Světelné spektrum a fotosyntéza

29. 09. 2020

V tomto seriálu o osvětlení nejde o hluboký teoretický vhled do fyziky světla a rostlinné fyziologie. Jde nám především o kontext a vysvětlení některých základních principů, které mají praktický význam při indoor kultivaci rostlin s použitím umělého osvětlení.

Úspěšnost fotosyntézy závisí kromě CO2 a teploty především na typu a kvalitě světelného spektra. Proto je třeba vědět, jak světelné spektrum ovlivňuje rostliny a také které metriky pro měření pěstebního světla jsou důležité.

Sluneční záření

Slunce je přirozený zdroj elektromagnetického záření. Širokospektrální záření vzniká při termojaderné fúzi helia. Narozdíl od zvuku, který je čistým vlněním, má elektromagnetické záření i svou kvantovou složku. Je to tedy vlnění částic a může se šířit i vakuem.

Nejkratší vlny (nejvyšší frekvenci) má záření gama, nejdelší vlny (nejnižší frekvenci) mají rádiové vlny.

Část spektra, které můžeme využít při kultivaci rostlin se nachází v rozsahu od 100 nm do 750 nm.

UV záření: 100-400 nm
PAR (fotosynteticky aktivní záření) 400-700 nm
Viditelné světlo: 420-680 nm

Rostliny a lidé vnímají světlo odlišně.

Fotosyntéza

Zjednodušeně řečeno, rostlina je chemická továrna poháněná světlem. Vstupními surovinami jsou oxid uhličitý a voda, produktem energeticky bohaté organické sloučeniny, sacharidy, vedlejším produktem je kyslík.

Rostliny účinně přemění pouze část elektromagnetického záření emitovaného sluncem. Tomuto rozsahu spektra říkáme fotosynteticky aktivní záření, anglicky photosynthetic active radiation (PAR) a je definováno v intervalu 400-750 nm.

Fotosyntéza je nejúčinnější v modro fialové a červené části spektra, nejméně účinná je v zelené oblasti spektra. Neznamená to však, že by zelené světlo rostlina nezužitkovala.

Naopak, nepřítomnost zeleného spektra může způsobovat nižší výnosy a snížení kvality produkce, jak prokazuje např. tato studie.

Elektromagnetické záření není pro rostlinu pouze zdrojem energie, kterou spotřebovává při fotosyntéze, ale také signálem k nastartování různých procesů, jedná se o tzv. fotomorfologickou reakci. Může se jednat o signál k tvorbě chlorofylu, regulaci klíčení, zkracování internodií, aktivaci fáze kvetení, stimulaci zrání atd.

Důležitým faktem pro pěstování pod umělým osvětlením je, že některé z těchto reakcí jsou aktivovány i zářením mimo PAR (například UV a FAR red).

Jak světelné spektrum ovlivňuje rostliny a jejich pěstování?

Průběh účinnosti fotosyntézy v závislosti na vlnové délce vidíte na přiloženém grafu.

UV záření (10-400 nm)

Ultrafialové záření s nižší vlnovou délkou (UV B a UV C) je škodlivé až zhoubné pro flóru i faunu. Při vyšších vlnových délkách ale ultrafialové záření UV A podporuje v rostlinách akumulaci fenolů a zvyšuje antioxidační aktivitu vnitřních koncentrátů. Má vliv na metabolické procesy v rostlinách a barvy, vůně nebo chutě plodů. UV světlo se používá také k prevenci před plísněmi a jinými chorobami.

Vyšší podíl UV spektra mají například germicidní TCL zářivky.

Modré spektrum (430-450 nm)

To ovlivňuje rostliny hlavně ve fázi vegetativního růstu a podílí se na fototropismu, inhibici růstu, pohybu chloroplastů nebo otevírání stomat. Přispívá k tvorbě chlorofylu, podporuje fotosyntézu a zvyšuje fotomorfogenetenickou reakci. Proto se svítidla s posíleným modrým spektrem využívají při pěstování sazenic, semenáčků a mladých rostlin. Modré světlo stimuluje produkci terpenů, tzn. přirozených vůní.

Posíleným modrým spektrem disponují hlavně MH výbojky nebo růstové CFL úsporky s teplotou chromatičnosti 4000-7000 K.

Zelené spektrum (500 - 550 nm)

Většina se od rostlin odráží a růst rostlin ovlivňuje minimálně. Proto se zelené světlo používá v LED svítilnách pro pěstitele, neruší je při nočních kontrolách tolik jako světlo s jiným spektrem.

Přesto v tomto rozsahu existuje spektrum, které může pomoci vyvolat u rostlin specifické reakce (týkající se stomat, fototropismu, fotomorfogenního růstu). Současně je zelené světlo méně pochopitelné než ostatní spektra a zdá se, že jeho vliv je odlišný dle druhu nebo odrůdy rostlin.

Pigmenty schopné absorbovat zelenou barvu se nacházejí hlouběji v listech. Červené a modré světlo přijímá rostlina snadněji. Proto se předpokládá, že zelené světlo se odráží od chlorofylu v povrchu listů hlouběji do stinných míst vrchní části rostlin, kde může být absorbováno spodní stranou listů.

Červené spektrum (640 - 680 nm)

Červené světlo ovlivňuje reverzibilitu fytochromu a je nejdůležitější pro regulaci kvetení a produkci plodů. Vlnové délky 640 - 680 nm podporují také růst stonků i vegetativní růst nebo tvorbu chlorofylu.

Velmi silným fotosyntetickým účinkem disponuje vlnová délka 660 nm. Vykazuje totiž nejvyšší účinek při klíčení, kvetení a dalších procesech souvisejících s „červeným“ fytochromem. Tato vlnová délka je nejúčinnější pro prodloužení světelného cyklu (vyvolání rozkvětu po celý den) nebo přerušení noci (zabránění rozkvětu u rostlin s krátkou denní periodou).

Dominantní podíl červeného spektra mají především HPS výbojky a květové CFL úsporky s teplotou chromatičnosti kolem 2000-2800 K..

Far red (730 nm)

Far red, “vzdálená červená”, je sice mimo fotosynteticky aktivní rozsah, ale má nejsilnější účinky na další typ fytochromů. Převádí je na fytochromy schopné absorbovat červené spektrum. Proto se far red spektrum používá na konci pěstebního cyklu při podpoře kvetení u plodin s krátkou fotoperiodou.

Vyšší poměr tmavě červené k červené, než jaký se nachází ve spektru slunečního svitu, může též spustit reakci na prodloužení stínu. Rostlina, která je zastíněna na základě zvýšeného poměru far red k červené, se pokusí roztáhnout a zvednout vrcholky nad ostatní rostliny. Proto někteří výrobci LED svítidel příliš mnoho červeného spektra nedoporučují.

Zdroje umělého světla

Při kultivaci rostlin dlouho dominovaly HPS (sodíkové vysokotlaké výbojky) a MH (metalhalidové výbojky). Přestože nebyly původně vyvinuty pro podporu růstu, emitují světelné spektrum, které rostliny efektivně zužitkují.

Trendem poslední doby se staly LED a CMH (keramický metalhalid) světelné zdroje.

HPS

U vysokotlakých sodíkových výbojek (High pressure sodium) převažuje červené a žluté spektrum, proto jsou vhodné pro období květu. Často se ale využívají po celý pěstební cyklus.

Metalhalidové výbojky se používají kvůli vysokému poměru modrého spektra ve fázi růstu.

CMH

Ceramic metal halid výbojky disponují širším spektrem, delší životností a vyšší účinností. CMH je relativně mladou technologií.

Z bezpečnostních důvodů doporučujeme kupovat pouze výbojky od prověřených výrobců (např. Lumatek a Philips).

LED

Pěstební LED prošly a stále procházejí rychlým a úspěšným vývojem. Slepá vývojová větev tzv. "blurple" tedy svítidel s modrým a červeným spektrem, nahradily širokospektrální svítidla s vyšší účinností a nižší cenou. Na obrázku vidíte světelné spektrum LED svítidla Lumatek Zeus 600W PRO.