Aqu @teach: Sistemi di controllo delle serre
I sistemi di controllo includono quelli per l’illuminazione, il riscaldamento, il raffreddamento, l’umidità relativa e l’arricchimento di anidride carbonica. Anche se è utile avere un ambiente completamente controllato, la coltivazione acquaponica può prosperare anche senza di essa, o con solo alcuni dei parametri controllati.
Luce
La massima trasmissione luminosa, della quantità e della qualità appropriate (PAR, 400-700 nm), è fondamentale per la fotosintesi, la crescita e la resa ottimali. Se c’è troppa luce in estate, la vernice ombra o il lavaggio bianco possono essere spruzzati all’esterno della serra. Questo si consumerà entro la fine della stagione di crescita, o può essere lavato via. I panni esterni per paralume in tessuto di vari gradi di dimensione delle maglie per escludere quantità specifiche di luce (ad esempio, 30%, 40%, 50% ombra) possono essere posizionati all’esterno della serra o appesi al suo interno. Se durante l’inverno c’è troppo poca luce, le coperture riflettenti bianche possono aumentare significativamente i livelli di luce al baldacchino delle piante (Rorabaugh 2015).
Le luci artificiali possono essere utilizzate per prolungare la stagione invernale. Nelle serre vengono utilizzate varie tecnologie di luce diverse, ma il tipo più comune sono i diodi emettitori di luce (LED). A differenza di tutti gli altri sistemi di illuminazione artificiale, i LED non contengono vetro o componenti gassosi: tutti i componenti sono allo stato solido. Sono quindi meno fragili di altri tipi di lampade e possono essere collocati in luoghi in cui altre lampade possono danneggiarsi e rappresentare un rischio per la salute e la sicurezza. Tuttavia, un potenziale impatto negativo dell’utilizzo dell’illuminazione a LED nelle serre è la mancanza di calore radiativo che producono, che riduce il risparmio energetico complessivo in quanto vi è una maggiore domanda di riscaldamento (Davis 2015).
I LED sono ora disponibili con quasi tutte le lunghezze d’onda comprese tra 200 e 4000 nm. I vantaggi dei LED sono: i) la loro elevata efficienza (potenza di energia luminosa/energia elettrica) rispetto ad altre fonti di illuminazione; ii) che la luce emessa è direzionale, il che riduce la quantità di luce diffusa e assicura che la quantità massima di luce raggiunga il raccolto; e iii) che lo spettro complessivo può essere modificato per diverse applicazioni modificando il numero e i colori dei LED installati in un’unità di illuminazione. I LED offrono quindi il potenziale di ottimizzazione dei trattamenti di luce che consentono il miglioramento di specifiche qualità delle piante o il controllo sulla morfologia delle piante e sui tempi di fioritura. Per produrre piante sane, sono necessarie sia la luce rossa che quella blu. La luce rossa è utilizzata in modo più efficace per guidare la fotosintesi, ma le piante si trovano generalmente a crescere più efficacemente quando una certa luce blu è contenuta all’interno dello spettro luminoso, perché aiuta a promuovere l’assorbimento di CO2 che promuove lo stomata-promuovono. Le risposte stomatali alla luce, tuttavia, differiscono tra le specie, quindi non tutte le specie beneficeranno ugualmente dopo l’aggiunta di luce blu. Nella lattuga, ad esempio, i tassi di crescita sono diminuiti con l’aumento della luce blu (Davis 2015).
Ci sono casi in cui ulteriori colori di luce possono fornire ulteriori vantaggi. È stato dimostrato che l’inclusione della luce verde aumenta l’accumulo di biomassa di peso fresco e secco nelle piante di lattuga quando la luce verde sostituisce parte della luce blu o rossa nella miscela. La luce verde può anche penetrare più in profondità nella tettoia della pianta, e quindi guidare più fotosintesi. La luce rossa lontana è importante per lo sviluppo e le prestazioni delle piante per tutta la vita di una coltura. Pur inibendo la germinazione dei semi di lattuga, può comunque aumentare la superficie delle foglie, consentendo potenzialmente una maggiore cattura della luce e tassi di crescita. Durante le fasi successive dello sviluppo delle colture, d’altra parte, causerà stiramento e bullonatura. L’area in cui la luce rossa lontana può essere utilizzata per ottenere il massimo effetto è per controllare il tempo di fioritura (Davis 2015).
I LED offrono anche l’opportunità di illuminare le colture in modi non tradizionali. I LED sono fonti di luce fredde e, come tali, possono essere posizionati vicino alle colture o all’interno di un baldacchino per illuminare foglie che normalmente ricevono poca luce naturale o supplementare. Aggiungendo luce alle foglie normalmente nella zona ombreggiata del baldacchino, le piante sono in grado di utilizzare la luce in modo più efficiente. Ciò significa che l’interilluminazione ha il potenziale di aumentare i rendimenti più della stessa quantità di luce aggiunta sopra la tettoia. L’interilluminazione della luce blu ha avuto risultati misti nelle rese di piante di cetriolo e pomodori (Davis 2015).
La manipolazione spettrale può anche essere utilizzata per migliorare la pigmentazione. La luce blu è importante per guidare la sintesi dell’antocianina, che è uno dei tipi di composti che causano la pigmentazione rossa. La luce è importante anche per regolare la biosintesi di molti dei composti che funzionano per alterare direttamente il sapore e l’aroma di foglie, frutti e fiori. L’esposizione alla luce UVB è stata legata all’aumento del contenuto di olio e volatili in una serie di specie di erbe, tra cui melissa e basilico (Davis 2015).
Nella maggior parte delle ricerche, l’influenza della qualità della luce sulla qualità delle colture è considerata durante il periodo di crescita delle colture, ma più recentemente è stato preso in considerazione anche l’effetto dei trattamenti fotografici post-raccolta. I trattamenti post-raccolta forniscono il potenziale per migliorare le qualità delle colture durante il trasporto per ritardare l’insorgenza della senescenza, prolungando così la durata di conservazione. L’esposizione a due ore di luce rossa a bassa intensità ha ritardato la senescenza delle foglie di basilico per due giorni durante la conservazione a 20° C al buio (Davis 2015).
La reazione delle piante ai vari colori dello spettro luminoso può quindi essere utilizzata per manipolare le piante per soddisfare esigenze diverse, tra cui:
La luce ultravioletta può essere utilizzata per accorciare gli internodi
La luce blu e ultravioletta può essere utilizzata per aumentare la tolleranza allo stress delle piante prima del trapianto
La luce blu può essere utilizzata per stimolare la crescita vegetativa e prevenire la fioritura delle piante più brevi durante le loro fasi di propagazione
La luce rossa può essere utilizzata per indurre la fioritura e allungare gli internodi per produrre piante con steli più lunghi e fiori più grandi
La luce rossa lontana può essere utilizzata per controllare il fotoperiodismo delle piante
I misuratori Lux sono ampiamente utilizzati in orticoltura per misurare l’intensità delle lampade al sodio ad alta pressione (HPS). I misuratori Lux sono stati progettati per avere la stessa sensibilità alle diverse regioni dello spettro elettromagnetico dell’occhio umano, che è più sensibile alla luce verde. Tuttavia, per molte delle lampade a LED orticole, in particolare quelle con LED prevalentemente rossi e blu, gli spettri di emissione cadono nelle regioni in cui i lux meter sono relativamente insensibili e forniscono stime molto basse anche quando l’intensità effettiva di questi spettri è elevata. La misura della luce più adatta per l’uso con le piante è l’irradiazione fotonica PAR (chiamata anche densità del flusso fotonico fotosintetico, PDFD). La fotoirradianza PAR indica il numero di fotoni incidenti su una superficie misurata in micromoli per metro quadrato al secondo (µmol m-2 s-1 ). Poiché la fotosintesi è misurata in unità simili (µmol\ [CO2] m-2 s-1 ), l’uso dell’irradiazione fotonica PAR consente di confrontare direttamente la quantità di luce e la quantità di fotosintesi da effettuare (Davis 2015).
Figura 13: Crescita sotto la luce UV < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Aquaponics#/media/File:Light_on_Aquaponics.jpg >
Temperatura e umidità
I dispositivi di riscaldamento manterranno la temperatura entro l’intervallo ottimale durante i periodi di tempo freddo. Il materiale isolante (tende in tessuto o pellicola) può essere posizionato sopra il raccolto o vicino al tetto per trattenere il calore vicino al raccolto. Il materiale isolante utilizzato durante la notte può essere lo stesso del materiale utilizzato per l’ombreggiatura durante il giorno (Rorabaugh 2015).
Le alte temperature possono essere dannose per la crescita delle piante, soprattutto se c’è scarsa disponibilità di luce. Le alte temperature possono causare problemi come steli sottili e deboli, dimensioni ridotte del fiore, fioritura ritardata e/o scarsa impollinazione/fecondazione e set di frutta, e fiori e germo/frutta aborto. I sistemi di ventilazione passiva includono panni da ombra o vernice da paralume o lavaggio bianco che, oltre a regolare l’intensità della luce, possono anche aiutare a raffreddare la serra. Le prese d’aria della cresta nel tetto di una serra consentono la fuoriuscita dell’aria calda e interna. L’area delle prese d’aria dovrebbe essere del 25% della superficie del pavimento. Le pareti laterali arrotolabili possono essere utilizzate in serre flessibili (film di polietilene) per consentire un flusso d’aria orizzontale naturale sulle piante. Come per le prese d’aria della cresta, l’area delle prese d’aria della parete laterale dovrebbe essere del 25% della superficie del pavimento. I cuscinetti raffreddati ad acqua nella parte superiore delle torri di raffreddamento possono essere utilizzati per raffreddare l’aria circostante che poi scende, spostando così l’aria più calda al di sotto. I recenti progetti di serra possono includere un tetto che si ritrae completamente per una ventilazione naturale. Ciò consente alle piante coltivate in serra di adattarsi alle condizioni esterne (Rorabaugh 2015).
I sistemi di raffreddamento attivi comportano il «raffreddamento evaporativo» della ventola e del tampone dove l’aria dall’esterno viene estratta attraverso cuscinetti porosi bagnati (solitamente carta di cellulosa). Il calore dell’aria in entrata evapora l’acqua dalle pastiglie, raffreddando così l’aria. Il raffreddamento evaporativo aiuterà anche ad aumentare l’umidità relativa nella serra. In alternativa, i sistemi di appannamento utilizzano anche il raffreddamento evaporativo, ma incorporano una dispersione di gocce d’acqua che evaporano ed estraggono calore dall’aria. Questo sistema offre una migliore uniformità poiché l’appannamento è distribuito in tutta la serra, e non solo vicino a un’estremità del cuscinetto come con il sistema ventola e pad. Più piccola è la dimensione della goccia, più velocemente ogni goccia evapora e quindi più veloce è la velocità di raffreddamento. L’umidità relativa può essere aumentata facendo funzionare le pastiglie di raffreddamento o appannamento, e può essere diminuita facendo funzionare riscaldatori o semplicemente sfogando (Rorabaugh 2015).
Anidride carbonica (CO2)
Il tasso di fotosintesi dipende dalla disponibilità di anidride carbonica. La ventilazione può fornire CO2 sufficiente durante la primavera, l’estate e l’autunno, ma in inverno, o in qualsiasi momento in climi freddi, comporterà l’introduzione di aria fredda nella serra. Il riscaldamento sarà quindi necessario per mantenere la temperatura corretta, che può diventare antieconomico. La generazione di CO2 è quindi un modo efficace per aumentare i livelli della serra durante l’inverno o in climi freddi. I generatori CO2 possono bruciare vari tipi di carburante, tra cui gas naturale (più economico) o propano. I generatori a fiamma aperta producono anche calore e vapore acqueo come sottoprodotti. Pertanto, i coltivatori idroponici a volte utilizzano generatori CO2 in inverno, quando la produzione di calore supplementare è benvenuta, e CO2 imbottigliati e dosatori in estate, poiché non producono calore o umidità extra. Poiché il CO2 viene rilasciato dalle piante attraverso la respirazione durante la notte, non è raro che i livelli si accumulino fino allo 0,045% e allo 0,070% nel vivaio entro il mattino. Impostare il timer per iniziare il dosaggio CO2 un’ora dopo che le luci si accendono, con l’ultima dose un’ora prima che le luci si spengano, è il modo più economico per fornire CO2 supplementare. Per mantenere CO2 a livelli ottimali, è preferibile dosare per brevi periodi di tempo a volumi più elevati rispetto a dosare per periodi di tempo più lunghi a volumi bassi. (Rorabaugh 2015). In acquaponica, le vasche ittiche si trovano spesso nella stessa stanza della componente idroponica. La respirazione dei pesci aumenta i livelli di CO2 dell’acqua del sistema e CO2 entra anche nell’atmosfera. Pertanto, gli ingressi aggiuntivi di CO2 non sono richiesti o sono molto bassi (Körner et al. 2014).
Circolazione dell’aria
Uno dei motivi per avere una serra è quello di creare un «ambiente controllato» per tutte le piante. Tuttavia, soprattutto nei momenti in cui i sistemi di riscaldamento e raffreddamento non sono in funzione, possono svilupparsi sacche di alta o bassa temperatura, umidità relativa o anidride carbonica che possono essere meno che ottimali per la crescita delle piante o lo sviluppo di fiori/frutti. I ventilatori a flusso d’aria orizzontale (HAF) possono essere posizionati nelle travi della serra per far circolare l’aria sopra il raccolto. Questo aiuta a ridurre al minimo le sacche di aria calda o fredda e alta o bassa umidità o anidride carbonica. I ventilatori HAF possono essere utilizzati in combinazione con i sistemi di riscaldamento ad aria calda per far circolare aria calda in tutta la serra (Rorabaugh 2015).
Sistemi di controllo ambientale
I sistemi di controllo ambientale possono essere molto semplici o molto complessi. I sistemi più semplici comportano l’arrotolamento manuale di uno sfiato laterale, l’apertura di uno sfiato o di una porta sul tetto o l’accensione di un riscaldatore o di un dispositivo Semplici controllori funzionano da un termostato nella serra e impostano automaticamente gli intervalli di temperatura diurni e notturni, aprono e chiudono le prese d’aria e accendono o disattivano riscaldatori e raffreddatori. I regolatori passo controllano automaticamente 1 o 2 fasi di riscaldamento, a seconda del numero di riscaldatori, e controllano diverse fasi di raffreddamento utilizzando ventole di raffreddamento e pompe per bagnare le pastiglie. I sistemi di controllo ambientale più complessi utilizzano computer sofisticati che operano da un sensore di temperatura nella serra e regolano automaticamente gli intervalli di temperatura diurna e notturna, controllano le apparecchiature di riscaldamento comprese le caldaie, il riscaldamento delle zone radicolari, le tende di ritenzione del calore, ecc., controllano altre apparecchiature compresi ventilatori HAF, ventilatori di scarico, prese d’aria, pompe a tampone, sistemi di nebulizzazione, ecc., controllare l’umidità relativa e controllare le tende d’ombra e l’illuminazione artificiale a seconda delle esigenze di luce. I computer sofisticati possono anche monitorare una stazione meteorologica esterna e utilizzare i dati raccolti (luce, temperatura, umidità relativa, pioggia e vento) per controllare le condizioni interne della serra. Possono anche azionare il sistema fertirrigatore utilizzando automaticamente quantità di luce (ad esempio X ml di soluzione/Y quantità di luce), e controllando i tempi di irrigazione, la durata dell’irrigazione, la soluzione nutritiva pH ed EC e la nebulizzazione (Rorabaugh 2015).
*Copyright © Partner del progetto Aqu @teach. Aqu @teach è un partenariato strategico Erasmus+ per l’istruzione superiore (2017-2020) guidato dall’Università di Greenwich, in collaborazione con l’Università di Scienze Applicate di Zurigo (Svizzera), l’Università Tecnica di Madrid (Spagna), l’Università di Lubiana e il Centro Biotecnico Naklo (Slovenia) . *