Introduction

La lumière joue un rôle essentiel dans la croissance des plantes. Elle constitue le meilleur engrais pour favoriser l'absorption de la chlorophylle et d'autres nutriments essentiels à leur croissance, comme le carotène. Cependant, la croissance des plantes est déterminée par un ensemble de facteurs, qui ne se limitent pas à la lumière, mais dépendent également de la composition de l'eau, du sol et des engrais, des conditions environnementales et d'une maîtrise technique globale.

Ces deux ou trois dernières années, les articles sur l'application de la technologie d'éclairage à semi-conducteurs aux cultures tridimensionnelles et à la croissance des plantes se sont multipliés. Cependant, leur lecture attentive laisse souvent un sentiment de malaise. En effet, le rôle précis de la lumière dans la croissance des plantes reste flou.

Tout d'abord, examinons le spectre solaire, illustré par la figure 1. On constate que ce spectre est continu, les composantes bleue et verte étant plus intenses que la composante rouge. Le spectre de la lumière visible s'étend de 380 à 780 nm. La croissance des organismes vivants est liée à l'intensité de ce spectre. Par exemple, la plupart des plantes proches de l'équateur croissent très rapidement et atteignent des dimensions relativement importantes. Cependant, une forte intensité du rayonnement solaire n'est pas toujours bénéfique ; la croissance des animaux et des plantes présente une certaine sélectivité.

Figure 1, Caractéristiques du spectre solaire et de son spectre de lumière visible

Deuxièmement, le deuxième diagramme spectral de plusieurs éléments d'absorption clés de la croissance des plantes est présenté dans la figure 2.

Figure 2, Spectres d'absorption de plusieurs auxines dans la croissance des plantes

La figure 2 montre que les spectres d'absorption de la lumière de plusieurs auxines clés influençant la croissance des plantes présentent des différences significatives. Par conséquent, l'utilisation de lampes LED pour la croissance des plantes est une opération complexe qui nécessite une approche très ciblée. Il convient donc de présenter les concepts relatifs aux deux principaux éléments photosynthétiques impliqués dans la croissance des plantes.

• Chlorophyll

La chlorophylle est l'un des pigments les plus importants liés à la photosynthèse. Elle est présente chez tous les organismes capables de photosynthèse, notamment les plantes vertes, les cyanobactéries (algues bleues procaryotes) et les algues eucaryotes. La chlorophylle absorbe l'énergie lumineuse, qu'elle utilise ensuite pour convertir le dioxyde de carbone en glucides.

La chlorophylle a absorbe principalement la lumière rouge, tandis que la chlorophylle b absorbe principalement la lumière bleu-violet, permettant ainsi de distinguer les plantes d'ombre des plantes de soleil. Le rapport chlorophylle b/chlorophylle a étant faible chez les plantes d'ombre, celles-ci peuvent utiliser efficacement la lumière bleue et s'adapter à la croissance à l'ombre. La chlorophylle a est bleu-vert, et la chlorophylle b est jaune-vert. Elles présentent deux fortes absorptions : l'une dans le rouge, à une longueur d'onde de 630 à 680 nm, et l'autre dans le bleu-violet, à une longueur d'onde de 400 à 460 nm.

• Caroténoïdes

Les caroténoïdes désignent une classe importante de pigments naturels, que l'on retrouve généralement sous forme de pigments jaunes, orange-rouge ou rouges chez les animaux, les plantes supérieures, les champignons et les algues. À ce jour, plus de 600 caroténoïdes naturels ont été découverts.

L'absorption de la lumière par les caroténoïdes se situe dans la gamme d'absorbance 303 à 505 nm, ce qui confère leur couleur aux aliments et influence leur assimilation par l'organisme. Chez les algues, les plantes et les micro-organismes, leur couleur est masquée par la chlorophylle et ils ne sont donc pas visibles. Dans les cellules végétales, les caroténoïdes produits absorbent et transfèrent l'énergie nécessaire à la photosynthèse, et protègent également les cellules de la destruction par les molécules d'oxygène excitées par un seul électron.

Quelques malentendus conceptuels

Outre les économies d'énergie, la sélectivité et la coordination de la lumière, l'éclairage à semi-conducteurs présente de grands avantages. Cependant, son développement rapide ces deux dernières années a également mis en évidence de nombreuses incompréhensions dans sa conception et son application, qui se manifestent principalement dans les aspects suivants.

① Tant que les puces rouges et bleues d'une certaine longueur d'onde sont combinées dans un certain rapport, elles peuvent être utilisées dans la culture des plantes, par exemple, le rapport rouge/bleu est de 4:1, 6:1, 9:1 et ainsi de suite.

② Tant qu'il s'agit de lumière blanche, elle peut remplacer la lumière du soleil, comme le tube à lumière blanche à trois primaires largement utilisé au Japon, etc. L'utilisation de ces spectres a un certain effet sur la croissance des plantes, mais l'effet n'est pas aussi bon que celui de la source lumineuse fabriquée par LED.

③ Tant que le PPFD (densité de flux de photons photosynthétiques), un paramètre important de l'éclairement, atteint un certain seuil, par exemple supérieur à 200 μmol·m⁻²·s⁻¹, l'utilisation de cet indicateur est pertinente. Cependant, il est crucial de tenir compte du type de plante (ombre ou soleil) et de déterminer son point de saturation de compensation lumineuse. En pratique, les jeunes plants sont souvent brûlés ou dépérissent. Par conséquent, le réglage de ce paramètre doit être adapté à l'espèce végétale, à son environnement et à ses conditions de croissance.

Concernant le premier point, comme indiqué en introduction, le spectre nécessaire à la croissance des plantes doit être continu et présenter une certaine largeur de bande. Il est manifestement inapproprié d'utiliser une source lumineuse composée de deux puces de longueurs d'onde spécifiques, rouge et bleue, avec un spectre très étroit (comme illustré sur la figure 3(a)). Lors des expériences, il a été observé que les plantes tendent à être jaunâtres, que leurs pétioles sont très clairs et très fins.

Pour les tubes fluorescents à trois couleurs primaires couramment utilisés ces dernières années, bien que le blanc soit produit, les spectres rouge, vert et bleu sont séparés (comme illustré sur la figure 3(b)), et la largeur du spectre est très étroite. L'intensité spectrale de la partie continue est relativement faible, et la consommation d'énergie reste relativement élevée par rapport aux LED, de 1,5 à 3 fois supérieure. Par conséquent, leur rendement est inférieur à celui des lampes LED.

Figure 3, Éclairage horticole par LED à puce rouge et bleue et spectre lumineux fluorescent à trois couleurs primaires

La densité de flux de photons photosynthétiques (PPFD) correspond au flux de rayonnement efficace de la lumière lors de la photosynthèse. Elle représente le nombre total de photons incidents sur les tiges des feuilles, dans la gamme de longueurs d'onde de 400 à 700 nm, par unité de temps et de surface. Son unité est le μE·m⁻²·s⁻¹ (μmol·m⁻²·s⁻¹). Le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) désigne le rayonnement solaire total dont la longueur d'onde est comprise entre 400 et 700 nm. Il peut être exprimé soit en photons photosynthétiques, soit en énergie rayonnante.

Auparavant, l'intensité lumineuse mesurée par l'illuminomètre correspondait à la luminance. Or, le spectre de croissance des plantes varie en fonction de la hauteur de la source lumineuse par rapport à la plante, de la couverture lumineuse et de la capacité de la lumière à traverser les feuilles. Par conséquent, l'utilisation du rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) comme indicateur d'intensité lumineuse dans l'étude de la photosynthèse n'est pas pertinente.

En général, la photosynthèse se déclenche lorsque le PPFD d'une plante héliophile dépasse 50 μmol·m⁻²·s⁻¹, tandis que celui d'une plante d'ombre n'est suffisant qu'à partir de 20 μmol·m⁻²·s⁻¹. Par conséquent, lors de l'achat de lampes horticoles LED, vous pouvez choisir leur nombre en fonction de cette valeur de référence et du type de plantes cultivées. Par exemple, si le PPFD d'une seule LED est de 20 μmol·m⁻²·s⁻¹, il faudra plus de trois lampes horticoles LED pour cultiver des plantes héliophiles.

Plusieurs solutions de conception d'éclairage à semi-conducteurs

L'éclairage à semi-conducteurs est utilisé pour la croissance ou la plantation des plantes, et il existe deux méthodes de référence de base.

• Actuellement, le modèle de culture en intérieur est très en vogue en Chine. Ce modèle présente plusieurs caractéristiques :

① Le rôle des lampes LED est de fournir le spectre complet de l'éclairage des plantes, et le système d'éclairage doit fournir toute l'énergie d'éclairage, et le coût de production est relativement élevé ;
② La conception des lampes de croissance LED doit prendre en compte la continuité et l'intégrité du spectre ;
③Il est nécessaire de contrôler efficacement la durée et l'intensité de l'éclairage, par exemple en laissant les plantes se reposer pendant quelques heures, l'intensité de l'irradiation n'est pas suffisante ou trop forte, etc. ;
④ L’ensemble du processus doit imiter les conditions requises par l’environnement de croissance optimal réel des plantes à l’extérieur, telles que l’humidité, la température et la concentration de CO2.

• Mode de plantation en extérieur avec une bonne base pour la plantation en serre extérieure. Les caractéristiques de ce modèle sont les suivantes :

① Le rôle des lampes LED est de compléter l'éclairage. Elles servent d'une part à renforcer l'intensité lumineuse dans les spectres bleu et rouge sous l'effet de la lumière solaire pendant la journée afin de favoriser la photosynthèse des plantes, et d'autre part à compenser l'absence de lumière la nuit pour stimuler la croissance des plantes.
② La lumière d’appoint doit tenir compte du stade de croissance dans lequel se trouve la plante, comme la période de semis ou la période de floraison et de fructification.

Par conséquent, la conception des lampes horticoles LED doit reposer sur deux modes de conception principaux : l’éclairage continu (24 h/24) en intérieur et l’éclairage d’appoint pour la croissance des plantes en extérieur. Pour la culture en intérieur, la conception des lampes horticoles LED doit prendre en compte trois aspects, comme illustré sur la figure 4. Il est impossible d’intégrer les puces avec les trois couleurs primaires dans des proportions précises.

Figure 4, Concept d'éclairage continu (24 h) utilisant des lampes LED d'appoint pour plantes d'intérieur

Par exemple, pour un spectre au stade de la pépinière, considérant qu'il faut renforcer la croissance des racines et des tiges, renforcer la ramification des feuilles et que la source lumineuse est utilisée à l'intérieur, le spectre peut être conçu comme indiqué sur la figure 5.

Figure 5, Structures spectrales adaptées à la période d'éclairage LED en crèche d'intérieur

La conception du second type de lampe horticole à LED vise principalement à fournir un éclairage d'appoint pour favoriser la croissance des plantes au pied des serres extérieures. Le principe de conception est illustré à la figure 6.

Figure 6, Idées de conception de lampes de croissance extérieures 

L'auteur suggère que davantage d'entreprises de plantation adoptent la seconde option, à savoir l'utilisation de lampes LED pour favoriser la croissance des plantes.

Tout d'abord, la culture sous serre en plein air en Chine bénéficie d'une vaste expérience, acquise depuis des décennies, tant au nord qu'au sud du pays. Elle possède une solide expertise en la matière et approvisionne les villes environnantes en fruits et légumes frais. Des recherches approfondies ont notamment été menées sur la gestion des sols, l'irrigation et la fertilisation.

Deuxièmement, ce type d'éclairage d'appoint permet de réduire considérablement la consommation d'énergie inutile, tout en augmentant efficacement le rendement des fruits et légumes. De plus, l'immensité du territoire chinois facilite grandement sa mise en œuvre.

Cette recherche scientifique sur l'éclairage horticole par LED offre également une base expérimentale plus large. La figure 7 présente un type de lampe horticole LED développée par cette équipe de recherche, adaptée à la culture en serre ; son spectre est illustré figure 8.

Figure 7, Un type de lampe de croissance LED

Figure 8, spectre d'un type de lampe de croissance LED

Conformément aux principes de conception exposés ci-dessus, l'équipe de recherche a mené une série d'expériences dont les résultats sont très significatifs. Par exemple, pour l'éclairage de croissance en pépinière, la lampe initialement utilisée était un tube fluorescent de 32 W, avec un cycle de culture de 40 jours. Nous proposons une lampe LED de 12 W, ce qui réduit le cycle de culture à 30 jours, diminue l'influence de la température des lampes dans la pépinière et permet de réduire la consommation d'énergie de la climatisation. L'épaisseur, la longueur et la couleur des plants sont supérieures à celles obtenues avec la solution de culture initiale. Des résultats concluants ont également été obtenus pour les plants de légumes courants, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.

Parmi ces plantes, celles ayant bénéficié d'un éclairage d'appoint présentaient un PPFD de 70 à 80 μmol·m⁻²·s⁻¹ et un rapport rouge/bleu de 0,6 à 0,7. Le PPFD diurne du groupe témoin variait de 40 à 800 μmol·m⁻²·s⁻¹, et son rapport rouge/bleu de 0,6 à 1,2. Ces indicateurs sont donc supérieurs à ceux des plantules cultivées naturellement.

Conclusion

Cet article présente les dernières avancées concernant l'utilisation des lampes horticoles LED en culture végétale et met en lumière certaines idées reçues à ce sujet. Il expose également les principes et schémas techniques de développement de ces lampes. Il convient de souligner que plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors de l'installation et de l'utilisation de ces lampes, tels que la distance entre la source lumineuse et la plante, la portée de l'éclairage et la compatibilité avec un système d'arrosage, d'engrais et de terreau.

Auteur : Yi Wang et al. Source : CNKI