Iluminación para lechuga más allá de las tasas de crecimiento

La lechuga es la hoja verde más cultivada en los Estados Unidos. Si bien la mayoría de las lechugas se cultivan en los campos, la producción está aumentando en invernaderos y granjas verticales de agricultura de ambiente controlado (CEA). De hecho, la lechuga es ahora el segundo cultivo de hortalizas de invernadero más grande de los EE. UU. después de los tomates, según el Censo de especialidades hortícolas del USDA de 2019. La producción de invernaderos de invierno en la mitad norte de los EE. UU. depende de la iluminación adicional para aumentar el rendimiento. La cantidad de luz (integral de luz diaria) y la calidad (espectro o color de la luz) afectan varios aspectos del cultivo de lechuga, incluido el rendimiento (peso fresco típicamente vendible), el color/pigmentación de la hoja y el contenido nutricional. En términos de nutrición, la lechuga es una fuente importante de vitamina K, xantofilas (una clase de carotenoides que son importantes para la salud ocular), antocianinas, ácido fólico y hierro.

La energía para calefacción e iluminación de invernaderos suele ser el segundo costo de producción más grande. Tradicionalmente, las luces de descarga de alta intensidad (HID) se utilizan en los invernaderos de lechuga para complementar la luz en los días de invierno nublados y con poca luz. El sodio de alta presión (HPS) y el haluro de metal cerámico (CMH) son dos tipos de HID. Estas luces son relativamente duraderas y económicas por adelantado, pero son menos eficientes energéticamente porque una gran parte de la energía se convierte en calor y es posible que se necesite refrigeración adicional para compensar el calor adicional. Otro inconveniente de las luminarias HID es que la intensidad de la luz y el espectro de luz no se pueden ajustar. Los diodos emisores de luz (LED) están experimentando una mayor adopción principalmente porque reducen los costos de energía, pero también debido a la flexibilidad que ofrecen en cuanto a intensidad y espectro. Para la lechuga de hoja roja, es bien sabido que la luz azul es necesaria para la coloración roja (que proviene de las antocianinas, un importante pigmento y antioxidante). Debido a que las luces HPS son bajas en el espectro azul, la lechuga roja a menudo carece de una coloración profunda en invierno cuando la luz natural (incluida la azul) es baja. El espectro de luz se puede utilizar para ajustar el pigmento y el contenido nutricional de la lechuga. Sin embargo, falta información sobre diferentes fuentes de iluminación suplementarias en términos de sus efectos sobre el contenido de nutrientes y el rendimiento de la lechuga. La iluminación suplementaria también puede afectar el uso del agua de las plantas, lo que afecta la programación del riego y la necesidad de deshumidificar el espacio de cultivo. Realizamos un estudio de invernadero que comparó las luces tradicionales (HPS y CMH) con dos tipos de LED (blanco de amplio espectro y rojo: azul).

El experimento se llevó a cabo en un invernadero en el centro de Nueva York desde diciembre hasta mediados de marzo. Para este estudio se utilizaron dos cultivares de lechuga, 'Rex' (un tipo de cabeza de mantequilla común para hidroponía) y 'Rouxai' (una variedad de hoja de roble rojo). Las semillas se iniciaron en cubos de lana de roca durante una semana y luego se trasplantaron a sistemas hidropónicos de mini cultivo en aguas profundas (DWC) bajo tratamientos de iluminación durante cuatro semanas. Se bombeó aire a la solución nutritiva para proporcionar oxígeno a la zona radicular. En el mismo invernadero se instalaron cuatro tratamientos de iluminación: HPS, CMH, LED rojo:azul (70% rojo y 30% azul) y LED blanco (36% rojo, 27% azul y 45% verde). Todos los tratamientos se ajustaron para tener la misma intensidad de 150 μmol·m-2·s-1 y cada día se ajustó el número de horas de luz suplementaria mediante control informático para lograr una integral de luz diaria (DLI) de 17 mol·m- 2·d-1 bajo cada tratamiento. Cada tratamiento de iluminación se implementó en dos bancos ubicados al azar en el invernadero y el experimento se realizó durante tres ciclos de cultivo con tratamientos de iluminación aleatorios antes de cada nuevo ciclo. El invernadero tenía puntos de referencia de temperatura diurna/nocturna de 77/68 °F. Las plántulas se cultivaron durante una semana en un entorno común y luego se trasplantaron y se cultivaron durante cuatro semanas bajo los tratamientos de iluminación. El consumo de agua se registró tres veces por semana. Después de cuatro semanas de tratamiento con iluminación, se cosecharon destructivamente nueve plantas de cada cultivar por área de tratamiento y se recolectaron datos sobre la altura, el ancho y el peso fresco de la planta. Tres de las nueve plantas fueron congeladas y analizadas para pigmentos y nutrientes (clorofila, xantofila, antocianina y contenido de elementos minerales). El resto de las muestras se utilizaron para la recolección de datos sobre el área de superficie foliar y el peso seco.

Aunque las plantas recibieron la misma intensidad de luz y DLI, su crecimiento se vio significativamente afectado por el espectro de luz. Las plantas cultivadas bajo HPS y CMH tenían mayor tamaño y superficie foliar que las cultivadas bajo LED. Los tratamientos HPS y CMH resultaron en mayor peso fresco y peso seco que los tratamientos LED. Por ejemplo, las plantas cultivadas con HPS tenían un 24 % y un 39 % más de peso fresco, respectivamente para 'Rex' y 'Rouxai', que las plantas cultivadas con LED rojo:azul. 'Rex' tenía un peso fresco de 150 g bajo HPS frente a 120 g bajo LED rojo:azul. 'Rouxai' tenía un peso fresco de 100 g bajo HPS frente a 70 g bajo LED rojo:azul. Mientras que las plantas cultivadas bajo HPS tenían mayor peso fresco que las cultivadas bajo CMH, la diferencia en el peso seco no fue estadísticamente significativa. En otras palabras, las plantas cultivadas bajo HPS eran más jugosas (es decir, retenían más agua) que las plantas cultivadas bajo CMH. Los dos tratamientos con LED dieron como resultado un peso fresco y un peso seco similares, aunque el LED blanco dio como resultado un tamaño y un área de superficie de hoja más grandes que el LED rojo:azul. Los accesorios HPS y CMH producen algo de calor infrarrojo que calienta el dosel de la planta; creemos que el aumento de la temperatura de la planta puede ser una de las razones del mayor crecimiento en condiciones de invernadero en invierno. Esto sugiere que los productores que adoptan LED pueden necesitar aumentar la temperatura del aire de su invernadero un par de grados para tener una tasa de desarrollo similar a las plantas cultivadas con HID. Las luminarias HPS también contienen algo de radiación de rojo lejano que puede aumentar la expansión de la hoja, lo que aumenta la captura y el rendimiento de la luz.

A pesar de su menor tamaño y peso, las plantas cultivadas bajo LED rojo:azul fueron más nutritivas porque tenían una mayor concentración de xantofilas (luteína y violaxantina), y para 'Rouxai', mayores antocianinas (pigmentación roja) en comparación con las plantas cultivadas bajo HPS. Por ejemplo, las plantas cultivadas con LED rojo:azul tenían entre un 17 y un 22 % más de violaxantina que las plantas cultivadas con HPS. La lechuga es una fuente importante de nutrientes minerales como hierro y zinc, sin embargo, no hubo diferencia en el contenido de nutrientes minerales entre todos los tratamientos. En cuanto al uso del agua, las plantas cultivadas bajo LED usaron menos cantidad total de agua (25-29 % menos por planta) que sus contrapartes cultivadas bajo HPS y CMH. Sin embargo, cuando calculamos la eficiencia del uso del agua (cantidad de agua utilizada por gramo de peso fresco de la planta), las plantas cultivadas bajo HPS y CMH tuvieron una mayor eficiencia en el uso del agua. Específicamente, 'Rex' utilizó 11,9 y 14,3 ml de agua por gramo de peso fresco bajo HPS frente a LED rojo: azul, respectivamente. Para las plantas 'Rouxai' se utilizaron 17,9 y 20,4 ml por gramo de peso fresco bajo HPS frente a LED rojo:azul, respectivamente. Por lo tanto, con los LED utilizados en este experimento se requiere más agua por masa fresca cosechada que con las luces HID.

HPS, como una luz suplementaria usada tradicionalmente en el invernadero, nos trajo buenas lechugas en términos de tamaño y peso de la planta. Sin embargo, los LED dieron como resultado un mayor contenido nutricional de las plantas. Este resultado es importante para los productores cuyos clientes objetivo son aquellos que se preocupan por los nutrientes y la salud. En el futuro, los productores pueden usar el espectro de luz como una forma de equilibrar el crecimiento y la nutrición para los clientes preocupados por la salud. Tenga en cuenta que nuestro experimento se llevó a cabo durante las condiciones invernales cuando hay luz solar relativamente baja y es posible que no se aplique a otras estaciones con una necesidad reducida de iluminación adicional. Recomendamos a los productores interesados ​​en adoptar nuevas luces que realicen pruebas a pequeña escala con sus propios cultivos en sus propias condiciones de crecimiento, ya que muchos factores más allá de la iluminación, como la temperatura, la fertirrigación y el cultivo, pueden afectar en gran medida el rendimiento del cultivo.

Acerca de los autores: Jiaqi Xia ([email protected]) es candidato a doctorado y Neil Mattson ([email protected]) es profesor y especialista en extensión de invernaderos en la Escuela de Ciencias Vegetales Integrativas de la Universidad de Cornell. Jake Holley ([email protected]) es científico investigador en la Universidad Estatal de Colorado.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias bajo el número de premio 1739163 y por el número de premio USDA-NIFA-SCRI # 2018-51181-28365. Más información sobre la iluminación de invernaderos está disponible en: www.hortlamp.org

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