Ahmed H.A., Tong Y., Li L., Sahari S.Q., Almogahed A.M., Cheng R.
Integrative Effects of CO2 Concentration, Illumination Intensity and Air Speed on the Growth, Gas Exchange and Light Use Efficiency of Lettuce Plants Grown under Artificial Lighting
Horticulturae, 2022, 8, 270. Doi: 10.3390/horticulturae8030270
L’obiettivo principale di un sistema di coltivazione in ambiente chiuso è quello di incrementare la produttività e la qualità dei prodotti orticoli attraverso un utilizzo efficiente degli input immessi, tra i quali la radiazione artificiale pesa per più del 30% sui costi totali di coltivazione. Attualmente, si stima che l’efficienza di utilizzo della radiazione in un impianto di coltivazione indoor sia del 30% circa, ed è quindi necessario riuscire ad incrementare questa percentuale. Attualmente i LED rappresentano la tecnologia di illuminazione artificiale più utilizzata per questi sistemi di coltivazione, grazie alla possibilità di poter regolare l’intensità e gli spettri luminosi applicati, in funzione della coltura e del suo stadio fenologico. Tuttavia, precedenti studi hanno dimostrato come variando la concentrazione della CO2 varia l’efficienza fotosintetica delle piante e la capacità di fissare gli atomi di carbonio. Inoltre, precedenti studi hanno anche dimostrato come variando la velocità dell’aria a livello della canopy, questa influenzi il tasso di traspirazione, la conduttanza stomatica e quindi la produzione di sostanza secca e fresca delle piante. Per quanto detto, l’obbiettivo di questo studio è stato quello di valutare gli effetti combinati di diversi livelli di radiazione luminosa, concentrazione di CO2 e velocità dell’aria sulla crescita, sugli scambi gassosi e sull’efficienza fotosintetica della lattuga coltivata in ambiente indoor. L’attività è stata svolta in camere di crescita presso il Dipartimento dello Sviluppo Ambientale Sostenibile di Pechino (Cina). Le piante di lattuga (cv. Tiberius) sono state coltivate con tre differenti concentrazioni di CO2 (500, 1000 e 1500 µmol·mol-1), tre livelli di PPFD (100, 200 e 300 µmol·m-2·s-1) e tre velocità dell’aria a livello della canopy (0,25, 0,50 e 0,75 m·s-1). Dall’analisi di crescita è emerso che il peso fresco e secco degli organi epigei, l’area fogliare ed il numero di foglie sono incrementati passando da PPFD 100 a 300. Tuttavia, è emerso che incrementando l’intensità luminosa, l’altezza delle piante si è ridotta, mentre, incrementando la concentrazione della CO2 l’altezza delle piante è tornata a crescere. Questi risultati sono in linea con quelli presentati da studi precedenti dove è stato dimostrato che incrementando l’intensità luminosa e la concentrazione di CO2 la pianta aumenta l’attività fotosintetica e quindi la produzione di biomassa. Inoltre, l’effetto “brachizzante” che si ottiene incrementando il PPFD è dovuto ad una riduzione dell’allungamento dei tessuti epigei. Mentre, l’influenza della velocità dell’aria sui parametri di crescita della coltura non ha mostrato effetti diretti significativi per la maggior parte dei parametri analizzati. Tuttavia, incrementando la velocità dell’aria la concentrazione di CO2 sullo strato superficiale delle foglie diminuisce, e con alti valori di PPFD questo causa una riduzione della sostanza fresca prodotta. Questo tipo di condizioni sono da evitare nelle fasi iniziali di coltivazione della lattuga, dove precedenti studi riportano che una velocità dell’aria di 0,25 m·s-1 è ottimale per le prime fasi di crescita. In generale, per PPFD, concentrazione di CO2 e velocità dell’aria è stata evidenziata una correlazione a tre vie, rispettivamente del 18% e 30% con i parametri “produzione di sostanza secca e fresca degli organi epigei della lattuga”. Invece, per quanto riguarda la produzione di sostanza secca e fresca delle radici, è emerso che questa è positivamente correlata con concentrazione di CO2 e PPFD, ma nessun effetto significativo è emerso variando la velocità dell’aria. Inoltre, la radiazione è risultata essere il parametro che più di tutti influenza l’accrescimento delle radici, ed anche in questo caso è stata evidenziata una correlazione a tre vie tra le tre variabili ambientali oggetto di studio e i parametri “peso fresco delle radici” e “lunghezza delle radici”. Infine, dall’analisi degli scambi gassosi è emerso che il tasso fotosintetico più elevato è stato raggiunto ad una concentrazione di CO2 pari a 1000 µmol·mol-1, PPFD di 300 µmol·m-2·s-1 e velocità dell’aria di 0,75 m·s-1. Inoltre, è stata evidenziata una correlazione positiva tra tasso fotosintetico e tasso di traspirazione, e tra tasso fotosintetico e conduttanza stomatica. Nel dettaglio, incrementando il PPFD è incrementato anche il tasso di traspirazione e la conduttanza stomatica, mentre incrementando la concentrazione di CO2 e la velocità dell’aria, il tasso di traspirazione e la conduttanza stomatica sono diminuiti. La radiazione è risultata essere il fattore ambientale più importante per la regolazione del tasso fotosintetico, seguita dalla concentrazione di CO2, mentre la velocità dell’aria ha avuto una forte influenza sul tasso traspirativo e soprattutto sulla conduttanza stomatica. Tuttavia, quest’ultima non controlla il tasso fotosintetico nelle piante di lattuga, eccetto quando la resistenza dell’aria sul margine fogliare è molto alta. Quindi l’efficienza di utilizzo della radiazione è aumentata del 19,6% passando da 500 a 1500 µmol·mol-1 di CO2 e del 19,1% passando da un valore di PPFD 100 a 300 µmol·m-2·s-1. Confermando che questo parametro è strettamente dipendente dalla concentrazione della CO2 nell’ambiente di coltivazione, in quanto dall’incremento di questo parametro dipende l’aumento della sostanza secca prodotta. Invece, incrementando il PPFD oltre determinati valori, l’efficienza d’uso della radiazione diminuisce e questo suggerisce che, utilizzando valori di PPFD più bassi e valori di concentrazione di CO2 e velocità dell’aria adeguati, l’efficienza di utilizzo della radiazione può essere aumentata.
In conclusione, lo studio suggerisce che nelle prime fasi di crescita i valori ottimali per la coltivazione di lattuga in ambiente indoor sono: concentrazione di CO2 pari a 1000 µmol·mol-1, PPFD di 200 µmol·m-2·s-1 e velocità dell’aria di 0,25 m·s-1. Mentre per massimizzare la crescita della lattuga durante il resto della produzione i valori ottimali sarebbero: concentrazione di CO2 pari a 1500 µmol·mol-1, PPFD di 300 µmol·m-2·s-1 e velocità dell’aria di 0,75 m·s-1. Tuttavia, questo è uno studio effettuato esclusivamente sulla fisiologia della pianta, mentre questi parametri vanno studiati anche dal punto di vista economico per stabilire a che livello di ciascuno di essi si raggiunge la massima redditività.
HTML e PDF: https://doi.org/10.3390/horticulturae8030270