La luce: Fattore fondamentale per la vita e la crescita delle piante, soprattutto nelle serre

Per le colture protette in serra, ma anche per la produzione vivaistica di piantine orto-floricole, a volte la luce può essere un fattore limitante al fine di massimizzare la produzione e la qualità. Infatti, la luce fornisce l’energia per la reazione della fotosintesi. Si può dire che sia la benzina della fotosintesi.

Come sappiamo, le piante per crescere, oltre ai nutrienti, Azoto, Fosforo, Potassio ecc., hanno bisogno per circa il 90-95% di Idrogeno, Carbonio e Ossigeno, (Jean Baptiste van Helmont “1.579–1.644”.
La Luce è indispensabile per fornire l’energia necessaria alla reazione della fotosintesi al fine della produzione del glucosio.

In sostanza, le piante con il processo chimico della fotosintesi convertono l’anidride carbonica (CO2) e l’acqua (H2O) in materiale vegetale grazie all’impiego dell’energia luminosa che proviene dal sole. In questo modo, l’energia si conserva sotto forma di sostanza organica (glucosio). Infatti durante il processo di fotosintesi clorofilliana, vengono assorbite 6 molecole di anidride carbonica e 6 molecole di acqua e si producono 1 molecola di glucosio e 6 molecole di ossigeno.

Il materiale vegetale prodotto viene poi utilizzato tramite “combustione” o “digestione” dalle piante e dagli animali per le loro esigenze energetiche.
Le piante con il processo chimico della respirazione producono l’energia di cui hanno necessità per tutte le attività che sono indispensabili per i processi di crescita, sviluppo e produzione di biomassa degli organismi vegetali. Anidride carbonica e acqua poi ricompaiono in questi processi.

In modo semplice e generico possiamo scrivere la reazione della fotosintesi con la seguente equazione:

6CO2 + 6H2O + Luce → C6H12O6 + 6O2

Però anche le piante respirano, come tutti gli esseri viventi, ed il processo è esattamente l’opposto a quello della fotosintesi clorofilliana, dove da una mole di Glucosio + 6 moli di ossigeno, si libera dell’energia, (che è quella che serve alla pianta). Come “residuo” abbiamo 6 moli di anidride carbonica e 6 moli di acqua.

Il Glucosio è il prodotto della reazione fotosintetica, e l’ossigeno sarebbe un prodotto di scarto, ma come sapete è fondamentale per la vita sulla terra.

La luce, nelle lunghezze d’onda del visibile, è un fattore determinante per la crescita e lo sviluppo delle piante. Essa, che può provenire dal sole o da una lampada in serra, dal punto di vista fisico risponde alla teoria elettromagnetica ondulatoria, oppure la teoria corpuscolare (la radiazione elettromagnetica come sequenza di pacchetti di energia chiamati fotoni). Nel primo caso, il livello di energia della luce è funzione della sua lunghezza d’onda: più corta è la lunghezza d’onda più alto è il livello di energia.

Nella *tabella 1 viene riportata la suddivisione della luce sulla base delle diverse lunghezze d’onda. Le piante utilizzano la luce con lunghezze d’onda comprese tra 400 e 700 nanometri come fonte di energia per realizzare il loro processo della fotosintesi. La luce rossa (650-700 nm) e la luce blu (460-480 nm) costituiscono le lunghezze d’onda più efficienti per il processo fotosintetico.

La luce del sole che arriva sulla terra, corrisponde mediamente a 1.800-2.000 μmoli/m2 per secondo.

La PAR, o luce fotosinteticamente attiva, ha un valore di lunghezza d’onda pari a 400-700 nm. La PAR (Photosynthetic Active Radiation), corrisponde a circa 300-400 μmoli/m2/sec).

Per le colture in serra, è evidente che avere un'oculata gestione del sistema serra (struttura e copertura) è necessaria al fine di ottimizzare al massimo l’’utilizzo della luce che entra nella serra stessa, dove solo per la copertura e la struttura si ha una perdita di trasmissività di circa il 30-40% della luce totale presente all’esterno.

Come sappiamo l’agricoltura protetta sfrutta proprio l’effetto serra per far sì che i processi di crescita delle piante siano “accelerati”, grazie al fatto che in serra si mantiene una temperatura media ottimale per le piante rispetto all’esterno. Questo si ottiene “intrappolando” la luce o meglio l’energia del sole, ed impedendo che l’aria riscaldata si mescoli con l’ambiente esterno alla serra e con gli strati più freddi dell’atmosfera alta.

In primavera inoltrata o in estate, con giornate di sole intenso, può accadere che le temperature in serra siano troppo alte e, quindi, necessita abbassarle.
Come fare? Attraverso la ventilazione, vale a dire un certo numero di ricambi d’aria orari, oppure riducendo l’energia radiante del sole che entra in serra, attraverso l’ombreggiamento.

Oltre al fatto di prestare la massima attenzione a come le piante vengono esposte alla luce, per ottenere questo risultato è assolutamente necessario passare attraverso una attenta scelta del materiale di copertura e una sua buona manutenzione e pulizia e, in caso di nuove costruzioni, la scelta di strutture “leggere” che minimizzino la formazione di ombre.

Nelle serre più moderne, tecnologicamente innovative, alle piante dopo aver fornito acqua e nutrienti con la fertirrigazione, serve una temperatura adeguata. Quindi in inverno si interviene con il riscaldamento. Ma, per evitare la perdita di calore si tengono le serre chiuse.
Con la chiusura della serra, si ha una forte diminuzione dell'Anidride Carbonica, che può arrivare ad una concentrazione così bassa da limitare o bloccare il processo fotosintetico. Per cui se la CO2 diventa il fattore limitante per la produzione, di conseguenza diventa inutile fertirrigare e riscaldare. Di conseguenza si applica la “Concimazione carbonica”, ossia si immette all’interno della serra della CO2 artificiale, proveniente da bombole o dalla combustione del metano utilizzato per il riscaldamento. A questo punto si controllano tutti i fattori per la produzione.
Ma il fattore limitante potrebbe diventare la luce. Infatti in inverno le giornate sono corte e spesso il tempo è nuvoloso. Livelli così bassi di luce o radiazione solare sono una forte limitazione alla crescita delle piante che in pratica hanno tutto il necessario per crescere. Diventa quindi necessario fornire luce artificiale alle piante attraverso lampade al sodio o con le più moderne lampade LED.

Quanta luce o energia possiamo somministrare alle piante e quando è necessario farlo?

Negli ultimi anni l’applicazione di luce artificiale in aggiunta a quella solare è una tecnica molto applicata in Olanda, e sta avendo un certo interesse anche in Italia. Oltre al vantaggio sopra citato, con le lampade si rende possibile la produzione a ciclo continuo e con una qualità più costante nel corso dell’anno; in pratica con la luce artificiale migliora il potere contrattuale del produttore.

La luce artificiale incrementa la produzione e offre maggiori possibilità di pianificarla. È innegabile, però, che il motivo principale dell’espansione dell’applicazione di luce artificiale sono stati gli stimoli politici alla cogenerazione, cioè l’istallazione di macchine a produzione combinata di elettricità e calore con cui di fatto, il serricoltore è un produttore di energia elettrica che dispone “gratis” dei due sottoprodotti, calore e anidride carbonica.

Una applicazione pratica in Italia, la possiamo trovare in produzioni di alto valore, come per esempio i vivai per la produzione di piantine, sia orticole che floricole, in cui c’è la necessità di produrre anche in periodi a bassa luminosità.

Per esempio, per produrre piantine di pomodoro pronte per la vendita, si devono cumulare almeno 220-250 mol/m2 di luce. Quindi ogni 8 ore di accensione di un sistema di lampade da 150 μmol/m2∙s (sodio a alta pressione o LED) si accorcia di un giorno il periodo necessario a produrre piantine con semina in novembre, ma solo di una frazione minore quando la semina è a marzo.
Naturalmente sta all’imprenditore valutare costi e benefici; di sicuro però in un caso simile l’analisi economica vale la pena farla.

Applicazione della luce LED a spettro rosso per ridurre i nitrati nella rucola

Da uno studio recentissimo, effettuato dall’università di Bari e di Ghent in Belgio, i ricercatori hanno effettuato delle prove con l’applicazione delle luci LED per abbassare il contenuto dei nitrati nella rucola che, specie quella selvatica, è un’iper-accumulatrice dello ione nitrato. Si sono ottenuti risultati interessanti applicando le luci LED nello spettro blu e nello spettro rosso.

I risultati hanno dimostrato che il LED rosso è molto promettente al fine di ridurre i nitrati. Lo spettro rosso riesce a raggiungere la soglia dei 4.200 mg/kg di prodotto fresco contro il 7.100 mg/kg del LED blu.

Ugualmente importante, la ricerca ha anche dimostrato che la luce rossa, induce sempre su rucola, a produrre più glucosinati (sostanze utili per la salute, capaci di contrastare in via preventiva, malattie di tipo degenerativo come il cancro). I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista “Frontiers in Plant Science”.

*Tabella 1: Lunghezze d'onda della luce solare