Il·luminació artificial de plantes

1990/01/01 Mujika, Alfontso - Elhuyar Fundazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Botanika

En l'actualitat, en els hivernacles superiors es controlen i utilitzen tots els factors que regeixen el desenvolupament de les plantes. Un d'aquests factors és la il·luminació. Per a això és necessari conèixer, en primer lloc, els processos fotobiológicos que es produeixen en les plantes, amb la finalitat de comprendre la influència de la il·luminació artificial. La veritat és que tot això no és nou, ja que fa uns 60 anys es va començar a utilitzar la il·luminació artificial de les plantes, però és cert que encara serà una cosa nova per a molta gent.

Al País Basc els cultius intensius i els hivernacles s'estan reproduint ràpidament en els últims anys i és possible que la il·luminació artificial es torni a situar aquí. No volem dir que a partir d'ara hagin de plantar-se fanals en les hortes, però la il·luminació artificial per a alguns cultius d'hivernacles és sens dubte interessant.

Des de l'aparició de la denominada Agricultura Industrial, l'ésser humà ha utilitzat totes les vies per a alterar el desenvolupament natural de les plantes, incidir en la floració, millorar la qualitat de les plantes i els fruits, accelerar el seu creixement, així com per a modificar els terminis i temps de recol·lecció de la collita i per tant de venda del producte, buscant sempre la rendibilitat econòmica. Es pretén conrear en condicions controlades durant tot l'any, superant els cicles i èpoques naturals. S'utilitzen xarxes, plàstics i cristalls per a cobrir terres de cultiu o hortes: són hivernacles.

Els hivernacles permeten un fàcil control de la temperatura i el reg. Però el camí no ha acabat aquí. A partir d'aquí es controlen tots els altres factors en hivernacles d'alt nivell que en l'actualitat s'han convertit en sistemes de producció tancats, denominats "fàbriques verdes".

Entre els factors de creixement de les plantes, la il·luminació és decisiva, ja que participa en la producció, desenvolupament, floració i fructificació de la planta. En la indústria hortícola s'utilitza conjuntament la llum natural –el sol– i la llum artificial. Per tant, les diferents fonts de llum, les lluminàries i els diferents sistemes d'il·luminació formen part del procés productiu; aigua, temperatura, fertilitzants, etc. tants com siguin.

La llum actua sobre les plantes a través de tres processos bàsics: fotosíntesi, fotomorfogénesis i fotoperiodisme, la importància del qual varia en funció de la fisiologia de cada planta.

Fotosíntesi

Com és sabut, les plantes produeixen compostos orgànics i oxigen a partir de l'aigua i el diòxid de carboni (compostos inorgànics), però per a això necessiten llum com a font d'energia. L'energia lluminosa és absorbida pels pigments de les plantes (clorofil·la) i l'aigua que hi ha en l'aire i el CO 2 es transforma en carbohidrats mitjançant reaccions físic-químiques. Aquest procés metabòlic es denomina fotosíntesi. D'aquesta forma i amb les sals minerals que prenen del sòl, les plantes obtenen els aliments necessaris per al seu creixement i desenvolupament.

La fotosíntesi és proporcional a la durada de la irradiació i al flux lluminós fins al punt de saturació. Aquest punt és diferent segons les plantes. A més, la fotosíntesi és sensible a la composició espectral de la llum i les plantes no tenen la mateixa sensibilitat que l'ull humà a les diferents longituds d'ona de la llum, és a dir, no la “veuen” com nosaltres. La sensibilitat de l'ull humà s'expressa en una corba amb diferents longituds d'ona, corba que presenta un bec per a una longitud d'ona de 555 nm (llum groc-verd). Cada planta té la seva pròpia corba de sensibilitat. Després d'un ampli estudi de plantes diferents, s'ha calcat la corba mitjana de sensibilitat o fotosíntesi de les plantes. Aquesta corba té el seu bec per a una longitud d'ona de 675 nm (llum vermella).

La quantitat de CO 2 que absorbeix la planta depèn de la longitud d'ona de la llum. Així, el llum d'il·luminació artificial més eficient seria la que emet tota l'energia en 675 nm, però s'ha demostrat que no és així. La seva causa s'explica per la fotomorfogenesis.

Fotomorfogénesis

La composició de l'espectre de la llum afecta al desenvolupament i aspecte de la planta. Aquest fenomen es denomina fotomorfogénesis. Les recerques han demostrat que la radiació ultraviolada té un efecte nociu sobre la planta (que no creix correctament), que les fulles augmenten i la planta s'expandeix, però sense créixer cap amunt. A l'altre extrem, la radiació infraroja a penes influeix en el desenvolupament de la planta si no és l'efecte calorífic. Per tant, en el desenvolupament de la planta només influeix positivament el feix de longituds d'ona que ocupa l'espectre visible. És a dir, que la fotosíntesi es produeix al llarg de tot l'espectre visible. La primera conclusió és evident: els llums dissenyats per a il·luminació general poden controlar el creixement de les plantes.

Està demostrat que la radiació vermella afavoreix la producció d'hidrats de carboni i la radiació blava afavoreix l'acumulació de proteïnes. En estudis realitzats amb diverses plantes s'ha observat que il·luminant amb llum vermella, la planta forma fulles petites i tiges excessivament llargues, mentre que amb llum blava, la planta creix en xapa i tendeix a dirigir cap a la font de llum. Per tant, es necessita un espectre de llum equilibrat. Com més sembli l'espectre de la font de llum a la corba fotosintètica de la planta, millors resultats s'obtindran.

Fotoperiodisme

El fotoperiodisme és la resposta fisiològica de la planta a la longitud relativa del dia i la nit. La planta necessita llum però també foscor per a poder retornar a l'atmosfera l'excés de CO 2. Les plantes tenen un rellotge biològic mitjançant el qual tenen preestablert el moment de la floració en funció de la durada de la nit. En algunes plantes, el procés d'obtenció només s'inicia quan el dia té aquesta durada. En canvi, en altres plantes, només s'iniciarà quan la durada del dia sigui relativament curta. Així mateix, l'escurçament del dia frenarà el creixement de noves revoltes en les plantes de fusta o, al revés, fomentarà la formació de tubercles com les patates.

Les plantes es classifiquen en funció de quan es produeix la floració: poden ser de dia llarg, de dia curt i neutrals al dia. Per exemple, en una planta de dia curt, com la urrelilia, un període de foscor relativament llarg provocarà la floració de la planta. El campanar, per part seva, només s'aconseguirà si la durada de la llum del dia supera un valor crític. Finalment, hi ha plantes que no depenen del dia de floració ni de la longitud de la nit, com els tomàquets.

Aplicacions de la il·luminació artificial

D'acord amb l'anterior, els dos usos principals que pot tenir la il·luminació artificial en l'horta són immediatament perceptibles:

1. Proporcionar energia lumínica addicional que permeti un creixement addicional de la planta en l'època més fosca de l'any, és a dir, il·luminació per a la fotosíntesi.
2. Il·luminació fotoperiodica per a controlar l'època de floració, l'aplicació més utilitzada actualment.

A més de les dues aplicacions anteriors, existeix la possibilitat que la il·luminació “fotosintètica” es produeixi en locals tancats amb la finalitat de substituir completament al sol, però per raons econòmiques, que són costoses, es limita al seu ús quan es compleixen una o diverses de les següents condicions:

• Només necessiten un nivell d'irradiació baix
• Requereixen alta temperatura.
• El seu creixement és ràpid, ocupant l'espai només en un curt període de temps.
• Són petites.
• Tenen un gran preu, ja que no es recullen en l'estació corresponent.
• Es plantaran en els mesos d'hivern de poca llum.

Per tant, la substitució total de la llum natural s'utilitza únicament per a l'examen ràpid de bulbs, control de la llavor de la patata de sembra i per a la sembra de llavors i aldascas.

D'altra banda, tenim la il·luminació científica, que s'utilitza en estudis sobre el creixement de les plantes (s'utilitzen nivells molt alts d'il·luminació) i, finalment, la il·luminació de plantes interiors, és a dir, que no veuen el sol, en l'interior del qual s'introdueixen plantes de l'aquari (per a afavorir el desenvolupament de les plantes aquàtiques, augmentant la concentració d'oxigen en l'aigua i impedint la formació de gas carbònic per a facilitar la respiració dels peixos).

Per a la producció de flors, plantes de test i hortalisses al llarg de tot l'any, l'horticultura i la jardineria utilitzen col·lectors solars com a túnels de plàstic i hivernacles de plàstic o cristall. En ells s'utilitzen sistemes de reg, ventiladors i altres instruments per a aconseguir una producció addicional. En alguns casos els sistemes són molt sofisticats, controlant per ordenador tots els factors de creixement de les plantes. Tots els factors excepte la il·luminació.

La llum del dia afecta a la producció durant tot l'any. En plena primavera, a l'estiu i en la primera part de la tardor, la llum del dia és suficient per a mantenir el nivell productiu. No obstant això, quan la resta de l'any els dies s'escurcen molt, la producció baixa, en general, sent la producció hivernal un terç de l'estiu. Per tant, la llum addicional millorarà i ampliarà el procés de fotosíntesi en l'hivernacle, elevant el nivell de producció anual.

La utilització de llums ben seleccionats i lluminàries dissenyades a aquest efecte allarguen els dies curts fins a aconseguir les hores d'il·luminació necessàries. L'ús d'il·luminació artificial, i depenent de la mena de cultiu, planta i latitud, permet obtenir entre un 30% i un 40% d'additiu respecte al standard de producció hivernal. Aquest tipus de sistemes s'utilitzen, per exemple, per a produir revestiments, plantes de test, floricultura, arbres i hortalisses, escurçant els cicles de producció i donant plantes més fortes.

El grau d'il·luminació necessària per a la fotosíntesi depèn de la mateixa planta (s'utilitza una magnitud radiomètrica anomenada irradiància que s'expressa en mil·liwatts per metre quadrat). Els valors energètics necessaris per a moltes plantes diferents han estat experimentats. Valors típics oscil·len entre 5.000 i 20.000 mW/m 2. La disposició d'aquests valors radiomètrics en magnituds fotomètriques requereix una il·luminació d'entre 2.000 i 9.000 lux (la il·luminació és una magnitud utilitzada per a mesurar la llum, definida com el flux lluminós per unitat de superfície. La seva unitat és el lux: 1 lux = 1 lumen/m 2 ).

Per a l'obtenció d'aquests nivells d'il·luminació s'utilitzen principalment llums de descàrrega, principalment d'halogenurs metàl·lics i vapor de sodi a alta pressió. Per què aquests llums i no les que hi ha en les llars, és a dir, incandescents o fluorescents? Es pot fer la pregunta. La raó no és tècnica sinó econòmica. Mentre que l'eficiència lluminosa dels llums incandescents és de l'ordre de 15 lúmens (l'eficiència lluminosa d'un llum es defineix com el quocient entre el flux lluminós emès pel llum i la potència elèctrica que l'absorbeix), la dels vapors d'halogenurs metàl·lics o de sodi és de l'ordre de 80 i 100 lumen/W respectivament. Això significa que la factura d'Iberduero seria 5,5 vegades major o igual que la dels llums incandescents per a obtenir el mateix nivell d'il·luminació.

A més, la durada mitjana dels llums incandescents és molt inferior a la de les altres. D'altra banda, l'eficiència lluminosa dels llums fluorescents és elevada, gairebé igual que la dels llums d'halogenurs metàl·lics, però de baixa potència, fins a 65 W com a màxim, mentre que en unes altres s'utilitzen llums de 400 W. Això significa que amb la instal·lació de fluorescents el nombre de llums seria 6 vegades major, és a dir, la instal·lació més cara. A més, les dimensions dels fluorescents són grans i el reflector que utilitzen és encara major, evitant que la llum natural entri en l'hivernacle i arribi fins a les plantes.

No obstant això, cal assenyalar que s'utilitzen llums incandescents quan es requereixen valors d'irradiació baixos i s'utilitzen llums fluorescents en locals de baixa altura a causa de la seva baixa temperatura de funcionament i a la uniformitat de la distribució de la llum.

Sabem, per tant, quin tipus de llums utilitzar, però no qualsevol d'elles, sinó que cal triar aquelles que proporcionen la major part de l'energia a una longitud d'ona d'entre 400 i 700 nm, corresponent a la corba foto-síntesi de les plantes. D'altra banda, la resta de factors com la temperatura, la humitat, els fertilitzants, etc., han d'estar adaptats al grau i temps d'irradiació per a aconseguir el millor creixement de la planta.

Finalment, no n'hi ha prou amb tenir un llum adequat. La il·luminació del llum es distribuirà de la forma més uniforme possible. Tenint en compte que l'altura dels hivernacles no és molt elevada, es necessiten lluminàries especials (són els aparells que dirigeixen i distribueixen el flux lluminós emès pel llum cap a les superfícies a il·luminar), tipus difusor, amb el mínim nombre de lluminàries per a aconseguir la màxima uniformitat.

Per a obtenir la idea de potència a instal·lar, en funció del nivell d'il·luminació triat, es pot afirmar que quan s'utilitzen llums de vapor de sodi d'alta pressió, se sol instal·lar entre 15 i 150 W/m 2 de potència (cogombres, tomàquets, roses, clavells), amb halogenurs metàl·lics uns 150 W/m 2 (urrazos) i llums incandescents 25 W/m 2 (urrelilis).

El procés de floració es controla mitjançant el fitocromo en la planta en funció de la durada de la nit. Quan el grau de fitocromo aconsegueix el seu valor operatiu, l'estatus de la planta passa de ser vegetatiu a ser generatiu i comença a desenvolupar pipes, flors o llavors. Aquest procés s'utilitza per a controlar el moment de l'obtenció. Així, es produeix durant tot l'any sense dependre de la llum del dia corresponent a l'estació.

La posada en marxa d'aquest procés només ha de realitzar-se sobre algunes hormones de la planta, per la qual cosa n'hi ha prou que la il·luminació es realitzi amb un baix nivell energètic. La majoria de les plantes de flors i tests són suficients per a iniciar el procés amb una il·luminació d'entre 50 i 100 lux, molt per sota del grau d'irradiació de la llum natural.

Per a la il·luminació fotoperiodica es poden utilitzar dos sistemes: allargar la llum del dia connectant la llum al capvespre fins a aconseguir les hores de llum suficients o realitzar enceses cícliques durant la nit, actuant la planta com una il·luminació contínua. Per exemple, dividir l'hivernacle en tres parts i encendre els llums durant 10 minuts de manera periòdica, alternant en cada terç dels hivernacles 10 minuts de llum i 20 minutos d'enfosquiment. D'aquesta forma s'estalvia molt energia i al mateix temps s'evita que la planta aconsegueixi els nivells de fitocromo, obtenint el mateix efecte que la il·luminació contínua. Aquest sistema és molt productiu amb maduixes, per exemple.

L'espectre de llum motriu per a la posada en marxa del procés fotoperiodico està situat en vermell, però s'ha pogut observar que la planta és menys exigent i sensible a la resta de l'espectre visible. Pel fet que el nivell d'il·luminació és baix i la irradiació vermella, es poden utilitzar llums incandescents (veure figura corba espectral del llum incandescent), però tenint en compte que també és sensible a altres camps de l'espectre, en els últims anys s'estan utilitzant llums de major eficiència lumínica, els nous llums fluorescents compactes (veure figura distribució de l'espectre d'aquests llums).

Aquests llums suposen un important estalvi energètic (80% i més respecte a les incandescents) i una durada mitjana 8 vegades superior. A més, està demostrat que la utilització d'aquests llums permet obtenir flors més curtes, més fortes, de millor qualitat i, per tant, de major valor, ja que no es produeix un allargament en demasa de les tiges accionades pels llums incandescents per llum vermella.

Finalment, i de forma resumida, es pot concloure que:

• La il·luminació o irradiació artificial de les plantes pot ser un instrument molt eficaç en l'horta.
• Aquesta tècnica no és nova, però al llarg del temps s'ha acumulat molta experiència i ha millorat molt.
• La il·luminació artificial permet obtenir resultats reeixits en els cultius. També els fracassos perniciosos, ja que cada planta juga de manera diferent i cal tenir en compte molts paràmetres per a assegurar la seva rendibilitat.
• Igual que en l'actualitat es realitza el projecte previ per a la il·luminació d'un camp de futbol, una sala d'exposicions o una carretera, els projectes també es realitzen per a la il·luminació de les calefaccions. I si algú estigués interessat, abans de sol·licitar un projecte, que acudeixi al lloc on es troben aquestes instal·lacions, que el vegi i pregunti, com ho faria un granger desconfiat.