Taimekasvatusvalgustus ei ole uus mõte, kuid LED toob valdkonda hüppelise muutuse: kasvatajad saavad eri spektriosade intensiivsust kohandada ja peenhäälestada viisil, mis varasemate tehnoloogiatega polnud mõeldav.
Kuid kas tehnoloogia arenedes juhivad toodete esitlemiseks ja võrdlemiseks kasutatavad näitajad kasvatajaid õiges suunas?
Taimekasvatusvalgustus on kiiresti kasvav valdkond: mõne eksperdi hinnangul kasvab turg 2023. aastaks 4,85 miljardi naelsterlingini. Nii Ühendkuningriigis kui ka rahvusvahelistel turgudel on käimas valgustuse megaprojektid, millest tuntuim on Venemaa Ljudinovo kasvuhooneprojekt, kus valmimise ajaks kasutatakse ligikaudu 240 000 valgustit.
LED-valgustus on igas suuruses projektides tõendatult:
- suurendanud saaki;
- parandanud kultuuride stabiilsust ja vastupidavust keskkonnamõjudele;
- muutnud kasvuajad paremini prognoositavaks;
- säästnud energiat ja
- vähendanud kulusid
Täheldatud on ka kvalitatiivset kasu, näiteks tugevamat värvipigmentatsiooni ja maitse muutumist. LED-tehnoloogia areng võimaldab spektrit veelgi täpsemalt sihtida ja tõhusust pidevalt suurendada, mis suurendab LED-i edumaad varasemate tehnoloogiate ees.
Kuidas taimevalgustust praegu mõõdetakse?
Taimed kasutavad fotosünteesiks elektromagnetilise spektri teatud piirkonna valgust, mida nimetatakse fotosünteetiliselt aktiivseks kiirguseks (PAR). PAR hõlmab nähtava valguse lainepikkusi vahemikus 400 kuni 700 nm ja sellest lähtuvad ka meie mõõtmised.
Peamine valgusvoo näitaja ja valdkonna de facto standard on fotosünteetiline footonivoog (PPF), mis väljendab lihtsalt sekundis tekitatud PAR-footonite hulka.
Viimane tänapäeval kasutatav põhinäitaja on fotosünteetiline footonivootihedus (PPFD), st PAR-footonite arv, mis langeb sekundis ühele ruutmeetrile. Neid mõisteid saab valgustusinseneri teadmistega üsna lihtsalt seostada:
- PAR vastab ligikaudu elektromagnetilise spektri nähtava valguse osale
- PPF on seotud kiirgusvõimsusega (vahemikus 400 kuni 700 nm)
- PPFD vastab ligikaudu valgustatusele, kuid ilma V(λ) kaalumiseta
PAR määrab, milline valgus meid huvitab, PPF on selle valguse hulk, mis valgusallikast väljub, ja PPFD on selle valguse hulk ühel ruutmeetril kasvupinnal.
Miks peaks PPF-i kui mõõdikuga ettevaatlik olema?
PPF-il on mõõtühikuna küll omad tugevused: see on lihtsasti mõistetav, kergesti mõõdetav ja väga laialt kasutusel. Sellel on aga ka piiranguid.
Mõõdetakse ainult valguse hulka, mitte selle liiki ega kvaliteeti
Üha selgemaks saab, et valguse kvaliteet on iga kultuuri kasvatamisel oluline tegur ja hulk on vaid osa pildist. Neeldumismäärasid, fotosünteetilist reaktsiooni ja mittefotosünteetilisi reaktsioone praegu ei pruugita arvesse võtta.
Kuigi valdkond keskendub PPF-ile vati kohta, usume, et see võib kasvukiirust pigem kahjustada kui aidata.
Võib väita, et valikukriteeriumina PPF/W-le keskenduvad projekteerijad mõjutavad uute valgustite arendust, sundides tootjaid kasutama rohkem punast valgust, sest punase footoni tekitamiseks kulub vähem energiat kui sinise footoni jaoks.
On laialt tunnustatud, et puhtalt punane valgusallikas annaks väga kehva kasvu, kuigi selle PPF/W on väga kõrge. See tõendab, et PPF/W ei ole toodete toimivuse võrdlemiseks piisav näitaja ja võib takistada sobivama toote valimist.
Kui PPF-i kasutatakse valgusti väljundi põhinäitajana, annab see valgusallika kasulikkusest vale pildi. Taimede tegelikke vajadusi eirates võib LED-valgusti paista väga tõhus, kuid anda paremini kohandatud lahendusega võrreldes vähem tegelikku kasvu.
Paralleel toitumisega
PPF-i puudus, et see ei arvesta valguse kvaliteeti, on samasugune nagu kalorite puudus, et need ei näita, kas toitumine on tervislik. Kui kaks inimest söövad kumbki 2 000 kalorit toitu, on nad kalorisisalduse järgi saanud sama palju energiat.
Kui aga üks sai oma 2 000 kalorit tasakaalustatud toidust ja teine ühest toiduainest (näiteks võist), oleksid toiteväärtus, organismi võime energiat omastada ja lõpuks ka inimese tervis neil kahel juhul väga erinevad.
Mõlema toitumisviisi samaväärseks pidamine oleks ilmselgelt vale ja eksitav, kuid just see juhtub, kui valgustite valikul keskendutakse PPF-ile.
Parema mõõdiku otsingul
Kasvatajatel on kasutada ka teisi näitajaid, mis arvestavad taime fotosünteetilist tundlikkust paremini.
Üks selline näitaja on saagikusega kaalutud footonivoog (YPF)
YPF on kaalutud süsteem, mis hindab iga lainepikkuse väärtust selle järgi, millist fotosünteetilist reaktsiooni kultuur tõenäoliselt näitab. Kui PPF-is on kõik footonid võrdsed, siis YPF arvestab eri lainepikkuste suhtelist fotosünteetilist tõhusust ja annab vähem kasulikule valgusele väiksema kaalu.
S/P-suhte mõiste annab sama kaalumispõhimõtte abil ülevaate valgusallika kasulikkusest eri valgustingimustes. Inimsilmal on kaks tundlikkuskõverat: üks fotoopilise (V(λ)) ehk päevase nägemise ja teine skotoopilise (V'(λ)) ehk öise nägemise jaoks. S/P-suhted kaaluvad silma reaktsiooni nendele eri valgusliikidele, et määrata valgusallika kasulikkus eri rakendustes.
Toode, mis annab fotoopilistes tingimustes hea valgustatuse, ei pruugi seda teha skotoopilistes tingimustes, ja vastupidi. Samamoodi võib tootel olla hea PPF-näitaja, kuid kehv YPF-näitaja, sest nende kahe kõverad erinevad.
Kui PPF mõõdab PAR-i piires olevaid footoneid lainepikkustel 400 kuni 700 nm, siis YPF vaatab laiemat vahemikku ja arvestab valgusallika kiirgust alates 360 nm-st (sügavsinine) kuni 760 nm-ni (kaugpunane). Need lisalainepikkused hõlmavad valgust, millel on taimede kasvule märgatav mõju: üle 700 nm lainepikkustega valgust kasutatakse väikestes kogustes kõrgema kasvu soodustamiseks ja hämaruse jäljendamiseks, mis seab ööpäevarütme, ning mõnel taimel on täheldatud soovitavaid omadusi.
Looduses varjus kasvav taim saab rohkem kaugpunast valgust ja kujundab oma kasvu selle ärritaja järgi. Teatud taimed, mis kasvavad looduslikult võrade all, eeldavad keskmisest suuremat kaugpunase ja punase valguse suhet ning reageerivad negatiivselt spektrile, milles pole piisavalt kaugpunast valgust.
Mõned varjuvältimise sündroomi reaktsioonid on kasvatajatele soovitavad: suuremas koguses võib üle 700 nm valgust kasutada varjuvältimise sündroomi teadlikuks esilekutsumiseks, mis soodustab mõnel taimel kiiret õitsemist ja kompaktsemat kasvu ning võib parandada vastupidavust.
PPF jätab nende taimereaktsioonide nüansid kahe silma vahele, sest arvestab ainult PAR-i piires olevat valgust, ega saa üksi anda täielikku pilti. Taime arengut juhtivaid laiemaid protsesse, mida nimetatakse fotomorfogeneesiks, mõjutavad lainepikkused alates 300 nm-st kuni 800 nm-ni (seda näitab McCree kõver) ja YPF hõlmab neist suurema osa.
Terviklik lähenemine
Loomulikult ei saa ka YPF olla ainus näitaja. YPF sobib põhinäitajaks, et anda toimivusest ligikaudne pilt või määrata umbkaudu õige toode ja väljund soovitud päevase valgussumma (DLI) saavutamiseks. PPF-i kasutatakse põhinäitajana, kuid see ei arvesta üldse, et eri lainepikkused võivad kasvu mõjutada rohkem.
Monokromaatilised LED-id nihutavad seda näitajat veelgi: paljud sinised ja punased kiibid on suunatud kindlale kitsale lainepikkuste vahemikule. See võib anda kõrge PPF-i, kuid võib valgustuslahendust kahjustada, sest valgusallikate erinev vananemine muudab aja jooksul saadavat spektrit.
Seda riski saab vähendada luminofooriga laia spektriga LED-idega, sest LED-i vananemise määrab siis ainult sinine kiirguskiip. Oluline on, et laia spektriga valgustid täidavad spektri sinise ja punase osa vahelised lüngad ning vastavad paremini loomulikule päikesevalgusele. Päikesevalgus sisaldab lainepikkusi kogu nähtavas spektris ja neil on tõenäoliselt mitmesuguseid funktsioone, mida me veel täielikult ei mõista.
YPF-il on puudusi, sest algne näitaja põhineb kontrollitud tingimustes üksikutelt lehetükkidelt tehtud mõõtmistel. Tegelikus kasvukeskkonnas võib lehest läbi tulev valgus olla kasulik ka taime allpool asuvatele pindadele, seega jätab ainult üksiku lehetüki arvestamine läbi tuleva valguse tähelepanuta.
See on siiski parem kui mitte midagi. Kuna PPF eirab lainepikkuste erinevusi, on sellel empiirilise mõõdiku kohta tüütu omadus: kõrgem PPF ei tähenda tingimata paremat valgustitoodet.
Võtmetähtsusega on kliendi ja LED-valgustite tootja või tarnija koostöö
Suur osa vastutusest lasub projekteerijatel: projekti algetapis on vaja uurida ja planeerida, milline peaks olema valgustuse mõju valmistootele. Detailidel on suur tähtsus ning valgustuslahenduse valimisel tuleb arvestada taime liiki ja soovitud reaktsiooni. Mitmekülgne tootja peaks olema valmis tegema kasvatajatega koostööd, et määrata ja luua just nende kultuurile ja soovitud tulemusele kohandatud spekter.
Toodete võrdlemisel on YPF parem lähtepunkt kui PPF, kuid väljund peaks olema vaid üks tegur tervikliku lähenemise juures, mis hõlmab paljusid asjaolusid: lai või kitsas spekter, fotoperiood, kvalitatiivne kasu nagu maitse või värv ning PAR-ist väljapoole jäävate lainepikkuste arvestamine.
Taimede reaktsioonidest ja eri kultuuride ning soovitud tulemuste jaoks ideaalsest spektrikoostisest on veel palju teadmata. Tootebrošüüri ja optimaalse spektri vahelise lõhe ületamine peaks olema tarnija ja kliendi ühine töö, kuid õige mõõdik viib projekteerijad nende vajadustele ideaalselt sobiva tooteni lähemale.
Tutvuge INDO LED-pealtvalgustussüsteemiga >
Artikli autor on Toby Penter, INDO äriarenduse valdkonnast
Allikad:
(1) Worldwide Horticulture Lighting Market [by segments (Hardware, Software, Services); by Deployment (Turnkey, Retrofit); by Environment (Indoor, Vertical, Greenhouse, Research); by Crop Type; by Regions]: Market Sizes and Forecasts (2018-2023)
(2) Ashdown, I 2018. ‘Far-Red Lighting and the Phytochromes’. MAXIMUM YIELD USA, Oct 2018, p. 60-66.
(3) Shinkle, J 2016. ‘BASIC PHOTOMORPHOGENESIS’. photobiology.info. Department of Biology, Trinity University, San Antonio. Saadaval veebis: http://photobiology.info/Shinkle.html
(4) Nelson, J. A., & Bugbee, B. (2014). Economic Analysis of Greenhouse Lighting: Light Emitting Diodes vs. High Intensity Discharge Fixtures. PLoS ONE, 9(6), e99010. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0099010
(5) (Nelson, JA. 2014)
