Svetelné spektrum a fotosyntéza

29. 09. 2020

V tejto sérii o osvetlení nejde o hlboký teoretický pohľad na fyziku svetla a fyziológiu rastlín. Ide predovšetkým o súvislosti a vysvetlenie niektorých základných princípov, ktoré majú praktický význam pri pestovaní rastlín v interiéri s použitím umelého osvetlenia.

Okrem CO2 a teploty závisí úspešnosť fotosyntézy najmä od typu a kvality svetelného spektra. Preto je dôležité vedieť, ako svetelné spektrum pôsobí na rastliny a ktoré ukazovatele merania svetla sú dôležité.

Slnečné žiarenie

Slnko je prirodzeným zdrojom elektromagnetického žiarenia. Širokospektrálne žiarenie vzniká pri termonukleárnej fúzii hélia. Na rozdiel od zvuku, ktorý je čistým vlnením, má elektromagnetické žiarenie kvantovú zložku. Je to teda časticová vlna a môže sa šíriť aj vo vákuu.

Gama žiarenie má najkratšie vlny (najvyššiu frekvenciu), rádiové vlny majú najdlhšie vlny (najnižšiu frekvenciu).

Časť spektra, ktorú môžeme využiť pri pestovaní rastlín, je v rozsahu od 100 nm do 750 nm.

UV žiarenie: 100-400 nm
PAR (fotosynteticky aktívne žiarenie) 400-700 nm
Viditeľné svetlo: 420-680 nm

Rastliny a ľudia vnímajú svetlo odlišne.

Fotosyntéza

Jednoducho povedané, rastlina je chemická továreň poháňaná svetlom. Vstupom je oxid uhličitý a voda, produktom sú energeticky bohaté organické zlúčeniny, sacharidy, a vedľajším produktom je kyslík.

Rastliny účinne premieňajú len časť elektromagnetického žiarenia vyžarovaného slnkom. Tento rozsah spektra sa nazýva fotosynteticky aktívne žiarenie (PAR) a je definovaný v intervale 400-750 nm.

Fotosyntéza je najúčinnejšia v modrofialovej a červenej časti spektra a najmenej účinná v zelenej časti spektra. To však neznamená, že rastlina nevyužíva zelené svetlo.

Naopak, absencia zeleného spektra môže viesť k nižším výnosom a zníženej kvalite produkcie, ako sa ukázalo napríklad v tejto štúdii.

Elektromagnetické žiarenie je pre rastlinu nielen zdrojom energie, ktorú spotrebúva počas fotosyntézy, ale aj signálom na spustenie rôznych procesov, tzv. fotomorfologickej reakcie. Môže byť signálom na produkciu chlorofylu, reguláciu klíčenia, skrátenie internódií, aktiváciu fázy kvitnutia, stimuláciu dozrievania atď.

Dôležitým faktom pre kultiváciu pri umelom osvetlení je, že niektoré z týchto reakcií sú aktivované aj iným ako PAR žiarením (napr. UV žiarením a červeným žiarením FAR).

Ako ovplyvňuje svetelné spektrum rastliny a ich pestovanie?

Závislosť účinnosti fotosyntézy od vlnovej dĺžky si môžete pozrieť na priloženom grafe.

UV žiarenie (10-400 nm)

Ultrafialové žiarenie s nižšími vlnovými dĺžkami (UV B a UV C) je škodlivé pre flóru a faunu. Pri vyšších vlnových dĺžkach však UV A podporuje akumuláciu fenolov v rastlinách a zvyšuje antioxidačnú aktivitu vnútorných koncentrátov. Má vplyv na metabolické procesy v rastlinách a na farbu, vôňu alebo chuť plodov. UV svetlo sa používa aj na prevenciu plesní a iných chorôb.

Napríklad germicídne TCL lampy majú vyšší podiel UV spektra.

Modré spektrum (430-450 nm)

Ovplyvňuje rastliny najmä vo vegetatívnej fáze rastu a podieľa sa na fototropizme, inhibícii rastu, pohybe chloroplastov alebo otváraní ústnej dutiny. Prispieva k tvorbe chlorofylu, podporuje fotosyntézu a zvyšuje fotomorfogenetickú reakciu. Z tohto dôvodu sa pri pestovaní sadeníc, priesad a mladých rastlín používajú svietidlá so zvýšeným modrým spektrom. Modré svetlo stimuluje produkciu terpénov, t. j. prírodných vonných látok.

Rozšírené modré spektrum poskytujú najmä MH lampy alebo CFL rastové lampy s teplotou chromatickosti 4000-7000 K.

Zelené spektrum (500 - 550 nm)

Väčšina z nich sa odráža od rastlín a minimálne ovplyvňuje ich rast. Preto sa v pestovateľských svetlách LED používa zelené svetlo, ktoré ich počas nočných kontrol neruší tak ako svetlo s iným spektrom.

Napriek tomu existuje spektrum v tomto rozsahu, ktoré môže pomôcť vyvolať špecifické reakcie v rastlinách (súvisiace so stomatálnym, fototropným a fotomorfogénnym rastom). Zelené svetlo je zároveň menej známe ako iné spektrá a zdá sa, že jeho účinok sa líši v závislosti od druhu alebo odrody rastliny.

Pigmenty schopné absorbovať zelenú farbu sa nachádzajú hlbšie v listoch. Červené a modré svetlo rastlina absorbuje ľahšie. Preto sa predpokladá, že zelené svetlo sa odráža od chlorofylu na povrchu listov hlbšie do zatienených oblastí hornej časti rastliny, kde ho môže absorbovať spodná strana listov.

Červené spektrum (640 - 680 nm)

Červené svetlo ovplyvňuje reverzibilitu fytochrómov a je najdôležitejšie pre reguláciu kvitnutia a tvorby plodov. Vlnová dĺžka 640-680 nm tiež podporuje rast stoniek a vegetatívny rast alebo produkciu chlorofylu.

Vlnová dĺžka 660 nm má veľmi silný fotosyntetický účinok. Má najvyšší účinok pri klíčení, kvitnutí a ďalších procesoch súvisiacich s "červeným" fytochrómom. Táto vlnová dĺžka je najúčinnejšia na predĺženie svetelného cyklu (vyvolanie kvitnutia počas celého dňa) alebo na prerušenie noci (zabránenie kvitnutia u rastlín s krátkou dennou dobou).

Dominantný podiel červeného spektra majú HPS lampy a CFL s teplotou chromatickosti približne 2000-2800 K.

Ďaleká červená (730 nm)

Ďaleká červená,"far red", je mimo fotosynteticky aktívneho rozsahu, ale má najsilnejší účinok na iný typ fytochrómu. Premieňa ich na fytochrómy schopné absorbovať červené spektrum. Preto sa na konci cyklu plodín používa ďalekočervené spektrum na podporu kvitnutia v plodinách s krátkou fotoperiódou.

Vyšší pomer tmavočervenej a červenej farby, než je v spektre slnečného svetla, môže tiež vyvolať reakciu predĺženia tieňa. Rastlina, ktorá je zatienená zvýšeným pomerom vzdialenej červenej a červenej farby, sa bude snažiť natiahnuť a zdvihnúť svoju korunu nad ostatné rastliny. Preto niektorí výrobcovia svietidiel LED neodporúčajú príliš veľké množstvo červeného spektra.

Zdroje umelého svetla

Pri pestovaní rastlín dlho dominovali vysokotlakové sodíkové výbojky (HPS) a halogenidové výbojky (MH). Hoci pôvodne neboli vyvinuté na podporu rastu, vyžarujú svetelné spektrum, ktoré rastliny dokážu efektívne využiť.

Svetelné zdroje LED a CMH (keramické metalhalogenidové) sa stali trendom poslednej doby.

HPS

Vysokotlakové sodíkové výbojky majú prevažne červené a žlté spektrum, a preto sú vhodné na obdobie kvitnutia. Často sa však používajú počas celého vegetačného cyklu.

Halogenidové výbojky sa používajú z dôvodu vysokého podielu modrého spektra v rastovej fáze.

CMH

Keramické halogenidové výbojky majú širšie spektrum, dlhšiu životnosť a vyššiu účinnosť. CMH je pomerne mladá technológia.

Z bezpečnostných dôvodov odporúčame kupovať len žiarovky od overených výrobcov (napr. Lumatek a Philips).

LED

Pestovateľské LED prešli a stále prechádzajú rýchlym a úspešným vývojom. Slepú vývojovú vetvu tzv."rozmazaných" svietidiel s modrým a červeným spektrom nahradili širokospektrálne svietidlá s vyššou účinnosťou a nižšou cenou. Na obrázku je zobrazené svetelné spektrum LED svietidla Lumatek Zeus 600W PRO.