Các xung ánh sáng kéo theo thời kỳ đen tối kéo dài có thể giúp sản xuất nông nghiệp trong nhà bền vững hơn. DutchScenery / Shutterstock.com

Một chuyến đến vào ban đêm tại Sân bay Schiphol của Amsterdam đưa bạn qua ánh sáng rực rỡ của những nhà kính sản xuất rau. Trồng cây dưới ánh sáng nhân tạo là lấy đà, đặc biệt là ở các khu vực nơi giá sản xuất có thể cao trong mùa khi ánh sáng mặt trời thưa thớt.

Hà Lan chỉ là một quốc gia đã nhanh chóng được thông qua nông nghiệp môi trường có kiểm soát, nơi cây trồng đặc sản có giá trị cao như thảo mộc, rau diếp và cà chua được sản xuất trong nhà kính chiếu sáng quanh năm. Những người ủng hộ đề nghị những tòa nhà hoàn toàn kín này - hoặc nhà máy sản xuất - có thể là một cách để sử dụng lại không gian đô thị, giảm ăn dặm và cung cấp sản phẩm địa phương để người dân thành phố.

Một trong những vấn đề trung tâm của quá trình này là chi phí tiền tệ cao của việc cung cấp ánh sáng nhân tạo, thường thông qua sự kết hợp của các điốt phát sáng màu đỏ và màu xanh. Tiền điện đôi khi vượt quá 25% của chi phí hoạt động. Làm thế nào người trồng có thể, đặc biệt là ở các nước đang phát triển, cạnh tranh khi mặt trời rảnh? Sử dụng năng lượng cao hơn cũng đồng nghĩa với lượng khí thải carbon nhiều hơn, thay vì lượng khí thải carbon giảm mà các nhà máy được canh tác bền vững có thể cung cấp.

tôi có nghiên cứu làm thế nào ánh sáng ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và phát triển của thực vật trong hơn năm 30. Gần đây tôi thấy mình băn khoăn: Thay vì trồng cây theo chu kỳ lặp lại một ngày ánh sáng và một đêm tối, điều gì sẽ xảy ra nếu cùng một ánh sáng ban ngày bị chia thành các xung chỉ kéo dài hàng giờ, phút hoặc giây?

Cây trồng trong nhà cần nhiều ánh sáng nhân tạo. josefkubes / Shutterstock.com

Những chùm sáng ngắn và tối

Vì vậy, các đồng nghiệp của tôi và tôi đã thiết kế một thí nghiệm. Chúng ta sẽ áp dụng tổng lượng ánh sáng bình thường, chỉ cần phá vỡ nó theo các khoảng thời gian khác nhau.

Tất nhiên thực vật phụ thuộc vào ánh sáng để quang hợp, quá trình trong tự nhiên sử dụng năng lượng của mặt trời để hợp nhất carbon dioxide và nước thành đường làm nhiên liệu cho quá trình trao đổi chất của thực vật. Ánh sáng cũng điều khiển sự tăng trưởng và phát triển thông qua các tín hiệu của nó về ngày và đêm, và việc đánh lừa với luồng thông tin đó có thể có kết quả thảm hại.

Đó là bởi vì phá vỡ một cái gì đó tốt thành các bit nhỏ hơn đôi khi tạo ra các vấn đề mới. Hãy tưởng tượng bạn sẽ hạnh phúc như thế nào khi nhận được hóa đơn 100 đô la Mỹ - nhưng không vui mừng bằng đồng xu 10,000 tương đương. Chúng tôi nghi ngờ đồng hồ bên trong của nhà máy sẽ không chấp nhận cùng loại tiền phát sáng khi được chia thành các mệnh giá nhỏ hơn.

Và đó chính xác là những gì chúng ta thể hiện trong các thí nghiệm của chúng tôi. Cây cải xoăn, củ cải hoặc củ cải đường tiếp xúc với chu kỳ 12 giờ ánh sáng, 12 giờ tối trong bốn ngày phát triển bình thường, tích tụ sắc tố và phát triển lớn hơn. Khi chúng tôi giảm tần suất của các chu kỳ sáng-tối xuống còn các giờ 6, giờ 3, giờ 1 hoặc phút 30, các nhà máy đã quay vòng. Chúng tôi cung cấp cùng một lượng ánh sáng, chỉ áp dụng trong các khối có kích thước khác nhau, và cây con không đánh giá cao việc điều trị.

Cùng một lượng ánh sáng được áp dụng trong những khoảng thời gian ngắn hơn trong ngày khiến thực vật phát triển giống như trong bóng tối. Chúng tôi nghi ngờ các xung ánh sáng xung đột với một đồng hồ nội bộ của nhà máyvà cây con không biết đó là thời gian nào trong ngày. Thân cây vươn cao hơn trong nỗ lực tìm kiếm nhiều ánh sáng hơn và các quy trình như sản xuất sắc tố đã bị trì hoãn.

Nhưng khi chúng ta áp dụng ánh sáng trong các vụ nổ ngắn hơn nhiều, rất nhiều điều đã xảy ra. Cây trồng dưới chu kỳ bật / tắt năm giây dường như gần giống với những cây được trồng trong thời kỳ sáng / tối bình thường. Nó gần giống như đồng hồ bên trong không thể bắt đầu đúng cách khi mặt trời mọc cứ năm giây một lần, vì vậy các nhà máy dường như không bận tâm đến một ngày dài vài giây.

Ngay khi chúng tôi chuẩn bị xuất bản, cộng tác viên đại học Paul Kusuma nhận thấy rằng khám phá của chúng tôi không quá mới lạ. Chúng tôi sớm nhận ra rằng chúng tôi thực sự đã khám phá lại một cái gì đó đã được biết đến trong những năm 88. Các nhà khoa học tại Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ thấy hiện tượng tương tự ở 1931 khi họ trồng cây dưới các xung ánh sáng của các thời lượng khác nhau. Công việc của chúng trong cây trưởng thành phù hợp với những gì chúng tôi quan sát thấy ở cây con với sự tương đồng đáng chú ý.

Một nghiên cứu 1931 của Garner và Allard đã theo dõi sự phát triển của hoa Cosmos vàng dưới các xung ánh sáng của các thời lượng khác nhau. J. Agri. Độ phân giải 42: Thư viện nông nghiệp quốc gia, Dịch vụ nghiên cứu nông nghiệp, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ., CC BY-NĐ

Tất cả những điều này không chỉ là một bản đọc lại của một ý tưởng cũ, mà các xung ánh sáng cũng không tiết kiệm năng lượng. Năm giây bật và tắt sử dụng cùng một lượng năng lượng như đèn được bật trong giờ 12; đèn vẫn sáng trong nửa ngày.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta kéo dài thời kỳ đen tối? Năm giây sau. Sáu giây nghỉ. Hoặc 10 giây tắt. Hoặc 20 giây tắt. Có lẽ 80 giây tắt? Họ đã không thử điều đó trong 1931.

Xây dựng trong thời gian chết thêm

Nó chỉ ra rằng các nhà máy không nhớ một chút thời gian chết. Sau khi áp dụng ánh sáng trong năm giây để kích hoạt quá trình quang hợp và các quá trình sinh học như tích tụ sắc tố, chúng tôi đã tắt đèn trong 10, hoặc đôi khi là 20 giây. Trong thời kỳ đen tối kéo dài này, cây con phát triển giống như khi chúng có thời gian sáng và tối bằng nhau. Nếu điều này có thể được thực hiện trên quy mô của một trang trại trong nhà, nó có thể chuyển thành một khoản tiết kiệm năng lượng đáng kể, ít nhất là 30% và có thể hơn thế nữa.

Công trình gần đây chưa được công bố trong phòng thí nghiệm của chúng tôi đã chỉ ra rằng khái niệm tương tự hoạt động trong rau diếp lá; họ cũng không bận tâm đến một khoảng thời gian đen tối kéo dài giữa các xung. Trong một số trường hợp, rau diếp có màu xanh lá cây thay vì màu tím và có lá lớn hơn. Điều đó có nghĩa là một người trồng có thể tạo ra sự đa dạng của sản phẩm và với trọng lượng sản phẩm có thể bán trên thị trường cao hơn, bằng cách tắt đèn.

Một loại rau diếp đã phát triển màu tím khi có thời gian tối là 10-giây. Chúng trông giống như những con được trồng trong khoảng thời gian đen tối năm giây, nhưng sử dụng năng lượng ít hơn 33%. Kéo dài thời gian tối đến 20 giây mang lại cho cây xanh nhiều sinh khối hơn. J. Feng, K. Folta

Học được rằng thực vật có thể được trồng dưới ánh sáng thay vì chiếu sáng liên tục cung cấp một cách để có khả năng cắt giảm ngân sách năng lượng đắt đỏ của nông nghiệp trong nhà. Nhiều loại rau tươi có thể được trồng với ít năng lượng hơn, làm cho quá trình bền vững hơn. Các đồng nghiệp của tôi và tôi nghĩ rằng sự đổi mới này cuối cùng có thể giúp thúc đẩy kinh doanh mới và nuôi sống nhiều người hơn - và làm như vậy với ít tác động môi trường hơn.

Bài viết này đã được cập nhật với một chú thích được sửa chữa trên bức ảnh của những cây được trồng ở 1931.

Lưu ý

Kevin M. Folta, Giáo sư Khoa học Làm vườn và Sinh học Phân tử và Tế bào Thực vật, University of Florida

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

ing