29/09/2011
Contents Solar Radiation The Atmosphere as Filter and Reflector The Ecological Significance of Light on Earth Characteristics of Visible Light Exposure
SUN LIGHT
Determinant of Variations in the Light Environment Other Forms of Response to Light Managing The Light Environment in Agroecosystem
SOLAR RADIATION What is Light ?
Energy in the form of Electromagnetic Radiation (EMR) that produces a visual sensation
Light is that part of the radiant energy which is visible to the eye.
The chief radiation or energy source for the earth is the sun
Light is one of the most important factors determining the growth of plants and the development of vegetation. Figure 1. The electromagnetic spectrum
wavelength and energy is inversely related the higher the wavelength the lower the energy
E=hxv
THE ATMOSPHERE AS FILTER AND REFLECTOR
v= E/h
1
29/09/2011
Cahaya matahari yang pertama kali sampai pada lapisan luar atmosfir terdiri dari :
± 10 % sinar ultraviolet (UV);
50 % cahaya tampak (Visible light)
40 % sinar infra merah (IR)
Apabila transparansi atmosfer semakin tinggi, menunjukkan atmosfer bersih Σ energi yang diterima oleh bumi semakin tinggi.
Apabila di atmosfer banyak terkandung uap air (awan) / gas-gas polutan (ex : CO, NO2, SO2, CH4) dan partikulat (ex: debu dan asap)
Σ energi matahari yang sampai di permukaan bumi (Rs) secara umum ditentukan oleh transparansi atmosfer (q) dan besarnya tetapan surya (solar constant = Io),
Rs = q x Io Rs = jumlah energi matahari yang sampai di permukaan bumi q = trasnparansi atmosfer dan Io = solar constant, yaitu Σ energi matahari yang sampai pada permukaan terluar atmosfer secara tegak lurus.
nilai q semakin rendah
Apabila atmosfer cerah, yaitu bila kandungan awan dan gas-gas rumah kaca sedikit, berarti nilai q nya tinggi, Σ radiasi matahari yang sampai permukaan bumi semakin tinggi
Radiasi matahari di permukaan bumi Di atmosfer, radiasi matahari mengalami pengurangan melalui : Absorbsi Refleksi 3. Re-radiasi 1. 2.
Di permukaan bumi, radiasi matahari mengalami:
Refleksi, Absorbsi 3. Re-radiasi 4. konveksi, 5. konduksi dan untuk evaporasi 1. 2.
THE ECOLOGICAL SIGNIFICANCE OF LIGHT ON EARTH
Figure 2. The fate of light upon reaching the earth
A. Ultraviolet Light (UV)
Ultraviolet Light B. Photo synthetically Active Radiation (PAR) C. Infrared Light
A.
2
29/09/2011
Ozone and Ultraviolet Radiation
UV “light” has a high energy level and can damage exposed cells and tissues. Ozone in upper atmosphere absorbs strongly in ultraviolet portion of electromagnetic spectrum. Chlorofluorocarbons (formerly used as propellants and refrigerants) react with and chemically destroy ozone: ozone “holes” appeared in the atmosphere concern over this phenomenon led to strict controls on CFCs and other substances depleting ozone
B. Photosynthetically Active Radiation (PAR)
Figure 3. Visible light (PAR) spectrum
3
29/09/2011
Photosynthetically Active Radiation (PAR) The
photoreceptors in chlorophyll are most absorptive of violet-blue and orange-red light
Since
chlorophyll cannot absorb green light very well, most of it is reflected back, making plants appear green Figure 4. Absorbance of chlorophyll in relation to the wavelength of light
Plants Respond to Light
Various substances (pigments) in plants have different absorption spectra: chlorophyll in plants absorbs red orange and violet light, reflects green and yellow water absorbs strongly in red and IR, scatters violet and blue, leaving green at depth
C. Infrared Light (IR) Infrared light energy with a wavelength from 800 nm to 3000 nm, IR has an important role in influencing the hormones involved in germination, plant’s responses to changes to day length and other plant processes.
Figure 5. The Absorption Spectra of Plants
CHARACTERISTICS OF VISIBLE LIGHT EXPOSURE
Quantity (Intensity) photosynthesis
Quality (Wavelength - Color) photomorphogenesis
Light Intensity
Duration photoperiodism
The total energy content of all the light in the PAR range that reaches a leaf surface Energy units: Calories cm-2, Joule second-1, Lux or Watt. m-2
Intensity provides energy for photosynthesis The rate of photosynthesis is affected by the availability of water, CO2 and sunlight.
4
29/09/2011
PENGARUH INTENSITAS TERHADAP SIFAT FISIOLOGIS TANAMAN Laju fotosintesis Laju transpirasi Pertumbuhan batang (memanjang dan menuju kearah datangnya sinar) Perkecambahan benih Pembungaan
Figure 6. The relationship between solar radiation and photosynthetic rate
KELOMPOK TANAMAN BERDASARKAN KEBUTUHAN DAN ADAPTASI RADIASI MATAHARI
Light Quality KUALITAS RADIASI MATAHARI
1. Sciophytes/shade species/shade loving tanaman yang tumbuh baik pada tempat yang ternaung dengan intensitas radiasi matahari rendah. (kopi (30-50%,Coklat (25 %)
Proporsi panjang gelombang yang diterima pada suatu tempat dan waktu tertentu
2. Heliophytes/sun species/sun loving tanaman yang tumbuh baik pada intensitas radiasi matahari penuh.(padi,jagung,tebu,ubi kayu dsb.)
Menggambarkan spektrum cahaya yang dipancarkan oleh matahari yang terdiri dari berbagai gelombang
Light quality controls Photomorphogenesis (plant development and form)
Mediated by phytochrome (protein pigment) red light absorbing form (Pr) FR light absorbing form (Pfr) Forms are photoinconvertible, depending
on the which type of light is absorbed
Figure 7. The electromagnetic spectrum
5
29/09/2011
Fitokhrom merupakan senyawa (pigmen) yang menentukan respon sifat morfogenetik tanaman (inisiasi bunga,perkecambahan benih,perpanjangan ruas (internode) batang dan pembentukan pigmen) Fitokhrom berupa senyawa tetrapirol seperti : klorofil terdiri dari khromofore dan protein. Khromofore sangat peka thd kualias radiasi dan bersifat reversible (dapat berubah ubah) tergantung pada panjang gelombang radiasi yang mengenai fitokfhrome tsb.
FAKTOR FAKTOR YANG BERPENGARUH DISTRIBUSI SPEKTRUM (PANJANG GELOMBANG)
Peranan kualitas cahaya matahari dlm kehidupan Tanaman Spektrum warna Ultra violet
Sudut datang matahari atau jarak antara matahari dan bumi - dataran rendah EE.. Sinar merah - dataran tinggiEEE... Ultra violet 2. Letak daun pada tajuk 1.
Visible light (PAR)
Panjang gelombang (nm)
Peranan bagi tanaman
< 280
Tanaman rusak
280 -320
Sel tanaman mengalami kerusakan
320 -405
Tanaman kerdil
405 -505
Diserap klorofil utk Fotosintesis (biru)
505 –552
Untuk pertumbuhan daun (hijau)
552–585
Untuk pembentukan pigmen (kuning)
585–620
Untuk pembentukan fotoklorofil(jingga)
620–760
diserap klorofil untuk fotosintesis
Near Infra Red (NIR) 760 –1.000
diterima tanaman untuk aktifitas foto-Morfo Genetik perkecambahan dan pertumbuhan memanjang
Far Infra Red (FIR)
Diterima tan & dikonversikan dlm bentuk thermal, dan utk energi evapotranspirasi
> 1.000
Photoreversibility dari fitokhrom
merah
infra merah
Tabel 3. Persentase perkecambahan benih Lettuce sebagai akibat dari pemberian radiasi dengan panjang gelombang silih berganti
No Pemberian radiasi
Benih lettuce
Daya kecambah (persen) 70
1
Merah
2
M-Infra Merah(IM)
6
3
M-IM-M
74
4
M-IM-M-IM
6
5
M-IM-M-IM-M
76
----- bunga Xanthium
Figure 8. Respon panjang gelombang pada perkecambahan benih dan pembungaan pada
6
29/09/2011
Photoperiodism (Duration of the Light Period)
ialah : lamanya siang hari dihitung mulai matahari terbit hingga terbenam berpengaruh pada: 1. inisiasi bunga 2. produksi 3. pembentukan umbi 4. dormansi benih 5. pertumbuhan tanaman (pembentukan anakan percabangan dan pertumbuhan memanjang)
We can control light and influence blooming or vegetative growth by: • Shortening day with black cloth: covering the growing plant with an opaque cover to exclude light. • Lengthening day with artificial light: adding light in the evening hours.
Berdasarkan respon tumbuhan pada variasi panjang hari, maka dikenal : 1.
Tumbuhan Hari Panjang (Long day plant) : kelompok tumbuhan yg akan memasuki fase generatifnya (membentuk organ reproduktif) hanya jika tumbuhan tsb menerima penyinaran yang panjang (> 14 jam), contoh : spinasi, beberapa jenis radish dan sawi.
2.
Tumbuhan Hari Pendek (Short day plant) : kelompok tumbuhan yg akan memasuki fase generatif (membentuk organ reproduktif) hanya jika tumbuhan tersebut menerima penyinaran yang pendek (< 10 jam) contoh : labu siam, kecipir dan bayam.
3.
Tumbuhan Hari Netral (Neutral day plant) : kelompok tumbuhan yg fase perkembangannya tidak dipengaruhi oleh lama penyinaran. Kelompok tumbuhan ini tetap akan memasuki fase generatif baik jika menerima yg panjang/ pendek contoh : tomat, blewah, kacang-kacangan dll.
DETERMINANT OF VARIATIONS IN THE LIGHT ENVIRONMENT Seasonality Latitude Altitude Topography Air Quality Vegetation Canopy Structure
OTHER FORMS OF RESPONSE TO LIGHT
Germination
Growth and Development - Establishment - Plant Growth - Phototropism - Photoperiod
Production of the Harvestable Portion of the Plant
• Phototropism: the tendency for plants to
“lean” in the direction of the greatest light intensity.
7
29/09/2011
Phototropisms
Plant Physiology Under Low Light Intensity
Phototropic responses involve bending of growing stems toward light sources.
1. Longer internodes, increased stem elongation
Individual leaves may also display phototrophic
2. Leaves have larger surface area
responses.
3. Thinner leaves and stems
○ auxin most likely involved
4. Thinner cuticle 5. One layer of palisade cells
Ditinjau dari aspek energi, fotosintensis mrp proses yang tidak effisien (1-2 % energi matahari yang jatuh diubah menjadi energi kimia dalam bentuk karbohidrat (hasil panen).
MANAGING THE LIGHT ENVIRONMENT IN AGROECOSYSTEM
Contoh : Rata rata intensitas radiasi di Malang 400 kal/cm2/hari. 1 gram karbohidrat mengandung 4000 Kal maka hasil panen yang diperoleh seharusnya :
400 x10 8 x 365 = 3650 4 x10 9
ton karbohidrat/ ha/tahun
Kenyataan di lapang hasil terbaik tidak lebih dari 50 ton karbohidrat ( bahan kering total tanaman = biji +batang + daun + akar ) per hektar per tahun
Effisiensi : 50/3650 x 100 % = 1,5 % Artinya : dari 100 % energi matahari yang jatuh hanya 1,5 % yang dapat diuubah tanaman menjadi energi kimia
Tabel. Perbandingan hasil dan efisiensi konversi energi matahari pada beberapa tanaman dengan umur yang berbeda Jenis tanaman
Hasil (t/Ha)
Effisiensi konversi (%) 0,50
Umur (bulan)
Kentang
9,60
Bit gula
16,00
0,90
6
Wortel
6,86
0,39
6
Jagung
15,52
1,05
4
Tebu
129,48
1,43
12
5
8
29/09/2011
Energi matahari yang telah tertangkap tidak seluruhnya dapat diserap (diabsorpsi) oleh tanaman.
Suatu proses produksi pertanian (agronomi agronomi)) ditinjau dari aspek energi matahari bertujuan untuk meningkatkan effisiensi konversi energi matahari atau mengurangi hilangnya energi matahari selama proses produksi harus mengetahui kemana hilangnya energi matahari tersebut. tersebut.
reflected light 10-15 %
65 % diserap (diabsorbsi), 20 % dipantulkan (refleksi) 15 % diteruskan (ditransmisi)
Refleksi dipengaruhi oleh : kekasaran tajuk, sudut daun, ILD (Indeks Luas Daun) warna daun sudut datang radiasi matahari.
Faktor yang perlu diperhatikan penyebab hilangnya energi matahari
light strike leaf 100 % most of absorbed energy lost in evaporation of water absorbed light 80-85 %
1. 2. 3. 4.
only 0.50-3.50 % of total light energy used in photosynthesis
5.
Umur tanaman Populasi tanaman Bentuk tajuk tanaman Laju pertumbuhan tanaman Sistem/Pola bertanam
transmitted light ±5 %
Figure 8. Light Strikes a Leaf
Gambar 9. Penyebaran radiasi matahari pada waktu tanaman muda
Gambar 10. Hubungan antara populasi tanaman dengan efesiensi konversi energi matahari
9
29/09/2011
Gambar 11. Profil radiasi matahari antara tanaman berdaun horisontal (A) dan tanaman berdaun tegak (B)
How to manage the light environment in agroecosystem? agroecosystem? Crop Selection Cropping Diversity and Canopy Structure Temporal Management Carbon Partitioning and Sustainability
10
