Iluminación artificial de plantas

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

• Botanika

Na actualidade, nos invernadoiros superiores contrólanse e utilizan todos os factores que rexen o desenvolvemento das plantas. Un destes factores é a iluminación. Paira iso é necesario coñecer, en primeiro lugar, os procesos fotobiológicos que se producen nas plantas, co fin de comprender a influencia da iluminación artificial. A verdade é que todo isto non é novo, xa que fai uns 60 anos empezouse a utilizar a iluminación artificial das plantas, pero é certo que aínda vai ser algo novo paira moita xente.

No País Vasco os cultivos intensivos e os invernadoiros están a reproducirse rapidamente nos últimos anos e é posible que a iluminación artificial vólvase a situar aquí. Non queremos dicir que a partir de agora deban plantarse farois nas hortas, pero a iluminación artificial paira algúns cultivos de invernadoiros é sen dúbida interesante.

Desde a aparición da denominada Agricultura Industrial, o ser humano utilizou todas as vías paira alterar o desenvolvemento natural das plantas, incidir na floración, mellorar a calidade das plantas e os froitos, acelerar o seu crecemento, así como paira modificar os prazos e tempos de recolección da colleita e por tanto de venda do produto, buscando sempre a rendibilidade económica. Preténdese cultivar en condicións controladas durante todo o ano, superando os ciclos e épocas naturais. Utilízanse redes, plásticos e cristais paira cubrir terras de cultivo ou hortas: son invernadoiros.

Os invernadoiros permiten un fácil control da temperatura e a rega. Pero o camiño non acabou aí. A partir de aí contrólanse todos os demais factores en invernadoiros de alto nivel que na actualidade convertéronse en sistemas de produción pechados, denominados "fábricas verdes".

Entre os factores de crecemento das plantas, a iluminación é decisiva, xa que participa na produción, desenvolvemento, floración e fructificación da planta. Na industria hortícola utilízase conxuntamente a luz natural –o sol– e a luz artificial. Por tanto, as diferentes fontes de luz, as luminarias e os diferentes sistemas de iluminación forman parte do proceso produtivo; auga, temperatura, fertilizantes, etc. tantos como sexan.

A luz actúa sobre as plantas a través de tres procesos básicos: fotosíntesis, fotomorfogénesis e fotoperiodismo, cuxa importancia varía en función da fisiología de cada planta.

Fotosíntesis

Como é sabido, as plantas producen compostos orgánicos e osíxeno a partir da auga e o dióxido de carbono (compostos inorgánicos), pero paira iso necesitan luz como fonte de enerxía. A enerxía luminosa é absorbida polos pigmentos das plantas (clorofila) e a auga que hai no aire e o CO 2 transfórmase en carbohidratos mediante reaccións físico-químicas. Este proceso metabólico denomínase fotosíntesis. Desta forma e cos sales minerais que toman do chan, as plantas obteñen os alimentos necesarios paira o seu crecemento e desenvolvemento.

A fotosíntesis é proporcional á duración da irradiación e ao fluxo luminoso até o punto de saturación. Este punto é diferente segundo as plantas. Ademais, a fotosíntesis é sensible á composición espectral da luz e as plantas non teñen a mesma sensibilidade que o ollo humano ás diferentes lonxitudes de onda da luz, é dicir, non a ven” como nós. A sensibilidade do ollo humano exprésase nunha curva con distintas lonxitudes de onda, curva que presenta un pico paira una lonxitude de onda de 555 nm (luz amarelo-verde). Cada planta ten a súa propia curva de sensibilidade. Tras un amplo estudo de plantas diferentes, hase calcado a curva media de sensibilidade ou fotosíntesis das plantas. Esta curva ten o seu pico paira una lonxitude de onda de 675 nm (luz vermella).

A cantidade de CO 2 que absorbe a planta depende da lonxitude de onda da luz. Así, a lámpada de iluminación artificial máis eficiente sería a que emite toda a enerxía en 675 nm, pero se demostrou que non é así. A súa causa explícase pola fotomorfogenesis.

Fotomorfogénesis

A composición do espectro da luz afecta o desenvolvemento e aspecto da planta. Este fenómeno denomínase fotomorfogénesis. As investigacións demostraron que a radiación ultravioleta ten un efecto nocivo sobre a planta (que non crece correctamente), que as follas aumentan e a planta expándese, pero sen crecer cara arriba. Ao outro extremo, a radiación infravermella apenas inflúe no desenvolvemento da planta se non é o efecto calorífico. Por tanto, no desenvolvemento da planta só inflúe positivamente o feixe de lonxitudes de onda que ocupa o espectro visible. É dicir, que a fotosíntesis prodúcese ao longo de todo o espectro visible. A primeira conclusión é evidente: as lámpadas deseñadas paira iluminación xeral poden controlar o crecemento das plantas.

Está demostrado que a radiación vermella favorece a produción de hidratos de carbono e a radiación azul favorece a acumulación de proteínas. En estudos realizados con diversas plantas observouse que iluminando con luz vermella, a planta forma follas pequenas e talos excesivamente longos, mentres que con luz azul, a planta crece en chapa e tende a dirixir cara á fonte de luz. Por tanto, necesítase un espectro de luz equilibrado. Canto máis pareza o espectro da fonte de luz á curva fotosintética da planta, mellores resultados obteranse.

Fotoperiodismo

O fotoperiodismo é a resposta fisiológica da planta á lonxitude relativa do día e a noite. A planta necesita luz pero tamén escuridade paira poder devolver á atmosfera o exceso de CO 2. As plantas teñen un reloxo biolóxico mediante o cal teñen preestablecido o momento da floración en función da duración da noite. Nalgunhas plantas, o proceso de obtención só se inicia cando o día ten esa duración. En cambio, noutras plantas, só se iniciará cando a duración do día sexa relativamente curta. Así mesmo, o acortamiento do día freará o crecemento de novas revoltas nas plantas de madeira ou, á inversa, fomentará a formación de tubérculos como as patacas.

As plantas clasifícanse en función de cando se produce a floración: poden ser de día longo, de día curto e neutrais ao día. Por exemplo, nunha planta de día curto, como a urrelilia, un período de escuridade relativamente longo provocará a floración da planta. O campanario, pola súa banda, só se alcanzará se a duración da luz do día supera un valor crítico. Por último, hai plantas que non dependen do día de floración nin da lonxitude da noite, como os tomates.

Aplicacións da iluminación artificial

De acordo co anterior, os dous usos principais que pode ter a iluminación artificial na horta son inmediatamente perceptibles:

1. Proporcionar enerxía lumínica adicional que permita un crecemento adicional da planta na época máis escura do ano, é dicir, iluminación paira a fotosíntesis.
2. Iluminación fotoperiodica paira controlar a época de floración, a aplicación máis utilizada actualmente.

Ademais das dúas aplicacións anteriores, existe a posibilidade de que a iluminación “fotosintética” prodúzase en locais pechados co fin de substituír completamente ao sol, pero por razóns económicas, que son custosas, limítase ao seu uso cando se cumpren una ou varias das seguintes condicións:

• Só necesitan un nivel de irradiación baixo
• Requiren alta temperatura.
• O seu crecemento é rápido, ocupando o espazo só nun curto período de tempo.
• Son pequenas.
• Teñen un gran prezo, xa que non se recollen na estación correspondente.
• Plantaranse nos meses de inverno de pouca luz.

Por tanto, a substitución total da luz natural utilízase unicamente paira o exame rápido de bulbos, control da semente da pataca de sementa e paira seméntaa de sementes e aldascas.

Doutra banda, temos a iluminación científica, que se utiliza en estudos sobre o crecemento das plantas (utilízanse niveis moi altos de iluminación) e, por último, a iluminación de plantas interiores, é dicir, que non ven o sol, en cuxo interior se introducen plantas do acuario (paira favorecer o desenvolvemento das plantas acuáticas, aumentando a concentración de osíxeno na auga e impedindo a formación de gas carbónico paira facilitar a respiración dos peixes).

Paira a produción de flores, plantas de maceta e hortalizas ao longo de todo o ano, a horticultura e a xardinaría utilizan colectores solares como túneles de plástico e invernadoiros de plástico ou cristal. Neles utilízanse sistemas de rega, ventiladores e outros instrumentos paira conseguir una produción adicional. Nalgúns casos os sistemas son moi sofisticados, controlando por ordenador todos os factores de crecemento das plantas. Todos os factores excepto a iluminación.

A luz do día afecta á produción durante todo o ano. En plena primavera, no verán e na primeira parte do outono, a luz do día é suficiente paira manter o nivel produtivo. Con todo, cando o resto do ano os días acúrtanse moito, a produción baixa, en xeral, sendo a produción invernal un terzo do verán. Por tanto, a luz adicional mellorará e ampliará o proceso de fotosíntesis no invernadoiro, elevando o nivel de produción anual.

A utilización de lámpadas ben seleccionadas e luminarias deseñadas ao efecto alargan os días curtos até alcanzar as horas de iluminación necesarias. O uso de iluminación artificial, e dependendo do tipo de cultivo, planta e latitude, permite obter entre un 30% e un 40% de aditivo respecto ao standard de produción invernal. Este tipo de sistemas utilízanse, por exemplo, paira producir revestimentos, plantas de maceta, floricultura, árbores e hortalizas, acurtando os ciclos de produción e dando plantas máis fortes.

O grao de iluminación necesaria paira a fotosíntesis depende da mesma planta (utilízase una magnitude radiométrica chamada irradiancia que se expresa en milivatios por metro cadrado). Os valores enerxéticos necesarios paira moitas plantas diferentes foron experimentados. Valores típicos oscilan entre 5.000 e 20.000 mW/m 2. A disposición destes valores radiométricos en magnitudes fotométricas require una iluminación de entre 2.000 e 9.000 lux (a iluminación é una magnitude utilizada paira medir a luz, definida como o fluxo luminoso por unidade de superficie. A súa unidade é o lux: 1 lux = 1 lumen/m 2 ).

Paira a obtención destes niveis de iluminación utilízanse principalmente lámpadas de descarga, principalmente de halogenuros metálicos e vapor de sodio a alta presión. Por que estas lámpadas e non as que hai nos fogares, é dicir, incandescentes ou fluorescentes? Pódese facer a pregunta. A razón non é técnica senón económica. Mentres que a eficiencia luminosa das lámpadas incandescentes é da orde de 15 lúmenes (a eficiencia luminosa dunha lámpada defínese como o cociente entre o fluxo luminoso emitido pola lámpada e a potencia eléctrica que a absorbe), a dos vapores de halogenuros metálicos ou de sodio é da orde de 80 e 100 lumen/W respectivamente. Isto significa que a factura de Iberduero sería 5,5 veces maior ou igual que a das lámpadas incandescentes paira obter o mesmo nivel de iluminación.

Ademais, a duración media das lámpadas incandescentes é moi inferior á das demais. Doutra banda, a eficiencia luminosa das lámpadas fluorescentes é elevada, case igual que a das lámpadas de halogenuros metálicos, pero de baixa potencia, até 65 W como máximo, mentres que noutras utilízanse lámpadas de 400 W. Isto significa que coa instalación de fluorescentes o número de lámpadas sería 6 veces maior, é dicir, a instalación máis cara. Ademais, as dimensións dos fluorescentes son grandes e o reflector que utilizan é aínda maior, evitando que a luz natural entre no invernadoiro e chegue até as plantas.

No entanto, cabe sinalar que se utilizan lámpadas incandescentes cando se requiren valores de irradiación baixos e utilízanse lámpadas fluorescentes en locais de baixa altura debido á súa baixa temperatura de funcionamento e á uniformidade da distribución da luz.

Sabemos, por tanto, que tipo de lámpadas utilizar, pero non calquera delas, senón que hai que elixir aquelas que proporcionan a maior parte da enerxía a unha lonxitude de onda de entre 400 e 700 nm, correspondente á curva foto-síntese das plantas. Por outra banda, o resto de factores como a temperatura, a humidade, os fertilizantes, etc., deben estar adaptados ao grao e tempo de irradiación paira lograr o mellor crecemento da planta.

Por último, non basta con ter una lámpada adecuada. A iluminación da lámpada distribuirase da forma máis uniforme posible. Tendo en conta que a altura dos invernadoiros non é moi elevada, necesítanse luminarias especiais (son os aparellos que dirixen e distribúen o fluxo luminoso emitido pola lámpada cara ás superficies a iluminar), tipo difusor, co mínimo número de luminarias paira conseguir a máxima uniformidade.

Paira obter a idea de potencia a instalar, en función do nivel de iluminación elixido, pódese afirmar que cando se utilizan lámpadas de vapor de sodio de alta presión, adóitase instalar entre 15 e 150 W/m 2 de potencia (pepinos, tomates, rosas, caraveis), con halogenuros metálicos uns 150 W/m 2 (urrazos) e lámpadas incandescentes 25 W/m 2 (urrelilis).

O proceso de floración contrólase mediante o fitocromo na planta en función da duración da noite. Cando o grao de fitocromo alcanza o seu valor operativo, o status da planta pasa de ser vexetativo a ser generativo e comeza a desenvolver pipas, flores ou sementes. Este proceso utilízase paira controlar o momento da obtención. Así, prodúcese durante todo o ano sen depender da luz do día correspondente á estación.

A posta en marcha deste proceso só debe realizarse sobre algunhas hormonas da planta, polo que abonda con que a iluminación realícese cun baixo nivel enerxético. A maioría das plantas de flores e macetas son suficientes paira iniciar o proceso cunha iluminación de entre 50 e 100 lux, moi por baixo do grao de irradiación da luz natural.

Paira a iluminación fotoperiodica pódense utilizar dous sistemas: alargar a luz do día conectando a luz á tardiña até conseguir as horas de luz suficientes ou realizar acesos cíclicos durante a noite, actuando a planta como una iluminación continua. Por exemplo, dividir o invernadoiro en tres partes e acender as lámpadas durante 10 minutos de forma periódica, alternando en cada terzo dos invernadoiros 10 minutos de luz e 20 minutos de oscurecimiento. Desta forma afórrase moita enerxía e ao mesmo tempo evítase que a planta alcance os niveis de fitocromo, obtendo o mesmo efecto que a iluminación continua. Este sistema é moi produtivo con fresas, por exemplo.

O espectro de luz motriz paira a posta en marcha do proceso fotoperiodico está situado en vermello, pero se puido observar que a planta é menos esixente e sensible ao resto do espectro visible. Debido a que o nivel de iluminación é baixo e a irradiación vermella, pódense utilizar lámpadas incandescentes (ver figura curva espectral da lámpada incandescente), pero tendo en conta que tamén é sensible a outros campos do espectro, nos últimos anos están a utilizarse lámpadas de maior eficiencia lumínica, as novas lámpadas fluorescentes compactas (ver figura distribución do espectro destas lámpadas).

Estas lámpadas supoñen un importante aforro enerxético (80% e máis respecto das incandescentes) e una duración media 8 veces superior. Ademais, está demostrado que a utilización destas lámpadas permite obter flores máis curtas, máis fortes, de mellor calidade e, por tanto, de maior valor, xa que non se produce un alongamento en demasa dos talos accionados polas lámpadas incandescentes por luz vermella.

Finalmente, e de forma resumida, pódese concluír que:

• A iluminación ou irradiación artificial das plantas pode ser un instrumento moi eficaz na horta.
• Esta técnica non é nova, pero ao longo do tempo acumulouse moita experiencia e mellorou moito.
• A iluminación artificial permite obter resultados exitosos nos cultivos. Tamén os fracasos perniciosos, xa que cada planta xoga de forma diferente e hai que ter en conta moitos parámetros paira asegurar a súa rendibilidade.
• Do mesmo xeito que na actualidade realízase o proxecto previo paira a iluminación dun campo de fútbol, una sala de exposicións ou una estrada, os proxectos tamén se realizan paira a iluminación das calefaccións. E se alguén estivese interesado, antes de solicitar un proxecto, que acuda ao lugar onde se atopan estas instalacións, que o vexa e pregunte, como o faría un granxeiro desconfiado.