L’illuminazione per l’orticoltura non è certo una novità; tuttavia il LED sta portando un cambiamento radicale nel settore, consentendo ai coltivatori di modulare e affinare le intensità spettrali in modi del tutto impensabili con le tecnologie precedenti.
Eppure, mentre la tecnologia avanza, le misure utilizzate per presentare e confrontare i prodotti stanno davvero guidando i coltivatori nella giusta direzione?
L’illuminazione per l’orticoltura è un settore in rapida crescita; alcuni esperti prevedono che il mercato raggiungerà £4,85 miliardi entro il 2023. Grandi progetti illuminotecnici sono in corso sia in ambito nazionale sia nei mercati internazionali, con il progetto di serre di Lyudinovo in Russia come esempio più significativo, che a completamento utilizzerà circa 240.000 corpi illuminanti.
L’illuminazione LED, in progetti di qualsiasi dimensione, ha dimostrato di:
- aumentare le rese;
- migliorare la stabilità delle colture e la resistenza ambientale;
- fornire tempi di crescita più prevedibili;
- risparmiare energia; e
- ridurre i costi
Sono stati osservati anche benefici qualitativi, come una maggiore pigmentazione cromatica e un’alterazione del sapore. I progressi nella tecnologia LED consentono una targetizzazione spettrale ancora più precisa e un’efficienza in costante aumento, ampliando il divario tra il LED e le tecnologie precedenti.
Come si misura attualmente l’illuminazione per le piante?
Le piante utilizzano la luce all’interno di una porzione dello spettro elettromagnetico per la fotosintesi, denominata Radiazione Attiva Fotosintetica (PAR). Il PAR copre lunghezze d’onda visibili comprese tra 400 nm e 700 nm, ed è questo che definisce le nostre misurazioni.
La principale misura di resa luminosa, e lo standard industriale consolidato, è il Flusso Fotonico Fotosintetico (PPF), che esprime semplicemente la quantità di fotoni PAR prodotti al secondo.
L’altra misura chiave oggi in uso è la Densità di Flusso Fotonico Fotosintetico (PPFD), ovvero il numero di fotoni PAR che cadono su un metro quadrato al secondo. Questi concetti si possono ricondurre abbastanza agevolmente alle basi di un illuminotecnico:
- il PAR corrisponde grosso modo alla porzione di luce visibile dello spettro elettromagnetico
- il PPF è collegato alla potenza radiante (tra 400 nm e 700 nm)
- il PPFD corrisponde grosso modo all’illuminamento, ma senza la ponderazione V(λ)
Il PAR definisce la luce che ci interessa, il PPF è la quantità di quella luce che fuoriesce dalla sorgente, e il PPFD è la quantità di quella luce su un metro quadrato di superficie di coltivazione.
Perché occorre usare il PPF con cautela come misura?
Sebbene il PPF presenti punti di forza come unità di misura, essendo semplice da comprendere, facile da misurare e ampiamente diffuso, ha comunque dei limiti;
Si misura solo la quantità di luce, non il tipo, né la qualità
Diventa sempre più evidente che la qualità della luce è un fattore determinante per la coltivazione di qualsiasi coltura, mentre la quantità è solo una parte del quadro. I tassi di assorbimento, la risposta fotosintetica e le risposte non fotosintetiche potrebbero non essere ancora presi in considerazione.
Mentre il settore si concentra sul PPF per Watt, riteniamo che questo approccio possa avere effetti negativi sulle velocità di crescita, anziché benefici.
Gli specifier che si concentrano sul PPF/W come criterio di selezione stanno, in un certo senso, influenzando lo sviluppo di nuovi corpi illuminanti, spingendo i produttori a utilizzare una maggiore componente rossa, poiché un fotone rosso può essere prodotto con meno energia di uno blu.
È ampiamente riconosciuto che una sorgente luminosa puramente rossa produrrebbe una crescita molto scarsa, pur avendo un PPF/W molto elevato: questo dimostra che il parametro PPF/W non è sufficiente per valutare le prestazioni di un prodotto e può ostacolare la scelta di una soluzione più adatta.
Quando il PPF viene utilizzato come dato principale per l’output di un’unità, ciò rappresenta in modo fuorviante l’utilità reale di una sorgente luminosa. Ignorando le reali esigenze delle piante, un’unità LED può sembrare altamente efficiente, pur garantendo una crescita effettiva inferiore rispetto a una soluzione più mirata.
Un parallelo con l’alimentazione
Il limite del PPF nel non tenere conto della qualità della luce è analogo al limite delle calorie nel non poter indicare una dieta sana. Se due individui consumassero 2.000 calorie di cibo, ciascuno avrebbe assunto la stessa quantità di energia in base al contenuto calorico.
Tuttavia, se uno dei due avesse ricevuto 2.000 calorie da un’alimentazione equilibrata e l’altro da un singolo alimento (il burro, per esempio), il valore nutrizionale, la capacità di ricavarne energia e, in definitiva, la salute del singolo sarebbero molto diversi nei due casi.
Considerare le due diete equivalenti sarebbe chiaramente errato e fuorviante, eppure è esattamente ciò che accade quando ci si concentra sul parametro PPF per la selezione dei corpi illuminanti.
Trovare una misura migliore
I coltivatori dispongono di altre misure che tengono maggiormente conto della sensibilità fotosintetica di una pianta.
Il Flusso Fotonico di Resa (YPF) è una di queste
YPF è un sistema ponderato che misura il valore di una determinata lunghezza d’onda di luce rispetto alla risposta fotosintetica che la coltura è probabile manifesti. Mentre nel PPF tutti i fotoni hanno lo stesso peso, lo YPF considera l’efficienza fotosintetica relativa delle diverse lunghezze d’onda, attribuendo un peso minore alla luce meno utile.
Il concetto di rapporti S/P offre un’indicazione dell’utilità di una sorgente luminosa in diverse condizioni di illuminazione, applicando questo stesso principio di ponderazione. L’occhio umano ha due curve di risposta: una per la visione fotopica (V(λ)), ovvero la visione diurna, e un’altra per la visione scotopica (V'(λ)), ovvero la visione notturna; i rapporti S/P ponderano la risposta a questi diversi tipi di luce per determinare l’utilità di una sorgente in diverse applicazioni.
Un prodotto che garantisce buoni livelli di illuminazione in condizioni fotopiche potrebbe non farlo in condizioni scotopiche, e viceversa. Allo stesso modo, un prodotto può avere una buona risposta PPF ma una scarsa risposta YPF, poiché le curve di risposta delle due misure differiscono.
Mentre il PPF misura i fotoni all’interno del PAR, lunghezze d’onda comprese tra 400 nm e 700 nm, lo YPF considera un intervallo più ampio, esaminando le emissioni della sorgente fino a 360 nm (Blu Profondo) e fino a 760 nm (Rosso Lontano). Queste lunghezze d’onda aggiuntive comprendono luce con effetti osservabili sulla crescita delle piante, con lunghezze d’onda superiori a 700 nm utili in piccole quantità per favorire piante più alte e simulare le condizioni di luce crepuscolare, usate per impostare i ritmi circadiani, con caratteristiche desiderabili osservate in alcune piante.
Una pianta all’ombra, in natura, riceverebbe più luce Rosso Lontano e reagirebbe a quello stimolo per orientare la crescita. Alcune piante che naturalmente si trovano sotto la chioma si aspettano un rapporto Rosso Lontano/Rosso superiore alla media e reagiranno negativamente a uno spettro che non include abbastanza luce Rosso Lontano.
Alcune risposte alla Sindrome di Evitamento dell’Ombra sono desiderabili per i coltivatori; a quantità maggiori, la luce oltre i 700 nm può essere usata per indurre deliberatamente la Sindrome di Evitamento dell’Ombra, che favorirà una fioritura rapida e una crescita più compatta in alcune piante, migliorando potenzialmente la robustezza.
Il PPF perde le sfumature di queste risposte delle piante, considerando solo la luce all’interno del PAR, e da solo non può fornire il quadro completo. Noti come fotomorfogenesi, i processi più ampi per il controllo dello sviluppo di una pianta sono influenzati da lunghezze d’onda da 300 nm fino a 800 nm (mostrate dalla Curva di McCree), delle quali una parte maggiore è catturata dallo YPF.
Un approccio olistico
Lo YPF, naturalmente, non può esistere in isolamento. È un’indicazione principale adeguata per approssimare le prestazioni o per determinare approssimativamente il prodotto e l’output giusti per raggiungere un Integrale di Luce Giornaliero prefissato. Il PPF viene usato come dato principale, ma non tiene conto del fatto che diverse lunghezze d’onda potrebbero avere un effetto maggiore sulla crescita.
I LED monocromatici spostano ulteriormente questa misura; con molti chip blu e rossi che targetizzano un intervallo specifico e ristretto di lunghezze d’onda. Pur garantendo un PPF elevato, questo può compromettere la soluzione illuminotecnica, poiché qualsiasi degrado differenziale tra le sorgenti altererà lo spettro risultante nel tempo.
Questo rischio può essere ridotto utilizzando LED a spettro ampio con fosforo, poiché il degrado del LED è determinato solo dall’emettitore a die blu. È importante notare che i corpi illuminanti a spettro ampio colmano le lacune tra le parti blu e rossa dello spettro, offrendo una migliore corrispondenza con la luce solare naturale. La luce solare contiene un’ampia gamma di lunghezze d’onda nello spettro visibile, le quali svolgono probabilmente una serie di funzioni che non comprendiamo ancora del tutto.
Lo YPF presenta limitazioni, poiché la misura originale si basa su letture eseguite su singoli segmenti fogliari in condizioni controllate. In uso reale, la luce che attraversa una foglia può ancora apportare benefici alle superfici più in basso nella pianta; considerare solo un singolo segmento fogliare ignora quindi la luce che vi passa attraverso.
Tuttavia, questo approccio è comunque migliore di non considerare nulla. Ignorando le differenze tra le lunghezze d’onda, il PPF ci presenta una caratteristica frustrante per una misura empirica: un PPF più alto non significa necessariamente un prodotto illuminotecnico migliore.
La collaborazione tra cliente e produttore/fornitore di illuminazione LED è fondamentale
Gran parte della responsabilità ricade sugli specifier, che devono condurre ricerche e pianificazioni nelle fasi iniziali di un progetto per determinare l’effetto desiderato dell’illuminazione sul prodotto finale. L’attenzione ai dettagli è determinante, con il tipo di pianta e la risposta prevista da tenere in considerazione nella scelta di una soluzione illuminotecnica. Un produttore versatile dovrebbe essere disponibile a collaborare con i coltivatori per determinare e sviluppare gli spettri progettati per la loro coltura e il risultato desiderato.
Nel confronto tra prodotti, lo YPF è un punto di partenza migliore del PPF, ma l’output dovrebbe essere un elemento all’interno di un approccio olistico che comprenda una serie di fattori: spettro ampio rispetto a spettro ristretto, fotoperiodo, benefici qualitativi come il sapore o il colore, e la considerazione delle lunghezze d’onda al di fuori del PAR.
Molto rimane ancora da comprendere sulle risposte delle piante e sulla composizione spettrale ideale per le diverse colture e i risultati desiderati. Colmare il divario tra il depliant del prodotto e lo spettro ottimale dovrebbe essere uno sforzo collaborativo tra fornitore e cliente, ma la misura giusta avvicina gli specifier al prodotto ideale per le loro esigenze.
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Articolo redatto da Toby Penter, Business Development di INDO
Fonti:
(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. Disponibile 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)
