Introducción

La luz juega un papel fundamental en el crecimiento vegetal. Es el mejor fertilizante para promover la absorción de clorofila y de diversas cualidades vegetales, como el caroteno. Sin embargo, el factor decisivo que determina el crecimiento de las plantas es un factor integral, no solo relacionado con la luz, sino también inseparable de la configuración del agua, el suelo y los fertilizantes, las condiciones ambientales de crecimiento y un control técnico exhaustivo.

En los últimos dos o tres años, se han publicado innumerables informes sobre la aplicación de la tecnología de iluminación de semiconductores en plantas tridimensionales o en su crecimiento. Sin embargo, tras una lectura atenta, siempre surge una sensación de inquietud. En general, no se comprende realmente el papel que debe desempeñar la luz en el crecimiento vegetal.

Primero, comprendamos el espectro solar, como se muestra en la Figura 1. Se puede observar que el espectro solar es continuo, donde los espectros azul y verde son más intensos que el rojo, y el espectro de luz visible oscila entre 380 y 780 nm. El crecimiento de los organismos en la naturaleza está relacionado con la intensidad del espectro. Por ejemplo, la mayoría de las plantas en la zona cercana al ecuador crecen muy rápido y, al mismo tiempo, su tamaño es relativamente grande. Sin embargo, la alta intensidad de la radiación solar no siempre es la mejor, y existe cierto grado de selectividad para el crecimiento de animales y plantas.

Figura 1, Características del espectro solar y su espectro de luz visible

En segundo lugar, en la Figura 2 se muestra el segundo diagrama de espectro de varios elementos de absorción clave del crecimiento de las plantas.

Figura 2, Espectros de absorción de varias auxinas en el crecimiento de las plantas.

En la Figura 2 se puede observar que los espectros de absorción de luz de varias auxinas clave que afectan el crecimiento vegetal difieren significativamente. Por lo tanto, la aplicación de luces LED para el crecimiento vegetal no es sencilla, sino muy específica. Aquí es necesario introducir los conceptos de los dos elementos fotosintéticos más importantes para el crecimiento vegetal.

• Clorofila

La clorofila es uno de los pigmentos más importantes relacionados con la fotosíntesis. Está presente en todos los organismos fotosintéticos, incluyendo las plantas verdes, las algas verdeazuladas procariotas (cianobacterias) y las algas eucariotas. La clorofila absorbe la energía de la luz, que luego se utiliza para convertir el dióxido de carbono en carbohidratos.

La clorofila a absorbe principalmente la luz roja, mientras que la clorofila b absorbe principalmente la luz azul-violeta, principalmente para distinguir las plantas de sombra de las plantas de sol. La proporción de clorofila b y clorofila a en las plantas de sombra es baja, por lo que estas plantas pueden aprovechar al máximo la luz azul y adaptarse al crecimiento en sombra. La clorofila a es azul-verde, mientras que la clorofila b es amarillo-verde. Existen dos fuertes absorciones de clorofila a y clorofila b: una en la región roja, con una longitud de onda de 630-680 nm, y la otra en la región azul-violeta, con una longitud de onda de 400-460 nm.

• Carotenoides

Los carotenoides son el término general para una clase de pigmentos naturales importantes, que se encuentran comúnmente en pigmentos amarillos, rojo anaranjado o rojos en animales, plantas superiores, hongos y algas. Hasta la fecha, se han descubierto más de 600 carotenoides naturales.

La absorción de luz de los carotenoides abarca el rango de OD303 a 505 nm, lo que proporciona el color a los alimentos y afecta la ingesta de alimentos. En algas, plantas y microorganismos, su color está cubierto por la clorofila y no puede aparecer. En las células vegetales, los carotenoides producidos no solo absorben y transfieren energía para facilitar la fotosíntesis, sino que también protegen las células de la destrucción por moléculas de oxígeno excitadas por enlaces de un solo electrón.

Algunos malentendidos conceptuales

Independientemente del efecto de ahorro energético, la selectividad y la coordinación de la luz, la iluminación semiconductora ha demostrado grandes ventajas. Sin embargo, debido al rápido desarrollo de los últimos dos años, también hemos observado numerosos malentendidos en el diseño y la aplicación de la iluminación, que se reflejan principalmente en los siguientes aspectos.

①Siempre que los chips rojo y azul de una determinada longitud de onda se combinen en una proporción determinada, se pueden utilizar en el cultivo de plantas, por ejemplo, la proporción de rojo a azul es 4:1, 6:1, 9:1, etc.

②Siempre que sea luz blanca, puede reemplazar la luz del sol, como el tubo de luz blanca de tres primarios ampliamente utilizado en Japón, etc. El uso de estos espectros tiene cierto efecto en el crecimiento de las plantas, pero el efecto no es tan bueno como el de la fuente de luz hecha por LED.

③Siempre que la densidad de flujo cuántico de luz (PPFD), un parámetro importante de la iluminación, alcance un índice determinado; por ejemplo, si es superior a 200 μmol·m⁻²·s⁻¹. Sin embargo, al utilizar este indicador, debe tenerse en cuenta si se trata de una planta de sombra o de sol. Es necesario consultar o encontrar el punto de saturación de compensación lumínica de estas plantas, también conocido como punto de compensación lumínica. En aplicaciones reales, las plántulas suelen quemarse o marchitarse. Por lo tanto, el diseño de este parámetro debe ajustarse a la especie de planta, el entorno de crecimiento y las condiciones.

En cuanto al primer aspecto, como se mencionó en la introducción, el espectro requerido para el crecimiento de las plantas debe ser continuo con una distribución de luz definida. Obviamente, no es apropiado utilizar una fuente de luz compuesta por dos chips de longitud de onda específica, rojo y azul, con un espectro muy estrecho (como se muestra en la Figura 3(a)). Experimentalmente, se observó que las plantas tienden a ser amarillentas y que los tallos de las hojas son muy claros y delgados.

En los tubos fluorescentes con tres colores primarios, comúnmente utilizados en años anteriores, si bien se sintetiza el blanco, los espectros de rojo, verde y azul están separados (como se muestra en la Figura 3(b)), y la amplitud del espectro es muy estrecha. La intensidad espectral de la siguiente parte continua es relativamente baja, y la potencia sigue siendo relativamente alta en comparación con los LED, con un consumo de energía de 1,5 a 3 veces superior. Por lo tanto, su eficacia no es tan buena como la de las luces LED.

Figura 3, Luz LED para plantas con chip rojo y azul y espectro de luz fluorescente de tres colores primarios

PPFD es la densidad de flujo cuántico de luz, que se refiere a la densidad de flujo de radiación efectiva de la luz en la fotosíntesis. Representa el número total de cuantos de luz que inciden en los tallos de las hojas de las plantas en el rango de longitud de onda de 400 a 700 nm por unidad de tiempo y unidad de área. Su unidad es μE·m⁻²·s⁻¹ (μmol·m⁻²·s⁻¹). La radiación fotosintéticamente activa (PAR) se refiere a la radiación solar total con una longitud de onda en el rango de 400 a 700 nm. Puede expresarse en cuantos de luz o en energía radiante.

Anteriormente, la intensidad de la luz reflejada por el iluminómetro se consideraba brillo, pero el espectro del crecimiento vegetal varía según la altura de la lámpara, la cobertura lumínica y si la luz puede atravesar las hojas. Por lo tanto, no es preciso utilizar la par como indicador de la intensidad de la luz en el estudio de la fotosíntesis.

Generalmente, el mecanismo de fotosíntesis se inicia cuando la PPFD de una planta que requiere sol es superior a 50 μmol·m⁻²·s⁻¹, mientras que la PPFD de una planta que requiere sombra solo necesita 20 μmol·m⁻²·s⁻¹. Por lo tanto, al comprar luces LED de cultivo, puede elegir la cantidad según este valor de referencia y el tipo de planta que plante. Por ejemplo, si la PPFD de una sola luz LED es de 20 μmol·m⁻²·s⁻¹, se requieren más de tres bombillas LED para cultivar plantas que requieren sol.

Varias soluciones de diseño de iluminación de semiconductores

La iluminación de semiconductores se utiliza para el crecimiento o la plantación de plantas y existen dos métodos de referencia básicos.

Actualmente, el modelo de plantación de interiores está muy de moda en China. Este modelo tiene varias características:

①La función de las luces LED es proporcionar el espectro completo de iluminación de las plantas, y se requiere que el sistema de iluminación proporcione toda la energía de iluminación, y el costo de producción es relativamente alto;
②El diseño de las luces LED de cultivo debe considerar la continuidad e integridad del espectro;
③Es necesario controlar eficazmente el tiempo de iluminación y la intensidad de la iluminación, como dejar que las plantas descansen durante algunas horas, la intensidad de la irradiación no es suficiente o demasiado fuerte, etc.
④Todo el proceso debe imitar las condiciones requeridas por el entorno de crecimiento óptimo real de las plantas al aire libre, como la humedad, la temperatura y la concentración de CO2.

Modo de plantación al aire libre con una buena base de cultivo en invernadero. Las características de este modelo son:

①La función de las luces LED es complementar la luz. Por un lado, aumenta la intensidad de la luz en las zonas azules y rojas bajo la luz solar durante el día para promover la fotosíntesis de las plantas, y por otro, compensa la falta de luz solar nocturna para promover el crecimiento de las plantas.
②La luz suplementaria debe tener en cuenta en qué etapa de crecimiento se encuentra la planta, como el período de plántula o el período de floración y fructificación.

Por lo tanto, el diseño de las luces LED para el cultivo de plantas debe contemplar dos modos básicos: iluminación 24 h (interior) e iluminación complementaria para el crecimiento de las plantas (exterior). Para el cultivo de plantas en interiores, el diseño de las luces LED debe considerar tres aspectos, como se muestra en la Figura 4. No es posible distribuir los chips con tres colores primarios en una proporción determinada.

Figura 4. La idea de diseño de utilizar luces LED de refuerzo para plantas de interior para iluminación las 24 horas.

Por ejemplo, para un espectro en etapa de vivero, considerando que necesita fortalecer el crecimiento de raíces y tallos, fortalecer la ramificación de hojas y la fuente de luz se utiliza en interiores, el espectro se puede diseñar como se muestra en la Figura 5.

Figura 5, Estructuras espectrales adecuadas para el período de vivero interior con LED

El diseño del segundo tipo de luz LED de cultivo se centra principalmente en complementar la luz para promover la siembra en la base del invernadero exterior. La idea de diseño se muestra en la Figura 6.

Figura 6, Ideas de diseño de luces de cultivo para exteriores 

El autor sugiere que más empresas de plantación adopten la segunda opción de utilizar luces LED para promover el crecimiento de las plantas.

En primer lugar, el cultivo en invernaderos al aire libre en China cuenta con décadas de experiencia, tanto en el sur como en el norte. Cuenta con una sólida base tecnológica y proporciona una gran cantidad de frutas y verduras frescas al mercado de las ciudades circundantes. Especialmente en el campo de la siembra con suelo, agua y fertilizantes, se han obtenido importantes resultados de investigación.

En segundo lugar, este tipo de solución de iluminación complementaria puede reducir considerablemente el consumo innecesario de energía y, al mismo tiempo, aumentar eficazmente la producción de frutas y verduras. Además, la vasta extensión geográfica de China facilita la promoción.

La investigación científica sobre la iluminación LED para plantas también proporciona una base experimental más amplia. La figura 7 muestra un tipo de luz LED de cultivo desarrollada por este equipo de investigación, apta para el cultivo en invernaderos, y su espectro se muestra en la figura 8.

Figura 7, Un tipo de luz LED de cultivo

Figura 8, espectro de un tipo de luz LED de cultivo

De acuerdo con las ideas de diseño anteriores, el equipo de investigación realizó una serie de experimentos, cuyos resultados fueron muy significativos. Por ejemplo, para la iluminación de cultivo en vivero, la lámpara original utilizada es una lámpara fluorescente de 32 W con un ciclo de vida de 40 días. Proporcionamos una luz LED de 12 W, que acorta el ciclo de germinación a 30 días, reduce eficazmente la influencia de la temperatura de las lámparas en el taller de germinación y ahorra energía del aire acondicionado. El grosor, la longitud y el color de las plántulas son mejores que con la solución original de germinación. También se obtuvieron buenas conclusiones de verificación para plántulas de hortalizas comunes, que se resumen en la siguiente tabla.

Entre ellos, el grupo de luz suplementaria presentó una PPFD de 70-80 μmol·m⁻²·s⁻¹ y una relación rojo-azul de 0,6-0,7. El rango de valores de PPFD diurnos del grupo natural fue de 40 a 800 μmol·m⁻²·s⁻¹, y la relación rojo-azul fue de 0,6 a 1,2. Se puede observar que los indicadores mencionados son mejores que los de las plántulas cultivadas de forma natural.

Conclusión

Este artículo presenta los últimos avances en la aplicación de luces LED de cultivo en el cultivo de plantas y señala algunos malentendidos al respecto. Finalmente, se presentan las ideas técnicas y los esquemas para el desarrollo de luces LED de cultivo para el cultivo de plantas. Cabe destacar que también hay factores que deben considerarse al instalar y usar la luz, como la distancia entre la luz y la planta, el rango de irradiación de la lámpara y cómo aplicar la luz con agua, fertilizante y tierra.

Autor: Yi Wang et al. Fuente: CNKI