L’éclairage pour l’horticulture n’est pas un concept nouveau ; cependant, le LED apporte une véritable rupture dans le secteur, permettant aux producteurs d’ajuster et de moduler différentes intensités spectrales d’une façon inédite avec les technologies précédentes.
À mesure que la technologie évolue, les indicateurs utilisés pour présenter et comparer les produits orientent-ils les producteurs dans la bonne direction ?
L’éclairage horticole est un secteur en pleine expansion ; certains experts prévoient que le marché atteindra 4,85 milliards de livres sterling d’ici 2023. Des méga-projets d’éclairage sont en cours, tant en marché domestique qu’international, notamment le projet de serre de Lyudinovo en Russie, qui utilisera environ 240 000 luminaires à l’achèvement.
L’éclairage LED, dans des projets de toute taille, a démontré sa capacité à :
- augmenter les rendements ;
- améliorer la stabilité des cultures et leur résistance aux conditions environnementales ;
- offrir des délais de croissance plus prévisibles ;
- réaliser des économies d’énergie ; et
- réduire les coûts.
Des bénéfices qualitatifs ont également été observés, tels qu’une pigmentation plus intense et des modifications organoleptiques. Les progrès de la technologie LED permettent un ciblage spectral encore plus précis et une efficacité toujours croissante, creusant l’écart entre le LED et les technologies précédentes.
Comment mesure-t-on aujourd’hui l’éclairage végétal ?
Les plantes utilisent la lumière dans une zone du spectre électromagnétique pour la photosynthèse, appelée Rayonnement Actif Photosynthétiquement (PAR). Le PAR couvre les longueurs d’onde de la lumière visible comprises entre 400 nm et 700 nm, et c’est ce qui sert à définir nos mesures.
La principale mesure de la production lumineuse, et le standard de facto du secteur, est le Flux de Photons Photosynthétiques (PPF), qui exprime simplement la quantité de PAR en photons produits par seconde.
La dernière mesure clé utilisée aujourd’hui est la Densité du Flux de Photons Photosynthétiques (PPFD), soit le nombre de photons PAR tombant sur un mètre carré par seconde. Ces notions peuvent être assez aisément reliées aux connaissances d’un ingénieur en éclairage, avec :
- le PAR étant à peu près équivalent à la portion de lumière visible du spectre EM ;
- le PPF étant lié à la puissance rayonnante (entre 400 nm et 700 nm) ;
- le PPFD étant à peu près équivalent à l’éclairement sans la pondération V(λ).
Le PAR définit la lumière qui nous intéresse, le PPF est la quantité de cette lumière quittant la source lumineuse, et le PPFD est la quantité de cette lumière sur un mètre carré de surface de culture.
Pourquoi faut-il être prudent avec le PPF comme mesure ?
Bien que le PPF présente des atouts en tant qu’unité de mesure, étant simple à comprendre, facile à mesurer et très largement utilisé, il comporte cependant des limites ;
Seule la quantité de lumière est mesurée, non le type, ni la qualité
Il devient de plus en plus évident que la qualité de la lumière est un facteur important dans la culture de toute plante, la quantité n’étant qu’une partie du tableau. Les taux d’absorption, la réponse photosynthétique et les réponses non photosynthétiques ne sont pas toujours pris en compte.
Alors que le secteur se concentre sur le PPF par Watt, nous estimons que cela peut avoir un effet négatif sur les taux de croissance, plutôt que bénéfique.
Les prescripteurs qui considèrent le PPF/W comme critère de sélection influencent, dans une certaine mesure, le développement de nouveaux luminaires en incitant les fabricants à utiliser davantage de contenu rouge, car un photon rouge peut être produit avec moins d’énergie qu’un photon bleu.
Il est largement admis qu’une source lumineuse purement rouge donnerait une croissance très médiocre, malgré un PPF/W très élevé, ce qui démontre que la métrique PPF/W n’est pas suffisante pour comparer les performances des produits et peut nuire à la sélection d’un produit plus adapté.
Lorsque le PPF est utilisé comme chiffre principal pour la production d’une unité, cela donne une image trompeuse de l’utilité d’une source lumineuse. En ignorant les besoins réels des plantes, une unité LED peut paraître très efficace, tout en offrant moins de croissance réelle comparée à une solution mieux adaptée.
Une analogie diététique
La limite du PPF, qui ne tient pas compte de la qualité de la lumière, est analogue à la limite des calories, qui ne permettent pas d’indiquer une alimentation saine. Si deux personnes consommaient 2 000 calories chacune, elles auraient absorbé la même quantité d’énergie selon la valeur calorique.
Cependant, si l’une recevait ses 2 000 calories d’une alimentation équilibrée et l’autre en mangeant un seul aliment (du beurre, par exemple), la valeur nutritive, la capacité à extraire de l’énergie et la santé de chaque individu seraient très différentes.
Considérer les deux régimes comme identiques serait clairement erroné et trompeur, mais c’est exactement ce qui se passe lorsque l’accent est mis sur la métrique PPF pour la sélection de luminaires.
Trouver une meilleure mesure
D’autres mesures sont disponibles pour les producteurs, qui tiennent mieux compte de la sensibilité photosynthétique des plantes.
Le Flux de Photons de Rendement (YPF) en est un exemple
Le YPF est un système pondéré qui mesure la valeur d’une longueur d’onde donnée en fonction de la réponse photosynthétique probable de la culture. Là où le PPF considère tous les photons comme égaux, le YPF tient compte de l’efficacité photosynthétique relative des différentes longueurs d’onde, attribuant un poids moindre à la lumière moins utile.
Le concept des rapports S/P offre un aperçu de l’utilité d’une source lumineuse dans différentes conditions d’éclairage en utilisant ce même principe de pondération. L’œil humain possède deux courbes de réponse : l’une pour la vision photopique (V(λ)), ou vision diurne, et l’autre pour la vision scotopique (V'(λ)), ou vision nocturne ; les rapports S/P pondèrent la réponse à ces différents types de lumière pour déterminer l’utilité d’une source pour différentes applications.
Un produit offrant de bons niveaux d’éclairage en conditions photopiques peut ne pas le faire en conditions scotopiques, et vice versa. De la même façon, un produit peut avoir une bonne réponse PPF mais une réponse YPF médiocre, car les courbes de réponse des deux diffèrent.
Alors que le PPF mesure les photons dans le PAR, les longueurs d’onde comprises entre 400 nm et 700 nm, le YPF examine une plage plus large, considérant les émissions de la source jusqu’à 360 nm (Bleu profond) et jusqu’à 760 nm (Rouge lointain). Ces longueurs d’onde supplémentaires incluent de la lumière ayant des effets observables sur la croissance végétale : les longueurs d’onde supérieures à 700 nm sont utiles en faibles quantités pour encourager des plantes plus élancées et simuler des conditions de crépuscule, utilisées pour régler les rythmes circadiens, avec des caractéristiques souhaitables observées chez certaines plantes.
Une plante à l’ombre, dans la nature, recevrait davantage de Rouge lointain et répondrait à ce stimulus pour orienter sa croissance. Certaines plantes naturellement situées sous la canopée s’attendent à un rapport Rouge lointain/Rouge supérieur à la moyenne et réagiront négativement à un spectre n’incluant pas suffisamment de Rouge lointain.
Certaines réponses au Syndrome d’Évitement de l’Ombre sont souhaitables pour les producteurs ; en quantités plus importantes, la lumière au-delà de 700 nm peut être utilisée pour déclencher délibérément le Syndrome d’Évitement de l’Ombre, ce qui encouragera une floraison rapide et une croissance plus compacte chez certaines plantes, tout en améliorant potentiellement leur robustesse.
Le PPF manque les nuances de ces réponses végétales en ne considérant que la lumière dans le PAR, et ne peut à lui seul fournir le tableau complet. Connu sous le nom de photomorphogenèse, les processus plus larges contrôlant le développement des plantes sont affectés par des longueurs d’onde aussi basses que 300 nm et aussi hautes que 800 nm (illustrées par la courbe de McCree), dont davantage sont capturées par le YPF.
Une approche holistique
Le YPF ne peut, bien entendu, pas exister seul. Il constitue un indicateur principal approprié pour donner une approximation des performances, ou pour déterminer grossièrement le bon produit et la bonne production afin d’atteindre une Intégrale de Lumière Quotidienne cible. Le PPF est utilisé comme chiffre de référence, mais ne tient pas compte du fait que différentes longueurs d’onde pourraient avoir un effet plus grand sur la croissance.
Les LED monochromatiques accentuent encore cette mesure ; avec de nombreuses puces bleues et rouges ciblant une plage étroite et spécifique de longueurs d’onde. Cela peut certes donner un PPF élevé, mais peut compromettre la solution d’éclairage, car toute dégradation différentielle entre les sources modifiera le spectre résultant au fil du temps.
Ce risque peut être réduit en utilisant des LED à large spectre avec phosphore, car la dégradation de la LED est déterminée par le seul émetteur de diode bleue. Surtout, les luminaires à large spectre comblent les lacunes entre les parties bleue et rouge du spectre, offrant une meilleure correspondance avec la lumière solaire naturelle. La lumière du soleil contient une gamme de longueurs d’onde dans tout le spectre visible, qui remplissent probablement une série de fonctions que nous ne comprenons pas encore entièrement.
Le YPF présente des lacunes, car la mesure originale est basée sur des lectures effectuées sur des segments de feuille individuelle dans des conditions contrôlées. Utilisé in situ, la lumière traversant une feuille peut encore bénéficier aux surfaces plus bas sur la plante ; ne considérer qu’un seul segment de feuille ignore donc la lumière qui le traverse.
C’est cependant mieux que de ne rien prendre en compte du tout. En ignorant les différences entre les longueurs d’onde, le PPF présente une caractéristique frustrante pour une mesure empirique : un PPF plus élevé ne signifie pas nécessairement un meilleur produit d’éclairage.
La collaboration entre le client et le fabricant/fournisseur d’éclairage LED est essentielle
Une grande partie de la responsabilité incombe aux prescripteurs, qui doivent mener des recherches et une planification dès les premières étapes d’un projet pour déterminer l’effet souhaité de l’éclairage sur le produit final. L’attention aux détails est primordiale, le type de plante et la réponse souhaitée devant être pris en compte lors du choix d’une solution d’éclairage. Un fabricant polyvalent devrait être disposé à travailler avec les producteurs pour déterminer et créer les spectres adaptés à leur culture et à l’objectif visé.
Pour comparer des produits, le YPF est un meilleur point de départ que le PPF, mais la production ne devrait être qu’un élément dans une approche holistique englobant une gamme de facteurs : spectre large ou étroit, photopériode, bénéfices qualitatifs tels que la saveur ou la couleur, et prise en compte des longueurs d’onde en dehors du PAR.
Il reste beaucoup à comprendre sur les réponses des plantes et la composition spectrale idéale pour différentes cultures et résultats souhaités. Combler l’écart entre la brochure produit et le spectre optimal devrait être un effort de collaboration entre le fournisseur et le client, mais la bonne mesure rapproche les prescripteurs du produit idéal pour leur besoin.
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Article rédigé par Toby Penter, Développement commercial chez INDO
Sources :
(1) Worldwide Horticulture Lighting Market [by segments (Hardware, Software, Services); by Deployment (Turnkey, Retrofit); by Environment (Indoor, Vertical, Greenhouse, Research); by Crop Type; by Regions]: Market Sizes and Forecasts (2018-2023)
(2) Ashdown, I 2018. ‘Far-Red Lighting and the Phytochromes’. MAXIMUM YIELD USA, Oct 2018, p. 60-66.
(3) Shinkle, J 2016. ‘BASIC PHOTOMORPHOGENESIS’. photobiology.info. Department of Biology, Trinity University, San Antonio. Available online: http://photobiology.info/Shinkle.html
(4) Nelson, J. A., & Bugbee, B. (2014). Economic Analysis of Greenhouse Lighting: Light Emitting Diodes vs. High Intensity Discharge Fixtures. PLoS ONE, 9(6), e99010. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0099010
(5) (Nelson, JA. 2014)
