植物微小的小燈:打開和關閉燈可以節省能源而不會傷害室內農業收穫

植物微小的小燈:打開和關閉燈可以節省能源而不會傷害室內農業收穫
光脈衝隨後延長的黑暗時期可能有助於使室內農業生產更具可持續性。 DutchScenery / Shutterstock.com

晚上抵達阿姆斯特丹的史基浦機場,將您帶到明亮的粉紅色蔬菜生產溫室。 在人造光下種植作物是 蓄勢待發特別是在陽光稀少的季節,產品價格可能很高的地區。

荷蘭人 只是一個迅速採用的國家 控制環境農業在全年照明的溫室中生產高價值的特產,如草藥,花式萵苣和西紅柿。 倡導者建議 這些完全封閉的建築物 - 或 工廠 - 可以成為重新利用城市空間,減少食物里程並為城市居民提供當地農產品的一種方式。

這個過程的核心問題之一是 提供人造光的高額貨幣成本,通常通過紅色和藍色發光二極管的組合。 能源成本 有時超過運營支出的25%。 種植者如何,特別是在發展中國家, 在太陽自由的時候競爭? 更高的能源消耗也轉化為更多的碳排放,而不是可持續養殖的植物所能提供的碳足跡減少。

我有 研究光如何影響植物的生長和發育 超過30年。 我最近發現自己想知道:如果在一天光照和一夜黑暗的重複週期下種植植物,如果同一日光被分成僅持續數小時,數分鐘或數秒的脈衝,該怎麼辦呢?

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室內植物需要充足的人造光。 josefkubes / Shutterstock.com

短暫的光明和黑暗的陣陣

所以我的同事和我 設計了一個實驗。 我們總共應用正常光量,只需在不同的時間段內進行分解即可。

當然,植物依靠光進行光合作用,這種過程本質上利用太陽的能量將二氧化碳和水合併成糖,從而促進植物新陳代謝。 Light還通過其日夜信號指導增長和發展,並且利用該信息流進行整理可能會帶來災難性的後果。


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那是因為將好東西分成小塊有時會產生新的問題。 想像一下,收到美元100賬單會有多高興 - 但並不像同等的10,000便士那麼激動。 我們懷疑工廠的內部時鐘在分成較小面額時不會接受相同的發光貨幣。

而這正是我們的意思 在我們的實驗中證明。 羽衣甘藍,蘿蔔或甜菜幼苗暴露於12小時光週期,12小時黑暗持續4天正常生長,積累顏料並且變大。 當我們將光暗週期的頻率降低到6小時,3小時,1小時或30分鐘時,植物起了反抗。 我們提供相同數量的光,僅適用於不同大小的塊,幼苗不喜歡這種處理。

在一天中以較短的間隔施加相同量的光使植物生長得更像在黑暗中。 我們懷疑光脈衝與a衝突 工廠的內部時鐘,幼苗不知道它是什麼時候。 莖伸得更高,試圖找到更多的光,像色素生產的過程被擱置。

但是,當我們在更短,更短的時間內施加光線時,發生了一些非同尋常的事情。 在5秒開/關循環下生長的植物似乎與在正常光/暗期下生長的植物幾乎相同。 這幾乎就像內部時鐘無法在每五秒鐘出現一次時正常啟動,因此植物似乎並不介意一天只有幾秒鐘。

正如我們準備出版一樣,本科合作者Paul Kusuma發現我們的發現並不那麼新穎。 我們很快意識到我們實際上已經重新發現了88年代已知的東西。 美國農業部科學家 在1931中看到了同樣的現象 當他們在不同持續時間的光脈衝下種植植物時。 他們在成熟植物中的工作與我們在幼苗中觀察到的具有顯著相似性。

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Garner和Allard的1931研究在不同持續時間的光脈衝下跟踪黃色波斯菊花的生長。
J. Agri。 RES。 42:國家農業圖書館,農業研究服務,美國農業部。, CC BY-ND

不僅所有這一切都是舊觀念的翻新,而且光脈沖不會節省任何能量。 打開和關閉五秒鐘使用與12小時開啟的燈相同的能量; 半天的燈仍然亮著。

但如果我們延長黑暗時期會發生什麼呢? 五秒鐘。 六秒鐘。 或10秒休息。 或20秒休息。 也許80秒休息? 他們沒有在1931中嘗試過。

建立額外的停機時間

事實證明,植物並不介意停機時間。 在光照五秒鐘以激活光合作用和生物過程如色素積累後,我們關燈為10,有時甚至是20秒。 在這些延長的黑暗時期,幼苗的生長與光明和黑暗時期相同時的生長一樣好。 如果這可以在室內農場的規模上完成,它可能轉化為顯著的節能,至少30%甚至更多。

我們實驗室最近尚未發表的工作表明,同樣的概念適用於葉子生菜; 他們也不介意在脈沖之間延長黑暗時間。 在某些情況下,生菜是綠色而不是紫色,葉子較大。 這意味著種植者可以通過關閉燈來生產多種產品,並且具有更高的市場產品重量。

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在10秒的黑暗時期,一種萵苣變成紫色。 它們看起來與那些在5秒黑暗時期生長的相似,但使用33%的能量更少。 將黑暗時期延長至20秒,產生了具有更多生物量的綠色植物。 J. Feng,K。Folta

了解植物可以在光線下生長而不是連續照明,這提供了一種可能削減室內農業昂貴的能源預算的方法。 可以用更少的能量種植更多的新鮮蔬菜,使這一過程更具可持續性。 我和我的同事們認為,這項創新最終可以幫助推動新業務並為更多人提供食物 - 而且這樣做對環境影響較小。

本文更新了1931中植物照片的修正圖例。談話

關於作者

Kevin M. Folta,園藝科學與植物分子與細胞生物學教授, 佛羅里達大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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