Producción de Vegetales para Transplante para Bajo Ambiente Controlado con Luz Artificial para Invernaderos y Cultivado Protegido

Transcripción

1 Producción de Vegetales para Transplante para Bajo Ambiente Controlado con Luz Artificial para Invernaderos y Cultivado Protegido Ricardo Hernández Chieri Kubota The University of Arizona Postdoctoral Research Associate School of Plant Sciences The University of Arizona

2 Unidad de Luz y Terminología Radiación Fotones Luz visible Base unidad Energía (J) Fotones (mol) Intensidad lumínica (cd) Flujo [cantidad total recibida o emitida por tiempo] Flujo radiante (J s -1 ) o (W) Flujo de fotones (mmol s -1 ) Flujo lumínico (lm) Densidad de flujo [cantidad total recibida por área por tiempo] Densidad de flujo radiante (W m -2 ) Flujo de fotón (densidad) (mmol m -2 s -1 ) Iluminancia, densidad de flujo (lux) o (lm m -2 ) (fc) o (lm ft -2 ) Densidad de flujo fotosintética [ cantidad total que potencialmente impulsa fotosíntesis] PAR (densidad de flujo radiación activa fotosintética e) (W m -2 ) PPF (flujo de fotón fotosintético (densidad)) (mmol m -2 s -1 ) No aplicable Courtesy of C. Kubota

3 UV Azul Verde Rojo Rojo Extremo El espectro completo de la luz solar es de 300 a 3000nm! ( radiación en nm es nada, solo calor)

4 Fotosíntesis vegetal Fotosíntesis Foliar Radiación Fotosintética Activa (PAR, nm) UV Azul Verde Rojo Rojo Extremo Radiación de Plantas Biológicamente activas ( nm)

5 Luz Diaria Integral (DLI o PPF Diario) Cantidad total de radiación fotosintética activa ( nm) recibida por metro cuadrado por día Unidad: mol por metro cuadrado por día (mol m -2 d - 1 ) Bajo condiciones óptimas, crecimiento vegetal esta altamente correlacionado con DLI DLI = Crecimiento potencial 1% de luz= 1% de rendimiento icea luz a 300 mmol m -2 s -1 por 16 horas DLI = 300 x 3600 x 16 = 17,280,000 mmol m -2 d -1 = mol m -2 d -1 (Runkle 2006)

6 Luz Integral Diaria December March mol m 2 d 1 September July De Lighting up profits 6

7 Luz Integral Diaria - Panamá December March mol m 2 d 1 September July De Lighting up profits 7

8 Luz Suplementaria Luz suplementaria en Invernadero es usada en áreas geográficas y temporadas en donde la luz solar es el factor limitante para producir. Baja Luz Integral (DLI). Martine Dorais Ag and Agri-Food Canada, Laval University 8

9 LEDs para producción vegetal LEDs Estado sólido Baja temperatura de operación Robusto Potencia selectiva de espectro Eficienciad de conversión de electricidad a luz (incrementando)

10 LEDs para plantas Con el continuo aumento de diodos emisores de luz (LEDs) eficiencias de conversión energía a fotón, LEDs ahora son una fuente viable de luz para producción compacta de planta bajo condiciones de tipo cerrado. Lámparas Flujo de fotón/w (µmol s -1 W -1 ) o (µmol J -1 ) fluorescente * LED (rejo) LED (azul) ** HPS *** * Estimado de lumens convertido a fotones por factores reportado by Thimijan and Heins (1983) **Philips catálogo y Nelson and Bugbee (2013) ***Philips catálogo data para lámpara HPS (600 W GreenPower)

11 flux LEDs para producción vegetal Haitz and Tsao, 2011 HAITZ, R. & TSAO, J. Y Solid-state lighting: The case 10 years after and future prospects. physica status solidi (a), 2008,

12 Investigación en University of Arizona- Fase I Objetivo Probar diferentes ratios de flujo de fotón de LEDs suplementaria Azul: Rojo para el crecimiento y desarrollo de vegetales trasplantados. Hipótesis Semillas de vegetales responden diferente a varios ratios de flujo de fotón de Azul: Rojo bajo diferentes condiciones solares de Luz Diaria Integral (DLI).

13 Materiales & métodos Prueba de diferentes radios de Rojo: Azul, proporcionando 55 μmol m -2 s -1 para 18 horas = 3.54 mol m -2 d -1 de luz LED suplementaria.. Azul = 455 nm, Rojo = 661 nm tratamiento tratamiento tratamiento control 100% 4% 96% 84% 16% NO SUPPLEMENTAL N LIGHT Ensayo bajo diferentes DLIs Control de la radiación solar con el uso de diferentes telas de sombra 13

14 Materiales & métodos Komeett Cumlaude Cantidad de hojas Materia húmeda Materia seca Clorofila Fotosíntesis Altura de Planta Largo del hipocótilo Largo de epicótilo Diámetro del tallo Área foliar 14

15 Materiales & métodos 15

16 Shoot dry mass (g) Fase I: Resultados Efectos de Luz LED suplementaria Peso seco de brotes de plántulas de DRY MASS RESPONSE pepino (16 días después de siembra) DRY MASS RESPONSE control control LED supplement LED supplement Shoot dry mass (g) Shoot dry mass (g) P < P < High DLI High DLI SOLAR DAILY LIGHT INTEGRAL SOLAR DAILY LIGHT INTEGRAL Low DLI Low DLI Hernández and Kubota (2014)

17 Fase I: Resultados Efectos del ratio de luz LED suplementaria A:R 55 μmol m -2 s -1 de luz suplementaria, DLI alto= y DLI bajo = 5-9 mol m -2 d -1 Crecimiento de plántulas de tomate y pimiento ( ambos DLIs) & plántulas de pepino ( alto DLI) 100% 4% = = 96% 84% 16% Crecimiento de plántulas de pepino(bajo DLI) 100% 4% > > 96% 84% 16% Cucumber Bajo condiciones de bajo DLI solar, masa seca, número de hojas, y área foliar disminuyen con el aumento de flujo de fotón azul para plántulas de pepino. Flujo de fotón azul Hernández and Kubota (2014)

18 Conclusión Fase I Luz LED suplementaria mejoró el crecimiento vegetal aún bajo condiciones DLI solar en altura de fondo. Luz LED suplementaria rojo al 100% es recomendada para plántulas de pepino y es aceptable para plántulas de tomate y pimiento. [No hay necesidad de considerar incluir luz azul bajo el rango de DLI solar examinado (5-23 mol m -2 d -1 ] Bajo DLI solar menor (0-5 mol m -2 d -1 ) o cuando luz LED contribuye a la mayoría del DLI, la adición de luz azul se piensa que va a ser más crítica. Respuestas a calidad de la luz LED son específicas en cada especie.

19 Investigación en University of Arizona- Fase 2 Objetivo Cuantificar las respuestas de las plantas en vegetales trasplantados bajo el crecimiento uno alado del otro con luz suplementaria LED y HPS Comparar efiencia eléctrica entre luz suplementaria LED y HPS Hipótesis Vegetales trasplantados bajo luz suplementaria HPS tendrán más materia seca, y mayor altura de planta que plantas bajo luz suplementaria LED.

20 Materiales y Métodos: tratamientos Ensayo con diferentes tecnologías de luces que proveen 60 μmol m -2 s horas= 3.9 mol m -2 d -1 de luz suplementaria. Tratamiento LED- Roja Tratamiento LED- Azul Tratamiento HPS 600W 5% 100% 100% 53% 42% Rojo= máximo 632 nm Azul = máximo 443 nm

21 Luz suplementaria LED vs HPS

22 Fase II: Resultados Crecimiento y Energía LED vs. HPS luz suplementaria Crecimiento de las plantas ( biomasa) para tomate, pepino y pimiento ( exceptuando algunos cultivares): 20-30% más bajo HPS ( por el aumento de temperatura foliar(+1.0 C) 5% 100% = 100% < 53% 42% LEDs Roja LEDs Azul HPS (Hernandez and Kubota 2014; 2015)

23 Resultados: morfología P < % 100% Azul HPS 100% rojo 23

24 Comparación injusta del consumo de energía de LEDs vs. HPS en pequeña escala en laboratorio Luz eléctrica tradicional (eg, HPS) Luz Led

25

26 Estimación de uso de energía (LEDs y HPS reportado con eficiencia de conversión de luz para 1 ha a escala comercial a uso de 57 mmol m -2 s -1 ) Consumo de Energía por Área (W m -2 ) Efiencia de Crecimento de Elementos (g kwh -1 ) Tipo de lámpara Fotones efectivos (% sobre total) Eficiencia de Conversión de PAR (mmol J -1 ) Consumo de Energía por Área x (W m -2 ) Eficiencia de Crecimiento de Elementos (Pepino, sdli = 4) (g kwh -1 ) LEDs Rojo 85% 1.7 z LEDs Azul 85% 1.9 z HPS 600 W 81% 1.6 y z Nelson and Bugbee (2014); y Manufacturer catalogue value x Aldrich and Bartock (1994) with some modifications Hernández and Kubota (2015)

27 Conclusión Fase II Una mejora en el crecimiento bajo luz HPS fue observado en todas las especies examinadas, principalmente por el incremento de la transferencia de calor radiativa entre la lámpara y plantas. Respuestas a la calidad de luz LED fue específico para especies y cultivares. Luz suplementaria 100% roja y 100% azul puede tener aplicaciones específicas para controlar la morfología, respectivamente del pepino y pimento,

28 Nueva Aplicación de LED Fin-Del-Día Tratamiento de Luz roja Lejana Fotobiología clásica (respuesta de fitocromo) Calidad de luz al final del día ( fotoperiodo) determina la elongación del tallo durante la noche sucesiva ( periodo de oscuridad) Luz roja lejana de Fin Del Día (EOD) >> Plantas más altas Efectiva a intensidad de luz MUY baja. Respuestan dependen de la calidad de luz (i.e.,p fr /P total ) Control potencial no químico de tallo o elongación del hipocótilo

29 EOD-FR Aplicación para Patrones en Vegetales Largo de hipocótilo adecuado para injertar patrón de pepino es de ~7 cm. Hipocótilos más largos son necesitados para injertos en vegetales ( patrón) Mayor velocidad para injertar Manteniendo uniones de injertos por arriba de la hilera cuando son trasplantados Adecuado para producción de esquejes

30 Squash hypocotyl (mm) Tratamiento con la calidad de luz del Fin Del Día para controlar morfología de plántulas vegetales en invernadero Dosis de Rojo lejano EOD ( mmol/m 2 /d) Patrón de plántula de tomate Dosis de Rojo lejano EOD ( mmol/m 2 /d) ~3 mmol/m 2 /s por 24 min Patrón de plántula de calabacín Dosis de Rojo lejano EOD (mmol/m 2 /d) (Chia and Kubota, 2010; Kubota et al., 2011)

31 Producción de plantas bajo sistema de tipo cerrado ( Mirai Co., Ltd., Japan) (bergearth co.,ltd., Japan)

32 Exclusiva fuente de luz artificial Greenhouse operation: Deliscious; Greenhouse manufacturer: Certhon. Photo Credit: Philips Lighting

33 Calidad del Espectro para Crecimiento de Plantas Experimentos de la calidad de luz en ambiente cerrado demostraron que la luz roja suplementada con luz azul es óptima para el crecimiento de plantas. Goins G. D. et.al (1997) demostró un incremento en brotes de materia seca de trigo y relación de Pn de 1% azul a 10% azul. Matsuda R. et. al (2004) reportó una relación de Pn mayor y mayor contenido de N en hojas de arroz bajo 20% de azul en comparación a todas las LEDs roja. Hyeon-Hye K. et.al (2004) demostró niveles comparables de conducción en estomas, y brotes de materia seca de lechuga comparando 16% de B con lámparas CWF. Hogewoning S. W. et. al (2010). Concluyó que 7% de luz azul era suficiente para prevenir disfunción Pn en pepino. También reportaron un aumento de la capacidad Pn con el incremento de la relación de azul hasta 50%.

34 Objetivos Evaluar la tecnología LED para la producción de vegetales de trasplante Para evaluar diferentes relaciones de flujo de fotones rojo y azul, usando LEDs para la producción de vegetales de trasplante. 34

35 Materiales & métodos: Tratamientos Ensayo con diferentes ratios de flujo de fotón Azul: Rojo, proveyendo 100 μmol m -2 s -1 por 18 horas = 6.5 mol m -2 d -1 de luz eléctrica LED. Azul = 455 nm, Rojo = 661 nm 35

36 Materiales & métodos: Tratamientos 36

37 Material vegetal y parámetros Pepino Cumlaude Tomate Komeett y Beaufort Air T (all treatments) Canopy Air T (all treatments) Light PPF RH Cantidad de hojas Materia húmeda Materia seca Clorofila Fotosíntesis Altura de Planta Largo del hipocótilo Largo de epicótilo Diámetro del tallo Área foliar 37

38 (g) Results: Cucumber B:R PF ratio P< Hernández, R., Kubota, C submitted: Environmental and Experimental Botany

39 Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul P= Similar result with g s and chlorophyll concentration 39 Hernández, R., Kubota, C submitted: Environmental Hogewoning and Experimental S. W. et. (2010) Botany

40 Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul P< Hernández, R., Kubota, C submitted: Environmental and Experimental Botany

41 Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul P< Hernández, R., Kubota, C submitted: Environmental and Experimental Botany

42 Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul 0B 10B 20B CWF 30B 50B 75B 100B Porcentaje Azul 42

43 Discusión Pn por si solo no es siempre un buen indicador para crecimiento de planta Tasa Relativa de Crecimiento = Tasa Neta de Asimilación x Ratio del Área Foliar 43

44 Plántulas de tomate Komeett y Beaufort

45 Resultados: Tomato Komeett ratio FF A:R P <

46 Resultados: Tomato Komeett ratio FF A:R P <

47 Resultados: Tomato Komeett ratio FF A:R P <

48 Discusión: Tomato Komeett ratio FF A:R Largo del hipocótilo: disminuye con el aumento % FF azul, excepto para el tratamiento 100% azul. 75% azul ha tenido el hipocótilo más corto y 0%, el más largo. Materia seca del Brote : aumenta con el incremento del % FF azul de 30-50% azul. 30% a 50% azul ha sido el brote de materia seca más grande.

49 Agradecimientos Chieri Kubota University of Arizona Murat Kacira University of Arizona Gene Giacomelli University of Arizona Mark Kroggel University of Arizona Neal Barto University of Arizona USDA/NIFA/SCRI Grant