Gao W., He D., Ji F., Zhang S., Zheng J.
Effects of Daily Light Integral and LED Spectrum on Growth and Nutritional Quality of Hydroponic Spinach
Agronomy, 2020, 10, 1082; DOI: 10.3390/agronomy10081082
Le proprietà nutrizionali degli ortaggi da foglia sono fortemente influenzate dai fattori climatici come, ad esempio, la radiazione luminosa. Tra gli ortaggi da foglia, lo spinacio, caratterizzato da alte produzioni ed elevate proprietà nutrizionali, ben si adatta alla coltivazione in condizioni indoor. In questo ambiente di coltivazione, la radiazione costituisce il principale fattore climatico per incrementare le produzioni e il profilo nutrizionale dello spinacio. Con l’utilizzo della tecnologia LED è possibile agire su spettro di emissione ed intensità luminosa. Inoltre, l’applicazione di LED rappresenta la più importante voce di costo per la produzione in ambiente indoor degli ortaggi; quindi, è di fondamentale importanza incrementare l’efficienza d’uso della radiazione per abbattere i costi di produzione. Ad esempio, studi precedenti hanno dimostrato come aumentare il daily light integral (DLI) oltre 16,5 mol·m-2·d-1 non determini alcun aumento di produzione in lattuga ma, allo stesso tempo, incrementando il DLI da 3,0 a 20,5 mol·m-2·d-1 il contenuto di nitrati e ossalati viene notevolmente ridotto nello spinacio. In base a quanto descritto, l’obiettivo di questo studio è stato quello di individuare lo spettro e il livello di DLI ottimali per efficientare l’utilizzo dei LED durante la coltivazione di spinacio indoor, studiando l’accumulo di biomassa, le proprietà nutrizionali e l’efficienza di utilizzo della radiazione.
L’attività è stata svolta in camera di crescita in condizioni di temperatura e umidità relativa stabili. L’illuminazione supplementare è stata fornita attraverso moduli LED con spettro di emissione rosso+blu a tre differenti livelli di rapporto rosso/blu (0,9, 1,2 e 2,2). Lo spettro di controllo è stato fornito da lampade fluorescenti con rapporto rosso/blu di 1,8. Inoltre, per ogni spettro luminoso sono stati testati quattro livelli di DLI (11,5, 14,4, 17,3 e 20,2 mol·m-2·d-1) forniti modificando l’intensità di radiazione dei LED, ma utilizzando un fotoperiodo costante di 16 ore. Le piante di spinacio sono state raccolte 20 giorni dopo il trapianto e, lo stesso giorno, prima della raccolta sono stati svolti i rilievi sulla fisiologia delle piante.
Dall’analisi degli scambi gassosi è emerso che l’attività fotosintetica netta, la conduttanza stomatica e il tasso di traspirazione sono influenzati dai differenti valori di DLI e dagli spettri dei LED. Più nel dettaglio, il trattamento con DLI di 17,3 mol·m-2·d-1 ha mostrato il tasso di attività fotosintetica più alto indipendentemente dagli spettri di emissione, mentre sia la conduttanza stomatica sia il tasso di traspirazione hanno mostrato valori crescenti tra 11,5 e 17,3 mol·m-2·d-1. Inoltre, relativamente a questi due ultimi parametri, in questo studio è emerso che i LED con rapporto spettro rosso/blu più basso incrementano il tasso fotosintetico rispetto a quelli più rossi e questo può essere dovuto all’incremento della frazione blu nello spettro di emissione che influenza positivamente l’apertura stomatica. Anche dall’analisi del numero di foglie, dell’area fogliare e della lunghezza dei pezioli, è emerso che i trattamenti luminosi con DLI compreso tra 14,4 e 17,3 mol·m-2·d-1 migliorano la produzione dello spinacio in ambiente indoor. Ad esempio, la lunghezza dei pezioli fogliari risulta avere un andamento crescente fino ai 17,3 mol·m-2·d-1 per poi decrescere con i trattamenti a maggiore DLI. Tuttavia, anche sui caratteri morfologici, lo spettro di emissione sembra recitare un ruolo importante, in quanto gli spinaci coltivati con lampade fluorescenti (controllo) hanno mostrato un maggior numero di foglie rispetto agli altri trattamenti luminosi. Anche dallo studio dell’accumulo di biomassa è emerso che i differenti livelli di DLI, più che lo spettro di emissione dei LED, influenzano questo parametro. Il trattamento con DLI di 17,3 mol·m-2·d-1 ha mostrato il più alto accumulo di biomassa negli organi epigei dello spinacio. In generale, confrontando gli spettri dei LED con quello delle lampade fluorescenti è emerso che i primi incrementano la produzione di sostanza fresca, ma la differenza non emerge dall’analisi della sostanza secca. Ciò è dovuto alla presenza di radiazione blu e verde nei moduli fluorescenti, che incrementa l’attività traspirativa della pianta e quindi la perdita di acqua. Più ingenerale, l’incremento della radiazione blu nello spettro di emissione inibisce la divisione cellulare e l’espansione delle foglie, riducendo la quantità di radiazione assorbita dalla pianta. Considerando il contenuto di vitamina C, lo spettro con rapporto rosso/blu di 1,2 ha permesso di produrre spinaci con il più altro contenuto di questa molecola. Invece, incrementando ulteriormente il contenuto di radiazione blu nello spettro, il contenuto di vitamina C si è ridotto. Questo indica che la radiazione blu incrementa il contenuto di vitamina C dello spinacio fino a quando quest’ultima non è fornita in maniera eccessiva. Come per le determinazioni morfologiche, i trattamenti con DLI compreso tra 14,4 e 17,3 mol·m-2·d-1 hanno ottenuto spinaci con il più alto contenuto di vitamina C. Relativamente all’accumulo dei nitrati, come è già noto, incrementando il DLI è stato ridotto il contenuto dei nitrati dello spinacio senza evidenziare differenze significative tra i trattamenti a DLI di 17,3 e 20,2 mol·m-2·d-1. Inoltre, quasi sempre i moduli LED hanno permesso di ridurre il contenuto dei nitrati rispetto alle lampade fluorescenti e questo è dovuto alla maggiore presenza della radiazione rossa. Tuttavia, i risultati migliori nell’abbattere il contenuto dei nitrati nello spinacio sono stati ottenuti con l’azione sinergica dello spettro blu e rosso (rapporto blu/rosso di 0,9 e 1,2). Infine, il DLI sembra non influenzare in maniera significativa l’accumulo degli ossalati nello spinacio, mentre la radiazione LED con più alto contenuto di rosso permette di ridurre leggermente il contenuto di questi ultimi.
Infine, dall’attività svolta sull’efficienza di utilizzo della radiazione artificiale è emerso che le lampade fluorescenti hanno un “consumo di energia elettrica per incremento di peso fresco della pianta (kWh per 100 g PF)” maggiore rispetto alla tecnologia LED, che ha mostrato i valori più bassi con DLI compreso tra 14,4 e 17,3 mol·m-2·d-1. Mentre, la resa energetica migliore dell’impianto di illuminazione artificiale e la migliore efficienza di utilizzo della radiazione artificiale sono stati rilevati con tecnologia LED, DLI di 17,3 mol·m-2·d-1 e rapporto luce rossa/blu di 1,2.
In conclusione, in questo studio è stato dimostrato che il rapporto tra luce rossa e blu e il DLI influenzano la crescita dello spinacio e l’efficienza di utilizzo della radiazione. La combinazione tra DLI di 17,3 mol·m-2·d-1 e rapporto rosso/blu di 1,2 risulta essere la più adatta per la coltivazione dello spinacio, massimizzando il peso fresco delle foglie e riducendo il contenuto dei nitrati. Inoltre, questo trattamento permette anche di ridurre il consumo energetico ed incrementare l’efficienza di utilizzo della radiazione. Tuttavia, il consumo dell’energia elettrica per l’illuminazione artificiale risulta essere ancora un’importante voce di costo per la produzione in ambiente indoor, per cui sarà necessario individuare ulteriori strategie atte a ridurre l’impatto economico di questo input sull’attività produttiva.
HTML e PDF: https://doi.org/10.3390/agronomy10081082