستند که به طور خاص برای اندازه گیری سطوح PAR طراحی شده اند. آنها به طور گسترده در گلخانه ها، مزارع سرپوشیده، کشت طبقاتی و سیستم های کشت هیدروپونیک برای بهینه سازی استراتژی های روشنایی و به حداکثر رساندن محصول استفاده می شوند. با اندازه گیری منظم PAR در گلخانه یا فضای رشد خود، می توانید اطمینان حاصل کنید که گیاهان شما نور مورد نیاز برای رشد را دریافت می کنند. این می تواند به بهبود سلامت گیاه، افزایش عملکرد و کاهش مصرف انرژی کمک کند.

شار فوتون فتوسنتزی (PPF)

PPF یا "شار فوتون فتوسنتزی" مخفف عبارت Photosynthetic Photon Flux می باشد که کل مقدار نوری که در زون PAR است و توسط یک منبع نوری در هر ثانیه تولید می شود را نشان می دهد. بنابراین PPF ، فوتون‌های فعال فتوسنتزی ساطع شده توسط یک سیستم روشنایی در هر  ثانیه را اندازه‌گیری می‌کندکه بر حسب میکرومول بر ثانیه μmol/s بیان می شود.

با در دست داشتنPPF یک چراغ رشد گیاه ، می توان محاسبه کرده و  تخمین زد که برای دستیابی به سطح نور مورد نیاز بر روی گیاهان، به چند لامپ در هر  بخش از آن فضا نیاز داریم. به عنوان مثال یک پرورش دهنده توت فرنگی را در نظر بگیرید که قصد دارد یک کشت زمستانی با سطح نور 200μmol/s.m2 بر روی گیاه انجام دهد. با یک سقف پوششی 8 متری و فاصله 5 متری دیرک ها، هر ناحیه رشد گیاه 40m2 می باشد. بنابراین ما در مجموع به 8000μmol/s نور برای این ناحیه نیاز داریم:

40m2 x 200 μmol/s.m2= 8000 μmol/s

اگر یک چراغ LEDرشد گیاه، PPF برابر 2000 μmol/s تولید کند، به 4لامپ در  این ناحیه رشد نیاز دارید.

البته توجه کنید که PPF نمی تواند مشخص کند، واقعاً چه مقدار از نور ساطع شده از منبع نوری روی گیاهان یا هر سطح دیگری می نشیند. بنابراین به خاطر داشته باشید که چراغ های متفاوت با PPF یکسان بهره وری یکسانی در نشاندن نور بر روی محصولات کشاورزی ندارند. همچنین PPF اطلاعاتی در مورد طیف نوری و طول موج این فوتون ها به ما نمی گوید. نوع چراغ LED و چیپ های استفاده شده در آن در محاسبات بسیار حائز اهمیت می باشد.

........ مطالعه ادامه مطلب

دیدگاه خود را بنویسید

تهران، بلوار آفریقا، نبش کوچه طاهری، برج مرکز تجارت ایران، طبقه ۱۱، واحد ۱ 26113782-021 26291978-021
021-92002920