En los últimos años, la tecnología de diodos emisores de luz (LED) se ha convertido en la solución predominante para la iluminación artificial en la agricultura en entornos controlados debido a su alta eficiencia energética, larga vida útil y capacidades de longitud de onda ajustable. Hoy en día, el control de la calidad de la luz ha ido mucho más allá de la simple fotosíntesis.
Conseguir rendimientos óptimos no depende únicamente de la intensidad de la luz o de la composición espectral; También depende en gran medida de la distribución espacial de la radiación fotosintéticamente activa (PAR) a lo largo del dosel de la planta.
La uniformidad de la distribución de la luz afecta directamente la eficiencia de la fotosíntesis, la secuencia de crecimiento y, en última instancia, el rendimiento económico de cultivos como las fresas de jardín.
La mala uniformidad a menudo produce sombreado local o sobreexposición, lo que genera un crecimiento desigual y un uso ineficiente de la energía.
Si bien muchos estudios se han centrado en el ajuste espectral para promover el crecimiento de las plantas, menos estudios han analizado la optimización espacial de los sistemas de iluminación para reducir el consumo de energía sin comprometer la calidad de los cultivos.
Optimizar la disposición de los sistemas de iluminación LED representa una forma prometedora de reducir la cantidad de luminarias o el flujo luminoso total requerido manteniendo los niveles de uniformidad deseados. Al proporcionar una distribución de luz más uniforme, los productores pueden lograr un rendimiento fisiológico equivalente o incluso mejorado utilizando menos recursos energéticos. Este enfoque es coherente con los objetivos más amplios de la horticultura sostenible: maximizar la productividad y minimizar el impacto ambiental y los costos operativos.
Los avances recientes en estrategias de iluminación LED han demostrado ser fundamentales para optimizar el rendimiento de los cultivos, especialmente en entornos controlados como invernaderos y fábricas de producción de plantas.
Las investigaciones demuestran que la modulación de los espectros de luz, en particular mediante el uso específico de longitudes de onda rojas y azules, puede mejorar significativamente los procesos fisiológicos en el cultivo de fresas.
De esta forma, la combinación de luz roja y azul no sólo aumenta la eficiencia de la fotosíntesis, sino que también promueve rasgos morfológicos deseables, incluido un mayor contenido de clorofila y la acumulación de biomasa.
Se sabe que la luz roja influye en el alargamiento de los brotes y en varias vías de desarrollo, mientras que la luz azul mejora el crecimiento compacto y estimula la fotomorfogénesis, ambos necesarios para maximizar el rendimiento en sistemas de cultivo de alta densidad.
Además, el control de la calidad de la luz va más allá de la fotosíntesis; También juega un papel clave en la regulación de la floración y la arquitectura general de la planta. Se ha informado que ciertas combinaciones espectrales aceleran la floración de la fresa al modular las vías de señalización fitohormonal que controlan el desarrollo reproductivo. Dado que la calidad de la luz afecta directamente los procesos metabólicos clave, como la biosíntesis de pigmentos y la absorción de nutrientes, los sistemas LED diseñados para proporcionar perfiles espectrales óptimos se consideran herramientas eficaces para mejorar la producción de fresas. Además de las consideraciones espectrales, la configuración espacial de los sistemas de iluminación está atrayendo cada vez más atención.
Una distribución ineficiente de la luz a menudo resulta en un mayor consumo de energía sin una mejora correspondiente en el crecimiento o el rendimiento de las plantas. Esto no sólo aumenta los costos operativos, sino que también limita la sostenibilidad económica de los sistemas de cultivo vertical.
La distribución uniforme de la luz es vital en sistemas densamente plantados donde el sombreado dentro del dosel puede generar un crecimiento desigual y reducir la eficiencia fotosintética.
Los investigadores han explorado diseños de iluminación avanzados, incluyendo conjuntos de LED móviles o ajustables en altura, que mejoran la penetración de la luz y garantizan que las capas inferiores del dosel reciban la iluminación adecuada. Estos sistemas pueden mejorar la eficiencia de absorción de luz y el rendimiento general del cultivo, y eliminar las limitaciones de las configuraciones de iluminación fijas que a menudo no tienen en cuenta los cambios en la altura, la densidad o la arquitectura de las plantas a lo largo del tiempo.
Paralelamente, la aplicación de modelos funcionales-estructurales de plantas (FSPM) ha surgido como una herramienta prometedora para modelar las interacciones luz-planta y refinar las estrategias de iluminación tanto a nivel de órganos como de dosel.
Los FSPM son modelos computacionales que simulan el crecimiento y el desarrollo de las plantas, incluidos tanto los procesos fisiológicos como los aspectos estructurales de las plantas. Estos modelos son muy importantes para optimizar los sistemas agrícolas ya que ayudan a simular las respuestas de las plantas a diferentes condiciones ambientales, como la distribución de la luz, lo cual es fundamental para aumentar el rendimiento de los cultivos en entornos controlados como la agricultura vertical.
La integración de una calidad espectral optimizada y una distribución espacial en los sistemas de iluminación LED representa una dirección prometedora para mejorar el cultivo de fresas en condiciones controladas. Al aprovechar estos avances, los productores pueden aumentar la eficiencia de los recursos y, al mismo tiempo, mejorar tanto el rendimiento como la calidad de la fruta.
Este estudio se realizó en Shanghai, una región caracterizada por un clima nublado frecuente y una baja disponibilidad de luz natural durante todo el año. El impacto negativo de la poca luz en el crecimiento y la producción de fresas o de plantas en general está bien documentado. La intensidad de luz insuficiente produce una disminución de la fotosíntesis, lo que limita la capacidad de la planta para producir la energía necesaria para el crecimiento y la reproducción.
En un nuevo sistema de cultivo vertical desarrollado para la agricultura urbana local, se cultivaron fresas en condiciones en las que la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) a menudo permanecía por debajo de 20 μmol m2 s, muy por debajo del umbral óptimo para cultivos frutales.
Para un crecimiento y rendimiento ideales, las fresas requieren un rango de PPFD de 150 a 250 µmol m2 s, y a 20 µmol m2 s, la intensidad de la luz es insuficiente para desencadenar los procesos fotosintéticos necesarios para una producción de frutos saludables, lo que resulta en un crecimiento subóptimo y un rendimiento reducido.
Para superar esta limitación, se implementó una estrategia de iluminación artificial para proporcionar luz adecuada para el desarrollo de las plantas. Basado en LEDs y un algoritmo especial, este sistema presenta una alta homogeneidad lumínica y un bajo consumo energético, especialmente diseñado para satisfacer las necesidades fisiológicas de las fresas.
En comparación con los enfoques anteriores, el sistema de iluminación desarrollado en este estudio integra la optimización del enjambre de partículas (PSO) para el diseño del diseño.
PSO es un método computacional inspirado en el comportamiento social de bandadas de pájaros o bancos de peces. Se utiliza para encontrar soluciones óptimas a problemas de optimización complejos simulando una población de posibles soluciones, llamadas partículas, que se mueven iterativamente a través del espacio de soluciones en función de su propia experiencia y la experiencia de sus vecinas.
Se suspendió una luminaria LED dedicada de 3 m a 30 cm por encima del dosel para iluminar uniformemente un área de plantación de 3,0 m × 0,3 m. El sistema de iluminación, que combina LED rojos (655-665 nm) y blancos de espectro completo, se optimizó utilizando un algoritmo de optimización de enjambre de partículas (PSO) para mejorar la distribución espacial de la luz.
La uniformidad de la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) mejoró del 71% al 85% y la desviación estándar disminuyó del 75 al 15. Bajo el régimen de luz optimizada de 16 horas, las plantas de fresa mostraron un aumento del 55% en altura en comparación con el grupo de control sin luz suplementaria (Grupo D), un aumento del 40% en el ancho de las hojas y un aumento del 36% en el peso del fruto (69,76 g por planta) en comparación con el grupo de luz suplementaria de 12 horas (Grupo A). El sistema funciona con un consumo de energía a nivel de luminaria de sólo 160 W, y su salida espectral coincide con las características de absorción del follaje y la fruta de la fresa. Estos resultados muestran que el esquema de iluminación controlado por algoritmo puede mejorar significativamente el rendimiento vegetativo y reproductivo en el cultivo vertical de fresas manteniendo al mismo tiempo una alta eficiencia energética.
Basado en el artículo de un grupo de autores (Jun Zou, Zihan Wang, Haitong Huang, Xiaohua Huang, Mingming Shi; Facultad de Ciencias, Instituto Tecnológico de Shanghai), publicado en la revista Agronomy 2025 en el portal www.mdpi.com.
