Iluminación artificial de plantas

Mujika, Alfontso

Elhuyar Fundazioa

En la actualidad, en los invernaderos superiores se controlan y utilizan todos los factores que rigen el desarrollo de las plantas. Uno de estos factores es la iluminación.

Iluminación para la fotosíntesis

Iluminación fotoperiodica

En la actualidad, en los invernaderos superiores se controlan y utilizan todos los factores que rigen el desarrollo de las plantas. Uno de estos factores es la iluminación. Para ello es necesario conocer, en primer lugar, los procesos fotobiológicos que se producen en las plantas, con el fin de comprender la influencia de la iluminación artificial. La verdad es que todo esto no es nuevo, ya que hace unos 60 años se empezó a utilizar la iluminación artificial de las plantas, pero es cierto que todavía va a ser algo nuevo para mucha gente.

En el País Vasco los cultivos intensivos y los invernaderos se están reproduciendo rápidamente en los últimos años y es posible que la iluminación artificial se vuelva a ubicar aquí. No queremos decir que a partir de ahora deban plantarse farolas en las huertas, pero la iluminación artificial para algunos cultivos de invernaderos es sin duda interesante.

Desde la aparición de la denominada Agricultura Industrial, el ser humano ha utilizado todas las vías para alterar el desarrollo natural de las plantas, incidir en la floración, mejorar la calidad de las plantas y los frutos, acelerar su crecimiento, así como para modificar los plazos y tiempos de recolección de la cosecha y por tanto de venta del producto, buscando siempre la rentabilidad económica. Se pretende cultivar en condiciones controladas durante todo el año, superando los ciclos y épocas naturales. Se utilizan redes, plásticos y cristales para cubrir tierras de cultivo o huertas: son invernaderos.

Espectro de radiaciones cósmicas y espectro visible.

Los invernaderos permiten un fácil control de la temperatura y el riego. Pero el camino no ha acabado ahí. A partir de ahí se controlan todos los demás factores en invernaderos de alto nivel que en la actualidad se han convertido en sistemas de producción cerrados, denominados "fábricas verdes".

Entre los factores de crecimiento de las plantas, la iluminación es decisiva, ya que participa en la producción, desarrollo, floración y fructificación de la planta. En la industria hortícola se utiliza conjuntamente la luz natural –el sol– y la luz artificial. Por tanto, las diferentes fuentes de luz, las luminarias y los diferentes sistemas de iluminación forman parte del proceso productivo; agua, temperatura, fertilizantes, etc. tantos como sean.

La luz actúa sobre las plantas a través de tres procesos básicos: fotosíntesis, fotomorfogénesis y fotoperiodismo, cuya importancia varía en función de la fisiología de cada planta.

Fotosíntesis

Curva de sensibilidad del ojo humano (a) y curva de fotosíntesis (b).

Como es sabido, las plantas producen compuestos orgánicos y oxígeno a partir del agua y el dióxido de carbono (compuestos inorgánicos), pero para ello necesitan luz como fuente de energía. La energía luminosa es absorbida por los pigmentos de las plantas (clorofila) y el agua que hay en el aire y el CO 2 se transforma en carbohidratos mediante reacciones físico-químicas. Este proceso metabólico se denomina fotosíntesis. De esta forma y con las sales minerales que toman del suelo, las plantas obtienen los alimentos necesarios para su crecimiento y desarrollo.

La fotosíntesis es proporcional a la duración de la irradiación y al flujo luminoso hasta el punto de saturación. Este punto es diferente según las plantas. Además, la fotosíntesis es sensible a la composición espectral de la luz y las plantas no tienen la misma sensibilidad que el ojo humano a las diferentes longitudes de onda de la luz, es decir, no la “ven” como nosotros. La sensibilidad del ojo humano se expresa en una curva con distintas longitudes de onda, curva que presenta un pico para una longitud de onda de 555 nm (luz amarillo-verde). Cada planta tiene su propia curva de sensibilidad. Tras un amplio estudio de plantas diferentes, se ha calcado la curva media de sensibilidad o fotosíntesis de las plantas. Esta curva tiene su pico para una longitud de onda de 675 nm (luz roja).

La cantidad de CO 2 que absorbe la planta depende de la longitud de onda de la luz. Así, la lámpara de iluminación artificial más eficiente sería la que emite toda la energía en 675 nm, pero se ha demostrado que no es así. Su causa se explica por la fotomorfogenesis.

Fotomorfogénesis

La composición del espectro de la luz afecta al desarrollo y aspecto de la planta. Este fenómeno se denomina fotomorfogénesis. Las investigaciones han demostrado que la radiación ultravioleta tiene un efecto nocivo sobre la planta (que no crece correctamente), que las hojas aumentan y la planta se expande, pero sin crecer hacia arriba. Al otro extremo, la radiación infrarroja apenas influye en el desarrollo de la planta si no es el efecto calorífico. Por tanto, en el desarrollo de la planta sólo influye positivamente el haz de longitudes de onda que ocupa el espectro visible. Es decir, que la fotosíntesis se produce a lo largo de todo el espectro visible. La primera conclusión es evidente: las lámparas diseñadas para iluminación general pueden controlar el crecimiento de las plantas.

Diferentes tipos de desarrollo de plantas: a) bajo luz roja, b) bajo luz azul.

Está demostrado que la radiación roja favorece la producción de hidratos de carbono y la radiación azul favorece la acumulación de proteínas. En estudios realizados con diversas plantas se ha observado que iluminando con luz roja, la planta forma hojas pequeñas y tallos excesivamente largos, mientras que con luz azul, la planta crece en chapa y tiende a dirigir hacia la fuente de luz. Por tanto, se necesita un espectro de luz equilibrado. Cuanto más parezca el espectro de la fuente de luz a la curva fotosintética de la planta, mejores resultados se obtendrán.

Fotoperiodismo

El fotoperiodismo es la respuesta fisiológica de la planta a la longitud relativa del día y la noche. La planta necesita luz pero también oscuridad para poder devolver a la atmósfera el exceso de CO 2. Las plantas tienen un reloj biológico mediante el cual tienen preestablecido el momento de la floración en función de la duración de la noche. En algunas plantas, el proceso de obtención sólo se inicia cuando el día tiene esa duración. En cambio, en otras plantas, sólo se iniciará cuando la duración del día sea relativamente corta. Asimismo, el acortamiento del día frenará el crecimiento de nuevas revueltas en las plantas de madera o, a la inversa, fomentará la formación de tubérculos como las patatas.

Las plantas se clasifican en función de cuándo se produce la floración: pueden ser de día largo, de día corto y neutrales al día. Por ejemplo, en una planta de día corto, como la urrelilia, un período de oscuridad relativamente largo provocará la floración de la planta. El campanario, por su parte, sólo se alcanzará si la duración de la luz del día supera un valor crítico. Por último, hay plantas que no dependen del día de floración ni de la longitud de la noche, como los tomates.

Aplicaciones de la iluminación artificial

De acuerdo con lo anterior, los dos usos principales que puede tener la iluminación artificial en la huerta son inmediatamente perceptibles:

  1. Proporcionar energía lumínica adicional que permita un crecimiento adicional de la planta en la época más oscura del año, es decir, iluminación para la fotosíntesis.
  2. Iluminación fotoperiodica para controlar la época de floración, la aplicación más utilizada actualmente.
Invernadero iluminado.

Además de las dos aplicaciones anteriores, existe la posibilidad de que la iluminación “fotosintética” se produzca en locales cerrados con el fin de sustituir completamente al sol, pero por razones económicas, que son costosas, se limita a su uso cuando se cumplen una o varias de las siguientes condiciones:

  • Sólo necesitan un nivel de irradiación bajo
  • Requieren alta temperatura.
  • Su crecimiento es rápido, ocupando el espacio sólo en un corto periodo de tiempo.
  • Son pequeñas.
  • Tienen un gran precio, ya que no se recogen en la estación correspondiente.
  • Se plantarán en los meses de invierno de poca luz.

Por lo tanto, la sustitución total de la luz natural se utiliza únicamente para el examen rápido de bulbos, control de la semilla de la patata de siembra y para la siembra de semillas y aldascas.

Por otro lado, tenemos la iluminación científica, que se utiliza en estudios sobre el crecimiento de las plantas (se utilizan niveles muy altos de iluminación) y, por último, la iluminación de plantas interiores, es decir, que no ven el sol, en cuyo interior se introducen plantas del acuario (para favorecer el desarrollo de las plantas acuáticas, aumentando la concentración de oxígeno en el agua y impidiendo la formación de gas carbónico para facilitar la respiración de los peces).

Para la producción de flores, plantas de maceta y hortalizas a lo largo de todo el año, la horticultura y la jardinería utilizan colectores solares como túneles de plástico y invernaderos de plástico o cristal. En ellos se utilizan sistemas de riego, ventiladores y otros instrumentos para conseguir una producción adicional. En algunos casos los sistemas son muy sofisticados, controlando por ordenador todos los factores de crecimiento de las plantas. Todos los factores excepto la iluminación.

Invernadero iluminado.

La luz del día afecta a la producción durante todo el año. En plena primavera, en verano y en la primera parte del otoño, la luz del día es suficiente para mantener el nivel productivo. Sin embargo, cuando el resto del año los días se acortan mucho, la producción baja, en general, siendo la producción invernal un tercio del verano. Por tanto, la luz adicional mejorará y ampliará el proceso de fotosíntesis en el invernadero, elevando el nivel de producción anual.

La utilización de lámparas bien seleccionadas y luminarias diseñadas al efecto alargan los días cortos hasta alcanzar las horas de iluminación necesarias. El uso de iluminación artificial, y dependiendo del tipo de cultivo, planta y latitud, permite obtener entre un 30% y un 40% de aditivo respecto al standard de producción invernal. Este tipo de sistemas se utilizan, por ejemplo, para producir revestimientos, plantas de maceta, floricultura, árboles y hortalizas, acortando los ciclos de producción y dando plantas más fuertes.

El grado de iluminación necesaria para la fotosíntesis depende de la misma planta (se utiliza una magnitud radiométrica llamada irradiancia que se expresa en milivatios por metro cuadrado). Los valores energéticos necesarios para muchas plantas diferentes han sido experimentados. Valores típicos oscilan entre 5.000 y 20.000 mW/m 2. La disposición de estos valores radiométricos en magnitudes fotométricas requiere una iluminación de entre 2.000 y 9.000 lux (la iluminación es una magnitud utilizada para medir la luz, definida como el flujo luminoso por unidad de superficie. Su unidad es el lux: 1 lux = 1 lumen/m 2 ).

Para la obtención de estos niveles de iluminación se utilizan principalmente lámparas de descarga, principalmente de halogenuros metálicos y vapor de sodio a alta presión. ¿Por qué estas lámparas y no las que hay en los hogares, es decir, incandescentes o fluorescentes? Se puede hacer la pregunta. La razón no es técnica sino económica. Mientras que la eficiencia luminosa de las lámparas incandescentes es del orden de 15 lúmenes (la eficiencia luminosa de una lámpara se define como el cociente entre el flujo luminoso emitido por la lámpara y la potencia eléctrica que la absorbe), la de los vapores de halogenuros metálicos o de sodio es del orden de 80 y 100 lumen/W respectivamente. Esto significa que la factura de Iberduero sería 5,5 veces mayor o igual que la de las lámparas incandescentes para obtener el mismo nivel de iluminación.

Curva espectral de la lámpara incandescente.

Además, la duración media de las lámparas incandescentes es muy inferior a la de las demás. Por otro lado, la eficiencia luminosa de las lámparas fluorescentes es elevada, casi igual que la de las lámparas de halogenuros metálicos, pero de baja potencia, hasta 65 W como máximo, mientras que en otras se utilizan lámparas de 400 W. Esto significa que con la instalación de fluorescentes el número de lámparas sería 6 veces mayor, es decir, la instalación más cara. Además, las dimensiones de los fluorescentes son grandes y el reflector que utilizan es aún mayor, evitando que la luz natural entre en el invernadero y llegue hasta las plantas.

No obstante, cabe señalar que se utilizan lámparas incandescentes cuando se requieren valores de irradiación bajos y se utilizan lámparas fluorescentes en locales de baja altura debido a su baja temperatura de funcionamiento y a la uniformidad de la distribución de la luz.

Sabemos, por tanto, qué tipo de lámparas utilizar, pero no cualquiera de ellas, sino que hay que elegir aquellas que proporcionan la mayor parte de la energía a una longitud de onda de entre 400 y 700 nm, correspondiente a la curva foto-síntesis de las plantas. Por otra parte, el resto de factores como la temperatura, la humedad, los fertilizantes, etc., deben estar adaptados al grado y tiempo de irradiación para lograr el mejor crecimiento de la planta.

Por último, no basta con tener una lámpara adecuada. La iluminación de la lámpara se distribuirá de la forma más uniforme posible. Teniendo en cuenta que la altura de los invernaderos no es muy elevada, se necesitan luminarias especiales (son los aparatos que dirigen y distribuyen el flujo luminoso emitido por la lámpara hacia las superficies a iluminar), tipo difusor, con el mínimo número de luminarias para conseguir la máxima uniformidad.

Curva espectral de lámpara fluorescente.

Para obtener la idea de potencia a instalar, en función del nivel de iluminación elegido, se puede afirmar que cuando se utilizan lámparas de vapor de sodio de alta presión, se suele instalar entre 15 y 150 W/m 2 de potencia (pepinos, tomates, rosas, claveles), con halogenuros metálicos unos 150 W/m 2 (urrazos) y lámparas incandescentes 25 W/m 2 (urrelilis).

El proceso de floración se controla mediante el fitocromo en la planta en función de la duración de la noche. Cuando el grado de fitocromo alcanza su valor operativo, el status de la planta pasa de ser vegetativo a ser generativo y comienza a desarrollar pipas, flores o semillas. Este proceso se utiliza para controlar el momento de la obtención. Así, se produce durante todo el año sin depender de la luz del día correspondiente a la estación.

La puesta en marcha de este proceso sólo debe realizarse sobre algunas hormonas de la planta, por lo que basta con que la iluminación se realice con un bajo nivel energético. La mayoría de las plantas de flores y macetas son suficientes para iniciar el proceso con una iluminación de entre 50 y 100 lux, muy por debajo del grado de irradiación de la luz natural.

Para la iluminación fotoperiodica se pueden utilizar dos sistemas: alargar la luz del día conectando la luz al atardecer hasta conseguir las horas de luz suficientes o realizar encendidos cíclicos durante la noche, actuando la planta como una iluminación continua. Por ejemplo, dividir el invernadero en tres partes y encender las lámparas durante 10 minutos de forma periódica, alternando en cada tercio de los invernaderos 10 minutos de luz y 20 minutos de oscurecimiento. De esta forma se ahorra mucho energía y al mismo tiempo se evita que la planta alcance los niveles de fitocromo, obteniendo el mismo efecto que la iluminación continua. Este sistema es muy productivo con fresas, por ejemplo.

Lámpara fluorescente compacta diseñada especialmente para la iluminación de plantas
Agrofee, Philips

El espectro de luz motriz para la puesta en marcha del proceso fotoperiodico está situado en rojo, pero se ha podido observar que la planta es menos exigente y sensible al resto del espectro visible. Debido a que el nivel de iluminación es bajo y la irradiación roja, se pueden utilizar lámparas incandescentes (ver figura curva espectral de la lámpara incandescente), pero teniendo en cuenta que también es sensible a otros campos del espectro, en los últimos años se están utilizando lámparas de mayor eficiencia lumínica, las nuevas lámparas fluorescentes compactas (ver figura distribución del espectro de estas lámparas).

Estas lámparas suponen un importante ahorro energético (80% y más respecto a las incandescentes) y una duración media 8 veces superior. Además, está demostrado que la utilización de estas lámparas permite obtener flores más cortas, más fuertes, de mejor calidad y, por tanto, de mayor valor, ya que no se produce un alargamiento en demasa de los tallos accionados por las lámparas incandescentes por luz roja.

Finalmente, y de forma resumida, se puede concluir que:

  • La iluminación o irradiación artificial de las plantas puede ser un instrumento muy eficaz en la huerta.
  • Esta técnica no es nueva, pero a lo largo del tiempo se ha acumulado mucha experiencia y ha mejorado mucho.
  • La iluminación artificial permite obtener resultados exitosos en los cultivos. También los fracasos perniciosos, ya que cada planta juega de forma diferente y hay que tener en cuenta muchos parámetros para asegurar su rentabilidad.
  • Al igual que en la actualidad se realiza el proyecto previo para la iluminación de un campo de fútbol, una sala de exposiciones o una carretera, los proyectos también se realizan para la iluminación de las calefacciones. Y si alguien estuviera interesado, antes de solicitar un proyecto, que acuda al lugar donde se encuentran estas instalaciones, que lo vea y pregunte, como lo haría un granjero desconfiado.

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