PAR (fotosynthetisch actieve straling)

PAR (fotosynthetisch actieve straling) is NIET een meeteenheid zoals meters, centimeters of kilo’s.
Wel definieert het het type licht of het lichtspectrum waar planten het best reageren door fotosynthese.
Via fotosynthese zetten planten lichtenergie om in chemische energie, dat is de voeding waarmee ze groeien en bloeien.
In planten reageert het licht vooral met chlorofyl a en b.

PAR kijkt gewoonlijk naar het golflengtebereik van 400 nm tot 700 nm.
In de PAR-zone meten we het licht dat op het gewas valt, wat wordt uitgedrukt in PPFD oftewel Photosynthetic Photon Flux Density in micromol per meter per seconde µmol/sm² – zie onderstaande definitie.

In het verleden drukten we lichtniveaus in kassen altijd uit in lux.
Lux of lumen is de hoeveelheid licht die menselijke ogen kunnen waarnemen, die gewoonlijk reageren op wit licht.
Onze ogen hebben 3 receptoren voor licht, de S, M en L receptoren, die vooral reageren op blauw, groen en geel licht.
De curve waar lumen en lux worden gemeten, is hierboven geïllustreerd – zoals u ziet, zijn het begin- en eindpunt hetzelfde als de PAR-zone, maar blauw licht en rood licht blijven grotendeels buiten beschouwing bij het meten van belichting voor gewassen.

Bovenstaande illustratie laat het verschil zien tussen de lichtgevoeligheid van menselijke ogen en de gevoeligheid van planten.
Aangezien de chlorofylproductie van planten het meest effectief is met fotonen van blauw en rood licht, kunnen we de lichtniveaus van LED-groeilampen niet meer uitdrukken in lux zoals vroeger gebeurde.
Daarom wordt de nieuwe meeteenheid uitgedrukt in micromol per meter per seconde en omvat alle lichtfotonen van 400 nanometer tot 700 nanometer.

Photosynthetic Photon Flux (PPF)

De PPF of Photosynthetic Photon Flux is de totale hoeveelheid licht in de PAR-zone die elke seconde door een lichtbron wordt geproduceerd.
Dus PPF meet de “fotosynthetisch actieve fotonen die per seconde door een lichtsysteem worden uitgestraald”.
Uitgedrukt in μmol/seconde.

Met de PPF van groeilampen is het mogelijk te berekenen of schatten hoeveel lampen u nodig hebt voor een areaal om het door u benodigde lichtniveau voor de planten te bereiken.
Neem als voorbeeld een aardbeienteler die een winterteelt gaat draaien met een lichtniveau van 200 µmol/sm².
Met een poothoogte van 8 meter en 5 meter afstand tussen de poten is elk teeltvak 40 m².
Dus we hebben in totaal 40 m² x 200 µmol/sm² = 8000 µmol licht nodig voor dit vak.
Als een enkele LED-groeilamp een PPF van 2000 µmol/s produceert, hebt u 4 lampen nodig per teeltvak.

De PPF vertelt ons niet hoeveel van het gemeten licht daadwerkelijk landt op de planten of een ander oppervlak.
Dus bedenk dat niet elke lamp met dezelfde PPF even effectief is bij het leveren van dat licht aan de gewassen.

Het vertelt ons ook niets over het spectrum van het licht en de golflengte van deze fotonen.
Hieronder leest u daar meer over.

Is de huidige meting van PPF PAR realistisch en relevant?

Tegenwoordig worden alle fotonen in het hele spectrum gelijk gewogen, waardoor de waarden lastig te vergelijken kunnen zijn.
Neem bijvoorbeeld de PAR-waarde van HPS SON-T van recente generaties – de PAR-waarde die u krijgt kan oplopen tot wel 2,1 µmol/J, maar deze waarde vertelt u niets over hoe efficiënt deze fotonen zijn voor uw planten om fotosynthese te maken.

Een LED-groeilamp met dezelfde prestaties (terwijl de meeste recente armaturen een veel hogere efficiëntie produceren) maar waarbij de golflengte van de fotonen overeenkomt met uw gewas en groeistadium, kan een verbetering van 25% opleveren in groei.
Dus de huidige methode waarbij alle fotonen hetzelfde worden gewogen in het PAR-spectrum voldoet niet echt.

Huidige situatie

Het volledige spectrum wordt gelijkmatig gewogen door de fotonen te tellen in de fotosynthetisch actieve regio (PAR).

Meer realistische benadering

Een meer realistische benadering zou zijn om de fotonen van de lampen te wegen op basis van de spectrale gevoeligheidscurve (“plm/W”).
Deze curve is afgeleid van het chlorofyl-absorptiespectrum, rekening houdend met de processen van interne energieoverdracht in het gewas en de bladeren.

Fotosynthetische actiespectra voor de groene alg Ulva (twee cellagen) en hogere planten (meerdere cellagen).

Tegenwoordig wordt deze methode niet meer gebruikt aangezien de verschillen van plant tot plant te groot zijn in hoe ze licht absorberen en op welk kleurenspectrum ze het best reageren.
Daarom zou deze methode op zich het te complex maken.
Maar onthoud dat alleen kijken naar de PPF van een lamp niets zegt, aangezien u per gewas moet kijken naar de plantgevoeligheidscurve en zoveel mogelijk licht produceren met de beschikbare energie die overeenkomt met deze gevoeligheidscurve.

Bedenk ook dat golflengten boven de 700 nm, die grote invloed hebben op het fytochroom Pfr, niet meetellen in de PAR-getallen, net als UV en golflengten onder de 400 nm.
Lichtfotonen boven 700 nanometer, gewoonlijk aangeduid met NIR of verrood, kunnen ook een aantal grote voordelen opleveren voor bepaalde gewassen en groeistadia.
Een goed voorbeeld is de komkommerteelt, waar projecten met extra verrood licht leiden tot opbrengsten die tot wel 24% hoger kunnen zijn.

Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD)

De Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD) meet het licht dat daadwerkelijk het gewas bereikt in de PAR-zone.
De hoeveelheid licht die uw planten ook echt bereikt binnen het PAR-gebied of het aantal fotosynthetisch actieve fotonen die elke seconde op een bepaald oppervlak vallen.
De PPFD wordt uitgedrukt in μmol/s.m².

De PPFD is tegenwoordig de beste beschikbare meeteenheid om groeilampen in de markt te vergelijken.
Op lampniveau specificeert de fabrikant de PPF of lichtoutput van de groeilamp in de PAR-zone.
Samen met de lichtspreiding van de lamp en de fysieke plaatsing van de lampen op het project, kan de PPFD worden gesimuleerd.
U kunt eenvoudig zien dat lampen met een vergelijkbaar lichtniveau soms niet vergelijkbare resultaten opleveren op PPFD op de gewassen, wat vooral komt door de verschillen in lichtspreiding.

Voorbeeld van een aardbeienproject met 2 CoolStack Boost lampen geplaatst op 40 m² onder de kasconstructie.

Allereerst moet het licht gelijkmatig over de planten worden verdeeld.
Maar uiteraard is ieder project anders – we zien kassen met lage poten van 3,5 meter, maar ook nieuwe projecten met een poothoogte van 7 meter.
De afstand van de lamp tot het gewas verschilt dus nogal.
Als we dezelfde brede stralingshoek zouden gebruiken in beide projecten, dan wordt het licht natuurlijk goed verspreid, maar met de hoge poten zou er veel licht naar de zijgevels van de kas verdwijnen of een lange afstand moeten afleggen om de planten te bereiken.

Dus de kunst van correcte belichting is om te zorgen dat het licht allereerst goed wordt verspreid met minimale lichtfluctuaties op het gewas, maar in de tweede plaats ook te zorgen dat een maximale hoeveelheid licht zo direct mogelijk op de planten valt, met zo min mogelijk lichtverlies.

Dit verklaart ook waarom LED-groeilampen voorzien van geavanceerde lenzen beter presteren dan die zonder optische besturing.
Net als toepassingen met wit licht heeft een LED-lichtbron een nogal ruime lichtspreiding – zonder correcties met lenssturing zou een groot deel van de uitgestraalde PPF-energie niet landen op het bladerdak, wat juist de bedoeling is.
Optische besturing via TIR (Totale Interne Reflectie) lenzen verbetert ook doordringing in het bladerdak, ongeveer zoals diffuus glas in de kas zorgt voor meer verstrooiing van het licht en een betere homogene lichtspreiding over de bladeren.

Licht wordt meer homogeen verspreid onder diffuus licht (B) vergeleken met direct licht (A) waar veel zonnevlekken zichtbaar zijn in het midden en onderin het gewas. (Li et al., 2014a/b, foto van Wageningen UR Greenhouse Horticulture, Bleiswijk)

Lichtverlies in de kas leidt tot lagere PPFD-waarden en enorme energieverspilling. Lichtverlies wordt gedefinieerd als alle opgewekte energie die niet wordt geabsorbeerd door het blad.

Yield Photon Flux (YPF)

De Yield Photon Flux YPF meet fotonen in het bereik van 360 tot 760 nm op basis van de fotosynthetische respons van de plant.
Dus het gaat verder dan het PAR-bereik van 400 tot 700 nm en extrapoleert ook de fotonen naar de plantgevoeligheidscurve per gewas.

Als het exacte spectrum van de groeilamp bekend is, kunnen de Photosynthetic Photon Flux (PPF) waarden in μmol/s worden aangepast door verschillende wegingsfactoren toe te passen in verschillende golflengten en kleuren.
Dit resulteert in een getal dat we de Yield Photon Flux (YPF) noemen.

De rode curve in de grafiek laat zien dat fotonen rond 610 nm (oranje-rood) de hoogste hoeveelheid fotosynthese per foton hebben.
Maar omdat fotonen met een korte golflengte meer energie per foton leveren, ligt de maximale hoeveelheid fotosynthese per eenheid energie bij een langere golflengte, rond 660 nm, wat we ook dieprood noemen.
De YPF-curve zoals hieronder weergegeven is ontwikkeld uit kortetermijnmetingen uitgevoerd op individuele bladeren bij weinig licht.

Een aantal langeretermijnonderzoeken met volledige planten bij meer licht laten zien dat lichtkwaliteit wellicht een kleiner effect heeft op plantengroei dan lichtkwantiteit.
Toch is het erg afhankelijk van het gewas en het belichtingssysteem.
Met aanvullende belichting in een kas is er nog steeds een grote hoeveelheid daglicht van de zon.
In dat geval focussen we vooral op aanvullend licht dat direct chlorofylproductie stimuleert, dus rood en blauw.
De trend is om ook extra witte LEDs toe te voegen zodat de algehele beleving van het licht neutraler is om in te werken.
Dat is de reden waarom in veel vroege installaties een paarse kleur te zien is in kassen met LED-belichting.

THet verband tussen licht en de energie die het kan dragen wordt beschreven in de wet van Planck.
Deze wet legt uit waarom voor dezelfde hoeveelheid energie fotonen in het rode spectrum een grotere impact hebben op plantfotosynthese dan bijvoorbeeld een blauwe foton.
Energie van een fotonλ = hc/ λ = 2x10^-25 (J m)/ λ
Energie van een µmol (≈ 6x10¹⁷) fotonλ ≈ 12x10^-8 (J m)/ λ
Of simpelweg uitgedrukt als vuistregel, de energie van een foton µmol in J ≈ 120/ λ waar λ = de golflengte van de foton in nm.

Uit dit verband tussen de golflengte van het licht en de energie kunnen we concluderen dat rode fotonen in de 660 nm bandbreedte veel meer energie kunnen dragen dan langere golflengten zoals blauw 450 nm.
Maximale energie van een dieprode 660 nm foton ≈ 660nm/ 120 ≈ 5,5µmol/J
Maximale energie van een blauwe 450 foton ≈ 450nm/ 120 ≈ 3,75µmol/J
Uiteraard zijn bovenstaande waarden absolute maximale hoeveelheden.
Op dit moment is de hoogst bereikte efficiëntie in een 660 nm golflengte LED-pakket 4,2 µmol/J (Osram Oslon Square V4 – Q1 2020).

De huidige meest efficiënte LED-groeilampen produceren een efficiëntie van rond de 3,5 µmol/J.
Dit geeft ook aan dat in de toekomst nog grote verbeteringen in efficiëntie kunnen worden verwacht.

Daily Light Integral (DLI)

De Daily Light Integral (DLI) meet de totale hoeveelheid licht die elke dag aan een plant wordt geleverd.
DLI is een cumulatieve meeteenheid van het totale aantal fotonen dat de planten en algen bereikt gedurende de dagelijkse fotoperiode.

De DLI meet de hoeveelheid “mols” van fotonen in het PAR-bereik per vierkante meter per dag en wordt uitgedrukt in mol/d.m².

De DLI is een goede manier om de lichtstrategie in een kasproject te bepalen met aanvullende belichting.
Voor de meeste gewassen is het mogelijk om de ideale totale lichtsom per dag te bepalen die ze efficiënt kunnen benutten.
De totale lichtsom is de som van het licht ontvangen door de zon + de som van het kunstlicht per dag.

Uiteraard vertelt uw klimaatcomputer u niets over mols per dag.
Daarom moet u terugrekenen vanuit de solarimeter-waarden in J/cm² naar mols om inzicht te krijgen in een totale som per dag.
Bedenk dat de solarimeter op het dak staat, dus u moet de doorlaatbaarheid van het glas van deze waarde aftrekken.

Van solarimeter tot DLI van de zon - J/cm² naar mol/dm² conversie:
DLI van de zon = ((gemeten J/cm²)/100) x 2.15 x doorlaatbaarheid glas %

Wat de planten extra ontvangen van de groeilampen kan ook worden berekend – converteer uw PPFD-lichtniveau daarom naar DLI met het aantal belichte uren.

Van PPFD naar DLI-conversie – μmol/sm² naar mol/dm²:
DLI van de groeilampen = (uren x PPFD x3600)/1.000.000

We geven ook een aantal nuttige indicatoren per gewas onder de Typische PPFD- en DLI-waarden per gewas.

Photon Efficacy

Photon Efficacy geeft aan hoe efficiënt een tuinbouwbelichtingssysteem is in het omzetten van elektrische energie in fotonen van PAR.
Met de PPF en het invoervermogen kunt u de efficiëntie berekenen.

Uitgedrukt in µmol/J.

Hoe hoger het getal, hoe efficiënter een belichtingssysteem is in het omzetten van elektrische energie in fotonen van PAR.
Maar bedenk dat dit getal ons niets vertelt over de effectiviteit van het licht op uw gewas en geen rekening houdt met de lichtfrequenties boven 700 nm.