Dans un article précédent, nous avons abordé le rôle de l'éclairage LED dans les serres pour la croissance des cultures. La possibilité de mélanger les couleurs de différentes sources LED pour s'adapter à la courbe d'absorption photosynthétique des différentes cultures et de modifier l'intensité de chaque longueur d'onde pour une productivité maximale sont des avantages majeurs de l'éclairage LED pour les applications horticoles.
Cet article aborde plusieurs paramètres importants à mesurer pour favoriser la croissance et la productivité des cultures. Leur mesure et leur suivi quotidien sont essentiels pour favoriser une croissance optimale des plantes. Le rôle des équipements de surveillance, et notamment du spectromètre développé par Allied Scientific Pro (le passeport éclairage), dans cette tâche est examiné.
Avant d'examiner les différents paramètres de surveillance de l'éclairage agricole, il convient de décrire le spectre d'action. Il est important de ne pas confondre le spectre d'action avec le spectre d'absorption d'une plante, car il existe une différence significative entre les deux.
Les plantes absorbent principalement le rayonnement dans la gamme visible de 400 à 700 nm et convertissent le CO2 et l'eau absorbés en oxygène et en glucose. L'absorption à chaque longueur d'onde dépend de la structure cellulaire de la plante et peut varier légèrement d'une espèce à l'autre, mais elle reste principalement dans la gamme visible. Le spectre d'action décrit les longueurs d'onde les plus importantes pour la photosynthèse et régit ses processus. La figure 1 présente un tracé typique des spectres d'absorption et d'action, ainsi que leur comparaison.
Figure 1 : Comparaison du spectre d'action et du spectre d'absorption
Comme l'illustre la figure, les plantes présentent une forte absorption dans les longueurs d'onde rouge et bleue, et une absorption plus faible dans les longueurs d'onde vertes. Ceci explique la couleur verte de la plupart des plantes, car une grande partie de la longueur d'onde verte de la lumière solaire est réfléchie par les plantes. Il existe une similitude de forme entre le spectre d'action et le spectre d'absorption. Ce concept de spectre d'action a été développé par K.J. Mcree dans les années 1970, qui a étudié le spectre d'action ou rayonnement photosynthétique actif (PAR) de diverses plantes.
Un autre paramètre important est le rapport entre les molécules d'oxygène émises par les plantes, P, et le nombre de photons incidents Ia. Cela définit le rendement quantique de la photosynthèse &Phi.
En 1922, Otto Warberg et E. Negelein (référence) ont étudié ce processus et ont établi un rapport de 4 pour 1, impliquant qu'un minimum de 4 photons sont nécessaires pour libérer une molécule d'oxygène. Cette théorie a été acceptée pendant près de 20 ans. Des expérimentations ultérieures, utilisant des techniques différentes et améliorées, menées par Emerson et Daniels ont montré que ce rapport était de 8 pour 1. La principale raison pour laquelle ce rapport différait de l'hypothèse de Warberg était l'hypothèse erronée selon laquelle ΔO₂ = -ΔCO₂, ou autrement dit, l'absorption de dioxyde de carbone est égale à l'émission de molécules d'oxygène. D'autres chercheurs ont mesuré séparément les deux paramètres, produisant des résultats plus précis. Des expériences ultérieures portant sur l'absorption de CO₂ radioactif ont confirmé le rapport de 8 pour 1.
Figure 2 : Rendement quantique photosynthétique en fonction de la longueur d'onde
Les autres paramètres importants pour l'éclairage horticole sont : le spectre, le PPFD, le YPFD, le DLI, l'intensité en lux, le rouge/bleu, le rouge/rouge lointain. Un instrument de mesure capable de quantifier chacun de ces paramètres est très utile pour les applications d'éclairage horticole et les cultures sous serre. Cependant, il est essentiel de comprendre l'utilité de mesurer ces paramètres au préalable.
Spectre : Pour l'éclairage artificiel, il est important de connaître le spectre. En utilisant une combinaison de LED, il est possible de choisir une combinaison de longueurs d'onde essentielles au processus de photosynthèse et de le stimuler plus efficacement. Pour une lumière à large bande comme le sodium haute pression (SHP), il est nécessaire de connaître la quantité de rayonnement photosynthétique actif (PAR) dans le spectre de la lampe. En choisissant les bonnes combinaisons de longueurs d'onde avec les LED, il est possible d'obtenir des plantes plus saines, avec des feuilles plus épaisses, une ramification et une floraison accrues.
La densité de flux photonique photosynthétique (PPFD) prend en compte le fait que la lumière rouge est deux fois plus efficace que la lumière bleue par watt incident. Cela est dû au fait que le nombre de photons par unité d'énergie est proportionnel à la longueur d'onde. Par conséquent, les longueurs d'onde plus grandes, comme le rouge, transportent davantage de photons que les longueurs d'onde bleues, qui en transportent moins. C'est pourquoi, en horticulture, il est courant d'utiliser la PPFD en mol/m²/s (1 mol = 6,023 x 1023 photons) plutôt qu'en unités d'énergie. Le nombre de photons pour chaque longueur d'onde étant plus important que l'énergie réelle du photon, la PPFD est une unité plus adaptée pour mesurer l'intensité lumineuse en unités quantiques lors de la photosynthèse. Cette conversion d'unités suppose que chaque photon de lumière contribue de manière égale au processus de photosynthèse et ne prend pas en compte le rendement quantique.
Figure 3 : Spectre PPFD d'une lampe fluorescente superposé au spectre d'action de référence McCree.
Figure 4 : Graphique YPFD superposé au spectre d’action de référence McCree.
DLI : Un autre paramètre important est l'intégrale lumineuse quotidienne (IPL), définie comme le nombre total de photons incident par mètre carré en une journée. L'IPL est mesurée en mol/m²/j, et chaque plante a des besoins spécifiques en IPL pour sa croissance. Des valeurs comprises entre 6 et 18 mol/m²/j sont courantes selon la plante. Il existe une relation entre la PPFD et l'IPL :
DLI = PPFD x heures de lumière par jour x (3600/1000 000).
Cette formule montre qu'il existe un compromis entre la PPFD et le nombre d'heures d'éclairage nécessaires pour atteindre une valeur DLI donnée. Si une serre dispose d'une certaine quantité de lumière naturelle, elle doit être soustraite de la valeur DLI initiale pour un calcul correct des luminaires artificiels. En tenant compte de la DLI, de la PPFD et du nombre d'heures d'éclairage par jour, on calcule le nombre total de luminaires nécessaires dans une serre pour éclairer les cultures.
Intensité lumineuse en Lux ou Foot-candles :
En cas de faible luminosité, la respiration est prédominante et les plantes consomment de l'oxygène. Ce processus est indépendant de l'intensité lumineuse ; par conséquent, la courbe du taux de réaction de la respiration en fonction de l'intensité lumineuse est plate. À mesure que l'intensité lumineuse augmente après l'obscurité et que la photosynthèse commence, la production d'oxygène augmente et, à un niveau d'intensité lumineuse donné, la quantité d'oxygène consommée par la respiration devient égale à celle produite par la photosynthèse. C'est ce qu'on appelle le point de compensation. Au-delà de ce point, où la quantité d'oxygène produite dépasse la quantité d'oxygène consommée, la plante peut augmenter ses réserves, croître et se reproduire. Toutes les plantes n'ont pas le même point de compensation, certaines l'atteignant à des intensités plus élevées que d'autres. En général, les cultures comme le soja et le maïs atteignent ce point de compensation à des intensités plus élevées. La figure 5 ci-dessous illustre le concept de point de compensation.
Figure 5 : Point de compensation, respiration et photosynthèse.
R/FR et R/B :
Plusieurs études menées par des scientifiques en horticulture ont examiné le rapport R/FR et R/B et son effet sur la croissance et la productivité des plantes. Par exemple, des études ont montré qu'une faible lumière bleue provenant de LED blanc chaud entraîne une augmentation de l'allongement des tiges et de la croissance des feuilles. En revanche, une forte lumière bleue provenant de LED blanc froid entraîne des plantes plus compactes. En général, la présence de lumière bleue a des effets significatifs sur la morphologie des plantes, outre la photosynthèse. Le rapport R/FR stimule des processus physiologiques tels que la floraison, la formation des bourgeons d'hiver et la croissance végétative.
Compteur unique capable de mesurer de nombreux paramètres :
Par le passé, les botanistes et les serriculteurs devaient utiliser quatre appareils de mesure différents pour mesurer a) le spectre lumineux de leurs cultures, b) la quantité de spectre actif photosynthétique, c) l'intensité en lux ou en pieds-bougies et d) les rapports R/FR. Ce processus était très fastidieux et les données devaient être transférées séparément sur des ordinateurs de bureau pour être analysées.
Allied Scientific Pro a développé le premier spectromètre pour smartphone qui communique via Bluetooth avec un appareil intelligent et avec la nouvelle application, « SGAL » peut mesurer tous ces paramètres à la fois.
Cet appareil remarquable dispose de journaux dans lesquels on peut stocker les valeurs mesurées surveillées ainsi qu'une photo de la plante surveillée à un jour donné, générant ainsi un enregistrement illustrant la croissance des plantes.
Plusieurs spectres d'action PAR de référence sont disponibles, dont le spectre d'action McCree, le plus répandu. Il est également possible de comparer plusieurs spectres mesurés en unités PPFD ou YPFD.
Cet appareil de mesure est l'outil idéal pour les serriculteurs et les horticulteurs qui souhaitent suivre la croissance de leurs plantes, élaborer d'excellentes recettes de mélange de lumière et enregistrer leur croissance. La figure 6 illustre le logiciel SGAL utilisé avec le passeport d'éclairage et les différentes mesures de paramètres qu'il permet. Cet appareil de mesure unique est le premier spectromètre pour smartphone au monde, et le logiciel SGAL est très convivial.
Figure 6 : L'application SGAL peut mesurer de nombreux paramètres à la fois, réduisant ainsi le temps de traitement et le besoin de plusieurs équipements différents.