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Illuminazione ledper orticoltura

L’illuminazione per le piante varia in modo significativo rispetto all’illuminazione per l’uomo.

Ad esempio, l’occhio umano percepisce i colori; le piante invece hanno recettori specifici per le diverse lunghezze d’onda.

Conoscere il rapporto fra le varie lunghezze d’onda e le risposte metaboliche, permette al coltivatore di influenzare i vari parametri della pianta quali la biomassa, la forma, i valori nutrizionali e la tempistica di fioritura.

Grazie alla tecnologia LED è possibile regolare e bilanciare la componente “luce” in un sistema per garantire la massima espressione delle caratteristiche desiderate.

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I L L U M I N A I L F U T U R O


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Che tipo di luce serve alle piante?

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500 600 700 800400Cloro�lla A Cloro�lla B Fitocromo Pr Fitocromo Fr Carotenoidi

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È noto che fattori quali temperatura, umidità, fertirrigazione e concentrazione di CO2, giocano un ruolo importante nel regolare la crescita delle piante.Oltre a questi fattori, una delle principali variabili è rappresentata proprio dalla luce. Grazie alla sua comprensione, possiamo regolare diversi aspetti del ciclo vitale di una pianta.Questo rappresenta una realtà abbastanza recente, in quanto sin dalla nascita dell’agricoltura, ogni specie è stata coltivata sotto la luce solare, formata da uno spettro che ha una certa intensità e un fotoperiodo specifico in base alle stagioni. Recentemente, in particolare grazie all’utilizzo della tecnologia LED, è possibile andare a gestire l’illuminazione con un’efficacia ed una efficienza impareggiabili.La quantità o l’intensità della luce è rappresentata dalla densità del flusso di fotoni (PPFD) che influenza direttamente la biomassa vegetale e il suo tasso di crescita.La composizione cromatica influenza direttamente la morfologia ed addirittura il colore di certi genotipi.Infine, il fotoperiodo è responsabile del periodo di fioritura e può velocizzare o ritardare quest’ultimo.Tutti questi fattori lavorano in sinergia per tutto il ciclo di vita della pianta, per cui conoscerli e poterli manipolare ci aiuta ad ottenere i risultati voluti.


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Occhio umano PianteCampo sensibile Spettro luce visibile

360-830 nmPAR400 - 700 nm

Intensità Flusso luminosolm

PPFμmol/s

Densità Illuminamentolx

PPFDμmol/s/m²

Efficienza Efficienzalm/W

Efficienza quanticaμmol/J

Unità di misura della luce per orticolturaLa luce è una forma di energia composta da fotoni e si comporta come un’onda.Per gli esseri umani, la luce interagisce con i fotorecettori corti, medi e lunghi presenti negli occhi permettendoci di vedere a colori. Diversamente, nelle piante la luce interagisce con la clorofilla, i fitocromi ed altri apparati, per regolare la crescita. Osservando le diverse curve di assorbimento, possiamo notare ad esempio quella della clorofilla, responsabile della fotosintesi, e quindi della crescita della pianta. I fitocromi invece sono apparati della pianta che reagiscono agli stimoli ambientali ed a certi spettri regolando di conseguenza la morfologia della pianta stessa. Queste differenze ci impongono di utilizzare unità di misura diverse per l’illuminazione destinata alle piante anziché alle persone.

Quando parliamo di illuminazione per piante, consideriamo i seguenti parametri:

• PAR (Photosynthetic Active Radiation) rappresenta, per convenzione, la porzione di spettro luminoso, nel quale i fotoni interagiscono con una pianta, ed è compreso fra i 400 e i 700 nm.

• PPF (Photosynthetic Photon Flux) rappresenta in numero di fotoni emessi ogni secondo da una sorgente luminosa, all’interno del PAR, si esprime in µmol/s (micromoli al secondo).

• PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) rappresenta la densità e consistenza dell’emissione luminosa, espressa come il numero di fotoni emessi ogni secondo, sulla superficie di 1 m². Si esprime in µmol/m²/s (micromoli al secondo su metro quadro)

• PPFD/W rappresenta l’efficienza quantica della sorgente luminosa, ovvero il rapporto fra le micromoli emesse e i Watts consumati, si esprime in µmol/J.



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Generalmente con il termine “ricetta di luce” si intende la risultante di un attento studio sui rapporti delle varie lunghezze d’onda in funzione del risultato desiderato.Data l’estrema versatilità e modularità della tecnologia LED, è virtualmente impossibile studiare una “ricetta” universale ed è quindi fortemente consigliato studiare caso per caso la migliore soluzione in base a molteplici fattori, valutando l’installazione di un gruppo di prova prima di procedere con l’installazione, in quanto la resa finale è influenzata da più fattori anche ambientali.

Ricette di luce



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CrescitaCon crescita intendiamo la fase predominante della vita di una pianta, conosciuta anche come fase vegetativa. Durante questo periodo si sviluppa la biomassa della pianta stessa, aumentando il numero di foglie e di internodi.

Crescita delle piante mediante illuminazione supplementare Con Illuminazione supplementare si intende l’integrazione della luce solare con una componente artificiale. Questa potrà avere delle lunghezze d’onda specifiche, in quanto la presenza comunque della luce solare andrà a coprire la maggior parte del fabbisogno energetico della pianta.

Crescita delle piante mediante illuminazione a sorgente unica Parliamo di sorgente unica quando l’illuminazione artificiale costituisce la totalità della luce ricevuta dalle piante. Ne sono un esempio le “vertical farms” e tutte le installazioni “indoor”. In questi casi lo spettro deve essere completo, e composto prevalentemente da led bianchi ad alta efficienza, in quanto anche le lunghezze d’onda al di fuori del Blu e del Rosso hanno un ruolo importante nello sviluppo dei metaboliti secondari e in una sana crescita della pianta.Così facendo inoltre, l’ambiente di lavoro viene illuminato da una sorgente a luce “naturale” e piacevole, migliorando così sia il feeling dell’operatore, sia la resa cromatica della pianta stessa, consentendo una più precisa valutazione delle caratteristiche del prodotto.Un rapporto teorico da cui partire è di 80% White (4000K) e 20% Photo Red (660 nm).



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Si intende la fase di radicazione di nuovi cloni. In questa fase è cruciale fornire alle piante neonate uno spettro di luce adatto per stimolare la radicazione e il rapido incremento della biomassa.

Propagazione mediante illuminazione supplementare Se è presente anche luce naturale, si può andare ad integrare con frequenze specifiche.Un rapporto teorico da cui partire è di 75% Royal Blue (450 nm) e 25% Photo Red (660 nm).

Propagazione mediante illuminazione a sorgente unica Spesso, ai fini della propagazione, viene scelta un’installazione completamente indoor, in quanto così facendo si ha il completo controllo non solo della variante luce, ma è anche più semplice gestire l’umidità ambientale.Un rapporto teorico da cui partire è di 35% Royal Blue (450 nm), 25% Photo Red(660 nm), 25% White (4000 K) e 15% Far Red (730 nm).Grazie ai più recenti sviluppi della tecnologia LED, si stanno osservando ottimi risultati anche adottando un’emissione totalmente bianca, semplificando molto il lavoro di progettazione dell’impianto e la resa cromatica negli ambienti di lavoro.

Propagazione



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Si intende la fase riproduttiva della vita di una pianta. Questo cambiamento viene spesso innescato e catalizzato tramite la manipolazione del fotoperiodo e dello spettro luminoso e richiede in generale un grande apporto energetico.

Fioritura mediante illuminazione supplementareSe è presente anche luce naturale, integrare lo spettro classico con del Far Red aiuta le piante ad iniziare la fioritura.Un rapporto teorico da cui partire è di 20% Royal Blue (450 nm), 60% Photo Red (660 nm) e 20% Far Red (730 nm).

Fioritura mediante illuminazione a sorgente unicaSpesso un’installazione con sorgente unica artificiale per questa applicazione è preferibile, in quanto si ha il completo controllo anche sul fotoperiodo, altra variabile fondamentale per una corretta fioritura.Ancora una volta un alto contenuto di Far Red aiuta a indurre la fioritura se la pianta è pronta.Un rapporto teorico da cui partire è di 60% White (4000 K), 20% Photo Red (660 nm) e 20% Far Red (730 nm).

Fioritura



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Come per la fioritura si intende la fase riproduttiva della vita di una pianta. Questo cambiamento viene spesso innescato e catalizzato tramite la manipolazione del fotoperiodo e dello spettro luminoso e richiede in generale un grande apporto energetico.

Fruttificazione mediante illuminazione supplementareNella fase di fruttificazione è necessaria, per la fotosintesi, molta energia concentrata nello spettro Photo Red (660 nm).Inoltre, una piccola quantità di Far Red a 730 nm aiuta a sostenere la produzione del corpo fruttifero. Un rapporto teorico da cui partire è di 20% White (4000 K), 70% Photo Red (660 nm) e il 10% Far Red (730 nm).

Fruttificazione mediante illuminazione a sorgente unica Come per lo scenario di luce supplementare, anche in quello a sorgente unica troviamo una buona presenza di Photo Red (660 nm) e una piccola percentuale di Far Red (730 nm) supportati da una prevalenza bianca per garantire una completezza dello spettro, ed una sufficiente energia per la creazione del corpo fruttifero.Un rapporto teorico da cui partire è di 60% White (4000 K), 30% Photo Red (660 nm) e 10% Far Red (730 nm).

Fruttificazione



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Esistono diverse applicazioni possibili per la luce in orticoltura. Qui sotto vengono riportate le principali:

• Illuminazione superiore• Illuminazione interlinea• Coltivazione verticale o multistrato• Prodotti di consumo

Illuminazione SuperioreIn questo caso le piante sono illuminate dall’alto; l’obiettivo è quello di integrare o sostituire la naturale luce solare, aumentando e compensando i parametri della luce al fine di migliorare la crescita e la qualità delle piante nelle serre. Attualmente in molti contesti è già presente illuminazione integrativa con sorgenti luminose convenzionali, come come sodio ad alta pressione (HPS). Questa tecnologia è oggi diventata inefficiente ed obsoleta. Inoltre, a causa del grande calore sviluppato ha dei vincoli di installazione abbastanza stringenti, richiedendo una grande distanza dal piano di coltivazione, e necessitando spesso di un sistema di raffreddamento, andando così ad aumentare il fabbisogno energetico del sistema.

Applicazioni dell’illuminazione in orticoltura

Valore tipico Crescita Propagazione Fioritura FruttificazionePPF 701 μmol/s 702 μmol/s 584 μmol/s 642 μmol/s



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Illuminazione InterlineaIn questo caso grazie alla ridotta temperatura d’esercizio dei corpi illuminanti a led, è possibile utilizzarli come fonte luminosa fra una pianta e l’altra, compensando le zone d’ombra create dal fogliame.Per questa applicazione si utilizza solitamente uno spettro “integrativo” con lunghezze d’onda specifiche, in quanto solitamente questo genere di illuminazione viene utilizzato a supporto della luce naturale nelle serre.




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Vertical farmingCon questo termine si indica la pratica di coltivare piante a foglia verde, microgreen e cloni con un’impostazione a più livelli. Così facendo si sta di fatto moltiplicando l’area disponibile per la coltivazione.Questa pratica ha preso molto piede negli ultimi anni, complice lo sviluppo delle tecnologie LED, che grazie alla bassa temperatura di esercizio permettono una distanza molto ridotta fra il piano di coltivazione e la sorgente luminosa. Inoltre grazie alla modularità dei sistemi a LED si può raggiungere una copertura uniforme dell’area di coltivazione.Questo tipo di installazione generalmente vede la luce artificiale come unica sorgente luminosa, il che costituisce un certo vantaggio in quanto si ha il completo controllo sul fotoperiodo e sulle altre variabili ambientali.Trattandosi di illuminazione primaria, si consiglia l’utilizzo di fonti a spettro prevalentemente bianco per garantire un ambiente di lavoro piacevole, e facilitare le operazioni sulle piante.




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Prodotti di consumoIn questo caso ci si riferisce ad un’illuminazione destinata alla produzione domestica di piante a foglia verde, piante aromatiche e piccoli ortaggi. Questa applicazione trova interessanti sviluppi anche nel mondo della ristorazione.Generalmente si tratta di installazioni dove non è richiesta molta potenza, trattandosi di piante non particolarmente esigenti dal punto di vista del fabbisogno energetico.Si tende perciò a preferire un’emissione in prevalenza bianca, per non influenzare troppo il contesto cromatico dell’abitazione o del ristorante.



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Fabbisogno energetico

Il seguente grafico rappresenta un’indicazione del fabbisogno energetico per diverse colture. Questo dato va attentamente valutato caso per caso, in quanto varia in rapporto ad altri fattori, quali ad esempio la concentrazione di anidride carbonica, la fertirrigazione, l’umidità relativa ecc.Al fine di studiare il setup più efficiente, questo dato ci è utile come punto di partenza, in quanto un’illuminazione eccessiva non solo rappresenta uno spreco, ma può addirittura essere dannosa per la pianta.



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LED Lighting for Urban Agriculture 1st ed. 2016 Edition by Toyoki Kozai (Editor), Kazuhiro Fujiwara (Editor), Erik S. Runkle (Editor)

Fonti

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