producción de vegetales para transplante para bajo...

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

Unidad de Luz y TerminologíaRadiación 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

El espectro completo de la luz solar es de 300 a 3000nm! (

radiación en 800- 3000nm es nada, solo calor)

UV Azul Verde Rojo Rojo Extremo

Radiación Fotosintética Activa

(PAR, 400-700 nm)

Radiación de Plantas Biológicamente activas (300-800 nm)

UV Azul Verde Rojo Rojo

Extremo

Fotosíntesis Foliar

Fotosíntesis vegetal

Luz Diaria Integral (DLI o PPF Diario)

• Cantidad total de radiación fotosintética activa (400-700 nm) recibida por metro cuadrado por día

• Unidad: mol por metro cuadrado por día (mol m-2 d-

1)

• Bajo condiciones óptimas, crecimiento vegetal estaaltamente correlacionado con DLI

• DLI = Crecimiento potencial

• “1% de luz= 1% de rendimiento”

(Runkle 2006)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 = 17.28 mol m-2 d-1

mol m‐2 d‐1

December March

September July

6De “Lighting up profits”

Luz Integral Diaria

mol m‐2 d‐1

December March

September July

7De “Lighting up profits”

Luz Integral Diaria - Panamá

Luz Suplementaria

• Luz suplementaria en Invernadero es usada en áreasgeográficas y temporadas en donde la luz solar es el factor limitante para producir. “ Baja Luz Integral (DLI)”.

Martine DoraisAg and Agri-Food Canada, Laval University

8

LEDs • Estado sólido• Baja temperatura de

operación• Robusto• Potencia selectiva de

espectro• Eficienciad de

conversión de electricidad a luz (incrementando)

LEDs para producción vegetal

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 0.8-1.5*

LED (rejo)

1.6-2.3**LED (azul)

HPS 1.5-1.85***

* 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)

HAITZ, R. & TSAO, J. Y. 2011. Solid-state lighting: ‘The case’ 10 years after and future prospects. physica status solidi (a), 2008, 17-29.

LEDs para producción vegetal

Haitz and Tsao, 2011

flu

x

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 variosratios de flujo de fotón de Azul: Rojo bajo diferentescondiciones solares de Luz Diaria Integral (DLI).

Materiales & métodos

Prueba de diferentes radios de Rojo: Azul, proporcionando 55μmol m-2 s-1 para 18 horas = 3.54 mol m-2 d-1 de luz LED suplementaria..

100%

4%

96%

16%

84%

N

NO SUPPLEMENTAL

LIGHT

Ensayo bajo diferentes DLIs• Control de la radiación solar con el uso de diferentes telas

de sombra

tratamiento tratamiento tratamiento control

13

Azul = 455 nm, Rojo = 661 nm

‘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

Materiales & métodos

15

Materiales & métodos

0.2 0.25

0.3 0.35

0.4 0.45

0.5 0.55

0.6 0.65

0.7

High DLI Low DLI

Sho

ot

dry

mas

s (g

)

SOLAR DAILY LIGHT INTEGRAL

DRY MASS RESPONSE

control LED supplement

P < 0.0001

0.2 0.25

0.3 0.35

0.4 0.45

0.5 0.55

0.6 0.65

0.7

High DLI Low DLI

Sho

ot

dry

mas

s (g

)

SOLAR DAILY LIGHT INTEGRAL

DRY MASS RESPONSE

control LED supplement

0.2 0.25

0.3 0.35

0.4 0.45

0.5 0.55

0.6 0.65

0.7

High DLI Low DLI

Sho

ot

dry

mas

s (g

)

SOLAR DAILY LIGHT INTEGRAL

DRY MASS RESPONSE

control LED supplement

P < 0.0001

Efectos de Luz LED suplementaria

Fase I: Resultados

Hernández and Kubota (2014)

Peso seco de brotes de plántulas de pepino (16 días después de siembra)

100%

4%

96%

16%

84%

Crecimiento de plántulas de tomate y pimiento ( ambos DLIs) & plántulas de pepino ( alto DLI)

100%

4%

96%

16%

84%

Crecimiento de plántulas de pepino(bajo DLI)

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

Cucumber

55 μmol m-2 s-1 de luz suplementaria, DLI alto= 16-23 y DLI bajo = 5-9 mol m-2 d-1

Efectos del ratio de luz LED suplementaria A:R

Fase I: Resultados

= =

Hernández and Kubota (2014)

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 recomendadapara plántulas de pepino y es aceptable para plántulasde 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 encada especie.

• 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.

Investigación en University of Arizona- Fase 2

Materiales y Métodos: tratamientos

Ensayo con diferentes tecnologías de luces que proveen 60 μmol m-2 s-1 18 horas= 3.9 mol m-2 d-1 de luz suplementaria.

100% 100%

TratamientoLED- Roja

TratamientoLED- Azul

TratamientoHPS 600W

Azul = máximo 443 nmRojo= máximo 632 nm

53%42%

5%

Luz suplementaria LED vs HPS

<

LED vs. HPS luz suplementariaFase II: Resultados – Crecimiento y Energía

100% 100%53%

42%

5%

HPSLEDs Roja LEDs Azul

=

Crecimiento de las plantas ( biomasa) para tomate, pepinoy pimiento ( exceptuando algunos cultivares): 20-30% másbajo HPS ( por el aumento de temperatura foliar(+1.0°C)

(Hernandez and Kubota 2014; 2015)

23

Resultados: morfología

100% Azul HPS 100% rojo

38%

P < 0.0001

Comparación injusta del consumo de energía de LEDs vs. HPS en pequeña escalaen laboratorio

Luz Led

Luz eléctrica tradicional(eg, HPS)

Consumo de Energía por Área (W m-2) Efiencia de Crecimento de Elementos(g kWh-1)

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)

Hernández and Kubota (2015)

Tipo de lámpara

Fotonesefectivos(% sobre

total)

Eficiencia de Conversión de

PAR(mmol J-1)

Consumo de Energía por

Áreax

(W m-2)

Eficiencia de Crecimiento de

Elementos (Pepino,

sDLI = 4)

(g kWh-1)

LEDs Rojo 85% 1.7z 39 3.0

LEDs Azul 85% 1.9z 35 3.3

HPS 600 W 81% 1.6y 43 3.5z Nelson and Bugbee (2014); y Manufacturer catalogue valuex Aldrich and Bartock (1994) with some modifications

Conclusión Fase II

• Una mejora en el crecimiento bajo luz HPS fueobservado en todas las especies examinadas, principalmente por el incremento de la transferenciade 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 teneraplicaciones específicas para controlar la morfología, respectivamente del pepino y pimento,

Nueva Aplicación de LEDFin-Del-Día Tratamiento de Luz roja Lejana

• Fotobiología clásica (respuesta de fitocromo)

• Calidad de luz al final del día ( fotoperiodo) determinala 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.,Pfr/Ptotal)

• Control potencial no químico de tallo o elongación del hipocótilo

EOD-FR Aplicación para Patrones en Vegetales• Hipocótilos más largos son

necesitados para injertos envegetales ( patrón)

• Mayor velocidad para injertar

• Manteniendo uniones de injertos porarriba de la hilera cuando son trasplantados

• Adecuado para producción de esquejesLargo de hipocótilo adecuadopara injertar patrón de pepino es de ~7 cm.

Tratamiento con la calidad de luz del Fin Del Día para controlarmorfología de plántulas vegetalesen invernadero

Patrón de plántula de tomate

Patrón de plántula de calabacín

Dosis de Rojo lejano EOD (0 – 9000 mmol/m2/d)

(Chia and Kubota, 2010; Kubota et al., 2011)

Dosis de Rojo lejano EOD (mmol/m2/d)

Squ

ash

hyp

oco

tyl (

mm

)

Dosis de Rojo lejano EOD (0 – 9000 mmol/m2/d)

~3 mmol/m2/s por 24 min

Producción de plantas bajo sistema de tipo cerrado

(bergearth co.,ltd., Japan)( Mirai Co., Ltd., Japan)

Greenhouse operation: Deliscious; Greenhouse manufacturer: Certhon. Photo Credit: Philips Lighting

Exclusiva fuente de luz artificial

• 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 enhojas 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 Pncon el incremento de la relación de azul hasta 50%.

Calidad del Espectro para Crecimiento de Plantas

Experimentos de la calidad de luz en ambientecerrado demostraron que la luz roja suplementadacon luz azul es óptima para el crecimiento de plantas.

Objetivos

Evaluar la tecnología LED para la producción de vegetales de trasplante

Para evaluar diferentes relaciones de flujo de fotonesrojo y azul, usando LEDs para la producción de vegetales de trasplante.

34

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.

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Azul = 455 nm, Rojo = 661 nm

36

Materiales & métodos: Tratamientos

Material vegetal y parámetros

Pepino ‘Cumlaude’ Tomate ‘Komeett’ y‘Beaufort’

• Cantidad de hojas

• Materia húmeda

• Materia seca

• Clorofila

• Fotosíntesis

• Altura de Planta

• Largo del hipocótilo

• Largo de epicótilo

• Diámetro del tallo

• Área foliar

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• Air T (all treatments)• Canopy Air T (all treatments)• Light PPF• RH

38

P<0.0001

Hernández, R., Kubota, C. 2015 submitted: Environmental and Experimental Botany

Results: Cucumber B:R PF ratio(g

)

Hogewoning S. W. et. al (2010)39

Similar result with gs and chlorophyll concentration

P=0.0249

Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul

Hernández, R., Kubota, C. 2015 submitted: Environmental and Experimental Botany

40

Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul

P<0.0001

Hernández, R., Kubota, C. 2015 submitted: Environmental and Experimental Botany

41

P<0.0001

Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul

Hernández, R., Kubota, C. 2015 submitted: Environmental and Experimental Botany

42

Porcentaje Azul

0B 10B 20B CWF 30B 50B 75B 100B

Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul

Discusión

• Pn por si solo no es siempre un buen indicador para crecimiento de planta

43

Tasa Relativa de Crecimiento =Tasa Neta de Asimilación x Ratio del Área Foliar

Plántulas de tomate ‘Komeett’ y ‘Beaufort’

P < 0.0001

Resultados: Tomato ‘Komeett’ ratio FF A:R

P < 0.0001

Resultados: Tomato ‘Komeett’ ratio FF A:R

P < 0.0001

Resultados: 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 incrementodel % FF azul de 30-50% azul.

• 30% a 50% azul ha sido el brote de materia secamás grande.

Discusión: Tomato ‘Komeett’ ratio FF A:R

USDA/NIFA/SCRI – Grant

Agradecimientos

Chieri KubotaUniversity of ArizonaMurat KaciraUniversity of ArizonaGene GiacomelliUniversity of ArizonaMark KroggelUniversity of ArizonaNeal BartoUniversity of Arizona