Belysning för trädgårdsodling är inget nytt begrepp, men LED innebär ett språng för branschen, där odlare kan anpassa och justera olika spektralintensiteter på ett sätt som tidigare teknologier aldrig medgav.
Frågan är om de mätvärden som används för att presentera och jämföra produkter verkligen leder odlare i rätt riktning, i takt med att tekniken utvecklas.
Belysning för trädgårdsodling är en snabbt växande bransch. Vissa experter förutspår att marknaden kommer att växa till 4,85 miljarder pund år 2023. Stora belysningsprojekt pågår både i Storbritannien och på internationella marknader, framför allt Lyudinovoväxthusprojektet i Ryssland, som vid färdigställande beräknas använda ungefär 240 000 armaturer.
LED-belysning har, i projekt av alla storlekar, visat sig:
- öka skördar;
- förbättra grödornas stabilitet och motståndskraft mot yttre påverkan;
- ge mer förutsägbara tillväxttider;
- spara energi; samt
- sänka kostnader
Kvalitativa fördelar har också observerats, som högre färgpigmentering och smakförändring. Framsteg inom LED-tekniken möjliggör ännu mer precis spektralanpassning och kontinuerligt ökad verkningsgrad, vilket vidgar gapet mellan LED och tidigare teknologier.
Hur mäts växtbelysning i dag?
Växter använder ljus inom ett område av det elektromagnetiska spektrumet för fotosyntes, kallat Photosynthetic Active Radiation (PAR). PAR täcker ljusvåglängder i det synliga området mellan 400 nm och 700 nm, och det är detta som definierar våra mätningar.
Huvudmåttet för ljusutput, och de facto-branschstandard, är Photosynthetic Photon Flux (PPF), vilket helt enkelt är ett uttryck för mängden PAR-fotoner som produceras per sekund.
Det sista centrala mätvärdet som används i dag är Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD), det vill säga antalet PAR-fotoner som träffar en kvadratmeter per sekund. Dessa begrepp kan relativt enkelt kopplas till en belysningsingenjörs kunskapsbas:
- PAR motsvarar ungefär den synliga ljusdelen av det elektromagnetiska spektrumet
- PPF är kopplat till strålningseffekt (mellan 400 nm och 700 nm)
- PPFD motsvarar ungefär belysningsstyrka men utan V(λ)-viktning
PAR definierar det ljus vi är intresserade av, PPF är mängden av det ljuset som lämnar ljuskällan, och PPFD är mängden av det ljuset per kvadratmeter odlingsyta.
Varför bör vi vara försiktiga med PPF som mätvärde?
PPF har sina styrkor som måttenhet: det är enkelt att förstå, lätt att mäta och mycket utbrett. Det har dock också begränsningar:
Bara mängden ljus mäts, inte typen eller kvaliteten
Det blir allt tydligare att ljuskvalitet är en viktig faktor vid odling av alla grödor, där kvantitet bara är en del av bilden. Absorptionshastigheter, fotosyntetisk respons och icke-fotosyntetiska responser beaktas ofta inte.
Medan branschen fokuserar på PPF per Watt anser vi att detta kan ha en hämmande snarare än gynnsam effekt på tillväxthastigheter.
Specifikationsansvariga som fokuserar på PPF/W som urvalskriterium påverkar, kan man hävda, utvecklingen av nya armaturer genom att pressa tillverkare att använda mer rött innehåll, eftersom en röd foton kan produceras med mindre energi än en blå foton.
Det är allmänt vedertaget att en rent röd ljuskälla ger mycket dålig tillväxt, trots ett mycket högt PPF/W, vilket är ett bevis på att PPF/W-mätvärdet inte är tillräckligt för att jämföra produktprestanda och kan hindra valet av en mer lämplig produkt.
När PPF används som huvudsiffra för en enhets uteffekt ger detta en missvisande bild av ljuskällans nytta. Genom att bortse från växternas verkliga behov kan en LED-enhet verka vara mycket effektiv, men ändå leverera sämre verklig tillväxt jämfört med en mer anpassad lösning.
En kostanalogi
Bristen hos PPF när det gäller att inte ta hänsyn till ljuskvalitet liknar bristen hos kalorier när det gäller att inte kunna indikera en hälsosam kost. Om två individer konsumerar 2 000 kalorier mat, har vardera tagit in samma mängd energi enligt kaloriinnehållet.
Om en individ dock fick 2 000 kalorier från en balanserad kost och den andre från att äta enbart en typ av mat (till exempel smör), skulle näringsvärdet, förmågan att utvinna energi och det resulterande hälsotillståndet skilja sig avsevärt mellan de två fallen.
Att betrakta båda dieterna som likvärdiga vore uppenbart fel och missvisande, men detta är exakt vad som sker när fokus läggs på PPF-mätvärdet vid val av belysningsarmatur.
Att hitta ett bättre mätvärde
Det finns andra mätvärden tillgängliga för odlare som bättre fångar en växts fotosyntetiska känslighet.
Yield Photon Flux (YPF) är ett sådant mätvärde
YPF är ett viktat system som mäter värdet av en given ljusvåglängd mot den fotosyntetiska respons som grödan troligen uppvisar. Där alla fotoner är lika i PPF, beaktar YPF den relativa fotosyntetiska effektiviteten hos olika ljusvåglängder och tilldelar mindre viktning åt mindre användbart ljus.
Konceptet med S/P-kvoter ger en inblick i en ljuskällas användbarhet under olika ljusförhållanden med hjälp av samma viktningsprincip. Det mänskliga ögat har två responskurvor, en för fotopiskt (V(λ)), eller dagsljusseende, och en för skotopiskt (V'(λ)), eller nattseende. S/P-kvoter väger responsen mot dessa olika typer av ljus för att bestämma källans användbarhet för olika tillämpningar.
En produkt som ger goda belysningsnivåer under fotopiska förhållanden kanske inte gör det under skotopiska förhållanden, och vice versa. På samma sätt kan en produkt ha en god PPF-respons men en dålig YPF-respons, eftersom de två responskurvorna skiljer sig åt.
Där PPF mäter fotoner inom PAR, våglängder mellan 400 nm och 700 nm, tittar YPF på ett bredare område och beaktar källemissioner ner till 360 nm (djupblått) och upp till 760 nm (fjärrött). Dessa extra våglängder inkluderar ljus som har observerbara effekter på växttillväxt. Våglängder bortom 700 nm har i små mängder användning för att uppmuntra högre växter och simulera skymningsförhållanden, som används för att ställa in dygnsrytmer, med önskvärda egenskaper observerade hos vissa växter.
En växt i skugga, i det vilda, skulle ta emot mer fjärrött ljus och reagera på det stimulit för att styra tillväxten. Vissa växter som naturligt finns under bladverket förväntar sig en högre än genomsnittlig kvot av fjärrött mot rött och reagerar negativt på ett spektrum som inte innehåller tillräckligt med fjärrött ljus.
Vissa skuggundvikande reaktioner är önskvärda för odlare. I större mängder kan ljus bortom 700 nm användas för att avsiktligt initifera skuggundvikande syndrom, vilket uppmuntrar snabb blomning och mer kompakt tillväxt hos vissa växter, samt potentiellt förbättrar härdigheten.
PPF missar nyanserna i dessa växtresponser genom att bara beakta ljus inom PAR, och kan inte ensamt ge hela bilden. Känt som fotomorfogenes påverkas bredare processer för att kontrollera en växts utveckling av våglängder ner till 300 nm och upp till 800 nm (visas av McCree-kurvan), varav fler fångas av YPF.
En holistisk ansats
YPF kan naturligtvis inte existera isolerat. YPF är ett lämpligt huvudvärde för att ge en approximation av prestanda, eller för att grovt fastställa rätt produkt och uteffekt för att uppnå ett målat dagligt ljusintegral. PPF används som ett huvudvärde men saknar hänsyn till att olika våglängder kan ha en större effekt på tillväxten.
Monokromatiska LED-lampor förskjuter detta mätvärde ytterligare. Många blå och röda chips riktar in sig på ett specifikt, smalt våglängdsområde. Även om detta kan ge ett högt PPF, kan det kompromissa belysningslösningen, eftersom varierande nedbrytning mellan källorna förändrar det resulterande spektrumet över tid.
Denna risk kan minskas med bredspektrum-LEDs med fosfor, eftersom nedbrytning av LED:n styrs enbart av den blå diodemittern. Viktigt är att bredspektrumenheter fyller i luckorna mellan de blå och röda delarna av spektrumet och ger en bättre matchning mot naturligt solljus. Solljus innehåller ett spektrum av våglängder över hela det synliga spektrumet, som troligen utför ett antal funktioner vi ännu inte till fullo förstår.
YPF har brister, eftersom det ursprungliga mätvärdet baseras på avläsningar tagna för enskilda lövsegment under kontrollerade förhållanden. Vid användning in situ kan ljus som passerar genom ett blad fortfarande ha fördelar för ytor längre ner på växten. Att bara beakta ett enskilt lövsegment ignorerar därmed det ljus som passerar igenom.
Detta är dock bättre än ingen hänsyn alls. Genom att ignorera skillnaderna mellan våglängder presenterar PPF oss med en frustrerande egenskap för ett empiriskt mätvärde: ett högre PPF innebär inte nödvändigtvis en bättre belysningsprodukt.
Samarbete mellan kund och LED-belysningsproducent är avgörande
Mycket av ansvaret vilar på specifikationsansvariga, med forskning och planering behövs i de tidiga skedena av ett projekt för att fastställa den önskade effekten av belysning på slutprodukten. Uppmärksamhet på detaljer är avgörande, där växttyp och avsedd respons beaktas vid val av belysningslösning. En flexibel tillverkare bör vara villig att samarbeta med odlare för att fastställa och skapa de spektra som är utformade för deras gröda och avsedda resultat.
Vid jämförelse av produkter är YPF en bättre utgångspunkt än PPF, men uteffekt bör vara en övervägande inom en holistisk ansats som omfattar ett antal faktorer: brett kontra smalt spektrum, fotoperiod, kvalitativa fördelar som smak eller färg, samt beaktande av våglängder utanför PAR.
Det finns mycket som ännu inte förstås om växtresponser och ideal spektral sammansättning för olika grödor och önskade resultat. Att minska klyftan mellan produktbroschyr och optimalt spektrum bör vara ett samarbete mellan leverantör och kund, men rätt mätvärde för med specifikationsansvariga närmare den ideala produkten för deras behov.
Läs mer om INDOs LED Top Lighting-system >
Artikel skriven av Toby Penter, affärsutveckling på INDO
Källor:
(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)
