Éclairage pour laitue au-delà des taux de croissance

La laitue est le vert feuillu le plus cultivé aux États-Unis. Alors que la plupart des laitues sont cultivées dans les champs, la production augmente dans les serres d'agriculture en environnement contrôlé (ACE) et les fermes verticales. En fait, la laitue est désormais la deuxième plus grande culture de légumes de serre aux États-Unis derrière les tomates, selon le recensement 2019 de l'USDA sur les spécialités horticoles. La production hivernale en serre dans la moitié nord des États-Unis dépend d'un éclairage supplémentaire pour augmenter le rendement. La quantité de lumière (intégrale de lumière quotidienne) et la qualité (spectre ou couleur de la lumière) ont un impact sur plusieurs aspects de la culture de laitue, notamment le rendement (généralement le poids frais vendable), la couleur/pigmentation des feuilles et le contenu nutritionnel. Sur le plan nutritionnel, la laitue est une source importante de vitamine K, de xanthophylles (une classe de caroténoïdes importants pour la santé des yeux), d'anthocyanes, de folate et de fer.

L'énergie pour le chauffage et l'éclairage des serres est généralement le deuxième coût de production le plus important. Traditionnellement, les lampes à décharge à haute intensité (DHI) sont utilisées dans les serres de laitue pour compléter la lumière lors des journées d'hiver nuageuses et peu éclairées. Le sodium haute pression (HPS) et l'halogénure métallique céramique (CMH) sont deux types de HID. Ces lampes sont relativement durables et peu coûteuses au départ, mais elles sont moins écoénergétiques car une grande partie de l'énergie est convertie en chaleur, et un refroidissement supplémentaire peut être nécessaire pour compenser la chaleur supplémentaire. Un autre inconvénient des luminaires HID est que l'intensité lumineuse et le spectre lumineux ne peuvent pas être ajustés. Les diodes électroluminescentes (DEL) sont de plus en plus adoptées, principalement parce qu'elles réduisent les coûts énergétiques, mais aussi en raison de la flexibilité qu'elles offrent en termes d'intensité et de spectre. Pour la laitue frisée rouge, il est bien connu que la lumière bleue est nécessaire à la coloration rouge (qui provient des anthocyanes, un important pigment et antioxydant). Parce que les lumières HPS sont faibles dans le spectre bleu, la laitue rouge manque souvent de coloration profonde en hiver lorsque la lumière naturelle (y compris le bleu) est faible. Le spectre lumineux peut être utilisé pour ajuster le pigment et le contenu nutritionnel de la laitue. Cependant, les informations manquent sur les différentes sources d'éclairage supplémentaires en termes de leurs effets sur la teneur en éléments nutritifs et le rendement de la laitue. Un éclairage supplémentaire peut également avoir un impact sur l'utilisation de l'eau par les plantes, ce qui a un impact sur la planification de l'irrigation et la nécessité de déshumidifier l'espace de culture. Nous avons mené une étude en serre qui a comparé les éclairages traditionnels (HPS et CMH) avec deux types de LED (blanc à large spectre et rouge : bleu).

L'expérience a été menée dans une serre du centre de New York de décembre à la mi-mars. Deux cultivars de laitue, « Rex » (un type de beurre commun pour la culture hydroponique) et « Rouxai » (une variété à feuilles de chêne rouge) ont été utilisés pour cette étude. Les graines ont été démarrées dans des cubes de laine de roche pendant une semaine, puis transplantées dans des mini systèmes hydroponiques de culture en eau profonde (DWC) sous des traitements d'éclairage pendant quatre semaines. De l'air a été pompé dans la solution nutritive pour fournir de l'oxygène à la zone racinaire. Quatre traitements d'éclairage ont été mis en place dans la même serre : HPS, CMH, LED rouge : bleu (70 % rouge et 30 % bleu) et LED blanche (36 % rouge, 27 % bleu et 45 % vert). Tous les traitements ont été ajustés pour avoir la même intensité de 150 μmol·m-2·s-1 et chaque jour, le nombre d'heures de lumière supplémentaire a été ajusté par commande informatique pour obtenir une intégrale de lumière quotidienne (DLI) de 17 mol·m- 2·j-1 sous chaque traitement. Chaque traitement d'éclairage a été mis en œuvre sur deux bancs situés au hasard dans la serre et l'expérience a été menée sur trois cycles de culture avec des traitements d'éclairage randomisés avant chaque nouveau cycle. La serre avait des points de consigne de température jour/nuit de 77/68° F. Les semis ont été cultivés pendant une semaine dans un environnement commun, puis transplantés et cultivés pendant quatre semaines sous les traitements d'éclairage. La consommation d'eau a été enregistrée trois fois par semaine. Après quatre semaines de traitement d'éclairage, neuf plantes de chaque cultivar par zone de traitement ont été récoltées de manière destructive et des données ont été recueillies sur la hauteur, la largeur et le poids frais des plantes. Trois des neuf plantes ont été congelées et analysées pour les pigments et les nutriments (teneur en chlorophylle, xanthophylle, anthocyanine et éléments minéraux). Le reste des échantillons a été utilisé pour la collecte de données sur la surface foliaire et le poids sec.

Bien que les plantes aient reçu la même intensité lumineuse et le même DLI, leur croissance a été significativement affectée par le spectre lumineux. Les plantes cultivées sous HPS et CMH avaient une taille et une surface foliaire plus grandes que celles cultivées sous LED. Les traitements HPS et CMH ont tous deux entraîné un poids frais et un poids sec supérieurs à ceux des traitements LED. Par exemple, les plantes cultivées sous HPS avaient 24% et 39% de poids frais en plus, respectivement pour 'Rex' et 'Rouxai', que les plantes cultivées sous LED rouge:bleue. 'Rex' avait un poids frais de 150 g sous HPS contre 120 g sous LED rouge:bleu. 'Rouxai' avait un poids frais de 100 g sous HPS contre 70 g sous LED rouge:bleu. Alors que les plantes cultivées sous HPS avaient un poids frais supérieur à celles cultivées sous CMH, la différence de poids sec n'était pas statistiquement significative. En d'autres termes, les plantes cultivées sous HPS étaient plus juteuses (c'est-à-dire qu'elles retenaient plus d'eau) que les plantes cultivées sous CMH. Les deux traitements LED ont donné un poids frais et un poids sec similaires, bien que la LED blanche ait entraîné une taille et une surface de feuille plus grandes que la LED rouge:bleue. Les luminaires HPS et CMH produisent de la chaleur infrarouge qui réchauffe la canopée des plantes - nous pensons que l'augmentation de la température des plantes peut être l'une des raisons de l'augmentation de la croissance dans des conditions hivernales de serre. Cela suggère que les producteurs qui adoptent les LED devront peut-être augmenter la température de l'air de leur serre de quelques degrés pour avoir un taux de développement similaire aux plantes cultivées en HID. Les luminaires HPS contiennent également un rayonnement rouge lointain qui peut augmenter l'expansion des feuilles, augmentant ainsi la capture et le rendement de la lumière.

Malgré une taille et un poids plus petits, les plantes cultivées sous LED rouges: bleues étaient plus nutritives en ce sens qu'elles avaient une concentration plus élevée de xanthophylles (lutéine et violaxanthine), et pour 'Rouxai', des anthocyanes plus élevées (pigmentation rouge) par rapport aux plantes cultivées sous HPS. Par exemple, les plantes cultivées sous LED rouge:bleue avaient 17 à 22 % plus de violaxanthine que les plantes cultivées sous HPS. La laitue est une source importante de nutriments minéraux tels que le fer et le zinc, cependant, il n'y avait aucune différence dans la teneur en nutriments minéraux entre tous les traitements. En ce qui concerne l'utilisation de l'eau, les plantes cultivées sous LED utilisaient moins de quantité totale d'eau (25 à 29 % de moins par plante) que leurs homologues cultivées sous HPS et CMH. Cependant, lorsque nous calculons l'efficacité de l'utilisation de l'eau (quantité d'eau utilisée par gramme de poids frais de la plante), les plantes cultivées sous HPS et CMH avaient une efficacité d'utilisation de l'eau plus élevée. Plus précisément, 'Rex' a utilisé 11,9 et 14,3 ml d'eau par gramme de poids frais sous HPS par rapport aux LED rouge:bleu, respectivement. Pour les plantes 'Rouxai', on a utilisé respectivement 17,9 et 20,4 ml par gramme de poids frais sous HPS par rapport aux LED rouge:bleu. Ainsi, sous les LED utilisées dans cette expérience, plus d'eau est nécessaire par masse fraîche récoltée que les lampes HID.

HPS, en tant que lumière supplémentaire traditionnellement utilisée dans la serre, nous a apporté une belle laitue en termes de taille et de poids des plantes. Cependant, les LED ont entraîné une teneur nutritionnelle plus élevée des plantes. Ce résultat est important pour les producteurs dont les clients cibles sont ceux qui se soucient des nutriments et de la santé. À l'avenir, les producteurs pourraient utiliser le spectre lumineux comme moyen d'équilibrer la croissance et la nutrition pour les clients soucieux de leur santé. Notez que notre expérience a été menée dans des conditions hivernales où la lumière du soleil est relativement faible et peut ne pas s'appliquer aux autres saisons avec un besoin réduit d'éclairage supplémentaire. Nous recommandons aux producteurs intéressés par l'adoption de nouvelles lampes de mener des essais à petite échelle avec leurs propres cultures dans leurs propres conditions de croissance, car de nombreux facteurs autres que l'éclairage, tels que la température, la fertirrigation et le cultivar, peuvent avoir un impact considérable sur les performances des cultures.

À propos des auteurs : Jiaqi Xia ([email protected]) est doctorant et Neil Mattson ([email protected]) est professeur et spécialiste de l'extension des serres à l'École des sciences végétales intégratives de l'Université Cornell. Jake Holley ([email protected]) est chercheur à la Colorado State University.

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation sous le numéro de prix 1739163 et par le numéro de prix USDA-NIFA-SCRI # 2018-51181-28365. Plus d'informations sur l'éclairage des serres sont disponibles sur : www.hortlamp.org

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