Light quality characterization under climate screens and shade nets for controlled-environment agriculture

Climate screens are typically used inside glass greenhouses to improve control of humidity and temperature, and thus reduce energy expenditure. Shade nets are more appropriate to use, either with or without polyethylene cladding, at locations less-reliant on climate control, but where protection against hail, wind and excessive solar radiation might be needed. In addition, insect screens and nets can be employed to hinder insect pests and other invertebrates entering either type of production environment, and to keep invertebrates used in pest management contained inside. Screens and nets both transmit sunlight in a wavelength-specific manner, giving them the potential to affect plant morphology and physiology. Screens and nets of various colours and nominal shading factors have been described and studied; however, detailed measurements of their spectral characteristics are scarce. We measured solar spectral photon-irradiance and its attenuation by climate screens, shade nets, insect nets, greenhouse glass, and polyethylene covers. Our aim was to elucidate the effects of different patterns, colours, and shading factors, on light quality in production environments. Our measurements reveal that there are large differences both in the fraction of global irradiance attenuated and spectral ratios received under materials that are otherwise superficially similar in terms of their appearance and texture. We suggest that the type of spectral characterization that we performed is required to fully interpret the results of research examining plant responses to different types of screen and net. These data on spectral irradiance would benefit material manufacturers, researchers, growers, and horticultural consultants, enabling material selection to better match the solutions sought by growers and their desired outcomes regarding plant performance.Peer reviewe

From the Editors' Desk

Editorial for journal issueNon peer reviewe

The influence of spectral composition on spring and autumn phenology in trees

Several recent reviews highlight the molecular mechanisms that underpin phenological responses to temperature and photoperiod; however, these have mostly overlooked the influence of solar radiation and its spectral composition on these processes. For instance, solar radiation in the blue and ultraviolet (UV) regions of the spectrum, as well as the red/far-red (R:FR) ratio, can influence spring and autumn phenology. Solar radiation reaching the Earth changes diurnally and seasonally; however, rising global temperatures, latitudinal range shifts and light pollution are likely to produce novel combinations of phenological cues for tree species. Here, we review the literature on phenological responses to spectral composition. Our objective was to explore the natural variation in spectral composition using radiative transfer models and to reveal any species-specific or ecotype-specific responses relating to latitudinal origin. These responses are likely to be most pronounced at high latitudes where spectral composition varies most throughout the year. For instance, trees from high latitudes tend to be more sensitive to changes in R:FR than those from low latitudes. The effects of blue light and UV radiation on phenology have not been studied as much as those of R:FR, but the limited results available suggest both could be candidate cues affecting autumn leaf colouration and senescence. Failure of more–southern species and ecotypes to adapt and use spectral cues during northwards range shifts could result in mistimed phenology, potentially resulting in frost damage, reduced fitness and limited range expansion. Future areas for research should look to establish how consistently different functional types of tree respond to spectral cues and identify photoreceptor-mediated mechanisms that allow plants to combine information from multiple light cues to coordinate the timing of phenological events. It should then be feasible to consider the synchronous or sequential action of light cues within a hierarchy of environmental factors regulating phenology.Peer reviewe

The benefits of informed management of sunlight in production greenhouses and polytunnels

Societal Impact Statement The effective management of light is beneficial for growers of plants in greenhouses, polytunnels and under cloches. The materials and structures used to construct these environments often create light-limited conditions for crops and change the spectral composition of sunlight they receive. Combining practical measures, drawn from knowledge of plant photobiology, allows growers to monitor, forecast and optimise conditions in their growing environment according to its geographical location and the crop grown. Improved management of light through these measures could be expected to improve food quality and yield, and potentially reduce use of energy, water and pesticides. Horticultural production in greenhouses and in polytunnels expands the viable geographic range of many crop species and extends their productive growing season. These semi-controlled growing environments buffer natural fluctuations in heat, cold and light and hold potential to improve food security with a low environmental footprint. Over the last decade, technological advances in cladding materials, smart filters, photo-electric cells for energy production and LED lighting have created opportunities to improve the light environment within these structures. In parallel, there have been large advances in plant photobiology, underpinned by progress in identifying the mechanisms of photomorphogenesis and photoprotection, mediated by plant photoreceptors and their interactions, across regions of the spectrum. However, there remains unexploited potential to synthesise and transfer knowledge from these fields to horticulture, particularly with respect to tailoring the use of sunlight to specific locations and production systems. Here, we systematically explain (1) the value of modelling and monitoring patterns of sunlight to allow for informed design of the growth environment; (2) the means of optimising light conditions through selection of materials and structures; (3) the requirements of different crop plants in terms of the amount and spectral composition of light that will benefit yield and food quality; (4) the potential to combine this knowledge for effective management of the sunlight; and, finally, (5) the additional benefits these actions may bring to growers and society at large, beyond the crops themselves, in terms of water use and energy efficiency.Peer reviewe

Practical Activities Promoting Engagement in Forest Ecology Research

Peer reviewe

Innovatiivinen ruokajärjestelmä : Tutkimusohjelman loppuraportti

Innovatiivinen ruokajärjestelmä- tutkimusohjelman (InnoFood), 2016–2020, visiona on ollut tuottaa ratkaisuja kestävään ruokajärjestelmään, jossa tuotettu ruoka on terveellistä ja sen tuotanto ja kulutus tapahtuvat kestävästi luonnonvaroja säästäen sekä niitä optimaalisesti käyttäen ja kierrättäen. Ohjelmassa toimittiin neljällä fokusalueella, joiden tavoitteina oli: 1) Arvioida ja edistää uusia tuotantomenetelmiä (genomiikka ja jalostus, teknologiat) 2) Parantaa eläintuotantoketjun kestävyyttä ja kilpailukykyä, 3) Lisätä kasvintuotannon kilpailukykyä ja viljelyjärjestelmien monimuotoisuutta sekä 4) Kehittää terveellisiä ja kestäviä korkean lisäarvon ruoka- ja rehukonsepteja. Ohjelmakauden aikana Luke uudisti voimakkaasti tutkimusprofiiliaan, toimipaikkarakennettaan ja tutkimusalustojaan. InnoFood -ohjelma osallistui aktiivisesti tutkimuksen strategisesta suuntaamisesta ja tutkimusalustoista käytyyn keskusteluun, suunnitteluun ja toteutukseen. Ohjelman pitkäjänteinen toiminta tulee jatkumaan Luken uuden ohjelmarakenteen kaikkiin ohjelmiin integroituneena. InnoFood -ohjelma toimi tiiviissä yhteistyössä BioSociety -ohjelman (Kestävä luonnonvaratalous yhteiskunnassa) kanssa, ja onkin vaikea erottaa näiden kahden ohjelman rooleja ruokajärjestelmän kehittämisessä. Erityisesti kestävyyteen ja kiertotalouteen liittyvät aiheet ovat olleet yhteistä tekemistä. Osa tämän loppuraportin teksteistä on BioSocietyn asiantuntijoiden tuottamia. InnoFood onnistui hienosti ulkopuolisen rahoitusosuuden kasvattamisessa: mm. EU:n H2020 ohjelmasta saatiin neljä koordinoitavaa hanketta, ja lisäksi oltiin partnerina 16 H2020-hankkeessa. Suomen Akatemian rahoitusosuus kasvoi erityisesti ohjelmakauden loppua kohden. Asiakasrahoituksen kasvattamisessa ohjelma on ollut Lukessa edelläkävijä, vuonna 2019 saavutettiin jo yli 3 miljoonan euron asiakasrahoitus. Lisäksi Luken strategisella rahoituksella pyrittiin vahvistamaan osaamista tärkeiksi arvioiduilla tulevaisuuden aloilla, kuten mikrobien ja mikrobiyhteisöjen tutkimus, hyönteisten hyödyntäminen kiertotaloudessa, luomututkimus ja genomien editointi. Viestinnällä on ollut keskeinen rooli tutkimustulosten ja tutkimuksen tarjoamien ratkaisujen esiintuomisessa. Viestiä ratkaisuista kestävään ruokajärjestelmään on välitetty niin mediatiedotteissa, podcasteissa, blogeissa kuin suuremmissa tapahtumissa, webinaareissa ja yksittäisten hankkeiden pellonpiennartapatumissa. Merkittävää on ollut tutkijoiden osallistuminen yhteiskunnalliseen keskusteluun niin lehtien sivuilla, sosiaalisessa mediassa kuin useissa tapahtumissa. Keskustelut ja tutkimustiedon jalkauttaminen suoraan maatilayrittäjille jatkuu muun muassa Luken vetämässä, alkuvuodesta käynnistyneessä AgriHubi-verkostossa, joka kokoaa yhteen alan maatilayritysten neuvonnan, tutkimuksen ja koulutuksen. Verkoston tavoitteena on edistää maatilayritysten kilpailukykyä ja uudistumista

Epidermal UV-A absorbance and whole-leaf flavonoid composition in pea respond more to solar blue light than to solar UV radiation

Plants synthesize phenolic compounds in response to certain environmental signals or stresses. One large group of phenolics, flavonoids, is considered particularly responsive to ultraviolet (UV) radiation. However, here we demonstrate that solar blue light stimulates flavonoid biosynthesis in the absence of UV-A and UV-B radiation. We grew pea plants (Pisum sativum cv. Meteor) outdoors, in Finland during the summer, under five types of filters differing in their spectral transmittance. These filters were used to (1) attenuate UV-B; (2) attenuate UV-B and UV-A We studied the relative importance of the UV and blue wavebands of sunlight for the phenolics in leaves of pea (Pisum sativum cv. Meteor) plants grown outdoors. We report a large reduction in epidermal flavonoids and a change in the flavonoid composition in leaf extracts when solar blue light was attenuated. Under the conditions of our experiment, these effects of blue light attenuation were much larger than those caused by attenuation of UV radiation.Peer reviewe

Urban vertical farming with a large wind power share and optimised electricity costs

Producing food in an environmentally sustainable way for the growing human population is a challenge to the global food system. Vertical farm (VF) as a part of the solution portfolio is attracting interest since it uses less water, pesticides, and land which are scarce in many parts of the globe. Despite these positive factors, the energy demand for vertical farms is high, and farms often remain separate and excluded from cities where most of the population lives. City-level energy system solutions exist to empower energy efficiency and increase the share of variable renewable energy sources, but their potential has not yet been estimated for an urban energy system that includes large vertical farms. Accordingly, in this study, we simulate an urban energy system that practices vertical farming with large-scale variable renewable energies and flexibility measures. For the first part of the study, we modelled a vertical farm's energy system with demand response control to maximize electricity cost savings. To evaluate the potential of demand response, the analysis is carried out for different crops (lettuce, wheat, and soybean), and different electricity price profiles. The result of demand response control can be a reduction of 5% to 30% in electricity consumption costs. Further, sensitivity analyses highlight the effect of electricity price variations and photoperiod on demand response outcomes. In the second part, the operation of an urban energy system (Helsinki, Finland) with vertical farms was analysed through two different scenarios. These scenarios represent the emission-free Helsinki energy system in 2050 with large-scale wind power implementation. As VFs can use electricity outside the peak demand hours, the inclusion of VF with the right energy system configuration can improve the power consumption within the system by up to 19%. Further, we show that connection to the exogenous power market is important to support vertical farming in the future energy systems. In this study, key points in the integration of VF in urban energy systems are highlighted, including the role of exogenous power markets, the potential for increasing local energy consumption with large wind power, and the importance of crop selection in reducing VF's energy costs through demand response. In a city-level solution with a high wind power share, we thus recommend including a vertical farm side by strong sectoral coupling as part of the future design to maximise local consumption

Puutarhatuotannon uusien menetelmien elinkaariset ympäristövaikutukset : Avomaalta tunneliin, kasvihuoneesta vertikaaliin

Kannattavan puutarhatuotannon edellytyksenä on kehittyvä viljelytekniikka. Marjoja viljellään entistä enemmän tunneleissa avomaatuotannon lisäksi. Vertikaaliviljely voi tulevaisuudessa täydentää kasvihuonetuotantoa, vaikka se kaupallisessa mittakaavassa onkin vielä harvinaista. Uusien tuotantotapojen kohdalla on tarpeen tarkastella myös niiden ympäristövaikutuksia. Elinkaaristen ympäristövaikutusten tarkastelu auttaa tunnistamaan ne tuotantoketjun osat, joihin vaikuttamalla voidaan edistää puutarhatuotannon kestävyyttä. PuutarhaLCA-hankkeen tavoitteena oli arvioida puutarhatuotannon ympäristövaikutuksia marjanviljelyn siirtyessä avomaalta tunneliin sekä ruukkuvihannesten siirtyessä kasvihuonetuotannosta vertikaaliviljelyyn. Ympäristövaikutusten arviointiin käytettiin standardeihin perustuvaa elinkaariarviointia (LCA, Life Cycle Assessment). Hankkeessa tehtiin vertailevat elinkaariarvioinnit i) mansikalle ja vadelmalle avomaa- ja tunnelituotannossa sekä ii) ruukkusalaatille sekä ruukkuyrtille vertikaali- ja kasvihuonetuotannossa ns. skenaariotarkastelulla. Arviointi tehtiin kahdeksassa vaikutusluokassa: 1) ilmastonmuutosvaikutus (hiilijalanjälki), 2) rehevöittävä vaikutus, 3) ekotoksinen vaikutus, 4) energiankulutus, 5) uusiutumattomien raaka-aineiden käyttö, 6) maankäyttö, 7) ravinnejalanjälki, ja 8) vesiniukkuusvaikutus. Lisäksi arvioitiin hävikin määrä. Arvioinnin lähtötiedot kerättiin suomalaisilta tiloilta. Ympäristövaikutukset kohdennettiin tuotetulle satokilolle (toiminnallinen yksikkö eli FU (functional unit) 1 kg tuotetta). Marjojen ja ruukkusalaatin ja -yrttien ympäristövaikutuksia ei ole arvioitu aiemmin Suomessa yhtä laajasti ja tilatietoihin perustuen. Kansainvälisestikin tuotantotapoja vertailevia tutkimuksia on tehty vain vähän. Tulosten perusteella tuotantopanosten osuus ympäristövaikutuksista on suuri. Tämä heijastuu moneen vaikutusluokkaan. Marjojen sekä ruukkusalaatti- ja -yrttituotannon vaatima kastelu Suomessa aiheuttaa hyvin pienen osuuden vesiniukkuusvaikutuksesta. Myös katettujen viljelytekniikoiden vaatima tuotantovaiheen maapinta-ala on vain pieni osa maankäytön vaikutuksesta. Marjanviljelyssä avomaa- ja tunnelituotannon erot olivat pieniä monessa ympäristövaikutusluokassa. Siirtyminen avomaalta tunneliin pienentää kuitenkin tuotannossa käytettyjen kemiallisten kasvinsuojeluaineiden käyttöä, maankäyttöä ja hävikkiä. Lisäksi vadelmalla rehevöittävä vaikutus pienenee. Salaatin ja yrttien vertikaaliviljely mahdollistaa monien ympäristövaikutusten pienentämisen verrattuna kasvihuoneviljelyyn. Edellytyksenä tälle ovat kuitenkin energiankäytön optimointi ja uusiutuvien energianlähteiden käyttö. Tuotantomuotoja vertailtaessa on huomioitava, että myös kasvihuoneviljelyn ympäristövaikutuksia voidaan selvästi pienentää siirtymällä uusiutuvan energian käyttöön ja pienentämällä kokonaisenergiankulutusta esimerkiksi käyttämällä LED-valaisimia. Erityisesti hyvä satotaso ja tuotantopanosten käytön tehostaminen pienentävät puutarhatuotannon ympäristövaikutuksia kaikissa tuotantomuodoissa

Solar UV-A radiation and blue light enhance tree leaf litter decomposition in a temperate forest

Sunlight can accelerate the decomposition process through an ensemble of direct and indirect processes known as photodegradation. Although photodegradation is widely studied in arid environments, there have been few studies in temperate regions. This experiment investigated how exposure to solar radiation, and specifically UV-B, UV-A, and blue light, affects leaf litter decomposition under a temperate forest canopy in France. For this purpose, we employed custom-made litterbags built using filters that attenuated different regions of the solar spectrum. Litter mass loss and carbon to nitrogen (C:N) ratio of three species: European ash (Fraxinus excelsior), European beech (Fagus sylvatica) and pedunculate oak (Quercus robur), differing in their leaf traits and decomposition rate, were analysed over a period of 7–10 months. Over the entire period, the effect of treatments attenuating blue light and solar UV radiation on leaf litter decomposition was similar to that of our dark treatment, where litter lost 20–30% less mass and had a lower C:N ratio than under the full-spectrum treatment. Moreover, decomposition was affected more by the filter treatment than mesh size, which controlled access by mesofauna. The effect of filter treatment differed among the three species and appeared to depend on litter quality (and especially C:N), producing the greatest effect in recalcitrant litter (F. sylvatica). Even under the reduced irradiance found in the understorey of a temperate forest, UV radiation and blue light remain important in accelerating surface litter decomposition.Peer reviewe