Determinazione della luce integrale giornaliera ottimale (DLI) per la coltivazione indoor di lattuga iceberg in un sistema idroponico verticale indigeno

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10923 (2023) Citare questo articolo

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La coltivazione indoor della lattuga in un sistema idroponico verticale (VHS) con illuminazione artificiale è un processo ad alta intensità energetica che comporta un elevato costo energetico. Questo studio determina l'integrale di luce giornaliera (DLI) ottimale in funzione del fotoperiodo sui parametri fisiologici, morfologici e nutrizionali, nonché l'efficienza nell'uso delle risorse della lattuga iceberg (cv. Glendana) coltivata in un VHS indoor. Le piantine sono state coltivate in un fotoperiodo di 12 ore, 16 ore e 20 ore con una densità di flusso di fotoni fotosintetici (PPFD) di 200 µmol m−2 s−1 utilizzando luci LED bianche. I risultati ottenuti sono stati confrontati con VHS senza luci artificiali all'interno della serra. I valori DLI per 12 ore, 16 ore e 20 ore erano rispettivamente 8,64, 11,5 e 14,4 mol m−2 giorno −1. Il peso fresco dei germogli al momento della raccolta è aumentato da 275,5 a 393 g mentre il DLI è aumentato da 8,64 a 11,5 mol m−2 giorno −1. Un DLI di 14,4 mol m−2 giorno −1 ha avuto un impatto negativo sul peso fresco, sul peso secco e sull'area fogliare. Il passaggio dal VHS senza luci artificiali al VHS con luci artificiali ha comportato un aumento del peso fresco del 60%. Con un DLI di 11,5 mol m−2 giorno−1 è stata osservata un’efficienza nell’uso dell’acqua significativamente più elevata di 71 g FW/L e un’efficienza nell’uso dell’energia di 206,31 g FW/kWh. Lo studio raccomanda un DLI ottimale di 11,5 mol m−2 giorno −1 per la lattuga iceberg coltivata in un sistema idroponico verticale indoor.

Si prevede che la popolazione globale raggiungerà i 9,7 miliardi entro il 2050, di cui il 70% vivrà in aree urbane1, il che metterà a dura prova le infrastrutture urbane. Si prevede che entro il 2023 l’India supererà la Cina come paese più popolato del mondo, con una popolazione che crescerà al tasso più elevato da qui al 20502,3. L’effetto del cambiamento climatico, dell’esaurimento delle risorse naturali e della crescente urbanizzazione porterà a una minore disponibilità di terra per l’agricoltura. Gli effetti del cambiamento climatico sui rendimenti agricoli implicano che le riduzioni dei rendimenti potrebbero raggiungere il 60% entro la fine del secolo, a seconda del tipo di raccolto, della regione e del futuro scenario del cambiamento climatico4. Per affrontare queste sfide, è necessario praticare moderne tecniche di coltivazione come l’agricoltura verticale per garantire la sicurezza alimentare5,6. Questi sistemi possono far crescere più piante per unità di superficie rispetto ai metodi di coltivazione tradizionali, con conseguente maggiore produzione agricola. Ciò si ottiene stabilendo la produzione agricola nella dimensione verticale7. L’agricoltura verticale può essere praticata in serre e fabbriche di piante, due delle forme tipiche di agricoltura ad ambiente controllato8,9.

La lattuga è una delle colture commercialmente più significative coltivate in tutto il mondo. La lattuga è la coltura ideale per l'agricoltura verticale grazie al suo ciclo di crescita breve, al basso fabbisogno energetico, alla crescita più rapida, al basso apporto calorico e contiene anche livelli significativi di fibre, minerali e vitamine, oltre a sostanze bioattive benefiche10. La lattuga iceberg e quella dei Grandi Laghi sono due delle varietà di lattuga a cappuccio più comunemente coltivate in India. Dopo la Cina e gli Stati Uniti, l’India è il terzo produttore di lattuga al mondo, rappresentando il 14% della superficie totale seminata in tutto il mondo ma producendo solo il 4,1% della produzione totale11. Pertanto, vi è una crescente necessità di aumentare la produzione e la produttività della lattuga in India utilizzando moderne tecniche di coltivazione intensiva come l’agricoltura verticale.

La luce è una delle variabili ambientali più significative nell'agricoltura verticale che influenza lo sviluppo delle piante e governa l'attività delle piante in base alla quantità, qualità e direzione della luce12,13. La luce può essere emessa naturalmente dal sole, subire una trasformazione dello spettro o addirittura essere reindirizzata. La fonte di energia primaria per la coltivazione tradizionale è la luce solare, e la luce che le piante intercettano in un ambiente naturale fluttua ed è complessa14. Durante le giornate nuvolose e soprattutto in inverno le piante ricevono molta meno luce di quella necessaria per la loro normale crescita e sviluppo. Le luci di coltivazione artificiali possono essere utilizzate come luce supplementare quando la luce solare naturale è inadeguata e le luci di coltivazione sono l'unica fonte di luce per le fattorie verticali indoor con luci artificiali15,16. L’illuminazione artificiale genera radiazioni che fungono sia da fonte di energia per la fotosintesi sia da segnale biologico in grado di modificare la morfologia e la qualità delle piante. Per una produzione indoor efficace tutto l'anno di colture ad alto rendimento, è importante massimizzare la crescita delle piante sotto luci artificiali riducendo contemporaneamente le spese17,18,19. I LED hanno la più alta efficienza di radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) tra tutte le sorgenti luminose artificiali. Consentono inoltre di raggiungere il livello ottimale di irraggiamento in termini di produzione di biomassa e di costi energetici complessivi20. Studi precedenti21,22 hanno dimostrato che le piante coltivate sotto una combinazione di LED rossi e blu appaiono rossastre, il che rende difficile identificare i segni di malattie e problemi di crescita. Non sono stati rilevati cambiamenti significativi in ​​tutte le caratteristiche fisiologiche e di resa delle piante di lattuga tra i LED bianchi e le lampadine fluorescenti a luce bianca fredda. Tuttavia, i LED bianchi consumavano meno elettricità, indicando che i LED bianchi potrebbero sostituire efficacemente le classiche lampadine fluorescenti23,24.