Download Producción de Vegetales para Transplante para Bajo Ambiente

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 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 Densidad de flujo
total recibida por área por
radiante (W m-2)
tiempo]
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]
PPF (flujo de fotón
fotosintético (densidad))
(mmol m-2 s-1)
No aplicable
PAR (densidad de
flujo radiación
activa fotosintética
e) (W m-2)
Courtesy of C. Kubota
UV
Azul
Verde
Rojo
Rojo Extremo
El espectro completo de la luz solar es de 300 a 3000nm! (
radiación en 800- 3000nm es nada, solo calor)
Fotosíntesis vegetal
Fotosíntesis Foliar
Radiación Fotosintética Activa
(PAR, 400-700 nm)
UV
Azul
Verde
Rojo
Rojo
Extremo
Radiación de Plantas Biológicamente activas (300-800 nm)
Luz Diaria Integral (DLI o PPF Diario)
• Cantidad total de radiación fotosintética activa (400700 nm) recibida por metro cuadrado por día
• Unidad: mol por metro cuadrado por día (mol m-2 d1)
• 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 = 17.28 mol m-2 d-1
(Runkle 2006)
Luz Integral Diaria
December
March
mol m‐2 d‐1
September
July
De “Lighting up profits”
6
Luz Integral Diaria - Panamá
December
March
mol m‐2 d‐1
September
July
De “Lighting up profits”
7
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
LEDs para producción vegetal
LEDs
• Estado sólido
• Baja temperatura de
operación
• Robusto
• Potencia selectiva de
espectro
• Eficienciad de
conversión de
electricidad a luz
(incrementando)
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)
LED (azul)
HPS
1.6-2.3**
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)
flux
LEDs para producción vegetal
Haitz and Tsao, 2011
HAITZ, R. & TSAO, J. Y. 2011. Solid-state lighting: ‘The case’ 10 years after and future prospects. physica status solidi (a), 2008, 17-29.
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).
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
4%
16%
100%
96%
84%
control
NO
SUPPLEMENTAL
N
LIGHT
Ensayo bajo diferentes DLIs
• Control de la radiación solar con el uso de diferentes telas
de sombra
13
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
Materiales & métodos
15
Fase I: Resultados
Efectos de Luz LED suplementaria
Peso seco de brotes de plántulas de
DRY MASS RESPONSE
pepino (16 días después de siembra)
Shoot dry mass (g)
control
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
LED supplement
P < 0.0001
P < 0.0001
High DLI
Low DLI
SOLAR DAILY LIGHT INTEGRAL
Hernández and Kubota (2014)
Fase I: Resultados
Efectos del ratio de luz LED suplementaria A:R
55 μmol m-2 s-1 de luz suplementaria, DLI alto= 16-23 y DLI bajo = 5-9 mol m-2 d-1
Crecimiento de plántulas de tomate y pimiento
( ambos DLIs) & plántulas de pepino ( alto DLI)
4%
100%
=
96%
=
16%
84%
Crecimiento de plántulas de pepino(bajo DLI)
4%
100%
>
96%
>
16%
Cucumber
84%
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)
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.
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.
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.
Tratamiento
LED- Roja
Tratamiento
LED- Azul
Tratamiento
HPS 600W
5%
100%
Rojo= máximo 632 nm
100%
Azul = máximo 443 nm
53%
42%
Luz suplementaria LED vs HPS
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%
=
LEDs Roja
100%
<
LEDs Azul
53%
42%
HPS
(Hernandez and Kubota 2014; 2015)
Resultados: morfología
P < 0.0001
38%
100% Azul
HPS
100% rojo
23
Comparación injusta del consumo de
energía de LEDs vs. HPS en pequeña escala
en laboratorio
Luz eléctrica tradicional
(eg, HPS)
Luz Led
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
Áreax
(W m-2)
Eficiencia de
Crecimiento de
Elementos (Pepino,
LEDs Rojo
85%
1.7z
39
3.0
LEDs Azul
85%
1.9z
35
3.3
HPS 600 W
81%
1.6y
43
3.5
z Nelson
and Bugbee (2014); y Manufacturer catalogue value
x Aldrich and Bartock (1994) with some modifications
sDLI = 4)
(g kWh-1)
Hernández and Kubota (2015)
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,
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.,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 en
vegetales ( patrón)
Largo de hipocótilo adecuado
para injertar patrón de
pepino es de ~7 cm.
• Mayor velocidad para injertar
• Manteniendo uniones de injertos por
arriba de la hilera cuando son
trasplantados
• Adecuado para producción de esquejes
Tratamiento con la calidad de luz
del Fin Del Día para controlar
morfología de plántulas vegetales
en invernadero
Patrón de plántula de tomate
Dosis de Rojo lejano EOD (0 – 9000 mmol/m2/d)
Patrón de plántula de calabacín
Squash hypocotyl (mm)
Dosis de Rojo lejano EOD (0 – 9000 mmol/m2/d)
~3 mmol/m2/s
por 24 min
Dosis de Rojo lejano EOD (mmol/m2/d)
(Chia and Kubota, 2010; Kubota et al., 2011)
Producción de plantas bajo sistema de
tipo cerrado
( Mirai Co., Ltd., Japan)
(bergearth co.,ltd., Japan)
Exclusiva fuente de luz artificial
Greenhouse operation: Deliscious; Greenhouse manufacturer:
Certhon. Photo Credit: Philips Lighting
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%.
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
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
Materiales & métodos: Tratamientos
36
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
(g)
Results: Cucumber B:R PF ratio
P<0.0001
38
Hernández, R., Kubota, C. 2015 submitted: Environmental and Experimental Botany
Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul
P=0.0249
Similar result with gs and chlorophyll concentration
39
Hernández, R., Kubota, C. 2015 submitted: Environmental
and Experimental
Botany
Hogewoning
S. W. et. al (2010)
Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul
P<0.0001
40
Hernández, R., Kubota, C. 2015 submitted: Environmental and Experimental Botany
Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul
P<0.0001
41
Hernández, R., Kubota, C. 2015 submitted: Environmental and Experimental Botany
Resultados: Pepino ratio Rojo:Azul
0B
10B
20B
CWF
30B
50B
75B
100B
Porcentaje Azul
42
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
Plántulas de tomate ‘Komeett’ y ‘Beaufort’
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
P < 0.0001
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.
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