Entwirrung der Unterschiede zwischen PAR, PPF, PPFD und PFD
PAR, PPF, PPFD, und PFD Einführung
Gewächshaus- und Gartenbaufachleuten werden verschiedene Begriffe im Zusammenhang mit der Lichtmessung begegnen. In diesem Artikel werden die vier Begriffe PAR, PPF, PPFD und PFD erläutert. Diese Begriffe werden in der Literatur synonym verwendet und können zu Verwirrung führen. Wir wollen das ein für alle Mal klären.
Abb. 1 -Foto von Meritt Thomas auf Unsplash
Was ist PAR? Hintergrund der PAR-Metrik
Die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) ist der Eckpfeiler der Auswirkungen des Lichts auf das Pflanzenwachstum und die Photosynthese. In den 1960er Jahren wurde mit PAR das Licht zwischen 400 und 700 nm gemessen, also die für die Photosynthese entscheidenden Wellenlängen. Dabei wurden entweder Watt pro Sekunde (W/s) oder Watt pro Quadratmeter pro Sekunde (W/m²/s) verwendet. Dabei wurde die „Energie“ des Lichts gemessen, die benötigt wird, um das Pflanzenwachstum auszulösen und zu erhalten.
Was ist PPF?
Der photosynthetische Photonenfluss (PPF) bezieht sich auf die Anzahl der pro Sekunde im PAR-Bereich (400-700 nm) emittierten Photonen. Sie wird in Mikromol pro Sekunde (μmol/s) ausgedrückt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Messungen, die auf der Energie (Watt) basieren, konzentriert sich PPF auf die Photonenzahl, die das für die Photosynthese verfügbare Licht genauer darstellt. Diese Verlagerung des Schwerpunkts ermöglicht es Züchtern und Forschern, die Qualität und Effektivität ihrer Beleuchtungssysteme für das Pflanzenwachstum besser zu beurteilen.
PAR an PPF
In den 1970er Jahren begannen Wissenschaftler zu hinterfragen, ob die Messung des Lichts in Watt wirklich den Bedürfnissen der Pflanzen entspricht. Sie erkannten, dass die Photosynthese auf die Anzahl der empfangenen Photonen reagiert, nicht nur auf die Gesamtenergie. Infolgedessen ging die Pflanzenwissenschaft von der Verwendung allgemeiner Strahlungsmetriken wie der PAR-Intensität dazu über, den PPF als präzisere und biologisch relevante Messung einzuführen. Diese Veränderung bedeutete eine grundlegende Verbesserung der Beleuchtungsbewertung im Gartenbau.
Abb. 2 Photonen des Lichts
Was ist PPFD?
Die photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD) misst die Anzahl der Photonen innerhalb des PAR-Bereichs, die pro Sekunde auf einer bestimmten Oberfläche auftreffen. Er wird in Mikromol pro Quadratmeter pro Sekunde (μmol/m²/s) angegeben. Während der PPF angibt, wie viele Photonen von einer Lichtquelle emittiert werden, sagt der PPFD aus, wie viele dieser Photonen tatsächlich das Pflanzendach erreichen. Dies macht die PPFD zu einer der praktischsten Messgrößen für Landwirte, um zu beurteilen, ob ihre Pflanzen ausreichend Licht für die Photosynthese erhalten.
PPF zu PPFD
Mit der Weiterentwicklung der Beleuchtungsforschung im Gartenbau verfeinerten die Wissenschaftler den PPF, indem sie das Konzept der Oberfläche hinzufügten. Dies führte zur PPFD, die den gesamten Photonenausstoß (PPF) in die tatsächliche Photonenabgabe über eine definierte Wachstumsfläche übersetzt. Züchter verwenden PPFD, um Beleuchtungskörper strategisch zu positionieren und eine gleichmäßige Photonenverteilung über alle Pflanzen zu gewährleisten. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Bereich der Ernte unter- oder überbelichtet ist, was sich direkt auf die Gesundheit der Pflanzen und die Konsistenz der Erträge auswirkt.
Anmerkung: mol & μmol erklärt(hier)
Abb. 3 PFFD misst Photonen, die pro Sekunde auf eine Fläche zwischen 400 und 700 nm fallen.
Abb. 4 – Die Licht-Energie-Fabrik in der Thylakoidmembran
Was ist PFD?
Die Photonenflussdichte (PFD) ist eine umfassendere Version der PPFD. Sie misst die Anzahl der Photonen über einen erweiterten Wellenlängenbereich – typischerweise von 350 nm bis 800 nm -, die pro Sekunde eine bestimmte Oberfläche erreichen (μmol/m²/s). Im Gegensatz zur PPFD, die auf den traditionellen PAR-Bereich (400-700 nm) beschränkt ist, umfasst die PFD zusätzliche Wellenlängen wie Nah-UV (unter 400 nm) und Fernrot (über 700 nm), die nachweislich die Morphologie der Pflanzen, die Blüte und die Produktion von Sekundärmetaboliten beeinflussen.
PPFD zu PFD
Während PPFD als wichtiger Maßstab für photosynthetisches Licht diente, wurde deutlich, dass die Reaktionen der Pflanzen über den Bereich von 400-700 nm hinausgehen. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass blaues Licht unter 400 nm und fernes rotes Licht über 700 nm eine wichtige Rolle in der Pflanzenphysiologie spielen – sie stimulieren die Stängelstreckung, fördern die Blüte oder lösen photomorphogene Reaktionen aus. Als Reaktion auf diese Erkenntnisse entwickelte sich PFD zu einer umfassenderen Messgröße, die es Landwirten und Forschern ermöglicht, die gesamte Photonenbelastung über das gesamte für die Pflanzenentwicklung relevante Spektrum zu bewerten.
Abb. 5 PFD-Maßnahmen jenseits der traditionellen 400-700nm
Abb. 6 – PFD reicht über 400 und 700 nm hinaus.
Weitere Untergliederung des PFD
Eine weitere Verfeinerung ist die Unterteilung von PFD in noch spezifischere Farbwellenlängen wie PFD-B (Blau), PFD-R (Rot), PFD-FR (Fernrot), PFD-UV (Ultraviolett).
Chlorophylle, die primären Pigmente der Photosynthese, absorbieren Licht am effizientesten im roten (PFD-R) und blauen (PFD-B) Bereich des Spektrums. PFD-B mit seinen kürzeren, energiereicheren Wellenlängen ist in den frühen Wachstumsstadien von entscheidender Bedeutung, da es das Wachstum der Blätter, die Verzweigung und die allgemeine Pflanzenstruktur beeinflusst. PFD-R erweitert den Bereich der Lichtabsorption für die Pflanze und trägt zum Gesamtpool der verfügbaren photosynthetischen Energie bei.
PFD-FR-Daten sind zusammen mit PFD-R-Daten entscheidend für das Verständnis und die Beeinflussung von Samenkeimung, Stammwachstum, Blüte und Fruchtbildung. Siehe Artikel über Photomorphogenese(hier).
PFD-UV-Daten sind wichtig für die Pflanzengesundheit. Eine milde UV-Bestrahlung kann eine Reihe von Reaktionen auslösen, z. B. die Abwehr von Schädlingen und Krankheitserregern. Es kann den Gehalt an Antioxidantien zum Schutz vor Sonneneinstrahlung erhöhen, das Immunsystem stärken und den Nährstoffgehalt erhöhen.
Abb. 7 Bedeutung von PFD-FR, PFD-UV
Abb. 8 – Spektrale PAR-Messgeräte können Farben sehen
PFD-Messung – Spektrale PAR-Messgeräte
Bei den meisten PAR-Messgeräten auf dem Markt handelt es sich um Quantum-PAR-Messgeräte oder -Sensoren – sie sind nicht in der Lage, so detaillierte Messungen wie PFD vorzunehmen, da sie meist nur Photonen zwischen 400 und 700 nm zählen.
In letzter Zeit haben sich die Landwirte jedoch der Wissenschaft zugewandt und wenden sich den Spektral-PAR-Messgeräten zu, um alle Unterteilungen des PFD zu messen. Spektrale PAR-Messgeräte können Farben sehen, aber Quantenmessgeräte nicht.
Durch die Analyse und Quantifizierung der Lichtintensität in diesen Farbbereichen können die Landwirte die Gewächshausbeleuchtung optimieren, um das Lichtspektrum an die spezifischen Bedürfnisse der Pflanzen in den verschiedenen Wachstumsphasen anzupassen. Diese Granularität bei der Messung der PFD über alle Farbwellenlängen hinweg ermöglicht eine präzise Steuerung und Verbesserung des Pflanzenwachstums, wodurch die photosynthetische Effizienz und der Gesamtertrag maximiert werden.
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Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung von PAR zu PPF, PPFD und PFD eine stufenweise Entwicklung durchlaufen hat, wobei sich in der Literatur und in der Diskussion Unklarheiten eingeschlichen haben. Wenn diese Begriffe jedoch in einem klaren Kontext verstanden werden, können Landwirte und Wissenschaftler die Kluft zwischen traditioneller Landwirtschaft und neuen Technologien überbrücken.
- PAR – ist heute ein Oberbegriff für das gesamte Thema der Messung der Lichtmenge für das Pflanzenwachstum und umfasst PPF, PPFD und PFD.
- PPF (Photosynthetic Photon Flux) misst die Lichtmenge (Photonen) im Bereich von 400-700 Nanometern und wird in μmol/s gemessen.
- PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) misst die Lichtmenge zwischen 400 und 700 Nanometern und wird in μmol/m²/s gemessen.
- PFD (Photon Flux Density) misst die Lichtmenge zwischen 350 und 800 Nanometern und wird in μmol/m²/s gemessen. PFD kann weiter unterteilt werden in PFD-B, PFD-R, PFD-FR und PFD-UV durch Spektral-PAR-Meter.
Wir hoffen, dass wir diese manchmal uneinheitlich verwendeten Begriffe entwirren und etwas Klarheit in Ihre Wissensbasis bringen konnten. Bitte kommentieren Sie, wenn Sie Fragen oder Anregungen haben.
Referenzen:
UPRtek – Photomorphogenese, Geschwister der Photosynthese
UPRtek – Photosynthese: Was, Wo, Wie und Warum?
UPRtek – Das mächtige Chlorophyll-Molekül.
Abb. 9 Spektrales PAR-Messgerät PPFD
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Vertiefung: Was ist ein Mol (mol), Mikromol (μmol)?
Ein Mol ist nur eine zählende Metrik, wie Kilogramm oder Meter, oder sogar ein Substantiv wie „Äpfel“ (ich habe 5 Äpfel). Aber warum verwenden wir Mole zum Zählen von Photonen? Weil es große Zahlen leicht überschaubar macht.
Zum Beispiel gibt es kleine Dinge wie Atome, Moleküle und Photonen in großer Zahl. Nehmen wir an, die Anzahl der von einem Licht ausgesandten Photonen beträgt 602.214.129.000.000.000.000.000.000 Photonen. Es wäre viel einfacher, 6,02214129 Mol Photonen zu sagen. Das reduziert die übermäßigen Zahlen um den Dezimalpunkt und ist übersichtlicher!
In der Regel wird jedoch das Zählen der Photonen zu Messungen führen, die eine Zahl wie 602.214.129.000.000 (zum Beispiel) ergeben. In diesem Fall ist die Umrechnung in Mol 0,0000006022000214129 Mol Photonen – das sind immer noch viele Zahlen hinter dem Komma, aber in umgekehrter Richtung. Multipliziert man jedoch mit 1.000.000, erhält man 6,022214129 Mikromol (μmol). Die Verwendung von Mikromolen eignet sich also für die Zählung von Photonen und ist eine weitere Möglichkeit, um zu große oder zu kleine Zahlen um den Dezimalpunkt herum zu vermeiden.
Ein Maulwurf ist also im Wesentlichen eine große Anzahl von etwas, das Photonen oder auch Äpfel sein können. Ich könnte 1 Mol Äpfel haben, aber das wären genug Äpfel in einer Reihe, um weit über den Rand des Sonnensystems hinauszugehen!
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