Ljusimpulser följt av förlängda mörka perioder kan hjälpa till att göra inomhus jordbruksproduktion mer hållbar. DutchScenery / Shutterstock.com

En natt ankomst på Amsterdams Schiphol flygplats flyger dig över den ljusa rosa glöd av växthus för växter. Att odla grödor under konstgjort ljus är få fart, särskilt i regioner där produktionspriserna kan vara höga under årstider när solljuset är sparsamt.

Nederländerna är bara ett land som snabbt har antagit jordbruk med kontrollerad miljö, där högvärdiga specialgrödor som örter, snygga sallader och tomater produceras i upplysta växthus året runt. Förespråkare föreslår dessa helt slutna byggnader - eller växtfabriker - kan vara ett sätt att återanvända stadsområden, minska matmiljön och tillhandahålla lokala produkter till stadsbor.

Ett av de centrala problemen med denna process är höga monetära kostnader för att tillhandahålla konstgjort ljus, vanligtvis via en kombination av röda och blå ljusemitterande dioder. Energikostnader ibland överskrider 25% av det operativa utlägget. Hur kan odlare, särskilt i utvecklingsländerna, tävla när solen är fri? Högre energianvändning innebär också mer koldioxidutsläpp snarare än det minskade koldioxidavtrycket som hållbart odlade anläggningar kan ge.

Jag har studerade hur ljus påverkar växternas tillväxt och utveckling i över 30 år. Jag fann mig nyligen undrar: Istället för att växa växter under en upprepad cykel av en dag av ljus och en natt av mörker, vad händer om samma dagsljus delades upp i pulser som bara varade timmar, minuter eller sekunder?

Inomhusväxter behöver mycket konstgjort ljus. josefkubes / Shutterstock.com

Korta skurar av ljus och mörkt

Så mina kollegor och jag designade ett experiment. Vi skulle tillämpa den normala mängden ljus totalt, bara bryta upp den över olika bitar av tiden.

Naturligtvis är växter beroende av ljus för fotosyntes, den process som i naturen använder solens energi för att slå samman koldioxid och vatten till sockerarter som bränsle växter ämnesomsättning. Ljus riktar också tillväxt och utveckling genom sina signaler om dag och natt, och apning med den informationsströmmen kan ha katastrofala resultat.

Det beror på att en delning av något bra i mindre bitar ibland skapar nya problem. Föreställ dig hur glad du skulle bli att få en 100-räkning på US $ - men inte lika nöjd med motsvarande 10,000-pennies. Vi misstänkte att en anläggnings interna klocka inte skulle acceptera samma lysande valuta när den bryts i mindre valörer.

Och det är precis vad vi visat i våra experiment. Grönkål, kålrot eller rödbetor som utsattes för cykler med 12 timmars ljus, 12 timmar mörkt under fyra dagar växte normalt, ackumulerade pigment och växte större. När vi sänkte frekvensen av ljusmörkcykler till 6 timmar, 3 timmar, 1 timme eller 30 minuter, revolterade växterna. Vi levererade samma mängd ljus, applicerades bara i bitar i olika storlekar, och plantorna uppskattade inte behandlingen.

Samma mängd ljus som applicerades i kortare intervaller under dagen fick växter att växa mer som i mörker. Vi misstänker att ljuspulserna står i konflikt med a växtens interna klockaoch plantorna hade ingen aning om vilken tid på dagen det var. Stammar sträckte sig längre i ett försök att hitta mer ljus, och processer som pigmentproduktion sattes på vent.

Men när vi applicerade ljus i mycket, mycket kortare skurar, hände något anmärkningsvärt. Växter odlade under fem sekunders på / av-cykler tycktes vara nästan identiska med de som odlats under den normala ljus / mörka perioden. Det är nästan som att den interna klockan inte kan komma igång ordentligt när soluppgången kommer var femte sekund, så växterna verkar inte ha något emot en dag som är några sekunder lång.

Precis som vi förberedde oss för att publicera, konstaterade grundläggande samarbetare Paul Kusuma att vår upptäckt inte var så ny. Vi insåg snart att vi faktiskt hade återupptäckt något som redan var känt i 88 år. Forskare vid det amerikanska jordbruksdepartementet såg samma fenomen i 1931 när de växte växter under ljusa pulser av olika varaktigheter. Deras arbete i mogna växter matchar det vi observerade i plantor med anmärkningsvärd likhet.

En 1931-studie av Garner och Allard spårade tillväxten av gula kosmosblommor under ljusa pulser av olika varaktigheter. J. Agri. Res. 42: National Agricultural Library, Agricultural Research Service, US Department of Agriculture., CC BY-ND

Allt detta var inte bara en regummering av en gammal idé, utan ljuspulser sparar inte energi. Fem sekunder på och av använder samma mängd energi som lamporna lyser under 12 timmar; lamporna är fortfarande tända under halva dagen.

Men vad skulle hända om vi förlängde den mörka perioden? Fem sekunder på. Sex sekunder av. Eller 10 sekunder av. Eller 20 sekunder av. Kanske 80 sekunder av? De försökte inte det i 1931.

Bygga i extra driftstopp

Det visar sig att växterna inte bryr sig om lite driftstopp. Efter att ha applicerat ljus i fem sekunder för att aktivera fotosyntes och biologiska processer som pigmentansamling, stängde vi av ljuset under 10, eller ibland 20 sekunder. Under dessa långa mörka perioder växte plantorna lika bra som de hade när de ljusa och mörka perioderna var lika. Om detta skulle kunna göras på skalan av en inomhusgård, kan det översätta till en betydande energibesparing, minst 30% och kanske mer.

Nyligen ännu publicerat arbete i vårt labb har visat att samma koncept fungerar i lössallad; de bryr sig inte heller om en förlängd mörk tid mellan pulser. I vissa fall är salladerna gröna i stället för lila och har större blad. Det betyder att en odlare kan producera en mångfald av produkter och med högre försäljningsbar produktvikt genom att stänga av lamporna.

En variation av sallad växte lila när den fick en 10-sekund mörk period. De ser ut som de som odlas med en fem sekunders mörkperiod, men använder ändå 33% mindre energi. Att förlänga den mörka perioden till 20 sekunder gav gröna växter med mer biomassa. J. Feng, K. Folta

Att lära sig att växter kan odlas under skur av ljus snarare än kontinuerlig belysning ger ett sätt att potentiellt trimma den dyra energibudgeten inom inomhusbruk. Fler färska grönsaker kan odlas med mindre energi, vilket gör processen mer hållbar. Mina kollegor och jag tror att denna innovation i slutändan kan bidra till att driva nya affärer och mata fler människor - och göra det med mindre miljöpåverkan.

Den här artikeln uppdaterades med en korrigerad legend på fotografiet av de växter som odlas i 1931.

Om författaren

Kevin M. Folta, professor i trädgårdsvetenskap och växtmolekylär- och cellbiologi, University of Florida

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

användning