Belysning for veksthus er ikke noe nytt konsept, men LED skaper nå et markant skifte i bransjen, ved at dyrkere kan tilpasse og finjustere ulike spektrale intensiteter på måter som var utenkelige med tidligere teknologier.
Men i takt med at teknologien utvikler seg, fører de målene som brukes til å presentere og sammenligne produkter, dyrkerne ned riktig vei?
Veksthusbelysning er en bransje i rask vekst, og enkelte eksperter spår at markedet vil vokse til £4,85Bn innen 2023. Det pågår belysnings-storprosjekter både i hjemmemarkedet og internasjonalt, ikke minst Lyudinovo-veksthusprosjektet i Russland, som ved ferdigstillelse vil bruke rundt 240 000 lysarmaturer.
LED-belysning har i prosjekter av enhver størrelse vist seg å kunne:
- øke avlingene;
- forbedre avlingsstabilitet og miljømessig motstandsdyktighet;
- gi mer forutsigbare vekstforløp;
- spare energi, og
- redusere kostnader
Det er også observert kvalitative fordeler, som sterkere fargepigmentering og endret smak. Forbedringer i LED-teknologien gir enda mer presis spektral målretting og stadig økende effektivitet, noe som øker forspranget mellom LED og tidligere teknologier.
Hvordan måles plantebelysning i dag?
Planter bruker lys innenfor et område av det elektromagnetiske spekteret til fotosyntese, kalt fotosyntetisk aktiv stråling (PAR). PAR dekker bølgelengder av lys i det synlige området mellom 400nm og 700nm, og det er dette som brukes til å definere målingene våre.
Det viktigste målet for lysutgang, og bransjens de facto-standard, er fotosyntetisk fotonfluks (PPF), som ganske enkelt er et uttrykk for mengden PAR i fotoner produsert per sekund.
Det siste sentrale målet som brukes i dag, er fotosyntetisk fotonflukstetthet (PPFD): antallet PAR-fotoner som faller på en kvadratmeter per sekund. Disse begrepene kan relativt enkelt kobles til en lysingeniørs eksisterende kunnskap, ved at:
- PAR tilsvarer omtrent den synlige lys-delen av EM-spekteret
- PPF er knyttet til strålingseffekt (mellom 400nm og 700nm)
- PPFD tilsvarer omtrent belysningsstyrke, men uten V(λ)-vektingen
PAR definerer lyset vi er interessert i, PPF er mengden av det lyset som forlater lyskilden, og PPFD er mengden av det lyset på én kvadratmeter dyrkingsoverflate.
Hvorfor bør vi være forsiktige med PPF som målemetode?
PPF har riktignok sine styrker som måleenhet: den er enkel å forstå, enkel å måle og svært utbredt. Den har imidlertid også begrensninger:
Kun mengden lys måles, ikke typen, eller kvaliteten
Det blir stadig tydeligere at lyskvaliteten er en viktig faktor for å dyrke enhver avling, der mengde bare er en del av bildet. Absorpsjonsrater, fotosyntetisk respons og ikke-fotosyntetiske responser blir kanskje ikke tatt i betraktning i dag.
Mens bransjen fokuserer på PPF per watt, mener vi at dette kan ha en skadelig heller enn gunstig effekt på vekstratene.
Spesifikatører som fokuserer på PPF/W som utvelgelseskriterium, kan argumenteres for å påvirke utviklingen av nye armaturer ved å presse produsenter til å bruke mer rødt innhold, siden et rødt foton kan produseres med mindre energi enn et blått foton.
Det er bredt akseptert at en rent rød lyskilde ville gi svært dårlig vekst, til tross for en svært høy PPF/W, noe som viser at PPF/W-målet ikke er tilstrekkelig for å benchmarke produktytelse, og kan hindre valget av et bedre egnet produkt.
Når PPF brukes som hovedtall for en enhets output, gir det et misvisende bilde av lyskildens nytteverdi. Ved å se bort fra plantenes reelle behov kan en LED-enhet fremstå som svært effektiv, samtidig som den leverer mindre reell vekst sammenlignet med en mer skreddersydd løsning.
En parallell til kosthold
PPFs mangel på å ta hensyn til lysets kvalitet kan sammenlignes med at kalorier heller ikke klarer å si noe om et sunt kosthold. Hvis to personer skulle innta 2 000 kalorier med mat, ville de i teorien ha fått i seg samme mengde energi, målt etter kaloriinnholdet.
Men hvis den ene personen fikk sine 2 000 kalorier fra et balansert kosthold, og den andre fra å spise én enkelt matvare (smør, for eksempel), ville næringsverdien, evnen til å utnytte energien og til syvende og sist personens helse, være svært forskjellig mellom de to tilfellene.
Å betrakte begge kostholdene som like ville åpenbart være feil og misvisende, men det er nettopp det som skjer når fokuset legges på PPF-målet ved valg av lysarmatur.
På jakt etter et bedre mål
Det finnes andre mål tilgjengelig for dyrkere som bedre fanger opp en plantes fotosyntetiske følsomhet.
Yield Photon Flux (YPF) er et slikt mål
YPF er et vektet system som måler verdien av en gitt bølgelengde lys opp mot den fotosyntetiske responsen avlingen sannsynligvis vil vise. Der alle fotoner er skapt like i PPF, tar YPF hensyn til den relative fotosyntetiske effektiviteten til ulike bølgelengder av lys, og gir lavere vekting til mindre nyttig lys.
Konseptet S/P-forhold gir innsikt i nytteverdien til en lyskilde under ulike lysforhold, ved bruk av det samme vektingsprinsippet. Det menneskelige øyet har to responskurver: én for fotopisk syn (V(λ)), altså dagslyssyn, og én for skotopisk syn (V'(λ)), altså nattsyn. S/P-forhold vekter responsen på disse ulike lystypene for å avgjøre nytteverdien til en kilde i ulike bruksområder.
Et produkt som gir gode lysnivåer under fotopiske forhold, gjør det ikke nødvendigvis under skotopiske forhold, og omvendt. På samme måte kan et produkt ha en god PPF-respons, men en dårlig YPF-respons, siden responskurvene til de to er forskjellige.
Der PPF måler fotoner innenfor PAR, altså bølgelengder mellom 400nm og 700nm, ser YPF på et bredere område, og tar hensyn til kildens utstråling helt ned til 360nm (dyp blå) og helt opp til 760nm (fjernrød). Disse ekstra bølgelengdene omfatter lys som har observerbare effekter på plantevekst, der bølgelengder utover 700nm i små mengder brukes til å fremme høyere planter og simulere skumringslysforhold, som igjen brukes til å stille inn døgnrytmer, med ønskede egenskaper observert hos enkelte planter.
En plante i skygge ville i naturen motta mer fjernrødt lys, og respondere på det stimuluset for å styre veksten. Enkelte planter som naturlig befinner seg under bladverket forventer et høyere enn gjennomsnittlig forhold mellom fjernrødt og rødt lys, og vil reagere negativt på et spektrum som ikke inneholder nok fjernrødt lys.
Enkelte Shade Avoidance Syndrome-responser er ønskelige for dyrkere: i høyere mengder kan lys utover 700nm brukes til bevisst å utløse Shade Avoidance Syndrome, som fremmer raskere blomstring og mer kompakt vekst hos enkelte planter, samtidig som det potensielt kan bedre hardførheten.
PPF fanger ikke opp nyansene i disse planteresponsene, siden det kun tar hensyn til lys innenfor PAR, og kan ikke alene gi det fulle bildet. Bredere prosesser som styrer utviklingen av en plante, kjent som fotomorfogenese, påvirkes av bølgelengder helt ned til 300nm og helt opp til 800nm (vist ved McCree-kurven), hvorav flere fanges opp av YPF.
En helhetlig tilnærming
YPF kan naturligvis ikke stå alene. YPF er et velegnet hovedtall for å gi en tilnærming til ytelse, eller for å fastslå omtrent riktig produkt og output for å oppnå en ønsket daglig lysintegral. PPF brukes som hovedtall, men tar ikke hensyn til at ulike bølgelengder kan ha en større effekt på veksten.
Monokromatiske LED-er forskyver dette målet ytterligere, ved at mange blå og røde brikker er rettet mot et spesifikt, smalt bølgelengdeområde. Selv om dette kan gi en høy PPF, kan det gå på bekostning av lysløsningen, siden all differensiell degradering mellom kildene vil endre det resulterende spekteret over tid.
Denne risikoen kan reduseres ved å bruke bredspektrede LED-er med fosfor, siden degraderingen av LED-en utelukkende bestemmes av den blå die-emitteren. Det er viktig at bredspektrede armaturer fyller igjen hullene mellom den blå og den røde delen av spekteret, noe som gir en bedre match med naturlig sollys. Sollys inneholder et spekter av bølgelengder på tvers av det synlige området, som trolig utfører en rekke funksjoner vi ennå ikke fullt ut forstår.
YPF har sine svakheter, siden det opprinnelige målet er basert på målinger tatt av enkeltstående bladsegmenter under kontrollerte forhold. Ved bruk i praksis kan lys som passerer gjennom et blad, fortsatt gi fordeler for overflater lenger nede på planten, så ved bare å se på ett enkelt bladsegment overser man lyset som slipper gjennom.
Dette er likevel bedre enn ingen hensyntagen i det hele tatt. Ved å se bort fra forskjellene mellom bølgelengder, gir PPF oss en frustrerende egenskap for et empirisk mål: en høyere PPF betyr ikke nødvendigvis et bedre lysprodukt.
Samarbeid mellom kunde og LED-belysningsprodusent/-leverandør er avgjørende
Mye av ansvaret faller på spesifikatørene, ettersom det kreves research og planlegging tidlig i et prosjekt for å fastslå ønsket lyseffekt på det ferdige produktet. Sans for detaljer er avgjørende, der plantetype og forventet respons tas med i betraktningen når man velger en lysløsning. En allsidig produsent bør være villig til å samarbeide med dyrkere om å fastsette og skape spektrene som er tilpasset deres avling og ønskede resultat.
Når man sammenligner produkter, er YPF et bedre utgangspunkt enn PPF, men output bør bare være én av flere faktorer i en helhetlig tilnærming som omfatter et bredt spekter av hensyn: bredt versus smalt spektrum, fotoperiode, kvalitative fordeler som smak eller farge, samt bølgelengder utenfor PAR.
Det er fremdeles mye vi ikke forstår om planteresponser og ideell spektral sammensetning for ulike avlinger og ønskede resultater. Å tette gapet mellom produktbrosjyre og optimalt spektrum bør være et samarbeid mellom leverandør og kunde, men det riktige målet bringer spesifikatørene nærmere det ideelle produktet for deres behov.
Finn ut mer om INDOs LED-system for toppbelysning >
Artikkel skrevet av Toby Penter, forretningsutvikling hos INDO
Kilder:
(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. Available online: 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)
