L'horticulture est la branche de l'agriculture qui s'intéresse à la science, à l'art, à la technologie et à l'économie de la culture des plantes. Le rôle de l'éclairage dans la croissance des plantes est un facteur important qui doit être pris en compte et amélioré. La photosynthèse des plantes utilise l'eau, l'absorption de dioxyde de carbone et la lumière incidente comme source d'énergie pour produire du glucose, un nutriment essentiel pour la plante, et de l'oxygène, comme le montre la figure 1.
Figure 1 : Processus de photosynthèse
Par le passé, les cultivateurs sous serre utilisaient toujours la lumière naturelle, des lampes à vapeur de sodium haute pression (SHP) ou des lampes fluorescentes pour éclairer leurs cultures. Ces sources lumineuses présentaient certains inconvénients : la lumière naturelle n'étant disponible que pendant la journée, l'éclairage fluorescent consommait de l'énergie, sa température élevée empêchait son utilisation à proximité des plantes et contenait des substances toxiques comme le mercure, ce qui rendait son élimination coûteuse.
Le développement des diodes électroluminescentes (DEL) au cours des dernières décennies a introduit une nouvelle source d'éclairage en horticulture, offrant de nombreux avantages. Tout d'abord, la plante a besoin de toutes les longueurs d'onde du visible (400-700 nm) en proportions égales. Le flux photonique photosynthétique (PPF) désigne la gamme de rayonnement spectral visible utilisée par les plantes pour la photosynthèse. Les plantes utilisent davantage de lumière rouge et bleue que de lumière verte pour la photosynthèse, comme le montre la figure 2.
Figure 2 : Spectre d'absorption des plantes vertes
Le spectre d'absorption des plantes peut être reproduit grâce à des LED réglables, comme illustré à la figure 3 ci-dessous. Cette source d'éclairage est bien plus adaptée qu'une source HSP, dont les émissions maximales diffèrent fortement du spectre d'absorption des plantes vertes.
Figure 3 : Spectre d'absorption des plantes vertes
Cette source d’éclairage est beaucoup plus adaptée qu’une source HSP dont les émissions de pointe diffèrent largement du spectre d’absorption des plantes vertes comme le montre la figure 4.
Figure 4 : Taux de photosynthèse et intensité HPS en fonction de la longueur d'onde
Certaines longueurs d’onde d’intérêt pour les LED applicables à la croissance des plantes sont :
- Le rayonnement UVC de 200 à 280 nm est présent dans la lumière du soleil mais nocif pour les plantes.
- 320-340 nm peuvent avoir un petit effet sur le cryptochrome.
- 365 nm est une « longueur d'onde d'intérêt »
- 439 nm le pic d'absorption bleu de la chlorophylle A
- Le bleu royal de 450 à 460 nm est absorbé par l'un des pics du bêta-carotène. Il s'agit d'une longueur d'onde LED facilement disponible, couramment utilisée pour exciter le phosphore distant dans les lampes LED « blanches »
- 469 nm est le pic d'absorption bleu de la chlorophylle B
- La gamme 430-470 nm est importante pour l'absorption de la chlorophylle A et B. Ceci est essentiel pour la croissance végétative
- 480-485 nm est le deuxième pic d'absorption du bêta-carotène
- 525 nm est un activateur phototrope dont nos chercheurs cherchent encore le chromophore. Il est évident que les plantes captent des signaux directionnels et environnementaux grâce à lui, et qu'il affecte la distance internodale. 525 nm est également la longueur d'onde des LED vertes GaN ou InGaN couramment utilisées dans les applications RVB et accordables.
- La longueur d'onde de 590 nm est essentielle à l'absorption des caroténoïdes. Les caroténoïdes sont à la fois des composés de stockage d'amidon, des composés structuraux et des composés nutritionnels. Nous remercions Jeffery Bucove qui a augmenté le volume de récolte de ses plantes en ajoutant cette longueur d'onde.
- 590 nm est en outre la longueur d'onde d'absorption unique de la phycoérythrine.
- 625 nm est le pic d'absorption unique de la phycocyanine.
- 642-645 nm est le point d'absorption maximal de la chlorophylle B
- 660 nm, souvent appelée longueur d'onde LED super rouge, est importante pour la floraison
- 666-667 nm est en fait le point d'absorption rouge maximal pour la chlorophylle A.
- La lumière de 700 nm est à éviter. Elle perturbe les systèmes de recyclage des phytochromes des plantes vertes.
- La longueur d'onde de 730 nm, souvent appelée rouge lointain, est importante pour le recyclage des phytochromes. Elle est nécessaire à tous les processus morphogéniques. Quelques minutes de traitement à la lumière de 730 nm après la fin du cycle lumineux complet permettent de transformer la forme Pfr (activée) en forme Pr (inactive) du chromophore phytochrome. Cela réinitialise la chimie pour un nouveau cycle d'éclairage et peut être utile pour raccourcir la partie sombre de la photopériode. 735 nm est la longueur d'onde LED standard disponible la plus proche de 730 nm.
Les LED offrent à l'industrie horticole une opportunité unique d'utiliser une bande passante d'éclairage étroite. Plusieurs LED de différentes longueurs d'onde peuvent être combinées pour fournir une source d'éclairage qui suit la courbe de sensibilité des plantes. L'utilisation des LED en horticulture présente également plusieurs autres avantages, notamment :
- Géométrie : Le rayonnement atteignant une plante étant inversement proportionnel au carré de la distance entre la source de rayonnement et la plante, il est avantageux de rapprocher la plante de la source lumineuse. Ceci est possible avec les LED, car leur température est plus basse, tandis qu'avec les lampes fluorescentes, la chaleur produite brûle la feuille à courte distance.
- Efficacité : L'efficacité électrique des LED est bien supérieure à celle des lampes fluorescentes, ce qui aide le producteur à économiser sur ses factures d'électricité.
- Durabilité : Par définition, la durée de vie d'une LED est définie comme la durée à laquelle l'intensité chute à 70 % de sa valeur d'origine, soit environ 50 000 heures, bien plus que la durée de vie typique d'une lampe fluorescente.
- Qualité spectrale : La qualité spectrale d’une source d’éclairage LED soigneusement choisie peut avoir des effets spectaculaires sur l’anatomie, la morphologie et le développement des agents pathogènes des plantes.
- Petite taille : Permet un plus grand espace pour installer la source lumineuse
Figure 5 : Montre l'éclairage LED dans une serre
La sélection de la longueur d'onde d'éclairage est illustrée sur la figure. Plusieurs recherches ont étudié les effets de différentes intensités et longueurs d'onde sur la croissance de différentes cultures. Il est important de comprendre que différentes cultures peuvent se comporter différemment sous différents niveaux d'éclairage et qu'une formule lumineuse différente peut être nécessaire pour chaque culture. Le PPF est mesuré en mmol/m²/s (une mole équivaut à 6,023 x 1023 photons) et les producteurs ont expérimenté différents niveaux d'intensité lumineuse. Une augmentation du PPF a entraîné une croissance accrue de la plante. Si la lumière rouge est suffisante pour la croissance des plantes, la lumière bleue est importante pour augmenter l'épaisseur des feuilles et le nombre de chloroplastes/cellules. Les plants de riz cultivés avec une combinaison de LED bleues et rouges ont montré des taux de photosynthèse plus élevés que ceux cultivés sous un éclairage rouge seul (référence 1). Bien qu'une combinaison de LED rouges et bleues soit très utile pour une meilleure croissance des cultures, son aspect gris violacé rend difficile l'observation visuelle de la maladie chez les plantes. L'ajout de lumière verte, bien que non important pour la croissance des plantes, permet d'évaluer les dommages à l'œil nu.
Un autre enjeu important est le développement de mesures permettant de quantifier le PPF et l'absorption lumineuse par les cultures. Les producteurs doivent calibrer leurs sources lumineuses LED et trouver la formule lumineuse optimale en termes d'efficacité du flux, de longueurs d'onde adaptées aux différentes cultures et de géométrie d'éclairage optimale. Allied Scientific Pro a récemment introduit l'application SGAL qui permet les mesures photométriques des sources lumineuses LED applicables à l'horticulture La mesure du PPF s'effectue simplement en pointant l'appareil vers la source lumineuse et en appuyant sur un bouton. Le logiciel permet également d'enregistrer les données au quotidien et de suivre la croissance de la plante. Ces journaux aident le cultivateur à suivre de près la meilleure marche à suivre.
La figure 6 montre les points forts de ce nouveau dispositif intéressant.
Figure 8 : Capture d'écran de l'application SGAL
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