کاربرد دی‌اکسید کربن (CO2) در محیط گلخانه یا اتاق‌ رشد

مقدمه

دی‌اکسید کربن برای فرآیند فتوسنتز ضروری است. اکثر گیاهانی که در داخل گلخانه رشد می‌کنند به حداقل غلظت CO2 330 ppm نیاز دارند تا بتوانند به‌طور مؤثر فتوسنتز کنند و انرژی به شکل کربوهیدرات تولید کنند. این غلظت CO2 برای رشد و نمو طبیعی گیاهان کافی است. غلظت‌های کمتر می‌تواند به‌طورجدی رشد و سلامت عمومی گیاه را مختل کند. درواقع، کاهش ۲۵ درصدی در غلظت CO2 طبیعی می‌تواند به‌راحتی رشد را تا بیش از ۵۰ درصد مهار کند. درنتیجه، محیط گلخانه یا اتاق رشد باید طوری تنظیم شود که سطح CO2 را به حداقل ۳۳۰ ppm در طول روز  برساند. تهویه طبیعی (با استفاده از اثرات جابجایی و دودکش) یا تهویه اجباری (با استفاده از فن‌های ورودی / خروجی) معمولاً می‌تواند به ما اطمینان دهد که این هدف به‌اندازه کافی برآورده می‌شود.

عوامل مؤثر بر غلظت CO2

مجموعه‌ای از عوامل بر غلظت CO2 و سرعت کاهش آن در مکان‌های بدون تهویه تأثیر می‌گذارند. این عوامل شامل سطح اشغال شده توسط گیاهان، تراکم/جمعیت محصول، شدت نور، حرکت افقی هوا، نفوذ نور در تاج پوشش گیاهی می‌باشد. به‌طورکلی، اتاق‌های رشد داخلی باید هر پانزده دقیقه یک‌بار تغییر کامل هوا داشته باشند، زیرا سطح CO2 می‌تواند در عرض چند دقیقه کاهش یابد. در طول روز، افزایش غلظت CO2 در اتاق رشد به سطوح بالاتر از 330ppm بدون شک می‌تواند نرخ رشد و عملکرد را تا بیش از ۳۰٪ افزایش دهد.

اما برای اینکه این اتفاق بیفتد، سایر شرایط رشد نیز باید برای متابولیسم گیاه بهینه و مطلوب باشد. بسته به اینکه کدام گیاهان در حال پرورش هستند، مزایای افزایش غلظت CO2 و شرایط رشد مطلوب می‌تواند به شکل وزن بالاتر هنگام برداشت و/یا چرخه کوتاه‌تر رشد محصول باشد. اتاق‌های رشد غنی‌شده با CO2 همچنین می‌توانند کیفیت محصول را افزایش دهند به‌عنوان‌مثال، گیاهان خوراکی ممکن است دارای محتوای غذایی غنی‌تر و عطرهای تندتر با ماندگاری طولانی‌تر باشند.

عواملی که باید در هنگام افزودن CO2 به اتاق رشد تهویه دار در نظر گرفته شوند

افزایش سطح CO2 در اتاق رشد می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. استفاده از تغییرات هوا برای خنک کردن و رطوبت‌زدایی اتاق‌های رشد می‌تواند به‌طورجدی تلاش‌ها برای غنی‌سازی هوا با CO2 را مختل کند. در این موارد، بیشتر پولی که برای غنی‌سازی دی‌اکسید کربن خرج می‌شود مستقیماً از پنجره خارج می‌شود. غنی‌سازی CO2 در اتاق‌های رشد دارای تهویه به معنای در نظر گرفتن موارد زیر است:

۱. معمولاً اضافه کردن CO2 اضافی در اتاق‌هایی که به‌طور مداوم تهویه می‌شوند بی‌معنا است. گیاهان نزدیک به نقطه تزریق در معرض مقداری CO2 اضافی قرار خواهند گرفت، اما احتمالاً در مترمربع افزایش اندک یا بدون افزایش قابل‌توجهی در CO2 نشان داده می‌شود و تقریباً تمام CO2 به بیرون می‌رود، جایی که به گرمایش جهانی نیز کمک می‌کند.

۲. اگرچه CO2 یک گاز سنگین است، اما در یک اتاق رشد، نزدیک به زمین نمی‌نشیند. اتاق‌های رشد خوب باید دارای جریان هوای افقی (مثلاً فن‌های نوسانی) باشند و حرکت هوا به‌تنهایی برای پرتاب هر مولکول CO2 سنگین به لایه‌های بالاتر هوا کافی است. اگر مولد CO2، گاز را در طرف مقابل فن‌های استخراج در اتاق آزاد کند کارآمدتر است. کنترل‌کننده CO2 (sniffer) باید در نیمه‌راه (معمولاً درست در مرکز اتاق) بین آن دو (مولد CO2 و فن‌های استخراج) قرار گیرد.

برای اطمینان از قرار گرفتن در معرض سطوح بالاتر CO2، سیستم تهویه ترموستاتیک باید به‌اندازه کافی خوب عمل کند تا درواقع حداقل به مدت ۱۰ دقیقه خاموش شود. در مدت‌زمان خاموشی، غلظت CO2 بالاتر از 800ppm را نمی‌توان به‌راحتی تولید کرد. هر سطح بالاتر از آن بسیار پرهزینه است. حدود ۵۰ درصد از ۳۰ درصد بازده اضافی درواقع در غلظت 800ppm رخ می‌دهد.

قانون بازده کاهشی برای غنی‌سازی CO2 نیز اعمال می‌شود: افزودن 400ppm دیگر نتیجه کمتری نسبت به افزایش اولیه خواهد داشت. به خاطر داشته باشید که در طول یک روز، گیاه ۱۰۰% در معرض سطوح بالاتر CO2 قرار نگرفته است و باید انتظار بازده کمتری داشت. به همین دلیل است که غنی‌سازی CO2 به‌ندرت در اتاق‌های رشد که دارای تهویه هستند استفاده می‌شود. بااین‌حال، می‌توان از یک تهویه مطبوع کوچک برای طولانی کردن مدت‌زمان خاموشی تهویه استفاده کرد.

محیط رشد بسته

ساده‌ترین راه برای بهره‌مندی کامل از غنی‌سازی دی‌اکسید کربن، در یک اتاق رشد بسته است یعنی یک اتاق رشد که از تهویه مطبوع و رطوبت‌گیر (به‌جای تهویه به بیرون) برای کنترل درجه حرارت و رطوبت نسبی استفاده می‌کند. در یک اتاق رشد بسته اساساً در طول روز نباید هوای جدیدی وارد شود. این رویکرد پرهزینه‌تر و انرژی‌گیرتر است، اما می‌تواند سطوح بالاتری از CO2 را تضمین کند و واقعاً کشاورز را قادر می‌سازد تا از عملکرد بالاتری بهره‌مند شود.

اتاق‌های رشد بسته مجهز به دستگاه‌های تهویه مطبوع هستند که مدیریت کامل دمای اتاق رشد را فراهم می‌کند. رطوبت‌گیر اضافی برای کنترل رطوبت نسبی بخصوص در شب که هیچ خنک‌کننده‌ای فعال نیست استفاده می‌شود. در طول روز، تهویه مطبوع بخش زیادی از رطوبت‌گیری موردنیاز در اتاق رشد را انجام می‌دهد. این اتاق‌های تحت کنترل آب‌وهوا می‌توانند تمام دی‌اکسید کربن اضافه‌شده را حفظ کنند که هزینه تهیه آن را کاهش می‌دهد و قرار گرفتن در معرض دائمی آن نیز بازده را به حداکثر می‌رساند. بااین‌وجود، این رویکرد همچنان نیازمند نظارت بیشتری است.

استفاده از یک مشعل گازی بدون تهویه (پروپان یا مولد CO2 گاز طبیعی) در یک اتاق بسته می‌تواند دشوار باشد. این ژنراتورها به احتراق تقریباً کامل گاز طبیعی متکی هستند که گرما، CO2 و بخارآب تولید می‌کنند. یک شعله آبی نشان‌دهنده احتراق کامل و کاملاً ایمن است. اگر شعله قرمز، نارنجی و زرد شود، احتراق ناقص رخ می‌دهد و برخی از محصولات جانبی ناخواسته مانند مونوکسید کربن، اتیلن، متان یا گاز نسوخته تولید می‌شود.

همه این محصولات جانبی در مقادیر بسیار کم تولید می‌شوند اما در یک سیستم اتاق بسته می‌توانند در طول روز به سطوح سمی برای گیاهان برسند. گیاهان در صورت مواجه‌شدن با این گازهای سمی علائم متعددی را نشان می‌دهند: افتادگی برگ‌ها، توقف رشد، نقاط نکروزه در ناحیه بین رگبرگ‌ها، لکه‌های زرد یا نارنجی برگ، نوک مرده ریشه، سوختگی حاشیه برگ و سوختگی نوک برگ چند نمونه از این علائم هستند.

یک راه‌حل آسان این است که هر یک یا دو ساعت یک‌بار یک تعویض هوای کوچک انجام دهید. این معمولاً برای کاهش غلظت گازهای ناخواسته کافی است. این همچنین سطح اکسیژن اتاق را دوباره پر می‌کند. بااین‌وجود نظارت منظم بر مشعل و شعله تولیدی آن موردنیاز است. برای جلوگیری از تولید CO2 در هنگام تهویه باید از رله برقی استفاده شود. فن‌های نوسانی نباید به سمت مولد گاز CO2 هدایت شوند زیرا حرکت هوا تمایل دارد در فرآیند احتراق اختلال ایجاد کند.

بررسی‌های روزانه سیستم برای اطمینان از تأمین گاز مناسب باید انجام شود زیرا اگر CO2 در یک سیستم اتاق بسته تأمین نشود، رشد گیاه به سرعت متوقف می‌شود. همچنین، یک نمایشگر CO2 در طول زمان تمایل به کالیبره کردن دارد. شوک‌های فیزیکی به حسگر نیز می‌تواند خوانش‌ها را منحرف کند. سنسورهای CO2 درصورتی‌که به‌درستی کالیبره نشده باشند مقادیر بالاتری نسبت به سطوح واقعی را نشان خواهند داد. آلودگی سنسور ناشی از محلول‌پاشی، مه پاش یا سوزاندن گوگرد به سنسور CO2 آسیب می‌رساند و نمایشگر نتایج واقعی را نشان نمی‌دهد.

یکی دیگر از چالش‌های پیش‌بینی‌نشده با اتاق‌های بسته این است که تمیزی فوق‌العاده اتاق در همه زمان‌ها حیاتی است. اگر بیماری‌های قارچی در سیستم اتاق بسته سر برآورند به این معنی است که می‌توانند بسیار سریع گسترش پیدا کنند. همین امر در مورد آفات و حشرات نیز صادق است.

عوامل محیطی که باید در نظر گرفته شوند

اگر اقداماتی برای به حداکثر رساندن عملکرد مناسب روزنه (تعرق) انجام شود، گیاهان به‌طورکلی از CO2 غنی‌شده بهره‌مند می‌شوند:

درجه حرارت اتاق رشد نباید بالاتر از ۸۶ درجه فارنهایت (۳۰ درجه سانتی‌گراد) و پایین‌تر از ۶۵ درجه فارنهایت (۱۸ درجه سانتی‌گراد) باشد

رطوبت نسبی (RH) اتاق رشد بین ۴۰% و ۶۰% باشد.

حرکت افقی خوب هوا: با وجود حرکت افقی مناسب گیاهان هر ۳۰ ثانیه یک‌بار به‌آرامی تکان می‌خورند. یک استثنا در این مورد در RH کمتر از ۴۰٪ است که در آن کاهش سرعت هوا بهتر است.

هر چه محصول متراکم‌تر کشت شده باشد، جریان هوای افقی بیشتری موردنیاز است. مقداری از جریان هوا نیز باید به قسمت پایینی ساقه اصلی هدایت شود.

شدت نور ضروری است: هر چه نور بیشتری در دسترس باشد، گیاه CO2 اضافی را جذب کرده و از آن برای فتوسنتز استفاده می‌کند.

گرمای ناشی از تابش نور را کاهش دهید زیرا گرمای زیاد باعث استرس به گیاهان و کاهش جذب CO2 می‌شود.

کنترل شوری محیط (EC در محیط).: شوری بیش‌ازحد باعث اختلال در جذب مواد غذایی می‌شود و EC خیلی کم نیز باعث کمبود می‌شود.

آیا واقعاً غنی‌سازی CO2 برای گیاهان مفید است؟

در هنگام غنی‌سازی CO2 محصول باید سریع‌تر از حد معمول (زمانی که بدون CO2 اضافی بود) توسعه و رشد کند. اگر متوجه هیچ نوع رشد اضافه‌ای نشدید، باید فاکتورهای محیطی که نیاز به متعادل کردن مجدد دارند را مشخص کنید و سپس تنظیمات خود را بر اساس آن تغییر دهید.

جمع‌بندی

گیاهان از CO2 برای شروع عملکردهای فتوسنتزی استفاده می‌کنند. درواقع گیاهان در طول روز دی‌اکسید کربن را جذب می‌کنند، اما در شب آن را خارج می‌کنند. سطوح CO2 برحسب PPM (قسمت در میلیون) اندازه‌گیری می‌شود و سطوح آن در یک اتاق رشد معمولاً در حدود ۳۰۰-400ppm است. با فرض اینکه گردش هوای کافی در اتاق رشد خود دارید، باید بتوانید به استاندارد جوی ۳۹۰ PPM دست یابید. در این سطح، شما باید رشد گیاه را مشابه آنچه در فضای آزاد می‌بینید، مشاهده کنید. اگر سطح CO2 به کمتر از ۲۰۰ PPM برسد، رشد گیاهان شما متوقف خواهد شد.

اگر همه عوامل محیطی مناسب باشد و سیستم تنظیم شده‌ای دارید، میزان CO2 می‌تواند یکی از تفاوت‌های بزرگ در افزایش بازده شما باشد. افزودن CO2 به اتاق رشد می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی رشد گیاهان شما را بدون نیاز به تغییر در روش رشد افزایش دهد. اگر به دنبال تسریع چرخه رشد محصولات خود هستید، اضافه کردن CO2 اضافی به اتاق رشد خود را در نظر بگیرید. پرورش‌دهندگان تا ۱۰۰% افزایش سرعت رشد را در ۱۵۰۰ PPM مشاهده کرده‌اند.