Fotosentez, bitkilerin enerji üretmesi için en önemli süreçtir. Ama ışık fotonlarını bitki verimi ile nasıl ilişkilendirebiliriz? Araştırmalara dayanarak, bir gram kurutulmuş biyokütle (verim) üretmek için bir mol fotosentetik foton gerektiğini biliyoruz.
1 gram / mol
Işığın belirli bir miktarda biyokütleyi nasıl desteklediğini anlamak için şunları öğrenmemiz gerekir: Fotosentez, kuantum verimi, dönüşüm verimliliği, solunum ve hasat indeksi.
Fotosentez
Fotosentez, bitkilerin enerji üretmek için su ve karbondioksit (CO2) kullandığı süreçtir. Bu basit moleküller ışık yardımıyla enerji üretebilmektedir. Bitkiler, karbondioksit ve suyu karbonhidratlara dönüştürmek ve bu süreçte oksijeni serbest bırakmak için ışık fotonlarını kullanır.
Ancak, ne kadar ışık gereklidir?
Kuantum verimini anlayarak bitki biyokütlesi üretmek için gereken foton sayısını ölçebiliriz.
Kuantum Verimi
Absorbe edilen fotonların, mol başına sabitlenmiş karbon mollerini ifade eder (mol mol-1). Karbonhidrat üretmek için gereken minimum foton miktarının 10 olduğunu biliyoruz. Yani 1 molekül karbonhidrat elde etmek için gereken kuantum gereksinimi 10 fotondur. Ancak 10, düşük ışık yoğunluklarında elde edebileceğimiz bir kuantum gereksimidir.
Utah State Üniversitesi'nde Dr. Bugbee tarafından yapılan önceki araştırmalar, yüksek CO2 seviyeleri (1600 ppm) ve yaklaşık 400 μmol m-2 s-1 civarındaki ışık yoğunluğu altında, domates ve ıspanak gibi yaygın mahsullerin 12 foton ışığa ihtiyaç duyduğunu göstermiştir (Quantum verimi = 1 mol / 12 mol foton = 0.08 mol mol-1).
Araştırmaya dayanarak, 1 molekül karbonhidrat üretmek için yaklaşık 12 foton ışığı gerekli olduğu sonucuna varabiliriz.
Bitki biyokütlesi üretmek için fotonların nasıl kullanıldığını anlama da, dönüşüm verimliliğini dikkate almamız gerekiyor.
Yeterlik
Fotosentez ne kadar verimli olabilir? Verimlilik, çıktının girdiye bölünmesine eşittir.
Verimlilik = Çıktı / Girdi
Karbonhidratlar mol başına 30 g'a eşittir (CH2O, Atom ağırlığı C=12, H2= 2, O=16). Unutmayın, karbonhidrat üretmek için 12 mol gerekir. Sonrasında verimlilik aşağıdaki gibi hesaplanır.
Verimlilik = 30 gram / 12 mol = 2.5 g
Bitki solunumu, enerji üretmek için karbonhidratların kullanıldığı bir süreçtir.
Bitki Solunumu ve Verimi
Bitkilerle çalışırken genellikle “net fotosentetik hızı” ifadesini duyarız. Net fotosentetik hız, solunum sırasında kaybedilen CO2'yi hesaba katmadan karbonun toplam fiksasyon hızını ifade eder. Fotosentezi ölçmenin doğru yolu budur.
Fotonları verimle ilişkilendirmeye çalışırken, karbonhidratların belirli bir yüzdesinin bitki solunumu için kullanılacağını göz önünde bulundurmamız gerekir. Bu süreç elbette karbonhidratların bitki biyokütlesinde veya veriminde nasıl kullanıldığını etkileyecektir.
Bitki biyokütlesi üretiminde, bitkinin solunum verimliliği hakkında da bilgi edinmemiz gerekir. Önceki araştırmalar bitkilerdeki solunum verimliliğinin %60 civarında olduğunu göstermiştir.
İlgili Ürünler
Solunum ve fotosentez verimliliğinin etkisini dikkate almak için, foton dönüşüm verimliliğini hesaplamamız gerekir.
Foton dönüştürme verimliliği, solunum verimliliği ile fotosentez verimliliği çarpımına eşittir.
Foton dönüşüm verimliliği = (2.5) x (%60) = 1.5
Bu hesaplama bize her ışık fotonu için üretilen toplam 1,5 gram biyokütleyi verir. Bunun anlamı, yayılan tüm fotonların bitki tarafından emildiği mükemmel bir senaryoda, her ışık fotonu için 1,5 gram biyokütle üretileceği anlamını taşır. Mükemmel senaryoları elde etmenin gerçekten zor veya imkansız olmasından dolayı varsayımımız: Bir gram kurutulmuş biyokütle üretmek için bir mol fotosentetik foton gereklidir.
1 gram / mol
Bitkilerin ışığı nasıl kullandığını anladığımızda sistemi daha iyi analiz edebilir ve ışığın mahsulümüz üzerindeki önemini öğrenebiliriz. İyi bir tasarımla bitki yetiştirme sistemlerimizde ışık insidansını optimize edebiliriz. Ayrıca, ışık etkisinin tesirini öğrenerek, kapalı üretim yerlerinde, farklı mahsulleri üretmenin ne kadara mal olabileceğini tahmin etmek mümkündür. Ancak bunu hesaplayabilmek için hasat indeksi kavramını bilmemiz gerekiyor.
Hasat İndeksi
Hasat indeksi, kullanılabilir veya yenilebilir ürünün, toplam bitki biyokütlesine oranıdır. Örneğin, birçok mahsulün hasat indeksinin %50 civarında olduğu kabul edilir. Bunun nedeni, bir bitki yetiştirip meyvesini hasat etmemizdir. Bu nedenle toplam bitki biyokütlesinin yaklaşık yarısını tüketiyoruz. Bu, hıyar (salatalık), domates vb. için iyi bir tahmin olabilir. Marul gibi yapraklı yeşilliklerde bu oran %80 gibi daha yüksek oranlara sahip olup, bitkinin neredeyse tamamını tüketiriz.
Kapalı üretim alanlarında ışık, verim ve ışık maliyetini ilişkilendirmeye çalışırken hasat indeksi gerçekten önemli olabilir. Örneğin: İdeal koşullarda foton sayısı ve hasat edilebilir ürün bazında, fotonların maliyeti marul için piyasa fiyatının %5’i civarında olacaktır. Bu oran domates gibi daha düşük hasat indeksine sahip bitkilerle %18 civarındadır.
Hasat edilen bitki materyali, üretilen toplam bitki biyokütlesine kıyasla düşüktür. Bu nedenle bitkinin üretim ve ışık maliyeti daha yüksek olacaktır. Bu sebepten dolayı çoğu iç mekan tesisi yeşil yapraklı bitkilere odaklanmıştır. Bu nedenle, mahsul üzerindeki ışık etkisinin optimizasyonu, bitkisel üretim sistemleri için çok önemlidir.
Tabi ki yapay aydınlatmayı da ek aydınlatma olarak kullanabiliriz. Ücretsiz güneş ışığına ilave olarak kullanacağımız ek aydınlatma; ışık yoğunluğu insidansı ve kalitesini arttırarak bitkilerin büyümesini ve kalitesini iyileştirebiliriz.
Fotosentez ve fotonların kullanımı karmaşık konular olabilir. Ancak, gerçekten ekinlerimiz üzerinde kontrol sahibi olmak istiyorsak, bitkilerde enerji elde etmek için en önemli süreç olan fotosenteze ve bununla birlikte ürünlerimize dikkat etmeli ve anlamalıyız.