Licht in en om de plant

Licht in en om de plant Tom Dueck, Wageningen UR Glastuinbouw Lezing Anthura, 15 januari 2008

Wat is licht?

Canadese noorderlicht

Inhoud Licht: zonlicht, groeilicht, stuurlicht Licht meten Licht en planten: groeilicht Diffuus licht Berekening benodigde lichthoeveelheid Belichting tomaat; potanthurium; bladbreken Licht en planten: stuurlicht Lichtkleur LEDs

Gebruikte afkortingen PAR = Photosynthetic Active Radiation energie inhoud licht tussen 400 en 700 nm (W m 2 ) PPFD = Photosynthetic photon flux density aantal fotonen tussen 400 en 700 nm ( mol m 2 s 1 ) nm = nanometer = 1 miljardste meter (10 9 m) 1 mol = vast aantal deeltjes (6*10 23 ) mol = micromol = 1miljoenste mol (10 6 mol)

Zonlichtspectrum Straling UV C UV B UV A VIS IR A IR B IR C Golflengte << 290 nm 280 315 nm 315 380 nm 380 780 nm 780 1.400 nm 1.400 3.000 nm 3.000 100.000 nm Opmerking Komt niet aan op aarde <300 nm komt niet aan op aarde Paars, blauw, groen, geel, oranje, rood Nabij infrarood NIR Ver infrarood VIR

Welk deel van het licht wordt door planten gebruikt? Voor de fotosynthese: groeilicht 400 700 nm = PAR licht Voor de fotomorfogenese: stuurlicht 300 450 nm = uv, violet, blauw 600 700 nm = rood 700 800 nm = verrood

Welke golflengtes ziet een plant? Gemiddelde plantgevoeligheid (McCree, 1972) PAR blauw rood verrood

Welke golflengtes ziet u en ik? Lichthinder?

Piet Mondriaan gebruikte dit gegeven!

Licht meten: voor welke doel! Pyranometers/solarimeters (W m 2 ) Lichtcel/Luxmeters (Lux) Licor: 350 780 nm, Wittich: 400 1100 nm Quantumcel/PAR meters ( mol m 2 s 1 ) Alleen tussen 400 700 nm Pyrgeometers (W m 2 ) (Uitgaande) IR straling: warmteverliezen IJKING ZEER BELANGRIJK

Lichtspectrum en lichtmeting (1) Solarimeter: eenheid W m 2 (en J cm 2 ) Meet totale stralingsenergie 300 2800 nm Globale Straling(som) Van belang voor klimaatbeheersing en verdamping Blauw licht bevat meer energie en wordt door de solarimeter hoger gewaardeerd dan door de plant ~45% van de Globale Straling is fotosynthetisch actieve straling (PAR, 400 700 nm) uitgedrukt als W m 2 PAR = ongeveer 45% bruikbaar licht, 50% warmte en 5% UVB

Lichtspectrum en lichtmeting (2) Quantummeter of PAR meter, eenheid mol m 2 s 1 Meet fotosynthetisch actieve gebied 400 700 nm Fotonenstroom (Photosynthetic Photon Flux Density): aantal ( mol) energiepakketjes dat per seconde een bepaald oppervlak treft 1 mol fotonen activeert 1 mol chlorofylmoleculen: 1% meer licht =1% meer groei Groeilicht: PPFD ( mol m 2 s 1 ) enige betrouwbare grootheid

Lichtspectrum en lichtmeting (3) Zonnespectrum in diverse eenheden 0.12 18 Watt/m2 µmol/m2/sec klux 16 0.10 mol 14 Watt/m2 of µmol/m2/sec 0.08 0.06 0.04 lux 12 10 8 6 klux 0.02 lumen lux 4 2 0.00 0 300 400 500 600 700 800 900 Golflengte (nm)

Licht meten: welke eenheden? In Watts (of J s 1 ) In Lux In micromol per m 2 per seconde ( mol m 2 s 1 )

Lichtspectrum en lichtmeting (4) Hoe ziet een plant (lamp)licht? Als een verzameling energiepakketjes Greenpower 400W 7.00 µmol/watt Watt/nm 10.0 6.00 9.0 8.0 Plantgevoeligheid (µmol/watt) 5.00 4.00 3.00 2.00 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 Lampstraling (W/nm) 1.00 1.0 0.00 0.0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Golflengte

Eenheden voor lichtmeting: samenvatting Watt per m 2 = energie van de totale straling Klimaatbeheersing, energiebalans, verdamping Lux = hoeveelheid licht voor menselijk oog Fotografie, huis en straatverlichting Micromol per m 2 per seconde = Groeilicht = aantal energiepakketjes voor fotosynthese = ( mol m 2 s 1 )

Berekeningsfactoren voor PAR gebied W m 2 mol m 2 s 1 Lux mol m 2 s 1 per W m 2 Lux per mol m 2 s 1 Lichtbron 400 700 nm 400 700 nm Daglicht diffuus 4.57 54 Heldere lucht 4.24 52 HD natrium 4.95 82 Halogeen 4.59 71 Kwik 4.52 84 TL warm wit 4.67 76 TL koel wit 4.59 74 Gloeilamp 5.00 50 Maar alleen door te meten kom je het precies te weten!

Boodschap: Meet groeilicht in micromolen PAR! mol m 2 s 1 Is een maat voor het aantal bruikbare lichtdeeltjes (fotonen) dat een plant ontvangt Voordeel: Je weet waar de plant aan toe is Je kunt licht van verschillende lichtbronnen berekenen en optellen

Diffuus licht benutten van natuurlijk licht Winter: 80% diffuus licht Zomer: 60% diffuus licht Voordelen: Gelijkmatig licht (geen slagschaduw) Beter lichtdoordringing in het gewas Minder kans op lichtverzadiging Milder micro klimaat

Theorie Komkommer Winterteelt PAR Fotosynthese (MJ m 2 ) (g CO 2 m 2 ) PAR Fotosynthese (MJ m 2 ) (g CO 2 m 2 ) 281 869 281 849 203 1152 206 1158 114 650 117 672 70 365 73 386 48 208 50 224 35 69 37 75 Natuurlijk Licht Diffuus Licht Winterteelt Gewasfotosynthese: +1.5% bij diffuus licht. Jaar productie +3.0% (+0.7 kg m 2 ).

Diffuus Licht hoe ziet dat eruit? Bepaalde kasdekmaterialen kunnen licht verstrooien, waardoor direct licht omgezet wordt in diffuus licht 50% 0% Haze

Materials haze and light transmission EVA film diffuse EVA film ETFE film diffuse ETFE film Standaard tuindersglas 4mm 0.00 0.50 0.10 0.55 0.20 0.60 0.30 0.65 0.40 0.70 0.50 0.75 0.60 0.80 0.85 0.70 0.90 0.80 0.95 0.90 1.00 hemispherical transmission haze [-] [-]

Materials τ dir -τ dif 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 y = 0.1003x + 0.0653 R 2 = 0.902 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 Haze [-] Wees voorzichtig met lichtverlies bij hoge mate van diffusiteit

Diffuus licht en komkommer

Diffuus licht productie bij komkommer 80 Vruchtgewicht (kg m -2 ) 70 60 50 40 30 20 10 0 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Week nr Direct Diffuus Diffuus +6% (bij 4% minder licht) Berekend bij gelijk lichtintensiteit +8%

Diffuus licht wat weten we ervan? Lichtonderschepping: Meer middenin het gewas Meer in ochtend/middag dan vroeg/laat op de dag Fotosynthese: Meer bij normale (zomerse) lichtomstandigheden Vermoedelijk: Betere micro klimaat in het gewas

PAR licht en belichting Berekening van lichtsom (zonlicht, belichting) Belichtingduur vs belichtingintensiteit

Belichten van planten: lamptypen Kunstlicht Hogedruk Natrium lampen (SON T) Metaalhalogeen (HPI) Fluorescentie (TL) Gloeilampen (Flowerpower) LEDs Maar de zon gaat nog steeds voor niets op

Omrekenen van en naar mol PAR Heldere, zonnige dag; buiten 450 W m 2. Hoeveel PAR? 1 W m 2 = 4.24 mol m 2 s 1 450 W m 2 is 450 x 4.24 = 1908 mol m 2 s 1 PAR Hoeveel Lux is dit dan weer? Bij helder weer 1 mol m 2 s 1 PAR = 52 Lux 1908 x 52 = 99216 Lux buitenstraling Stel: 8000 Lux HD natrium geïnstalleerd. Hoeveel PAR? 1 mol m 2 s 1 = 82 Lux (ofwel 1 Lux = 1/82 mol m 2 s 1 ) 8000 Lux = 8000/82 = 97.6 mol m 2 s 1 PAR

Benodigde lichtsom bepaalt aantal lampen(type) Daglicht (Mol/dag) SON-T 100 µmol Totaal dagsom 40 35 Bijv.: minimaal benodigde lichtsom 10 Mol/dag 30 Groeilichtsom (Mol/dag) 25 20 15 10 5 0 Jan Feb Mar Apr Mei Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec

Lichtsom (totaal van ontvangen licht per dag) eenheid: mol/m 2 /dag Hoe reken ik lichtintensiteit om in lichtsom? Stel: belichting met 50 mol m 2 s 1, gedurende 18 uur Geen daglicht, bijv groeikamer Lichtsom per dag van belichting is = 50 x (18 uur x 60 min x 60 sec) mol m 2 dag 1 = 3.240.000 mol m 2 dag 1 (1.000.000 micromol = 1 mol) = 3.24 mol m 2 dag 1 als 5 mol m 2 dag 1 gewenst > bijbelichten

Belang van lamplicht in de winter Lichtsom PAR (mol m -2 dag -1 ) 25 20 15 10 5 Zonnestraling Lamplicht Totale lichtsom Aandeel lampen: t/m wk 14: 55% t/m wk 30: 25% 0 20/okt 9/nov 29/nov19/dec 8/jan 28/jan 17/feb 9/mrt 29/mrt

Lichtsom omrekenen in lichtintensiteit: Lichtsom = 15 mol per m 2 per dag Bij 18 uur belichten: = 15/18 mol per m 2 per uur = 15/(18*60*60) mol per m 2 per seconde = 0.00023 mol per m 2 per seconde 1 mol = 1.000.000 micromol = 230 micromol per m 2 per seconde = PPFD

Versie 7 (mei 2005) Bepaling hoeveelheid groeilicht in de kas van daglicht & bijbelichting. De groene cellen kunnen vrij worden ingevuld. Daglicht eenheid daglengte stralingssom Huidige daglichtsom (globale straling): 173 J/cm 2 per dag uren J/cm 2 per dag Waar wordt dit gemeten: buiten 0.7 de kas januari 8.0 233 Transmissie van het kasdek in deze periode: 70% februari 9.7 478 Dit is hoeveelheid groeilicht in de kas: 2.60 mol/m 2 per dag maart 11.8 827 april 13.8 1345 Wat is de gewenste lichtsom (bijvoorbeeld van maart): 513.1 J/cm 2 per dag mei 15.3 1748 Deze waarde gaat uit van de situatie: buiten de kas juni 16.4 1808 Transmissie van het kasdek in deze periode: 70% juli 16.2 1764 Dus gewenste hoeveelheid groeilicht in de kas: 7.72 mol/m 2 per dag augustus 14.6 1541 september 12.7 1025 Toevoegen groeilicht d.m.v. bijbelichting: 5.12 mol/m 2 per dag oktober 10.7 603 november 8.8 291 Hiervoor is een installatie nodig van: 79.0 µmol/m 2 /s december 7.6 173 bij een belichtingsduur per dag van: 18 uur Gemiddelde daglengte en globale stralingssom in Nederland over de periode 1971-2000 (bron KNMI). Realisatie van deze lichtinstallatie: Gebruikte lichtbron: GreenPower 600W/400V Aantal lampen per ha.: 731 stuks 1) Gebruikte lichtbron: Geïnstalleerd vermogen per ha. 3) : 490 kwatt 2) Berekening a.d.v. bestaande lichtinstallatie: GreenPower 600W/400V Stroomverbruik per ha. per dag 3) : 8812 kwh 2) Lichtniveau: 79 Bij deze installatie komt het berekende groeilicht van: 79 µmol ongeveer overeen met lichtniveau van: 6044 lux Belichtingsduur: 18 uur per dag 1) N.B. uitgaande van een armatuurrendement van: 94% Lichtsom in groeilicht: 5.12 mol/m 2 per dag 2) uitgaande van nominale waarden; deze kunnen in de praktijk afwijken, afh. van Dit is vergelijkbaar, bij een kasdektransmissie van 70% armatuur en hoe deze wordt bedreven. 3) Dit is incl. filter in conventionele systemen! met globale daglichtsom van: 340.1 J/cm 2 per dag µmol

Belichting tomaat: belichtingduur vs. intensiteit

Behandelingen (tot week 14) Nr Lichtduur Lichtintensiteit Lichtsom Licht aan (uur) mol/m 2 /s lux mol/m 2 /dag (uur) 1 12 162 12.500 7.0 4:00 16:00 2 15 162 12.500 8.8 1:00 16:00 3 18 162 12.500 10.5 22:00 16:00 4 18 135 10.400 8.8 22:00 16:00

Fotosynthesecapaciteit bij start belichting 30 Netto fotosynthese (µmol m-2 s-1) 25 20 15 10 5 lampen aan 0 0:00 1:00 2:00 3:00 tijdstip van de dag (uur:min)

Netto fotosynthesecapaciteit dec/jan/feb/juli 30 Netto fotosynthese (µmol m -2 s -1 ) 25 20 15 10 5 0 12 H 15 H 18 H 18 L Lampen uit 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 tijdstip van de dag (uur:min)

Productie gerelateerd aan totale lichtsom (t/m wk 20) Cumulatieve vruchtproductie (kg FW m -2 ) 28 27 26 25 24 23 22 21 2790 12 H 3018 15 H 3258 18 H 3006 18 L 20% 8% 20 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 Cumulatieve straling in de kas (mol PAR m -2 )

Productie in relatie tot licht Cumulatieve productie tomaten (%) 140 120 100 80 100 12 H 108.19 15 H 2 116.79 18 H 8 107.73 18 L 7 80 100 120 140 Licht (%)

Energie efficiëntie: belichtingsperiode 130 120 11.2 g/mj Productie (%) 10.3 g/mj 110 10.7 g/mj 100 9.4 g/mj 100 12 hoog 90 104.6 15 hoog 104.3 18 hoog 93.8 18 laag 80 80 90 100 110 120 130 Energie input totaal (%)

Conclusies: Vooral dagelijkse lichtsom bepaalt resultaat Lichtkleur maakt niet uit voor de fotosynthese

Ook lagere lichtsommen voldoende? Bladaanleg Zijscheutvorming Bloei Teeltduur Plantlengte Kleur en gewicht Worden beter bij verhoging van de lichtsom Wel gebonden aan maximum!!

Praktijkvoorbeeld: Winterbloei potanthurium Vanaf juli 3 rassen in 17 cm pot. Bonina, Champion, Orange Love V.a. 4 september aanvullend belicht als R out <150 W ~100 mol/m 2 /s (8000 lux ), max. 10 uur per dag ~100 mol/m 2 /s, max. 14 uur per dag ~ 50 mol/m 2 /s (4000 lux ), max. 14 uur per dag Controle: zonder belichting Per ras wekelijks ontwikkeling van 20 scheuten/ras scoren.

Visuele resultaten van belichten Belichten geeft meer bloemen en minder overslag Berekende overslagpercentages per ras Behandeling Bonina Champion Orange Love Onbelicht 8.7 ± 0.4 57.9 ± 19.0 13.4 ± 3.7 14 uur 4000 Lux 0.0 18.1 ± 8.8 1.3 ± 1.3 10 uur 8000 Lux 4.5 ± 4.5 12.4 ± 1.3 2.8 ± 2.8 14 uur 8000 Lux 1.2 ± 1.2 12.7 ± 3.0 6.3 ± 4.0

Champion, januari Onbelicht Belicht Lengte bloem: 33.8 cm Breedte bloem: 7.8 cm Lengte bloem: 40.5 cm Breedte bloem: 8.9 cm

Champion, april Onbelicht Belicht

Licht houdt groei in stand Champion - Cyclusduur Bloemontwikkeling 1e 2e 3e 4e 5e 14 uur 8000 Lux 44.5 51.5 56.5 42 10 uur 8000 Lux 53.5 57 66.5 56 14 uur 4000 Lux 48.5 50 56.5 52 Onbelicht 49.5 125 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Aantal dagen (cumulatief)

Potanthurium: relatie bloemaantal ~ lichtsom 2 mnd 3 mnd 4 mnd 10x8000 Onbelicht

Winterbelichting potanthurium Over alle rassen 50 75% meer bloemen na belichten Verschil met onbelicht rasafhankelijk Gemiddelden na 7 maanden (alle rassen). Behandeling Onbelicht 14 uur 4000 Lux 10 uur 8000 Lux 14 uur 8000 Lux Aantal bloemen 8.2 a 14.4 c 12.5 b 14.2 c Aantal bloemscheuten 3.9 a 5.2 b 5.1 b 5.2 b

Relatie PAR som aantal bloemen 8.0 R 2 = 0.86 6.0 Aantal Bloemen 4.0 2.0 Onbelicht 14 u 4000 Lux 10 u 8000 Lux 14 u 8000 Lux 0.0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 PAR Som (Mol/m 2 )

Licht en functionele bladplukken Bladpluk paprika Minder licht onderin het gewas minder fotosynthese, verdamping? Bladpluk tbv energiebesparing Bladbreken Anthurium Jong blad draagt niet bij aan fotosynthese Gaat ten koste van bloem kwaliteit

Bladpluk paprika lichtonderschepping 100% juli 100% septem ber 90% 90% 80% 80% Lichtdoordringing (%) 70% 60% 50% 40% 30% Lichtdoordringing (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 20% 10% 10% 0% 0% 0% 25% 50% 75% 100% 0% 25% 50% 75% 100% Gewashoogte, % Gewashoogte, %

Fotosynthese op 5 niveau s in het gewas 30 Fotosynthese, juli 30 Fotosynthese, september Fotosynthese (µmol CO2/m 2 /s) 25 20 15 10 5 0-5 0 100 200 300 5 4 3 2 1 Fotosynthese (µmol CO2/m 2 /s) 25 20 15 10 5 0-5 0 100 200 300 5 4 3 2 1 Lichtniveau PAR (W/m 2 ) Lichtniveau PAR (W/m 2 )

Gewasfotosynthese en verdamping Fotosynthese op 5 bladniveaus, volgens gemeten bladactiviteit sept. 900 200 Verdamping op 5 bladniveaus, volgens gemeten bladactiviteit sept. 800 180 mmol CO2/m 2 blad/dag 700 600 500 400 300 200 100 5 4 3 2 1 mol H2O/m 2 blad/dag 160 140 120 100 80 60 40 5 4 3 2 1 0 20-100 17/06 17/07 16/08 15/09 15/10 14/11 14/12 Datum 0 17/06 17/07 16/08 15/09 15/10 14/11 14/12 Datum Geen effect op assimilatie / 10% minder verdamping

Bladbreken Anthurium Doel: assimilatenvraag bladeren te verlagen, meer assimilaten naar de bloem Verwijderen van jonge bladeren Wordt gedaan bij tomaat, ook bij Anthurium Onderzoek bij aardbei

Bij tomaat: vruchten krijgen : 3 3 = 0.5 = 0.6 (3+1+1+1) (3+1+1) Gele cijfers = sink of trekkracht aan de suikers

Proef in Bleiswijk 3 lichtinstellingen (4, 7, 12 mol/dag) 3 temperaturen (18, 22, 26 C) Planten op 3 bladeren, +/ bladbreken Resultaten in het voorjaar

Respons op lichtkleur (fotomorfogenese) Lichtkleur stuurt belangrijke ontwikkelingsprocessen Effect op de vorm van de plant Waarnemen dag nacht Seizoenen (daglengte) Actiespectrum?

Stuurlicht Tussen 350 450 nm en >660 nm Voor de fotosynthese niet van belang Voor de plantvorm en bloeisturing wel van belang Rood/ver rood verhouding: laag: lange planten Hoeveelheid blauw licht: veel blauw korte planten Rood/blauw verhouding

Lichtkleur en strekkingsgroei Rood/Verrood: langere planten bij R/VR < 1 Blauw: langere planten naarmate aandeel blauw in groeilicht afneemt Blauw nodig voor reactie op R/VR: zonder blauw leidt ook R/VR > 1 tot overmatige strekking!

Minder verrood Minder strekking Positief voor compact houden potplanten Positief voor uitgangsmateriaal Meer vertakking Positief bij potplanten Negatief bij veel vruchtgroenten Bloeivertraging bij schaduwplanten (Saintpaulia) Minder vruchtzetting (tomaat)

Chrysant: kortere internodia bij afnemend verrood

Blauw licht Normale plantontwikkeling als: 6% van het groeilicht blauw is Minimaal 15 mol/m 2 /s SON T lampen bevatten 6% blauw licht Daglicht bevat 27% blauw Zelfs in de winter genoeg blauw licht in het daglicht!

Blauw licht Lampkleur % blauw Wit Amber Oranje 18 4 2

Blauw licht betrokken bij: Vorming bladgroen en bladgroenkorrels Opening van de huidmondjes Strekkingsgroei: meer blauw, minder strekking Positief voor potplanten Bladoppervlak: minder blauw, groter bladoppervlak Positief bij bladgroenten

Ultraviolet licht (300 400 nm) Strekking, afharden Bloemkleur Bladkleur Minder bladgroen NB: insecten en schimmels gevoelig voor UV!

Intensievere kleuring door meer UV Foto: onderzoek Beßler, LVG Ahlem

Lichtkleur en energie inhoud Een rood foton heeft precies genoeg energie om bij te dragen aan de fotosynthese. Blauwe fotonen bevatten meer energie dan rode. De extra energie van een blauw foton moet worden weggesluisd. Toepassing mogelijk met LEDs

Voordelen van LEDs Processturing via verschillende emissie spectra Belichting kan dichter bij de plant Minder lichthinder Intensteit regeling middels dimmers LEDs zijn klein en handelbaar (minder schaduw) Lange levensduur LEDs zijn veilig (geen glas, laag spanning)

Fotosynthese oiv LEDs Fotosynthese metingen bij sla

Hetzelfde niveau van fotosynthese...... maar alleen bij dezelfde lichtintensiteit

Assimilatiebelichting mogelijk op gewasniveau?

LEDs in de kas

Misvattingen rond toepassingen van LEDs LEDs zijn efficienter dan SON T LEDs produceren minder warmte Een deel van het (daglicht, SON T) spectrum wordt niet gebruikt, waardoor LEDs efficienter zijn Pulserende LEDs zijn efficienter

Toepassing belichting in de praktijk Verhogen dagsom in winter werkt vrijwel altijd positief Benut natuurlijk licht! 1% licht is 0.5 tot 0.8 % productie Zorg voor optimale CO 2,watergift, plantafstand etc. Gebruik van gekleurde folies voor sturing plantgroei en vorm Bijna altijd verlies van groeilicht! Afwegen voor en nadelen

Licht in de tuinbouw in de toekomst? Intelligent kasdek Hoge transmissie Kleur op bestelling Warmtestraling scheiden van PAR straling op bestelling Intelligente assimilatiebelichting Optimalisatie PAR per kwh: kan zijn meer PPFD in mol m 2 s 1 maar minder Lux! Warmtestraling scheiden van PAR straling op bestelling Toepassing van LED s als assimilatiebelichting

Bedankt voor uw aandacht Wageningen UR