Éclairage artificiel des plantes

Mujika, Alfontso

Elhuyar Fundazioa

Aujourd'hui, tous les facteurs qui régissent le développement des plantes sont contrôlés et utilisés dans les serres supérieures. Un de ces facteurs est l'éclairage.

Éclairage pour la photosynthèse

Éclairage photojournal

Aujourd'hui, tous les facteurs qui régissent le développement des plantes sont contrôlés et utilisés dans les serres supérieures. Un de ces facteurs est l'éclairage. Pour cela, il est nécessaire de connaître, en premier lieu, les processus photobiologiques qui se produisent dans les plantes, afin de comprendre l'influence de l'éclairage artificiel. La vérité est que tout cela n'est pas nouveau, car il ya environ 60 ans, il a commencé à utiliser l'éclairage artificiel des plantes, mais il est vrai qu'il sera encore quelque chose de nouveau pour beaucoup de gens.

Au Pays Basque, les cultures intensives et les serres se reproduisent rapidement ces dernières années et l'éclairage artificiel peut être relocalisé ici. Nous ne voulons pas dire qu'à partir de maintenant il faut planter des lampadaires dans les vergers, mais l'éclairage artificiel pour certaines cultures de serres est certainement intéressant.

Depuis l'apparition de l'Agriculture Industrielle, l'être humain a utilisé toutes les voies pour modifier le développement naturel des plantes, influencer la floraison, améliorer la qualité des plantes et des fruits, accélérer leur croissance, ainsi que pour modifier les délais et les temps de récolte et donc de vente du produit, en recherchant toujours la rentabilité économique. Il est destiné à être cultivé dans des conditions contrôlées toute l'année, dépassant les cycles et les époques naturelles. Des filets, des plastiques et des cristaux sont utilisés pour couvrir des terres agricoles ou des jardins potagers : ce sont des serres.

Spectre des radiations cosmiques et spectre visible.

Les serres permettent un contrôle facile de la température et de l'irrigation. Mais le chemin n'est pas terminé là. À partir de là, tous les autres facteurs sont contrôlés dans des serres de haut niveau qui sont aujourd'hui devenus des systèmes de production fermés, appelés « usines vertes ».

Parmi les facteurs de croissance des plantes, l'éclairage est décisif, car il participe à la production, le développement, la floraison et la fructification de la plante. Dans l'industrie horticole, on utilise conjointement la lumière naturelle – le soleil – et la lumière artificielle. Par conséquent, les différentes sources de lumière, les luminaires et les différents systèmes d'éclairage font partie du processus de production; eau, température, engrais, etc. autant que possible.

La lumière agit sur les plantes à travers trois processus de base: photosynthèse, photomorphèse et photojournalisme, dont l'importance varie en fonction de la physiologie de chaque plante.

Photosynthèse

Courbe de sensibilité de l'œil humain (a) et courbe de photosynthèse (b).

Comme on le sait, les plantes produisent des composés organiques et de l'oxygène à partir de l'eau et du dioxyde de carbone (composés inorganiques), mais pour cela elles ont besoin de lumière comme source d'énergie. L'énergie lumineuse est absorbée par les pigments des plantes (chlorophylle) et l'eau dans l'air et le CO 2 se transforme en glucides par des réactions physico-chimiques. Ce processus métabolique est appelé photosynthèse. De cette façon et avec les sels minéraux qu'ils prennent du sol, les plantes obtiennent les aliments nécessaires à leur croissance et leur développement.

La photosynthèse est proportionnelle à la durée du rayonnement et au flux lumineux jusqu'au point de saturation. Ce point est différent selon les plantes. De plus, la photosynthèse est sensible à la composition spectrale de la lumière et les plantes n’ont pas la même sensibilité que l’œil humain aux différentes longueurs d’onde de la lumière, c’est-à-dire ne la «voient» pas comme nous. La sensibilité de l'œil humain est exprimée dans une courbe avec différentes longueurs d'onde, courbe qui présente un pic pour une longueur d'onde de 555 nm (lumière jaune-vert). Chaque plante a sa propre courbe de sensibilité. Après une large étude de plantes différentes, la courbe moyenne de sensibilité ou de photosynthèse des plantes a été calquée. Cette courbe a son pic pour une longueur d'onde de 675 nm (lumière rouge).

La quantité de CO 2 qui absorbe la plante dépend de la longueur d'onde de la lumière. Ainsi, la lampe d'éclairage artificiel la plus efficace serait celle qui émet toute l'énergie à 675 nm, mais il a été prouvé que ce n'est pas le cas. Sa cause est expliquée par la photomorfogenèse.

Photomorphèse

La composition du spectre de la lumière affecte le développement et l'aspect de la plante. Ce phénomène est appelé photomorphèse. Des recherches ont montré que le rayonnement ultraviolet a un effet nocif sur la plante (qui ne pousse pas correctement), que les feuilles augmentent et que la plante se développe, mais sans grandir. À l'autre extrémité, le rayonnement infrarouge influence à peine le développement de la plante si ce n'est pas l'effet calorifique. Par conséquent, le développement de la plante n'influence que positivement le faisceau de longueurs d'onde qui occupe le spectre visible. Autrement dit, la photosynthèse se produit tout au long du spectre visible. La première conclusion est évidente : les lampes conçues pour l'éclairage général peuvent contrôler la croissance des plantes.

Différents types de développement de plantes: a) sous la lumière rouge, b) sous la lumière bleue.

Il est prouvé que le rayonnement rouge favorise la production de glucides et le rayonnement bleu favorise l'accumulation de protéines. Dans des études réalisées avec différentes plantes on a observé qu'en éclairant avec la lumière rouge, la plante forme de petites feuilles et des tiges excessivement longues, tandis qu'avec la lumière bleue, la plante pousse en tôle et tend à diriger vers la source de lumière. Il faut donc un spectre de lumière équilibré. Plus le spectre de la source de lumière ressemble à la courbe photosynthétique de la plante, meilleurs résultats seront obtenus.

Photojournalisme

Le photojournalisme est la réponse physiologique de la plante à la longueur relative du jour et de la nuit. La plante a besoin de lumière mais aussi d'obscurité pour pouvoir retourner dans l'atmosphère l'excès de CO 2. Les plantes ont une horloge biologique par laquelle ils ont prédéfini le moment de la floraison en fonction de la durée de la nuit. Dans certaines plantes, le processus d'obtention ne commence que lorsque la journée a cette durée. En revanche, sur d'autres plantes, cela ne commencera que lorsque la durée du jour sera relativement courte. De même, le raccourcissement de la journée freinera la croissance de nouvelles révoltes dans les plantes en bois ou, inversement, encouragera la formation de tubercules comme les pommes de terre.

Les plantes sont classées en fonction du moment de la floraison: elles peuvent être longues, courtes et neutres par jour. Par exemple, dans une plante de jour court, comme l'urrelilia, une période d'obscurité relativement longue provoquera la floraison de la plante. Le clocher, quant à lui, ne sera atteint que si la durée de la lumière du jour dépasse une valeur critique. Enfin, il y a des plantes qui ne dépendent pas du jour de floraison ou de la longueur de la nuit, comme les tomates.

Applications de l'éclairage artificiel

Selon ce qui précède, les deux utilisations principales que peut avoir l'éclairage artificiel dans le jardin sont immédiatement perceptibles:

  1. Fournir de l'énergie lumineuse supplémentaire qui permet une croissance supplémentaire de la plante à la période la plus sombre de l'année, à savoir éclairage pour la photosynthèse.
  2. Éclairage photojournal pour contrôler la période de floraison, l'application la plus utilisée actuellement.
Serre éclairée.

En plus des deux applications précédentes, il est possible que l'éclairage «photosynthétique» se produise dans des locaux fermés afin de remplacer complètement le soleil, mais pour des raisons économiques, qui sont coûteuses, il est limité à son utilisation lorsque l'une ou plusieurs des conditions suivantes sont remplies:

  • Ils ont juste besoin d'un faible niveau de rayonnement
  • Ils nécessitent une température élevée.
  • Sa croissance est rapide, occupant l'espace seulement dans un court laps de temps.
  • Ils sont petits.
  • Ils ont un grand prix, car ils ne sont pas recueillies à la station correspondante.
  • Ils seront plantés dans les mois d'hiver de faible luminosité.

Par conséquent, le remplacement total de la lumière naturelle est utilisé uniquement pour l'examen rapide des ampoules, le contrôle de la semence de la pomme de terre et pour la plantation de graines et d'aldasques.

D'autre part, nous avons l'éclairage scientifique, qui est utilisé dans des études sur la croissance des plantes (on utilise des niveaux très élevés d'éclairage) et, enfin, l'éclairage des plantes intérieures, c'est-à-dire qui ne voient pas le soleil, à l'intérieur duquel sont introduites des plantes de l'aquarium (pour favoriser le développement des plantes aquatiques, augmentant la concentration d'oxygène dans l'eau et empêchant la formation de gaz carbonique pour faciliter la respiration des poissons).

Pour la production de fleurs, plantes en pot et légumes tout au long de l'année, l'horticulture et le jardinage utilisent des capteurs solaires comme des tunnels en plastique et des serres en plastique ou en verre. Des systèmes d'arrosage, des ventilateurs et d'autres instruments sont utilisés pour une production supplémentaire. Dans certains cas, les systèmes sont très sophistiqués, contrôlant par ordinateur tous les facteurs de croissance des plantes. Tous les facteurs sauf l'éclairage.

Serre éclairée.

La lumière du jour affecte la production toute l'année. En plein printemps, en été et dans la première partie de l'automne, la lumière du jour est suffisante pour maintenir le niveau productif. Cependant, quand le reste de l'année les jours se raccourcissent beaucoup, la production baisse, en général, étant la production d'hiver un tiers de l'été. Par conséquent, la lumière supplémentaire améliorera et augmentera le processus de photosynthèse dans la serre, augmentant le niveau de production annuel.

L'utilisation de lampes bien sélectionnées et de luminaires conçus à cet effet allongent les jours courts jusqu'à atteindre les heures d'éclairage nécessaires. L'utilisation d'un éclairage artificiel, selon le type de culture, de plante et de latitude, permet d'obtenir entre 30% et 40% d'additif par rapport au standard de production hivernale. Ces systèmes sont utilisés, par exemple, pour produire des revêtements, des plantes en pot, de la floriculture, des arbres et des légumes, raccourcissant les cycles de production et donnant des plantes plus fortes.

Le degré d'éclairage nécessaire à la photosynthèse dépend de la même plante (une magnitude radiométrique appelée irradiance est exprimée en milliwatts par mètre carré). Les valeurs énergétiques nécessaires pour de nombreuses plantes différentes ont été expérimentées. Les valeurs typiques varient entre 5.000 et 20.000 mW/m 2. La disposition de ces valeurs radiométriques en grandeurs photométriques nécessite un éclairage entre 2.000 et 9.000 lux (l'éclairage est une grandeur utilisée pour mesurer la lumière, définie comme le flux lumineux par unité de surface. Son unité est le lux: 1 lux = 1 lumen/m 2 ).

Pour obtenir ces niveaux d'éclairage sont principalement utilisés lampes à décharge, principalement des halogénures métalliques et la vapeur de sodium haute pression. Pourquoi ces lampes et pas celles qui existent dans les maisons, c'est à dire, incandescentes ou fluorescentes? Vous pouvez poser la question. La raison n'est pas technique mais économique. Tandis que l'efficacité lumineuse des lampes incandescentes est de l'ordre de 15 lumens (l'efficacité lumineuse d'une lampe est définie comme le rapport entre le flux lumineux émis par la lampe et la puissance électrique qui l'absorbe), celle des vapeurs d'halogénures métalliques ou de sodium est de l'ordre de 80 et 100 lumen/W respectivement. Cela signifie que la facture d'Iberduero serait 5,5 fois supérieure ou égale à celle des lampes à incandescence pour obtenir le même niveau d'éclairage.

Courbe spectrale de la lampe à incandescence.

En outre, la durée moyenne des lampes à incandescence est très inférieure à celle des autres. D'autre part, l'efficacité lumineuse des lampes fluorescentes est élevée, presque comme celle des lampes aux halogénures métalliques, mais de faible puissance, jusqu'à 65 W au maximum, tandis que d'autres lampes 400 W sont utilisées. Cela signifie qu'avec l'installation de fluorescents le nombre de lampes serait 6 fois plus élevé, c'est-à-dire l'installation la plus chère. En outre, les dimensions des fluorescents sont grandes et le réflecteur utilisé est encore plus grand, empêchant la lumière naturelle d'entrer dans la serre et d'atteindre les plantes.

Cependant, il convient de noter que des lampes à incandescence sont utilisées lorsque des valeurs de rayonnement faibles sont requises et que des lampes fluorescentes sont utilisées dans des locaux de faible hauteur en raison de leur faible température de fonctionnement et de l'uniformité de la distribution de la lumière.

Nous savons donc quel type de lampes utiliser, mais pas l'un d'eux, il faut choisir ceux qui fournissent la plupart de l'énergie à une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm, correspondant à la courbe photo-synthèse des plantes. D'autre part, les autres facteurs tels que la température, l'humidité, les engrais, etc., doivent être adaptés au degré et au temps de rayonnement pour atteindre la meilleure croissance de la plante.

Enfin, il ne suffit pas d'avoir une lampe appropriée. L'éclairage de la lampe sera distribué de la manière la plus uniforme possible. Étant donné que la hauteur des serres n'est pas très élevée, des luminaires spéciaux sont nécessaires (ce sont les appareils qui dirigent et distribuent le flux lumineux émis par la lampe vers les surfaces à éclairer), type diffuseur, avec le nombre minimum de luminaires pour obtenir la plus grande uniformité.

Courbe spectrale de lampe fluorescente.

Pour obtenir l'idée de puissance à installer, en fonction du niveau d'éclairage choisi, on peut affirmer que lorsqu'on utilise des lampes à vapeur de sodium haute pression, on installe généralement entre 15 et 150 W/m 2 de puissance (concombres, tomates, roses, œillets), avec des halogénures métalliques environ 150 W/m 2 (urrazos) et des lampes incandescentes 25 W/m 2 (urrelilis).

Le processus de floraison est contrôlé par le phytochrome dans la plante en fonction de la durée de la nuit. Lorsque le degré de phytochrome atteint sa valeur opérationnelle, le statut de la plante passe d'être végétatif à être génératif et commence à développer des pipes, des fleurs ou des graines. Ce processus est utilisé pour contrôler le moment de l'obtention. Ainsi, il se produit toute l'année sans compter sur la lumière du jour correspondant à la saison.

La mise en service de ce processus ne doit se faire que sur certaines hormones de la plante, il suffit donc que l'éclairage soit réalisé avec un faible niveau énergétique. La plupart des plantes à fleurs et pots sont suffisants pour commencer le processus avec un éclairage entre 50 et 100 lux, bien en dessous du degré de rayonnement de la lumière naturelle.

Pour l'éclairage photopériodique, deux systèmes peuvent être utilisés : allonger la lumière du jour en connectant la lumière au crépuscule jusqu'à obtenir les heures de lumière suffisantes ou réaliser des allumages cycliques pendant la nuit, en agissant l'usine comme un éclairage continu. Par exemple, diviser la serre en trois parties et allumer les lampes pendant 10 minutes périodiquement, alternant dans chaque tiers des serres 10 minutes de lumière et 20 minutes d'obscurcissement. Cela permet d'économiser beaucoup d'énergie tout en empêchant la plante d'atteindre les niveaux de phytochrome, obtenant le même effet que l'éclairage continu. Ce système est très productif avec des fraises, par exemple.

Lampe fluorescente compacte conçue spécialement pour l'éclairage des plantes
Agrofee, Philips

Le spectre de lumière motrice pour la mise en marche du processus photojournal est situé en rouge, mais on a pu observer que la plante est moins exigeante et sensible au reste du spectre visible. Parce que le niveau d'éclairage est faible et le rayonnement rouge, des lampes à incandescence peuvent être utilisées (voir figure courbe spectrale de la lampe à incandescence), mais étant donné qu'il est également sensible à d'autres domaines du spectre, ces dernières années sont utilisés lampes à plus grande efficacité lumineuse, les nouvelles lampes fluorescentes compactes (voir figure distribution du spectre de ces lampes).

Ces lampes représentent une importante économie d'énergie (80% et plus par rapport aux incandescents) et une durée moyenne de 8 fois supérieure. En outre, il est prouvé que l'utilisation de ces lampes permet d'obtenir des fleurs plus courtes, plus fortes, de meilleure qualité et donc de plus grande valeur, car il n'y a pas d'allongement en retard des tiges actionnées par les lampes incandescentes par la lumière rouge.

Enfin, et en bref, on peut conclure que:

  • L'éclairage ou le rayonnement artificiel des plantes peut être un instrument très efficace dans le jardin.
  • Cette technique n'est pas nouvelle, mais au fil du temps, beaucoup d'expérience a été accumulée et beaucoup améliorée.
  • L'éclairage artificiel permet d'obtenir des résultats réussis dans les cultures. Aussi les échecs pernicieux, puisque chaque plante joue différemment et il faut tenir compte de nombreux paramètres pour assurer sa rentabilité.
  • Comme aujourd'hui, le projet précédent pour l'éclairage d'un terrain de football, d'une salle d'exposition ou d'une route, les projets sont également réalisés pour l'éclairage des chauffages. Et si quelqu'un était intéressé, avant de demander un projet, aller à l'endroit où se trouvent ces installations, vous voyez et demandez, comme un fermier méfiant.

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