Led nell’ Orticoltura

 

Linea di lampade a LED per potenziare la fotosintesi.

Il crescente interesse nei confronti dell’illuminazione artificiale nelle serre per coltivazioni florovivaistiche è legata al fatto che, alle latitudini settentrionali, la maggior parte delle piante in vaso fiorite vengono prodotte nel periodo invernale e di inizio primavera per soddisfare la consistente domanda di mercato in primavera e all’inizio dell’estate.
La tecnica d’illuminazione delle serre si effettua con due obiettivi distinti:
- alterare il fotoperiodo naturale;
- stimolare il processo fotosintetico.
Il fotoperiodismo è quel fenomeno che permette alle piante di misurare il periodo di luce e di buio. A seconda di come reagiscono al fotoperiodo le piante vengono classificate in: brevidiurne, longidiurne e neutrodiurne.

Brevidiurne
Le prime fioriscono quando il giorno è più corto della notte, le seconde quando le ore di luce superano quelle di buio, le ultime sono invece indifferenti alla lunghezza del giorno e della notte.
Nelle serre per produzioni florovivaistiche la tecnica di illuminazione si applica a piante brevidiurne, coltivate durante il periodo invernale. Si illumina per interrompere lo stimolo che riceve la pianta, in giorno corto, di passare da una fase generativa (crescita), ad una fase riproduttiva (fioritura). Un esempio è la Begonia elatior che è una pianta a giorno quantitativamente corto, per ottenere piante commercializzabili all’inizio primavera bisogna sottoporla a un trattamento a giorno lungo per evitare anzitempo la formazione di bottoni fiorali e far raggiungere alla pianta le dimensioni volute. Per ottenere ciò essendo l’intervallo del fotoperiodo critico pari a 14 ore, a seconda del periodo stagionale si dovrà illuminare le serre prima del tramonto allungando il giorno artificialmente fino a 16 ore. Tale trattamento dura 2/3 settimane e non servono lampade molto potenti. Si possono impiegare lampade a fluorescenza esponendo le piante ad un intensità di 5-10 watt/m2, mentre con lampade ad incandescenza 15 watt/m2. Con queste lampade di tipo tradizionale si ha una spesa energetica elevata, pertanto molti effettuano l’illuminazione ciclica con un funzionamento ciclico delle lampade con 15 minuti di luce e 45 minuti di buio, oppure 2 minuti di luce e 8 di buio, con questo sistema si deve avere almeno 10 watt per m2 e si ottiene un risparmio energetico.

Il fitocromo
La capacità di misurare il fotoperiodo le piante lo devono alla presenza di un pigmento, il fitocromo, che è distribuito un po’ su tutta la pianta ma è maggiormente concentrato sugli apici vegetativi. Tale pigmento viene stimolato con luce a lunghezza d’onda comprese tra i 660 e i 730 nanometri, che corrispondono a lunghezze d’onda appartenenti allo spettro del rosso. Sia le lampade ad incandescenza sia quelle a fluorescenza emettono queste lunghezze d’onda assieme a molte altre. Le lampade a LED a bassa potenza sono costruite per emettere particolari lunghezze d’onda (solo rosso) pertanto sono molto più efficienti per alterare il fotoperiodismo, inoltre non emettono calore, e al fascio luminoso si possono dare le angolature desiderate. Le lampade a LED sono inoltre garantite per funzionamenti di almeno 50.000 ore nelle serre che sappiamo essere un ambiente dove le attrezzature sono sottoposte a condizioni poco favorevoli alla loro durata.

Stimolazione
La fotosintesi e alla base di tutte le funzioni delle piante, i pigmenti implicati nella fotosintesi comprendono le clorofille, le ficobiline ed i carotenoidi. Vi sono diversi tipi di clorofilla che differiscono per dei dettagli della loro struttura molecolare. Ma cos’è un pigmento? È una qualsiasi sostanza che assorbe luce. Alcuni pigmenti assorbono luce di qualsiasi lunghezza d’onda ed appaiono neri. Altri, invece assorbono la luce solo a particolari lunghezze d’onda, trasmettendo o riflettendo la luce ad altre lunghezze d’onda, e risultano colorati. La clorofilla, il pigmento che dà il colore verde alle foglie, assorbe la luce soprattutto nella zona del violetto, dell’azzurro del blu e del rosso; poiché riflette la luce verde, ci appare verde. Lo spettro d’azione della fotosintesi è l’efficacia relativa della luce, alle diverse lunghezze d’onda, su quei processi che da essa dipendono, che si identificano nelle lunghezze d’onda tra i 400 e i 500 nanometri (viola, azzurro e blu nello spettro) e in quelle tra i 600 e i 700 nanometri (arancio e rosso nello spettro).

Irraggiamento
Durante il periodo autunno- invernale e di inizio primavera alle nostre latitudini la quantità e la durata dell’irraggiamento luminoso giornaliero (DLI) sono insufficienti a ottimizzare il processo fotosintetico. Inoltre la copertura delle serre e tutte le strutture posizionate sopra le piante sono un ulteriore filtro al passaggio delle radiazioni luminose. Quindi buona parte delle coltivazioni floricole programmate per la primavera per questo motivo appaiono esili e di qualità inferiore rispetto alle stesse coltivazioni allevate a latitudini più meridionali. Pertanto una notevole spinta per ottenere piante di qualità superiore può essere data dall’illuminazione di potenza, già molto utilizzata in paesi come l’Olanda e la Danimarca che vantano una notevole specializzazione nelle coltivazioni floricole, sia di giovani piante che di piante “finite”.

Fattori esterni e interni
I florovivaisti che volessero impiegare l’illuminazione di potenza devono essere consapevoli che la fotosintesi non è influenzata solo dalla intensità luminosa ma anche dalla disponibilità di acqua, dalla concentrazione di CO2 e dalla temperatura che costituiscono i fattori esterni. Ci sono poi i fattori interni che sono: il contenuto in pigmenti, la struttura fogliare e le caratteristiche genetiche. Quando tutti questi fattori sono in equilibrio l’irraggiamento luminoso di potenza nei periodi di scarso DLI risulterà molto efficace. Prima dell’introduzione nel mercato delle lampade a LED l’illuminazione di potenza veniva effettuata con lampade ai vapori di sodio (HPS) molto costose di durata limitata, con un alto consumo energetico e con l’impossibilità di avvicinarle alle piante per il forte calore emesso. Con l’avvento dei LED e la successiva sperimentazione in serra si possono produrre luci con uno spettro di lunghezze d’onda utili per la crescita delle piante, inclusi il blu (450 nanometri) e il rosso (660 nanometri).
Inoltre i LED hanno un coefficiente di conversione dell’energia del 38% per il rosso e del 50% per il blu. Quindi l’interesse nell’uso dei LED è in crescita anche tra i coltivatori italiani. I benefici nell’uso della luce supplementare quando il DLI è minore di una certa soglia è ben noto, tramite i LED si possono ottenere particolari miscele cromatiche che portano a particolari risposte nella crescita. Per esempio la variazione nella qualità di luce permette di ottenere piante più compatte e ben ramificate con una riduzione se non la completa eliminazione di trattamenti con nanizzanti e con anticipo di fioritura. Il rapporto tra luce rossa e blu può essere dosato per produrre piante con la desiderata dimensione delle foglie e dello stelo. La luce rossa fa aumentare la dimensione delle foglie e la lunghezza dello stelo, mentre le piante coltivate con una certa percentuale di luce blu sono più compatte e di qualità migliore. Lo spettro quindi può essere aggiustato durante la produzione, ad esempio la luce blu può essere aumentata se le piante tendono ad allungarsi.
Il costo delle lampade a LED è elevato però i vantaggi che si ottengono dalle produzioni in termini di qualità e di tempi di coltivazione, la durata delle lampade e la buona efficienza energetica (circa 60% di risparmio energetico) rendono economicamente interessanti l’impiego delle tecniche d’illuminazione sopra descritte nel settore florovivaistico in coltura protetta.

 I vantaggi dell’illuminazione a LED nelle serre

  L’orticoltura è la scienza e l’arte di far crescere piante migliorandone le caratteristiche, la velocità di crescita e di produzione dei frutti, la resa, la qualità e i valori nutrizionali. Questo è ancora più vero oggi con l’avvento della illuminazione a LED, che offre il vantaggio di poter controllare lo spettro luminoso (cosa che non è possibile con le altre tipologie di illuminanti).

Perché scegliere l’illuminazione artificiale nell’orticoltura?

L’orticoltura indoor, sia essa realizzata in serre o in ambienti chiusi, offre diversi vantaggi:

• La possibilità di controllare l’ambiente e di adattarlo al meglio alla crescita delle piante ospitate. Per esempio la protezione da parassiti o l’adattamento ottimale di parametri ambientali quali temperatura e umidità.
• Consente la coltivazione in luoghi dove le condizioni ambientali naturali potrebbero essere inadatte alle specie coltivate.

L’illuminazione artificiale, parte integrante della soluzione, può portare ulteriori benefici:

• Consente di adattare l’intensità luminosa e lo spettro alla necessità di ogni singola specie di pianta.
• Il controllo della esposizione alla luce può simulare e/o bilanciare il ciclo notte/giorno che è diverso nelle diverse parti del globo.
• Il controllo sia dell’intensità luminosa che dello spettro emesso dagli illuminanti può portare a crescite più veloci, ad abbreviare i cicli di crescita e a migliorare le rese. Così come può consentire di ottenere caratteristiche ottimali come colore e gusto di frutti e vegetali.
• Ottenere una riduzione della intensità luminosa e dell’effetto riscaldante del sole può portare minori consumi di acqua.

In sostanza l’orticoltura indoor disaccoppia il clima naturale dalla crescita delle piante e consente di creare un ambiente ottimale lungo tutti i 365 giorni dell’anno indipendentemente dal susseguirsi delle stagioni.

LED Lighting per serre e vertical farming:

un mercato in crescita

Tutti i motivi sopra citati trovano un ulteriore stimolo combinandosi con esigenze socio-ambientali che si stanno facendo sentire sempre più profondamente:

• La crescita demografica che porta ad un conseguente aumento della domanda alimentare.
• La constante urbanizzazione che sta portando sempre più gente a vivere in grandi città che sono sempre più distanti dalle aree agricole.

Secondo l’analisi di mercato “Horticultural LED Lighting: Market, Industry, and Technology Trends” svolta da Yole Developement nel 2017, non più recentissima ma valida per una misura dei trend, nel 2016 il mercato della illuminazione per l’orticoltura (a livello di sistema) ha raggiunto un valore di 3,1 miliardi di dollari che dovrebbero essere passati a 3,8 miliardi nel 2017. Il business corrente è prevalentemente rappresentato dalla applicazione nelle serre (greenhouse) per il 92%, con soluzioni che utilizzano ancora tecnologie mature (per esempio lampade high-pressure sodium – HPS) per il 79% dei totali 3,8 miliardi del 2018.

Secondo i dati di questa ricerca, le applicazioni nelle serre sono destinate a una crescita media annua del 15% mentre la parte di indoor & vertical farming*, che si esprimerà soprattutto con la tecnologia a LED, crescendo, secondo Yole, con un tasso annuo medio superiore al 65% fino al 2022 per poi passare al 35% fino al 2027.

Questo vedrà passare il consumo di LED dai quasi 100 milioni di dollari del 2017 ai 400 milioni del 2022 per poi raggiungere i 700 milioni di dollari nel 2027.

L’influenza della luce sulle piante

Le tre dimensioni della luce – quantità, ovvero intensità, qualità, ovvero la struttura dello spettro di emissione, e durata, ovvero il tempo di accensione e spegnimento, altrimenti detto foto-periodo, influenzano delle caratteristiche delle piante, quali la biomassa, la morfologia e la fioritura.

La biomassa fa riferimento alla crescita di germogli, radici o allo spessore del gambo. La morfologia si riferisce alla architettura fisica della pianta come, per esempio, l’altezza e il numero delle ramificazioni. L’ideale sarebbe che ognuna delle caratteristiche della luce agisse indipendentemente dalle altre su ognuna delle caratteristiche citate della pianta. Gli esperti ci dicono che questo non è vero e che per ogni tipo di pianta esiste una dipendenza diversa da ognuna delle grandezze che caratterizzano la luce. Starà alla ricerca e alla sperimentazione trovare gli opportuni bilanciamenti dei tre ingredienti, ovvero la ricetta ideale, per ogni tipo di vegetale che sarà di interesse per l’orticoltura.

Controllare lo spettro luminoso

Inizialmente si erano individuate, come fotorecettori, alcune specie di clorofilla che coprivano lo spettro di assorbimento definito Radiazione Fotosinteticamente Attiva o PAR. La banda di frequenze considerate nel PAR va dai 400 ai 700 nm ed è la parte di luce che viene utilizzata per la fotosintesi clorofilliana. Gli ultimi studi evidenziano che le piante sono in grado di percepire lunghezze d’onda che vanno su tutto lo spettro partendo dalle UV-C (260/300 nm) fino ai 730 nm del rosso profondo (FR) utilizzando fotorecettori separati che non vengono utilizzati per la fotosintesi.

Nelle piante esistono diversi fotorecettori, ampiamente documentati, che devono essere tenuti in considerazione da chi progetta l’illuminazione per impianti di orticoltura. In particolare, ci sono due fotorecettori, uno sensibile alla lunghezza d’onda del rosso, nell’intorno dei 660 nm (curva P_R del grafico), l’altro attivo nella lunghezza d’onda del rosso profondo nell’intorno dei 730 nm (curva P_FR) che si trova fuori del limite estremo che definiva il PAR (Radiazione Fotosinteticamente Attiva). Un altro pigmento fotosensibile importante è rappresentato dal cryptocromo (curva CRY) che estende la sua sensibilità dal blu fino all’ultravioletto. Questi fotorecettori dirigono una risposta adattativa nelle piante in determinate condizioni ambientali regolando le principali fasi di sviluppo che dipendono fortemente dallo spettro luminoso.

 

CURIOSITA’

 

* La luce perfetta per il pomodoro

 

L’illuminazione artificiale a LED consente di “personalizzare” gli spettri di luce in base al tipo di coltura e migliora l’efficienza energetica rispetto ai sistemi di illuminazione tradizionali

La tecnologia dell’illuminazione artificiale a LED (Light Emitting Diode) sta guadagnando sempre più terreno all’interno delle serre (soprattutto in quelle con coltivazioni fuori suolo, perché capaci di un “ritorno” più veloce del relativo investimento). Tale tecnologia, infatti, consente la “personalizzazione” degli spettri di luce in base al tipo di coltura e, allo stesso tempo, migliora l’efficienza energetica rispetto ai sistemi di illuminazione tradizionali. Evidenza dell’importanza di tale tecnologia è che le serre di ultima generazione vengono progettate per aiutare la crescita naturale per 365 giorni all’anno utilizzando luci a LED.

«Uno dei principali problemi che le aziende produttrici di pomodoro da mensa di alta qualità affrontano è la difficoltà di essere presenti sul mercato dodici mesi l’anno con un prodotto sempre di alta qualità, non riducendone la quantità, al fine di fidelizzare i clienti al proprio brand».

«Ma tutto questo non basta! Infatti la luce, che è il fattore ambientale principale affinché le piante possano fotosintetizzare, rappresenta, specialmente nel periodo invernale, anche alle latitudini della regione Puglia, un fattore limitante la produzione di pomodoro. Tale limite porta le aziende pugliesi a vivere uno svantaggio competitivo nei confronti delle aziende del Nord Europa, che da anni, ormai, utilizzano l’illuminazione artificiale per la coltivazione del pomodoro e di altre specie orticole e ornamentali».

Per le coltivazioni in serra

Riguardo alle coltivazioni in serra le lampade ONLY LIGHTING sono ideate – unendo più fattori: spettro della luce, intensità luminosa, fotoperiodo, uniformità e posizionamento – per aiutare i coltivatori ad aumentare le rese annuali, prolungando la stagionalità delle colture estive e garantendo una produzione anche nel periodo invernale, sottolinea Accorsi.

«Con le nostre lampade è possibile aumentare la resa produttiva e migliorare le caratteristiche nutraceutiche del raccolto, che, quindi, oltre a incrementare la produzione annuale, può vantare ottime qualità nutritive essendo ricco di vitamine e antiossidanti, sostanze benefiche per la salute umana. Studi condotti presso enti di ricerca nazionali e internazionali ci hanno permesso di sviluppare lampade per garantire la giusta quantità e tipologia di luce per ogni specie vegetale (spettro pianta-specifico). Tali soluzioni possono trovare utilizzo sia in serre tradizionali in cui le piante vengono coltivate a terra sia in serre ad alta tecnologia con sistemi di coltivazione fuori suolo a più cicli annuali».

«ONLY LIGHTING propone prodotti di illuminazione per sistemi produttivi indoor (multilivello) o verticali, al fine di ottimizzare le performance produttive delle piante. Le varie lampade offrono molteplici tipologie di spettri luminosi per andare incontro a divers e soluzioni e contesti applicativi per serre a produzione intensiva, come: piante da foglia (lattuga, essenze aromatiche, basilico, ecc.), piante da frutto (pomodoro, ecc.), piante ornamentali e da fiore (Spathiphyllum, rose, ecc.), piccoli frutti (more, lamponi, ecc.)».

Le lampade top-lighting che emettono luce dall’alto sostituiscono le convenzionali tecnologie di illuminazione per le serre (HPS) con vantaggi dai punti di vista agronomico ed energetico: personalizzazione della qualità della luce per rispondere alle diverse esigenze produttive; facilità di installazione e adattabilità a ogni tipologia di serra; design studiato per favorire il passaggio della luce solare; minor consumo energetico rispetto alle lampade top-lighting convenzionali; lunga durata e bassi costi di manutenzione.

Poiché le lampade a LED emettono luce fredda, vengono poste molto vicine alle piante, che utilizzano al 100% l’emissione luminosa richiesta senza subire da esse alcun danno.

«Le lampade utilizzate nella sperimentazione rappresentano una delle migliori espressioni tecnologiche per l’illuminazione growing (cioè durante la fase di crescita) in serra del pomodoro e delle piante a portamento verticale in generale, in particolare nelle coltivazioni fuori suolo, che garantiscono più facilmente il rientro dal notevole investimento da sopportare. I principali benefici offerti dalle lampade inter-lighting sono: incremento della resa produttiva, piante più sane e quindi con una maggior resistenza a patologie, meno malformazioni di foglie e frutti grazie a uno studio specifico condotto sullo spettro luminoso sulla base del contenuto della luce blu, incremento della fioritura, del numero di frutti e del raccolto (come per il pomodoro). Infine, supportati sempre da ricerche scientifiche e ingegneristiche, abbiamo individuato la giusta inclinazione della luce (30°), massimizzando così la quantità di luce intercettata dalle piante».

* Alla rucola fa bene il rosso

La luce di colore rosso riduce il contenuto di nitrati (potenzialmente tossici per l’uomo) e aumenta la concentrazione dei glucosinolati nella rucola. Sono queste le principali indicazioni che emergono dall’articolo pubblicato sull’ultimo numero di Frontiers in Plant Science intitolato: Red light is effective in reducing nitrate concentration in rocket by increasing nitrate reductase activity, and contributes to increased total glucosinolates content [La luce rossa riduce efficacemente la concentrazione di nitrati nella rucola aumentando l'attività della nitrato reduttasi e contribuisce all'aumento del contenuto totale di glucosinolati].

I limiti imposti dall'Ue

La rucola è sempre più presente tra le referenze della quarta gamma. Purtroppo però vanta un triste primato: è l’ortaggio che accumula più nitrati in assoluto. Per tale motivo, il Regolamento (Ue) n. 1258/2011 della Commissione europea fissa chiaramente i limiti massimi tollerabili di nitrati per la sua commercializzazione: 7mila e 6mila mg/kg di prodotto fresco, rispettivamente, dal 1° ottobre al 31 marzo e dal 1° aprile al 30 settembre.

Risultati ottenuti

L’articolo riporta i risultati ottenuti su due specie di rucola: la “ruchetta selvatica” Diplotaxis tenuifolia (L.) DC. e la “rucola coltivata” Eruca sativa (L.) Cav. Su di esse sono state adottate le nuove tecnologie di illuminazione artificiale (mediante Led con spettro luminoso rosso, blu o rosso più blu) a confronto con uno spettro luminoso completo. 

In condizioni di scarsa luminosità, coltivando la rucola con lo spettro luminoso rosso il contenuto di nitrati è diminuito. Ciò è dovuto alla maggiore attività dell’enzima nitrato reduttasi, che interviene nella riduzione chimica del nitrato. Al contrario, il contenuto di glucosinolati – composti glucosidici ad azione antitumorale – sono aumentati soprattutto nella rucola selvatica.

 

 prossimo consiglio il 10 novembre