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Estrategias de iluminación eficientes para plantas perennes
3 de diciembre de 2019
Por el Dr. Marc van Iersel y Claudia Elkins, Universidad de Georgia
Las plantas perennes a menudo se cultivan en invierno para prepararlas para las ventas de primavera. Y eso significa que a menudo se requiere iluminación suplementaria para producir plantas de alta calidad de manera oportuna. Los costos de electricidad asociados con la iluminación suplementaria pueden ser elevados. Por lo tanto, es importante que la luz suplementaria se proporcione de la manera más eficiente posible. Durante mucho tiempo, las recomendaciones de iluminación se han basado en la integral de luz diaria (DLI). El DLI es la cantidad total de luz que recibe un cultivo a lo largo de un día. El DLI se calcula a partir de la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD). Al integrar estas mediciones instantáneas de la intensidad de la luz fotosintética, se puede calcular el DLI. Pero basar las decisiones de iluminación únicamente en el DLI puede no ser lo óptimo.
En nuestra investigación, financiada por la American Floral Endowment, adoptamos un enfoque sistemático para encontrar las mejores estrategias de iluminación suplementaria. Nuestro objetivo es ayudar a los productores a cultivar cosechas de alta calidad, asegurando al mismo tiempo que los costos de iluminación no sean excesivos. Esto comienza por comprender la fisiología básica de cuán eficientemente las diferentes especies utilizan la luz. Luego, desarrollar estrategias de iluminación basadas en esas respuestas fisiológicas.
Eficiencia en el uso de la luz de las perennes
Las plantas necesitan luz para la fotosíntesis, pero a medida que reciben más luz, la utilizan con menos eficiencia. Comprender con qué eficiencia las diferentes especies utilizan la luz es importante. La luz suplementaria solo debe proporcionarse cuando las plantas puedan utilizarla de manera eficiente. Medir la eficiencia en el uso de la luz de una planta es sorprendentemente fácil y aprovecha una propiedad poco conocida de todas las plantas. Esto se conoce como fluorescencia de la clorofila.
Cuando las plantas se exponen a la luz, gran parte de esa luz es absorbida por la clorofila y los pigmentos asociados en las hojas. Al igual que un panel solar, esa luz se utiliza para crear diminutas corrientes eléctricas dentro de las hojas y la energía de esa corriente impulsa las reacciones de la fotosíntesis. Y, de manera indirecta, proporciona la energía para toda la vida en la tierra.
No toda la luz absorbida se utiliza para crear una corriente...
Sin embargo, no toda la luz absorbida se utiliza para crear una corriente. Parte de la energía se convierte en calor, mientras que una pequeña fracción de esa energía lumínica se convierte en fluorescencia. Todas las hojas expuestas a la luz emiten una pequeña cantidad de luz roja. Esta fluorescencia no es suficiente para verla a simple vista, pero se puede medir fácilmente. Y al medir la fluorescencia, podemos determinar exactamente cuánta de la luz absorbida por una hoja se convierte en corriente y se utiliza para la fotosíntesis.
Utilizamos mediciones de fluorescencia de clorofila para cuantificar cómo la PPFD afecta a la eficiencia en el uso de la luz de diferentes plantas perennes. Hay dos cosas claras. En primer lugar, la eficiencia en el uso de la luz de todas las especies disminuye a medida que aumenta la PPFD. En segundo lugar, existen diferencias importantes entre las especies (Figura 1). Y esas diferencias tienen importantes implicaciones para la iluminación suplementaria. A valores muy bajos de PPFD, todas las especies utilizan la luz con una eficiencia similar: entre el 70 y el 80 % de la luz se destina a la fotosíntesis.
Sin embargo, la rapidez con la que disminuye la eficiencia en el uso de la luz al aumentar la DFPP depende de la especie. La eficiencia en el uso de la luz de Heucherella, una planta que prospera en la sombra, disminuye rápidamente al aumentar la DFPP. Por otro lado, Rudbeckia, una planta que se desarrolla bien a pleno sol o sombra parcial, es mucho más capaz de utilizar DFPP más altas de manera eficiente. Y tal vez no sea sorprendente que la respuesta de Hosta, que se desarrolla bien en sombra parcial o total, se encuentre entre la de Heucherella y la de Rudbeckia.
Figura 1. Eficiencia en el uso de la luz de tres especies perennes en respuesta al incremento de la DPFP. Nótese que la eficiencia en el uso de la luz de todas las especies disminuye a mayores DPFP, pero esta disminución es más pronunciada en *Heucherella*, que es de sombra obligada, que en *Rudbeckia*, que es amante del sol.
Utilizar la eficiencia en el uso de la luz para desarrollar mejores estrategias de iluminación
¿Cómo se puede utilizar esta información básica para ayudar a los productores a gestionar su iluminación? Se pueden extraer tres lecciones importantes de esta información fisiológica:
Todas las especies utilizarán la luz suplementaria de manera más eficiente cuando dicha luz suplementaria se proporcione durante periodos con poca luz solar. El control de umbral común utilizado durante mucho tiempo para las lámparas HPS se basa en un principio. Las luces se encienden cuando los niveles de luz solar caen por debajo de un umbral específico y se apagan por encima de ese umbral.
2) Los umbrales adecuados dependen de cada especie: al proporcionar luz suplementaria a la Rudbeckia cuando la luz solar ofrece una PPFD de 500 µmol/m²/s, estas plantas pueden aprovechar esa luz suplementaria con una eficiencia superior al 60%; sin embargo, la Heucherella solo podría aprovechar esa misma luz con una eficiencia de aproximadamente 30%. Debido a estas diferencias entre especies, es importante proporcionar luz suplementaria a un cultivo como la Heucherella únicamente cuando haya poca luz solar; de lo contrario, las plantas no podrán aprovechar la luz suplementaria de manera eficiente. En el caso de la Rudbeckia, así como de cultivos que aman el sol como la lantana y la rosa, es menos importante proporcionar luz suplementaria únicamente cuando hay poca luz solar. Estos cultivos pueden seguir utilizando la luz suplementaria con una eficiencia razonable incluso a PPFD más elevadas.
3) Estos hallazgos sugieren que no todos los DLI son iguales. Debido a que la luz se utiliza de manera más eficiente cuando la DFPP es baja, nuestros hallazgos sugieren que la eficiencia general en el uso de la luz se puede aumentar proporcionando luz a DFPP más bajas y fotoperiodos más largos, al tiempo que se proporciona el mismo DLI. En otras palabras, distribuir la luz en más horas cada día debería mejorar la eficiencia general en el uso de la luz y, por lo tanto, aumentar el crecimiento.
No todos los DLI son iguales
Para comprobar si distribuir la luz en más horas al día aumenta el crecimiento, cultivamos plántulas de Rudbeckia a un DLI de 12 mol/m2/día, proporcionando esa luz en fotoperiodos de 12, 15, 18 o 21 horas al día. Para garantizar que todas las plantas recibieran la misma cantidad de luz, desarrollamos un nuevo enfoque de control para luces LED regulables. Nuestro sistema mide el PPFD a nivel del cultivo y calcula cuánta luz se necesita para alcanzar el DLI al final del fotoperiodo. A continuación, el controlador envía una señal a las luces LED para que proporcionen la luz suplementaria justa que garantice que las plantas reciban un DLI de 12 mol/m2/día al final del fotoperiodo.
Este enfoque de control para la iluminación suplementaria tiene dos ventajas: 1) el DLI se puede controlar con precisión, independientemente de las condiciones meteorológicas, y 2) la luz suplementaria se proporciona preferentemente cuando hay poca luz solar (y, por lo tanto, cuando las plantas pueden utilizar la luz suplementaria de manera más eficiente). Utilizando este enfoque de control para la iluminación suplementaria, el PPFD recibido por las plantas disminuyó de 275 a 160 µmol/m2/s a medida que el fotoperiodo aumentó de 12 a 21 horas.
Como hipotetizamos...
Tal y como habíamos hipotetizado, las plántulas de Rudbeckia crecieron considerablemente más rápido con fotoperíodos más largos y PPFD más bajos; con un fotoperíodo de 21 horas, las plantas eran aproximadamente un 30% más grandes que las cultivadas bajo un fotoperíodo de 12 horas, a pesar de que todas las plantas recibieron la misma cantidad total de luz (Figura 2). Además, el fotoperíodo más largo no tuvo efectos negativos en la calidad de las plantas, según se determinó a partir de la fracción radicular (una medida importante para las plántulas, ya que un buen crecimiento radicular es fundamental) y la compacidad. Según nuestros hallazgos, el uso de un fotoperíodo más largo puede acortar el ciclo de cultivo al menos una semana. Otra ventaja de utilizar fotoperíodos más largos es que la cantidad instantánea de luz suplementaria que hay que proporcionar es menor. Eso significa que se necesitan menos accesorios de iluminación para proporcionar la luz complementaria. Por lo tanto, se reduce el costo de instalación de un sistema de iluminación.
Tenga en cuenta que no todas las especies responderán de la misma manera a fotoperíodos más largos. La floración de muchos cultivos depende del fotoperíodo. Y aunque la floración es deseable cuando el cultivo ha madurado, la floración prematura puede ralentizar el crecimiento.
Figura 2. Los fotoperiodos más largos dan como resultado un mejor crecimiento de las plántulas de Rudbeckia. Las plantas de control de la izquierda no recibieron luz suplementaria (y un DLI promedio de aproximadamente 5 mol/m2/d). Las demás plantas recibieron un DLI de 12 mol/m2/d, pero esa luz se distribuyó en fotoperiodos que oscilaron entre 12 y 21 horas.
¿Qué significa esto para la industria floricultora?
Las estrategias de iluminación más eficientes pueden mejorar la producción de plantas perennes al tiempo que reducen los costos de electricidad. Nuestro enfoque se implementa más fácilmente con luminarias LED regulables, pero se pueden aplicar enfoques similares utilizando luces HPS. Varias empresas de iluminación ofrecen ahora sistemas de control de iluminación que aprovechan la capacidad de regular la intensidad de las luminarias LED en respuesta a los niveles cambiantes de luz solar. Esto puede proporcionar un entorno lumínico más constante en su invernadero. También puede hacer que la producción de cultivos sea más predecible al tiempo que garantiza que no se proporcione luz en exceso.
¿Qué es lo siguiente?
El apoyo del sector a la American Floral Endowment ha contribuido a hacer posible esta investigación. La ayuda económica de la AFE para nuestro trabajo nos permitió obtener una subvención de $5.000.000 de la Iniciativa de Investigación sobre Cultivos Especializados del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA). Este proyecto, titulado Llucha AEnfoques para Mmaximizar Pbeneficios, reúne a científicos e ingenieros de todo el país. Un equipo diverso que trabaja en problemas de iluminación en la industria de la agricultura en ambiente controlado ayuda a integrar la producción hortícola, la economía y la ingeniería. Esto dará lugar a enfoques holísticos para optimizar las estrategias de iluminación suplementaria. Para obtener más información sobre el proyecto Lámpara, por favor visite www.hortlamp.org.
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