Impulsurile de lumină urmate de perioade întunecate prelungite ar putea contribui la creșterea durabilității producției agricole din interior. DutchScenery / Shutterstock.com
O sosire pe timp de noapte la Aeroportul Schiphol din Amsterdam vă zboară peste strălucirea roz strălucitoare a serelor de producție de legume. Cultivarea culturilor sub lumină artificială este câștigând impuls, în special în regiunile în care prețurile la produse pot fi ridicate în timpul anotimpurilor în care lumina soarelui este rară.
Olanda este doar o țară care a adoptat rapid agricultura cu mediu controlat, unde culturile de specialitate de mare valoare, cum ar fi ierburile, salatele elegante și roșiile sunt produse în sere iluminate pe tot parcursul anului. Avocații sugerează aceste clădiri complet închise - sau fabrici de plante - ar putea fi o modalitate de refacere a spațiului urban, reducerea milei alimentare și furnizarea de produse locale locuitorilor orașului.
Una dintre problemele centrale ale acestui proces este costul monetar ridicat al furnizării luminii artificiale, de obicei printr-o combinație de diode cu lumină roșie și albastră. Costurile energiei uneori depășește 25% din cheltuielile operaționale. Cum pot cultivatorii, în special în lumea în curs de dezvoltare, concurează când soarele este liber? O utilizare mai ridicată a energiei se traduce, de asemenea, cu mai multe emisii de carbon, mai degrabă decât amprenta de carbon scăzută pe care o pot oferi plantele cultivate în mod durabil.
Am a studiat modul în care lumina afectează creșterea și dezvoltarea plantelor de peste 30 de ani. Recent m-am trezit întrebându-mă: Mai degrabă decât să creșteți plante sub un ciclu care se repetă într-o zi de lumină și o noapte de întuneric, ce se întâmplă dacă aceeași lumină a zilei ar fi împărțită în impulsuri care durează doar ore, minute sau secunde?
Plantele de interior au nevoie de multă lumină artificială. josefkubes / Shutterstock.com
Scurte scurte de lumină și întuneric
Deci eu și colegii mei a conceput un experiment. Am aplica cantitatea normală de lumină în total, doar o vom rupe în diferite bucăți de timp.
Desigur, plantele depind de lumină pentru fotosinteză, procesul care în natură folosește energia soarelui pentru a îmbina dioxidul de carbon și apa în zaharuri care alimentează metabolismul plantelor. Lumina direcționează, de asemenea, creșterea și dezvoltarea prin semnalele sale despre zi și noapte, iar maimuțele cu acel flux de informații ar putea avea rezultate dezastruoase.
Asta pentru că ruperea ceva bun în biți mai mici creează uneori probleme noi. Imaginați-vă cât de fericit ați fi de a primi o bancnotă de 100 USD - dar nu la fel de încântat cu echivalentul a 10,000 de bani. Am bănuit că ceasul intern al unei plante nu ar accepta aceeași monedă luminoasă atunci când este împărțit în valori mai mici.
Și asta este exact ceea ce noi demonstrat în experimentele noastre. Răsadurile de varză, nap sau sfeclă expuse la cicluri de 12 ore de lumină, 12 ore întunecate timp de patru zile au crescut normal, acumulând pigmenți și crescând. Când am redus frecvența ciclurilor de lumină-întuneric la 6 ore, 3 ore, 1 oră sau 30 de minute, plantele s-au revoltat. Am livrat aceeași cantitate de lumină, doar aplicată în bucăți de dimensiuni diferite, iar răsadurile nu au apreciat tratamentul.
Aceeași cantitate de lumină aplicată la intervale mai scurte de-a lungul zilei a făcut ca plantele să crească mai mult ca și cum ar fi fost în întuneric. Bănuim că impulsurile de lumină au intrat în conflict cu un ceasul intern al plantei, iar răsadurile habar nu aveau ce oră a zilei era. Tulpinile s-au întins mai înalt, în încercarea de a găsi mai multă lumină, și procese precum producția de pigmenți au fost suspendate.
Dar când am aplicat lumina în rafale mult mai scurte, s-a întâmplat ceva remarcabil. Plantele cultivate sub cicluri de pornire / oprire de cinci secunde păreau a fi aproape identice cu cele cultivate în perioada normală de lumină / întuneric. Este aproape ca și cum ceasul intern nu poate porni în mod corespunzător când răsăritul soarelui vine la fiecare cinci secunde, astfel încât plantele nu par să se deranjeze într-o zi care durează câteva secunde.
La fel cum ne-am pregătit să publicăm, colaboratorul universitar Paul Kusuma a descoperit că descoperirea noastră nu a fost atât de nouă. Curând ne-am dat seama că am redescoperit ceva cunoscut deja de 88 de ani. Oamenii de știință de la Departamentul Agriculturii din SUA a văzut același fenomen în 1931 când cresceau plante sub impulsuri luminoase de diferite durate. Munca lor la plante mature se potrivește cu ceea ce am observat la răsaduri cu o asemănare remarcabilă.
Un studiu din 1931 realizat de Garner și Allard a urmărit creșterea florilor Yellow Cosmos sub impulsuri luminoase de diferite durate. J. Agri. Rez. 42: Biblioteca Națională Agricolă, Serviciul de Cercetări Agricole, Departamentul Agriculturii SUA., CC BY-ND
Nu numai că toate acestea erau o reșapare a unei idei vechi, dar impulsurile de lumină nu economisesc energie. Cinci secunde pornite și oprite utilizează aceeași cantitate de energie ca luminile aprinse timp de 12 ore; luminile sunt încă aprinse jumătate de zi.
Dar ce s-ar întâmpla dacă am prelungi perioada întunecată? Cinci secunde pornit. Șase secunde de pauză. Sau 10 secunde oprit. Sau 20 de secunde oprit. Poate 80 de secunde liber? Nu au încercat asta în 1931.
Construirea într-un timp de oprire suplimentar
Se pare că plantelor nu le deranjează puțin timpii morți. După ce am aplicat lumina timp de cinci secunde pentru a activa fotosinteza și procesele biologice cum ar fi acumularea de pigmenți, am oprit lumina timp de 10 sau uneori 20 de secunde. Sub aceste perioade întunecate extinse, răsadurile au crescut la fel de bine ca atunci când perioadele de lumină și întuneric erau egale. Dacă acest lucru ar putea fi realizat la scara unei ferme interioare, s-ar putea traduce într-o economie semnificativă de energie, de cel puțin 30% și poate mai mult.
Lucrările recente, care urmează să fie publicate în laboratorul nostru, au arătat că același concept funcționează și în salata verde; de asemenea, nu le deranjează un timp întunecat extins între impulsuri. În unele cazuri, salatele sunt verzi în loc de violet și au frunze mai mari. Asta înseamnă că un cultivator poate produce o diversitate de produse și cu o greutate mai mare comercializabilă a produsului, prin stingerea luminilor.
O varietate de salată a crescut purpuriu când i s-a administrat o perioadă întunecată de 10 secunde. Arată asemănător cu cele cultivate cu o perioadă întunecată de cinci secunde, dar consumă cu 33% mai puțină energie. Extinderea perioadei întunecate la 20 de secunde a dat naștere la plante verzi cu mai multă biomasă. J. Feng, K. Folta
Învățarea faptului că plantele pot fi cultivate sub explozii de lumină mai degrabă decât iluminare continuă oferă o modalitate de a reduce potențial bugetul costisitor de energie al agriculturii interioare. Mai multe legume proaspete ar putea fi cultivate cu mai puțină energie, făcând procesul mai durabil. Colegii mei și cu mine credem că această inovație ar putea ajuta în cele din urmă să conducă noi afaceri și să hrănească mai mulți oameni - și să facă acest lucru cu un impact mai mic asupra mediului.
Acest articol a fost actualizat cu o legendă corectată pe fotografia plantelor cultivate în 1931.
Despre autor
Kevin M. Folta, profesor de științe horticole și de biologie moleculară și celulară a plantelor, Universitatea din Florida
Acest articol este republicat de la Conversaţie sub licență Creative Commons. Citeste Articol original.
ING
