Luz de cultivo

La luz LED se considera la cuarta generación de fuentes de luz. ^{[ 12 ]} Las luces LED producen la mayor radiación fotosintéticamente activa (PAR) de cualquier luz.

Las lámparas LED para cultivo suelen estar compuestas por múltiples diodos emisores de luz individuales dentro de una carcasa con disipador de calor y ventiladores integrados. La mayoría de los LED utilizan fuentes de alimentación CA/CC o CC/CC que proporcionan una corriente continua constante , regulando la cantidad de energía total que pueden consumir y evitando fallos.

Los LED individuales suelen proporcionar solo un rango estrecho de colores, por lo que se mezclan LED de diferentes colores en las luces de cultivo en proporciones que dependen del uso previsto. Se sabe, a partir del estudio de la fotomorfogénesis , que los espectros de luz verde, roja, roja lejana y azul tienen un efecto en la formación de raíces, el crecimiento de las plantas y la floración, pero no hay suficientes estudios científicos ni ensayos de campo con luces de cultivo LED para recomendar proporciones de color específicas para un crecimiento óptimo de las plantas bajo luces de cultivo LED. ^{[ 13 ]} Se ha demostrado que muchas plantas pueden crecer normalmente si se les proporciona luz roja y azul. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} Sin embargo, muchos estudios indican que la luz roja y azul (de rosa a púrpura dependiendo de la proporción de rojo a azul) solo proporciona el método de crecimiento más rentable; el crecimiento de las plantas sigue siendo mejor bajo luz suplementada con verde. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

Las luces LED blancas para cultivo proporcionan un espectro completo de luz diseñado para imitar la luz natural, ofreciendo a las plantas un espectro de rojo, azul y verde. La luz blanca se clasifica en un espectro según su temperatura de color, donde las luces más frías producen más fotones azules y las luces más cálidas producen más fotones rojos.

Se evaluó un gran número de especies vegetales en ensayos de invernadero para asegurar que las plantas tuvieran una mayor calidad en biomasa e ingredientes bioquímicos, incluso superiores o comparables a las condiciones de campo. El rendimiento de las plantas de menta, albahaca, lenteja, lechuga, repollo, perejil y zanahoria se midió evaluando la salud y el vigor de las plantas y el éxito en la promoción del crecimiento. También se observó la promoción de una floración abundante en algunas plantas ornamentales, como la prímula, la caléndula y el alhelí. ^{[ 20 ]}

En pruebas realizadas por Philips Lighting para encontrar una receta de luz óptima para el cultivo de diversas hortalizas en invernaderos, se descubrió que los siguientes aspectos de la luz afectan tanto al crecimiento (fotosíntesis) como al desarrollo (morfología) de las plantas: intensidad lumínica, luz total a lo largo del tiempo, momento del día en que se aplica la luz, periodo de luz/oscuridad diario, calidad de la luz (espectro), dirección de la luz y distribución de la luz sobre las plantas. Sin embargo, se observó que en pruebas realizadas con tomates, mini pepinos y pimientos, la receta de luz óptima no fue la misma para todas las plantas, sino que varió según el cultivo y la región. Por ello, actualmente deben optimizar la iluminación LED en invernaderos mediante ensayo y error. Han demostrado que la luz LED afecta a la resistencia a las enfermedades, el sabor y los niveles nutricionales, pero hasta 2014 no habían encontrado una forma práctica de utilizar esa información. ^{[ 21 ]}

Los diodos utilizados en los diseños iniciales de lámparas LED para cultivo solían tener una potencia de entre 1/3 y 1 vatio. Sin embargo, actualmente se utilizan diodos de mayor potencia, como los de 3 y 5 vatios. Para espacios muy reducidos, se pueden usar chips COB de entre 10 y 100 vatios. Debido a la disipación de calor, estos chips suelen ser menos eficientes. La iluminación LED estándar suele tener un factor de potencia de al menos 0,90, mientras que las lámparas LED de buena calidad rondan el 0,99.

Para evitar que las hojas se quemen, las lámparas de cultivo LED deben mantenerse a una distancia de entre 30 cm (12 pulgadas ) de las plantas en el caso de lámparas de baja potencia (menos de 300 vatios) y hasta 91 cm (36 pulgadas ) de las plantas en el caso de lámparas de mayor potencia (1000 vatios o más).  

Históricamente, la iluminación LED era muy cara, pero sus costes se han reducido considerablemente con el tiempo, y su mayor durabilidad la ha popularizado. Las luces LED para cultivo suelen tener un precio más elevado, vatio por vatio, que otras luces LED, debido a características de diseño que las hacen más eficientes energéticamente y duran más. En particular, debido a su alta potencia, las luces LED para cultivo suelen estar equipadas con sistemas de refrigeración, ya que las bajas temperaturas mejoran tanto el brillo como la vida útil. Los LED suelen durar entre 10 000 y 50 000 horas hasta alcanzar el nivel LM-70 .

La lámpara de descarga de alta intensidad se considera la tercera generación de fuentes de luz. ^{[ 12 ]}

La iluminación fluorescente era anteriormente el tipo más común de luz para el cultivo en interiores, pero las luces HID las han superado. ^{[ 22 ]} Las lámparas de descarga de alta intensidad tienen una alta eficiencia lumínica por vatio. ^{[ 23 ]} Existen varios tipos diferentes de luces HID, incluyendo lámparas de vapor de mercurio, halogenuros metálicos, sodio de alta presión y bombillas de conversión. Las lámparas de halogenuros metálicos y HPS producen un espectro de color comparable al del sol y pueden utilizarse para el cultivo de plantas. Las lámparas de vapor de mercurio fueron el primer tipo de HID y se utilizaron ampliamente para el alumbrado público, pero en lo que respecta a la jardinería de interior, producen un espectro relativamente deficiente para el crecimiento de las plantas, por lo que han sido reemplazadas en su mayoría por otros tipos de HID para el cultivo de plantas. ^{[ 23 ]}

Todas las lámparas de cultivo HID requieren un balasto eléctrico para funcionar, y cada balasto tiene una potencia nominal específica. Las potencias HID más comunes son 150 W, 250 W, 400 W, 600 W y 1000 W. Las lámparas HID de 600 W son las más eficientes eléctricamente en cuanto a la luz producida, seguidas de las de 1000 W. Una lámpara HPS de 600 W produce un 7 % más de luz (lúmenes por vatio) que una de 1000 W. ^{[ 23 ]}

Aunque todas las lámparas HID funcionan con el mismo principio, los distintos tipos de bombillas tienen diferentes requisitos de encendido y voltaje, así como diferentes características de funcionamiento y forma física. Por ello, una bombilla no funcionará correctamente sin un balasto compatible, incluso si se enrosca físicamente. Además de producir niveles de luz más bajos, las bombillas y balastos incompatibles dejarán de funcionar prematuramente o incluso se fundirán inmediatamente. ^{[ 23 ]}

Haluro metálico (MH)

Las bombillas de halogenuros metálicos son un tipo de luz HID que emite luz en las partes azul y violeta del espectro luminoso, similar a la luz disponible al aire libre durante la primavera. ^{[ 24 ]} Debido a que su luz imita el espectro de color del sol, algunos cultivadores consideran que las plantas lucen más atractivas bajo una bombilla de halogenuros metálicos que bajo otros tipos de luces HID, como las HPS, que distorsionan el color de las plantas. Por lo tanto, es más común usar una bombilla de halogenuros metálicos cuando las plantas se exhiben en el hogar (por ejemplo, con plantas ornamentales) y se prefiere el color natural. Las bombillas de halogenuros metálicos deben reemplazarse aproximadamente una vez al año, en comparación con las luces HPS, que duran el doble.

Metal halide lamps are widely used in the horticultural industry and are well-suited to supporting plants in earlier developmental stages by promoting stronger roots, better resistance against disease and more compact growth.^[24] The blue spectrum of light encourages compact, leafy growth and may be better suited to growing vegetative plants with much foliage.

A metal halide bulb produces 60–125 lumens/watt, depending on the wattage of the bulb.^[25]

They are now being made for digital ballasts in a pulse start version, which have higher electrical efficiency (up to 110 lumens per watt) and faster warmup.^[26] One common example of a pulse start metal halide is the ceramic metal halide (CMH). Pulse start metal halide bulbs can come in any desired spectrum from cool white (7000 K) to warm white (3000 K) and even ultraviolet-heavy (10,000 K).

High-pressure sodium (HPS)

Las lámparas de sodio de alta presión (HPS) son un tipo de iluminación HID más eficiente que las lámparas de halogenuros metálicos. Las bombillas HPS emiten luz en el espectro visible amarillo/rojo, así como pequeñas porciones de todo lo demás. Dado que las lámparas de cultivo HPS proporcionan más energía en la parte roja del espectro de luz, pueden promover la floración y la fructificación. ^{[ 22 ]} Se utilizan como complemento de la luz natural en la iluminación de invernaderos y halogenuros metálicos, o como fuente de luz independiente para interiores/cámaras de cultivo.

Las lámparas de cultivo HPS se venden en los siguientes tamaños: 150 W, 250 W, 400 W, 600 W y 1000 W. ^{[ 22 ]} De todos los tamaños, las lámparas HID de 600 W son las más eficientes eléctricamente en cuanto a la luz producida, seguidas de las de 1000 W. Una lámpara HPS de 600 W produce un 7 % más de luz (vatio por vatio) que una lámpara HPS de 1000 W. ^{[ 23 ]}

Una bombilla HPS produce entre 60 y 140 lúmenes/vatio, dependiendo de la potencia de la bombilla. ^{[ 29 ]}

Las plantas cultivadas bajo lámparas HPS tienden a alargarse debido a la falta de radiación azul/ultravioleta. Las modernas lámparas HPS para horticultura tienen un espectro mucho mejor ajustado para el crecimiento de las plantas. La mayoría de las lámparas HPS, si bien favorecen el crecimiento, ofrecen un índice de reproducción cromática (IRC) deficiente. Como resultado, la luz amarillenta de una lámpara HPS puede dificultar el seguimiento de la salud de las plantas en interiores. El IRC no representa un problema cuando las lámparas HPS se utilizan como iluminación suplementaria en invernaderos que aprovechan la luz natural (que compensa la luz amarillenta de la HPS).

Las lámparas de sodio de alta presión (HPS) tienen una larga vida útil y una emisión de luz seis veces mayor por vatio de energía consumida que una lámpara de cultivo incandescente estándar. Debido a su alta eficiencia y a que las plantas cultivadas en invernaderos reciben de forma natural toda la luz azul que necesitan, estas lámparas son la opción preferida para el cultivo suplementario en invernaderos. Sin embargo, en latitudes más altas, existen periodos del año en los que la luz solar es escasa, y se requieren fuentes de luz adicionales para un crecimiento adecuado. Las lámparas HPS pueden generar firmas infrarrojas y ópticas distintivas, que pueden atraer insectos u otras plagas; estas, a su vez, pueden amenazar las plantas. Las lámparas de sodio de alta presión emiten mucho calor, lo que puede provocar un crecimiento espigado, aunque esto se puede controlar utilizando reflectores o carcasas especiales con refrigeración por aire.

La lámpara fluorescente se considera la segunda generación de fuentes de luz. ^{[ 12 ]}

Las luces fluorescentes se presentan en diversos formatos, incluyendo bombillas largas y delgadas, así como bombillas más pequeñas en forma de espiral ( lámparas fluorescentes compactas ). Están disponibles en temperaturas de color que van desde los 2700  K hasta los 10 000  K. Su eficacia luminosa oscila entre los 30 lm/W y los 90 lm/W. Los dos tipos principales de luces fluorescentes utilizadas para el cultivo de plantas son las de tubo y las fluorescentes compactas.

Lámparas fluorescentes compactas (CFL)

Las lámparas fluorescentes compactas (CFL) son versiones más pequeñas de las lámparas fluorescentes que originalmente se diseñaron como lámparas de precalentamiento, pero que ahora están disponibles en versión de encendido rápido. Las CFL han reemplazado en gran medida a las bombillas incandescentes en los hogares porque duran más y son mucho más eficientes energéticamente. ^{[ 29 ]} En algunos casos, las CFL también se utilizan como luces de cultivo. Al igual que las lámparas fluorescentes estándar, son útiles para la propagación y en situaciones donde se necesitan niveles de luz relativamente bajos.

Si bien las bombillas fluorescentes compactas (CFL) estándar de tamaño pequeño pueden usarse para el cultivo de plantas, ahora también existen lámparas CFL diseñadas específicamente para este fin. Estas bombillas, a menudo de mayor tamaño, se venden con reflectores especialmente diseñados que dirigen la luz hacia las plantas, de forma similar a las lámparas HID. Los tamaños más comunes de lámparas CFL para cultivo incluyen 125 W, 200 W, 250 W y 300 W.

A diferencia de las luces HID, las CFL se adaptan a un portalámparas mogul estándar y no necesitan un balasto separado. ^{[ 22 ]}

Las bombillas fluorescentes compactas están disponibles en versiones de luz cálida/roja (2700  K), espectro completo o luz diurna (5000  K) y luz fría/azul (6500  K). Se recomienda el espectro rojo cálido para la floración y el espectro azul frío para el crecimiento vegetativo. ^{[ 22 ]}

La vida útil de las lámparas fluorescentes compactas para cultivo es de aproximadamente 10 000 horas. ^{[ 29 ]} Una CFL produce entre 44 y 80 lúmenes/vatio, dependiendo de la potencia de la bombilla. ^{[ 25 ]}

Ejemplos de lúmenes y lúmenes/vatio para bombillas fluorescentes compactas (CFL) de diferentes tamaños:

La bombilla incandescente se considera la primera generación de fuentes de luz. ^{[ 12 ]}

La cantidad de luz se refiere a la cantidad de luz que una planta requiere cada día para un crecimiento óptimo. Históricamente, la cantidad de luz se expresaba en unidades de W m⁻² ^, lúmenes o lux . Si bien estas unidades son útiles en cálculos de energía (W m⁻² ⁾ o en iluminación humana (lúmenes y lux), los científicos de plantas ahora prefieren medir la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD), en unidades de μmol m⁻² ^s⁻¹ . La PPFD es una medida explícita de la cantidad de fotones que inciden ^sobre una superficie por metro cuadrado por segundo, una forma más precisa de medir cómo interactúan las plantas con los fotones. ^{[ 36 ]}

Otra forma útil de medir la cantidad de luz es mediante la integral de luz diaria (DLI). La DLI tiene en cuenta la PPFD y el número total de horas que una planta está expuesta a esa PPFD para obtener la cantidad total de fotones por día, en unidades de mol m⁻² ^d⁻¹ . ^La ecuación para convertir PPFD a DLI, suponiendo una PPFD constante, se muestra a continuación. ^{[ 37 ]}

DLI (mol m ⁻² d ⁻¹ ) =0,0036 * PPFD (μmol m ⁻² s ⁻¹ ) *Horas de luz

Los requerimientos de cantidad de luz para los cultivos varían; en general, el requerimiento de luz para un cultivo específico es mayor para los cultivos que están en fructificación y floración, y menor para los que permanecen en fase vegetativa. Las hortalizas de hoja verde como la lechuga , las espinacas y la col rizada se consideran típicamente cultivos de baja luminosidad, que requieren un DLI entre 12 y 17 ^mol  m⁻² ^d⁻¹ . Los tomates , los pepinos y los pimientos requieren entre 20 y 30 mol m⁻² ^d⁻¹ . ^{El cannabis} tiene uno de los requerimientos de luz más altos entre las plantas cultivadas, requiriendo un DLI de hasta 40 mol ^m⁻² d⁻¹ ^{. [ 38 ]} [ ^{39 ] [ 40 ]}  

La calidad de la luz se refiere a la distribución espectral de la luz que recibe una planta. La calidad de la luz se agrupa en colores según su longitud de onda; 320–400 nanómetros (nm) es UVA , 400–500  nm es azul , 500–600  nm es verde , 600–700  nm es rojo y 700–750  nm es rojo lejano , a veces denominado infrarrojo cercano . La calidad de la luz también puede expresarse como proporciones, por ejemplo, proporción rojo:azul 3:2, o a veces como su irradiancia máxima, por ejemplo,  luz azul de 450 nm y  luz roja de 660 nm. La fotomorfogénesis es el término para las respuestas de las plantas mediadas por la luz al espectro de luz. Las plantas son capaces de detectar partes del espectro electromagnético a través de una red de fotorreceptores que incluyen fitocromos , criptocromos , fototropina y zeiltupe . Cada receptor es capaz de detectar diferentes partes del espectro electromagnético. La información sobre el espectro de luz puede afectar la germinación de las semillas, la señal para la transición de la fase vegetativa a la floración y la producción de metabolitos secundarios como las antocianinas . ^{[ 41 ]}

Además, muchas plantas requieren periodos de luz y oscuridad, un fenómeno conocido como fotoperiodismo , para florecer. Por lo tanto, las luces se pueden encender o apagar a horas fijas . La proporción óptima de luz y oscuridad depende de la especie y variedad de la planta, ya que algunas prefieren días largos y noches cortas, mientras que otras prefieren la duración del día opuesta o intermedia.

Se hace mucho hincapié en el fotoperiodo al hablar del desarrollo de las plantas. Sin embargo, es el número de horas de oscuridad lo que afecta la respuesta de una planta a la duración del día. ^{[ 42 ]} En general, una planta de “día corto” es aquella cuyo fotoperiodo no supera las 12 horas. Una planta de “día largo” es aquella cuyo fotoperiodo no es inferior a 14 horas. Las plantas de día corto son aquellas que florecen cuando la duración del día es menor que una duración crítica. Las plantas de día largo son aquellas que solo florecen cuando el fotoperiodo es mayor que una duración crítica. Las plantas de día neutro son aquellas que florecen independientemente del fotoperiodo. ^{[ 43 ]}

Las plantas que florecen en respuesta al fotoperiodo pueden tener una respuesta facultativa u obligada. Una respuesta facultativa significa que la planta florecerá eventualmente independientemente del fotoperiodo, pero florecerá más rápido si se cultiva bajo un fotoperiodo determinado. Una respuesta obligada significa que la planta solo florecerá si se cultiva bajo un fotoperiodo específico. ^{[ 44 ]}

Los lux y los lúmenes se utilizan habitualmente para medir los niveles de luz, pero son unidades fotométricas que miden la intensidad de la luz tal como la percibe el ojo humano.

Los niveles espectrales de luz que las plantas pueden utilizar para la fotosíntesis son similares, pero no idénticos, a lo que se mide en lúmenes. Por lo tanto, cuando se trata de medir la cantidad de luz disponible para las plantas para la fotosíntesis , los biólogos suelen medir la cantidad de radiación fotosintéticamente activa (PAR) que recibe una planta. ^{[ 45 ]} La PAR designa el rango espectral de la radiación solar de 400 a 700 nanómetros , que generalmente corresponde al rango espectral que los organismos fotosintéticos pueden utilizar en el proceso de fotosíntesis.

La irradiancia de PAR se puede expresar en unidades de flujo de energía (W/m² ⁾ , lo cual es relevante en consideraciones de balance energético para organismos fotosintéticos . Sin embargo, la fotosíntesis es un proceso cuántico y las reacciones químicas de la fotosíntesis dependen más del número de fotones que de la cantidad de energía contenida en los fotones. ^{[ 45 ]} Por lo tanto, los biólogos de plantas a menudo cuantifican PAR utilizando el número de fotones en el rango de 400–700 ^nm  recibidos por una superficie durante un tiempo específico, o la Densidad de Flujo de Fotones Fotosintéticos (PPFD). ^{[ 45 ]} Esto normalmente se mide usando mol m⁻² ^s⁻¹ , pero el valor relevante para el crecimiento de las plantas es la integral de luz diaria ( DLI), la PPFD integrada durante 24 horas. La mayoría de las especies de plantas crecerán bien con una DLI de 5–15 mol ^m⁻² día⁻¹ ^. Las especies tolerantes a la sombra pueden crecer con valores de DLI de 1–3 mol m ⁻² día ⁻¹ , mientras que las especies que requieren luz manejan fácilmente 30–50 mol m ⁻² día ⁻¹ . ^{[ 46 ]}