¿Puede la iluminación Intercanopy mejorar el rendimiento y la calidad del cannabis?

Los cultivadores comerciales de cannabis se enfrentan a un mercado en constante evolución y a una incertidumbre constante. Como resultado, debemos desafiar continuamente nuestro propio pensamiento y construir sobre lo que creemos que ya sabemos sobre el crecimiento. En toda la industria, un objetivo principal es reducir el costo por libra y al mismo tiempo aumentar la calidad y el rendimiento, para generar más ingresos por pie cuadrado, por vuelta y por año. Pero la forma en que persigamos ese objetivo será esencial para la supervivencia y el éxito.

Durante los últimos años, la industria del cannabis ha experimentado una tremenda transformación. La introducción de la legalización en muchos estados y el aumento del cultivo y la comercialización industrial han provocado cambios sustanciales en la comunidad del cannabis heredada. En el pasado, los activistas del cannabis presionaron para que se compartiera información sobre las prácticas de cultivo, pero los cultivadores dudan sobre la comercialización del cannabis y todos piensan que han encontrado la mina de oro con una salsa secreta especial.

Hoy en día, todavía faltan datos comerciales sólidos por parte de los productores sobre prácticas de cultivo exitosas, rentables y progresivas que podrían ayudar a todos los agricultores como grupo. Teniendo esto en cuenta, es esencial explorar formas de crear conciencia y fomentar el intercambio de información científicamente válida y comercialmente probada dentro de la comunidad y la industria del cannabis para seguir avanzando en el mercado en su conjunto. En Statehouse, una empresa de cannabis integrada verticalmente y con sede en California, estamos adoptando un enfoque activo para mantener vivo el espíritu de intercambio de información, especialmente entre la comunidad de cannabis tradicional, en relación con la evolución de las prácticas de producción de cannabis. Esperamos que te unas a nosotros.

Dicho esto, nos gustaría ofrecer un enfoque innovador para optimizar los rendimientos del cannabis mejorando la eficiencia de conversión de fotones y al mismo tiempo reduciendo potencialmente el uso total de energía requerido por gramo de biomasa producida.

Eficiencia de recursos

La eficiencia de los recursos juega un papel crucial en la gestión de una instalación de cultivo desde una perspectiva medioambiental, ya que garantiza el uso responsable del agua, la energía y los materiales, minimizando al mismo tiempo los residuos y el impacto medioambiental. Al integrar estas prácticas, las instalaciones de cultivo pueden contribuir a la conservación del medio ambiente, proteger los recursos naturales y promover prácticas agrícolas sostenibles. Los principales impulsores para abordar la eficiencia de los recursos son:

Aquí encajan dos adagios bien conocidos: “No se puede gestionar lo que no se mide” y “No seas perezoso en aprender”. Tener en cuenta la simplicidad, relevancia e importancia de estas dos citas puede ayudar a medida que examinamos las métricas relacionadas con la luz y buscamos nuevas oportunidades para maximizar los rendimientos en los sistemas de producción de flores de cannabis.

Lo óptimoIntegral de luz diaria (DLI)

En asociación con American Flower Endowment, el Dr. Jim Faust y la Dra. Joanne Logan (de la Universidad de Clemson y la Universidad de Tennessee, respectivamente) crearon mapas interactivos de Daily Light Integral (DLI) y explicaron DLI de esta manera: “Daily Light Integral representa el total Radiación fotosintéticamente activa (PAR) acumulada durante un día (24 horas). Dado que las plantas son acumuladoras de radiación solar, esta medida es extremadamente útil para describir la radiación solar, ya que afecta el crecimiento de las plantas. Daily Light Integral se ha convertido en una medida familiar para los científicos de plantas y los productores comerciales”.

PPFD (densidad de flujo de fotones fotosintéticos) es la intensidad de la luz o luz instantánea medida en micromoles por metro cuadrado por segundo (μmol/m2/s). Por el contrario, el DLI es una medida acumulativa, una función tanto de la intensidad como de la duración de la luz, medida en moles por metro cuadrado por día (mol/m2/día).

Es importante tener en cuenta que la DLI natural está ligada no sólo a la intensidad estacional del sol sino también a la duración natural del día, que cambia a lo largo del año. Tenga en cuenta que esta adición o pérdida de luz a lo largo del año afecta directamente la fotosíntesis y los rendimientos, como se analizó anteriormente. Cuando se cultiva en un invernadero, es especialmente importante comprender esto.

La investigación del Laboratorio de Fisiología de Cultivos de la Universidad Estatal de Utah (nota: StateHouse es un socio financiero del Laboratorio de la USU) muestra que el cannabis puede ser continuamente productivo hasta DLI de hasta 70 y potencialmente más. Sin embargo, los DLI en los Estados Unidos no alcanzan este nivel de forma natural, ni siquiera durante el pico del verano, y la mayoría de los cultivadores de interior aspiran a producir entre 51 y 55 moles por día o aproximadamente 1200 umol/m2/s.

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Como productores, nuestros objetivos no siempre están alineados con la madre naturaleza. Para lograr los mayores rendimientos posibles durante todo el año, es necesario cultivar en interiores o en un invernadero con iluminación artificial suplementaria para lograr esos DLI.

Los gráficos a continuación, creados por los Dres. Faust y Logan reflejan la variación del DLI según la geografía y las estaciones de EE. UU. Enero está arriba y julio abajo. Los rojos más brillantes en el mapa de julio representan DLI de 55 a 65, mientras que los rosas y morados en el mapa de invierno corresponden a 5 a 15 mol/m2/día. Dependiendo de su ubicación, su DLI natural puede cambiar entre un 40 % y un 65 % a lo largo del año, lo que tiene un impacto significativo en el rendimiento del cultivo.

Niveles DLI de EE. UU., enero. Ambos mapas se basan en datos de radiación solar de 1998 a 2012. Captura de pantalla de los mapas cortesía de American Floral Endowment. El mapa interactivo se puede encontrar aquí:https://endowment.org/dlimaps/

Niveles DLI de EE. UU., julio.

Las instalaciones de cultivo de StateHouse en Salinas, California, se encuentran en una región con algunos de los DLI más altos de Estados Unidos, pero el cambio entre el verano y el invierno es significativo. El DLI natural fuera del invernadero cambia un 60% a lo largo del año, como se muestra en el siguiente gráfico. Observe la diferencia entre DLI natural y la línea roja a 60 mol/m2/día. (En StateHouse, utilizamos 60 moles como un objetivo práctico y rentable para optimizar los rendimientos). Este gráfico demuestra claramente cuántas oportunidades existen si mejoramos la captura y utilización de la luz.

Digamos que usted es un productor comercial de invernadero que cultiva bajo vidrio en un invernadero Venlo alto. Al agregar iluminación superior LED complementaria para optimizar su cultivo, hay muchas consideraciones, incluido el factor de forma del dispositivo, la eficiencia del dispositivo y los espectros. Pero centrándose en el DLI como una función de la intensidad de la luz, usted quiere asegurarse de que su cultivo nunca reciba un DLI inferior a 30 mol/m2/día en una época determinada del año, sin incluir las condiciones de luz ambiental natural. Esto significa que necesitará equipar su invernadero con no menos de 700 μmol/m2/s de iluminación superior LED suplementaria cuando cultive bajo un fotoperíodo de floración (aproximadamente 12 horas de duración del día).

Eficiencia de conversión de fotones (PCE)

La eficiencia de la conversión de fotones es otro parámetro importante a considerar y medir cuando se intenta maximizar el rendimiento con luz, ya que afecta directamente la eficiencia de un sistema de cultivo y, por lo tanto, debe considerarse un nuevo indicador/métrica clave del rendimiento del cultivo. La eficiencia de conversión de fotones (PCE) refleja la eficiencia con la que la energía luminosa se convierte en biomasa. Más específicamente, es la relación entre el número de fotones absorbidos y el número de fotones convertidos en energía útil.

Un PCE más alto significa que una mayor cantidad de energía luminosa produce energía útil, lo que conduce a una mayor eficiencia y rendimiento general del sistema. En los sistemas fotosintéticos, un PCE más alto significa que se utilizan más fotones absorbidos para impulsar el proceso fotosintético. Esto da como resultado una mayor tasa de producción de biomasa a partir de la misma cantidad de energía luminosa.

Cuando se habla de producción de flores de cannabis o rendimiento de biomasa en general, la unidad de medida para el PCE es gramos por mol (g/mol) de luz de radiación fotosintéticamente activa (PAR). Puede aplicar esto a un solo pie cuadrado, ciclo o año (g/mol/pie2/ciclo). Para maximizar el rendimiento de la luz, es importante diseñar sistemas fotosintéticos que tengan una alta eficiencia de conversión de fotones. Esto se puede lograr optimizando los materiales, la estructura, el diseño de iluminación, las técnicas de defoliación, la densidad del cultivo y otras condiciones operativas del sistema.

Actualmente, la mayoría de los productores solo aplican iluminación desde arriba del cultivo, y la mayoría de la iluminación comercial está diseñada para esa aplicación. Obviamente, este enfoque se debe a que las plantas están adaptadas naturalmente para capturar la luz del sol. Pero las hojas superiores no son las únicas superficies que pueden impulsar la fotosíntesis. Nuevamente, cuando pensamos en los sistemas de producción de cultivos, nuestros objetivos como productores no siempre son los mismos que los de la madre naturaleza.

Índice de área foliar (LAI)

El índice de área foliar (LAI) es una métrica clave utilizada en muchos campos, incluida la ecología, la agricultura, la silvicultura y las ciencias climáticas, para proporcionar información valiosa sobre la estructura del dosel de las plantas, el crecimiento de las plantas y el funcionamiento de los ecosistemas. Para los cultivadores de cannabis, LAI es una herramienta fundamental para optimizar la captura de fotones durante la producción.

Generalmente expresado como una proporción, LAI cuantifica la cantidad de follaje o superficie foliar presente en un área definida. Más específicamente, LAI es la relación entre el área de superficie foliar total, incluidas las superficies superior (adaxial) e inferior (abaxial) de las hojas, con respecto al área de superficie del suelo (o banco).

Lo sepan o no, los cultivadores de cannabis utilizan esta métrica cuando llenan el espacio de su dosel durante la floración. Pero existen muchos enfoques diferentes para maximizar el área del dosel. Aunque diferentes enfoques pueden lograr el mismo resultado de rendimiento “total”, conllevan costos extremadamente diferentes, eficiencias del sistema ganadas o perdidas y resultados de calidad variables.

Por ejemplo, una forma de rellenar tu zona de cultivo es colocar más plantas en ella. Muchos suponen que puedes aumentar los rendimientos fácilmente añadiendo más plantas. Sin embargo, en algunos sistemas, el costo de mano de obra tiene una relación de 1 a 1 con el número de plantas, junto con otros costos directos, como materiales (macetas, sustrato, fertilizante, agua, etc.). Más plantas pueden requerir más manipulación; una mayor defoliación contribuye a costos adicionales de mano de obra y otros costos. Más plantas también significan un peso húmedo total adicional que se seca, por lo que un productor debe eliminar más agua de la biomasa que no es flor. Esto plantea muchos desafíos, especialmente cuando los productores tienen un espacio de secado fijo y limitado, una capacidad de eliminación de agua limitada y un tiempo de secado limitado.

Desde una perspectiva de secado eficiente y garantía de calidad, los productores pueden intentar implementar estrategias que reduzcan el peso húmedo total que se introduce en el secado al mismo tiempo, lo que permite un control más preciso sobre el proceso de secado. Hay operadores con sistemas de hasta 1 planta por 1 pie cuadrado (1p/ft2) con el mismo rendimiento que 1 planta por 3 pies cuadrados (0,3p/ft2), con exactamente el mismo tiempo y cronograma de cultivo, pero con condiciones muy diferentes. calidad de la flor terminada, proporciones de categorías de biomasa, PCE y costos por libra. En otras palabras, menos, es decir, menos plantas, es más y más eficiente.

A medida que los productores comprenden y aprecian la integral de luz diaria, la eficiencia de conversión de fotones y el índice de área foliar, la pregunta más importante es cómo podemos optimizar estas métricas para maximizar la producción y al mismo tiempo minimizar el costo por libra. Aquí es donde entran en juego las estrategias y tecnologías de FDC2, como las que siguen aquí.

Difusión de luz

En iluminación, la difusión se refiere al proceso de dispersar o suavizar los rayos de luz para reducir las sombras marcadas y crear una distribución de luz más pareja y uniforme. En un invernadero, usted está sujeto a sombra y, a medida que sale y se pone el sol, su área de cultivo recibe cantidades variables de luz a lo largo del día. Al difundir la luz, como se muestra en las figuras cortesía de Yuhua Glass a continuación, su cultivo/área de cultivo puede recibir niveles de luz más consistentes durante todo el día y, al mismo tiempo, acumular más luz total (DLI) durante un solo día.

La difusión de la luz también puede ayudar con los problemas de gestión de la temperatura/calor causados ​​cuando la luz desperdiciada se concentra en superficies que no son plantas y contribuye a los niveles de calor radiante. Dicho esto, la difusión de la luz también es la razón por la que la mayoría de los cuartos de cultivo de interior son blancos. El blanco mate puede reflejar y difundir hasta el 85 % de la luz, lo que garantiza los mismos beneficios que se observan cuando los productores implementan estrategias adecuadas de difusión de la luz en un invernadero. Tenga en cuenta que no ocurre lo mismo con el blanco brillante, que puede reducir la difusión uniforme de la luz en comparación con el blanco mate hasta en un 50 %. Estos pequeños detalles importan.

Si bien esto puede parecer nuevo para algunos productores, la estrategia comprobada de maximizar la difusión y aumentar la acumulación de luz en las plantas en un solo día (aumentar los DLI de un solo día) se ha integrado en los diseños tradicionales de sistemas de producción de invernaderos durante más de una década. Al comprender los beneficios de la difusión, podemos apreciar las posibilidades cuando las plantas pueden absorber fotones desde todos los ángulos, no solo desde arriba. No necesariamente como pretendía la madre naturaleza.

Antes de detallar el potencial de la iluminación no tradicional en la producción de cannabis, quiero tocar nuevamente la fotosíntesis y el papel de la clorofila. La clorofila, el pigmento que da a las plantas su color verde, está presente en los cloroplastos de las plantas, las algas y algunas bacterias. Es esencial para la fotosíntesis. De hecho, no se puede subestimar la importancia de la clorofila en la fotosíntesis.

La clorofila es la molécula encargada de capturar la energía luminosa y transferirla a otras moléculas en la vía fotosintética. Sin clorofila, las plantas y otros organismos fotosintéticos no podrían producir la energía que necesitan para sobrevivir ni convertir esa energía en biomasa.

Conociendo la importancia del papel de la clorofila en la fotosíntesis y su impacto directo en el crecimiento de las plantas y la producción de biomasa, también es fundamental reconocer que las flores de cannabis son verdes. Sí, la fotosíntesis en frutos y flores también es importante, no sólo en las hojas; Los tomates verdes son sólo un ejemplo. Este principio puede ser crucial para maximizar tu PCE durante la producción de flores de cannabis.

Ahora es el momento de hacer la pregunta: ¿Aplicar luz directamente a todas las flores de una sola planta (a lo largo de todo el perfil vertical y horizontal) aumentaría la captura de fotones y, por lo tanto, aumentaría la fotosíntesis, lo que resultaría en un mayor PCE y mayores rendimientos? Aquí en StateHouse tenemos la hipótesis de que así sería.

El Dr. Bruce Bugbee del Laboratorio de Fisiología de Cultivos de la Universidad Estatal de Utah ofrece apoyo adicional para esta idea, incluida la investigación realizada por el Ph.D. Mitchell Westmoreland, candidato y asistente de investigación de posgrado.

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“La fotosíntesis de las flores de cannabis es proporcional a la clorofila y la superficie de las flores. Mitch tiene datos que indican que las flores contribuyen hasta el 30% de la fotosíntesis total en el momento de la cosecha. Esto se basa en mediciones fotosintéticas del dosel después de la eliminación de las hojas”, dice Bugbee. Consideremos esto nuevamente: las flores contribuyen hasta el 30% de la fotosíntesis total en el momento de la cosecha.

Hasta la fecha, gran parte de la investigación que explora una aplicación más directa de la luz a las flores de cannabis, fundamental para el cultivo de cannabis directo con flores, se ha centrado en complementar las luces superiores con iluminación entre dosel (ICL), a veces llamada iluminación intradosel, que coloca iluminación suplementaria en el propio dosel. El laboratorio de Bugbee no es el único que reconoce el potencial de ICL para mejorar el crecimiento y el rendimiento de las plantas.

Muchas otras universidades también han estudiado esta prometedora técnica de iluminación, incluido el Centro de Agricultura de Ambiente Controlado de la Universidad de Arizona; Universidad e Investigación de Wageningen (Países Bajos); Universidad de California, Davis, Departamento de Ciencias Vegetales; el Departamento de Horticultura de la Universidad Estatal de Michigan; y el Departamento de Horticultura y Arquitectura Paisajista de la Universidad Purdue. Los tres últimos también han desarrollado numerosos sistemas de iluminación que ahora se utilizan en operaciones de invernaderos comerciales.

Basado en los sólidos experimentos internos de StateHouse y en datos de investigaciones relacionadas, la compañía ha iniciado un proyecto, asociándose con Cannabis Research Coalition, otros productores globales y Grow Light Design (GLD) para explorar más a fondo y potencialmente validar los principios de iluminación FDC2 mediante la aplicación de un factor de forma muy especializado de dispositivo de iluminación diseñado específicamente para la producción de cannabis.

A continuación se muestran fotografías de pruebas anteriores realizadas en nuestros invernaderos comerciales en Salinas, California, así como una fotografía de las luminarias de nuestras cámaras de crecimiento interiores de investigación y desarrollo en Greenfield, California, como parte del proyecto Intercanopy Lighting Validation Group (ICLVG).

Los accesorios especializados tienen dos niveles y rodean el cultivo mientras también se ubican en el banco, lo que permite la conexión enrejada y el refuerzo de las plantas. Estos accesorios crean un cubo tridimensional alrededor del cultivo.

A medida que crece el cultivo, el productor puede modificar la ubicación y la dirección de la luz para canalizarla directamente sobre las flores del cultivo.

Investigación de iluminación entre dosel en las instalaciones de cultivo de StateHouse. Fotos cortesía de Travis Higginbotham

El objetivo del estudio es determinar el impacto de la redistribución del mismo DLI (misma cantidad de energía utilizada) entre la iluminación superior sola frente a la aplicación combinada de iluminación superior más el accesorio de dosel circundante sobre el rendimiento de biomasa del cultivo de cannabis, la proporción de categorías de biomasa y el acabado. calidad de la flor.

Los socios del estudio ejecutarán exactamente la misma prueba en todos sus diferentes sistemas de I+D, utilizando accesorios proporcionados por GLD. La investigación comenzó el 5 de junio de 2023 y se extenderá hasta el 4 de septiembre de 2023. Los parámetros y resultados del ensayo se compartirán cuando se complete el análisis final.

Travis Higginbotham es un especialista en cultivos comerciales y propietario de un negocio con casi una década de experiencia en horticultura comercial. Como vicepresidente de cultivo de StateHouse, supervisa un invernadero de cannabis de 230.000 pies cuadrados, donde se encarga de todo el cultivo, la poscosecha y las ventas a granel. Su amplia experiencia incluye puestos como vicepresidente de ventas y desarrollo comercial en The Hemp Mine, director de investigación y desarrollo de Battlefield Farms y director global de servicios de horticultura para Fluence Bioengineering. Además, es coinventor de dos patentes de agricultura inteligente centradas en la gestión del fotoperíodo y la aclimatación a la luz, respectivamente. Tiene una licenciatura en Horticultura de la Universidad de Clemson y una maestría en Horticultura de la Universidad Virginia Tech.