Cultivo indoor de maconha: estudo mostra qual o melhor tipo de iluminação

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Lâmpadas LED ou HPS? Maior ou menor intensidade? Um experimento realizado no Canadá responde a essas questões e revela qual a influência da luz na rentabilidade do cultivo de maconha. Confira o resultado do estudo na tradução pela Smoke Buddies

Como a cannabis só recentemente se tornou legal em algumas regiões do mundo, é comum ver cultivadores, mesmo grandes produtores comerciais, adotando estratégias de produção que não foram validadas por rigorosos experimentos científicos. Em vez disso, muitas convenções foram transmitidas em todo o setor de boca em boca e por meio de fóruns na internet. A iluminação é um exemplo importante.

A maioria dos produtores de cannabis usa lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão (HPS, na sigla em inglês) com casquilho duplo durante a fase de floração da planta. As alternativas de LED, em sua maioria, são comercializadas como “substitutas da HPS”. Especificamente, elas são projetadas para fornecer a mesma intensidade de luz que uma lâmpada HPS e consumir menos eletricidade.

Um gerente regional de vendas do Canadá, de uma das maiores vendedoras do mundo de ambos os tipos de lâmpadas, HPS e LED, para horticultura, estima que 90% dos produtores canadenses de cannabis usam luzes HPS. Uma pesquisa publicada em uma importante revista especializada em comércio de cannabis relata que 62% dos produtores norte-americanos usam HPS, enquanto 85% usam lâmpadas que fornecem em torno da mesma intensidade de luz ou menos que uma HPS (CBT Staff, 2016). Isso sugere que o mercado determinou que a intensidade da luz fornecida pelas lâmpadas HPS maximiza a rentabilidade da produção de cannabis. No entanto, essa hipótese nunca foi testada por um estudo revisado por pares.

Isso não é surpreendente, uma vez que a proibição, que apenas há pouco começou a acabar, impediu a grande maioria dos pesquisadores de considerar esses tópicos. No entanto, um resultado da escassa pesquisa que existe sugere que os produtores de cannabis podem estar iluminando pouco suas plantas, reduzindo assim a rentabilidade.

Em particular, Chandra et al. (2008) analisaram a resposta fotossintética de 20 plantas de cannabis e descobriram que, para algumas variedades, sob certas condições, a fotossíntese líquida aumenta em intensidades de luz de até 2000 µmol/m2.s.

Embora não existam dados da pesquisa sobre o assunto, qualquer especialista da indústria concordaria que a estratégia de iluminação mais comum para a cannabis é a colocação de uma lâmpada de sódio de alta pressão (HPS) de 1060 W, com terminal duplo, a pelo menos 76 cm acima, para cada 1,48 m2 de plantas. A um metro da altura do dossel, essa estratégia normalmente fornece cerca de 400 µmol/m2.s de luz (CREE, 2016).

Nossas próprias medições de campo mostram que esse nível pode ser significativamente mais alto (até 700 µmol/m2.s) em determinados locais de uma sala de cultivo que recebem luz substancial indiretamente de mesas vizinhas. Mesmo assim, os resultados de Chandra et al. (2008) sugerem que os produtores de cannabis poderiam aumentar significativamente os rendimentos aumentando a intensidade da luz. No entanto, as medições das taxas fotossintéticas por si só são um mau preditor dos rendimentos finais (Evans, 1997). Em vez disso, as implicações econômicas das opções de iluminação devem considerar o peso real das flores secas da planta, colhidas no pico de maturação.

Para este estudo, cultivamos centenas de plantas de cannabis sob várias luzes LED e HPS diferentes. Embora todas as luzes pudessem ser consideradas de amplo espectro, cada uma tinha uma qualidade de espectro e intensidade diferentes. Essa variação nos permitiu estimar o impacto da intensidade da luz nos rendimentos e procurar evidências de que as diferenças na qualidade do espectro afetam esse relacionamento.

Dependendo da planta, pesquisas anteriores mostraram que as diferenças de espectro podem afetar o rendimento. Por exemplo, Kim et al. (2008) descobriu que a adição de luz verde a um LED que de outra forma apenas emitiria vermelho e azul aumentou o crescimento e a biomassa de alface. Os pesquisadores também mostraram que o espectro pode alterar o perfil químico de algumas plantas. No entanto, neste estudo, não consideramos o impacto do espectro ou da intensidade da luz no perfil químico da planta.

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Materiais e métodos

Local da pesquisa

Nosso experimento ocorreu dentro de uma instalação de cannabis de aproximadamente 2.800 m2, da Greenseal Cannabis Company, na cidade de Stratford, Ontário (Figura 1 – ao fim do texto). A empresa cultiva cannabis em uma fazenda vertical coberta, usando vários tipos de iluminação, incluindo iluminação LED e HPS. O ambiente de cultivo é altamente controlado por um sistema automatizado de controle de produção. Na época do experimento, a Greenseal não tinha espaço dedicado à pesquisa e desenvolvimento, portanto o experimento foi realizado dentro de uma sala de produção normal. Foi utilizado “papel panda” para impedir que a luz transbordasse de um trato para o outro, e vários pequenos ventiladores foram adicionados para compensar o fluxo de ar reduzido causado pelo papel.

Intensidade e espectro da luz

Para este experimento, variamos o espectro e a intensidade usando seis modelos diferentes disponíveis no mercado de lâmpadas de LED e uma lâmpada de sódio de alta pressão (HPS) e terminal duplo de 1060 W. Também incluímos dois LEDs de amplo espectro de uso geral projetados para iluminação externa. Instalamos cada lâmpada de acordo com as recomendações do fabricante. Em seguida, medimos a intensidade da luz, considerando a média de 100 unidades de PPFD (densidade de fluxo de fótons fotossintéticos) para cada 1,22 m2 da mesa, entre 64 e 76 cm da superfície da mesa, pois prevíamos que a altura final da planta estaria nessa faixa. O espectro da luz HPS era predominantemente na faixa de verde e vermelho, enquanto o espectro do LED (rosa) estava concentrado principalmente na faixa vermelha. O PPFD médio variou entre 490 e 1.498 μmols/m2.s.

Abaixo, relatamos os resultados das três temporadas do experimento. Para cada temporada, havia duas réplicas para cada tratamento de luz. Cada luz foi colocada sobre uma mesa de 1,49 m2. Cada mesa continha 16 plantas. A localização das réplicas dentro da sala foi selecionada aleatoriamente. A primeira temporada incluiu 288 plantas, a segunda temporada incluiu 160 plantas e a terceira incluiu 256 plantas. A segunda temporada incluiu menos plantas porque um erro durante a colheita causou a mistura de 4 dos 9 tratamentos. Assim, retiramos esses tratamentos da análise. Entre a segunda e a terceira execução do experimento, uma lâmpada parou de funcionar, então retiramos esse tratamento da análise também.

Cada experimento começou colocando-se estacas de Cannabis sativa L. da cepa “Green Kush” em máquinas de clonagem aeropônica. Os clones foram cultivados sob luzes fluorescentes T8 durante aproximadamente duas semanas até as raízes terem aproximadamente 8 cm de comprimento. A intensidade da luz durante esse período foi medida usando um espectrômetro (Asensetek Passport Pro). Foram aproximadamente 110 µmols/m2.s ao longo da superfície do dossel.

Os clones foram então transplantados para vasos de 11 litros cheios com um meio à base de turfa (PRO-MIX HP com MYCORRHIZAE). Após o transplante, todas as plantas continuaram a crescer sob luzes fluorescentes T8 por 24 horas por dia, durante cinco dias adicionais. A intensidade da luz durante esse período foi, em média, de 250 μmols/m2.s na superfície do dossel.

Todos os tratamentos foram colocados na mesma sala de floração, onde as luzes ficaram acesas por 12 horas por dia. Enquanto as lâmpadas estavam acesas, os níveis de temperatura, umidade relativa e CO2 foram mantidos constantes a 25 ºC (± 2%), 50% (± 5%) e 1.100 ppm (± 25), respectivamente. Enquanto as lâmpadas estavam apagadas, os níveis de temperatura, umidade relativa e CO2 foram mantidos constantes a 18 ºC (± 2%), 50% (± 5%) e 1.100 ppm (± 25), respectivamente.

As plantas foram cultivadas até o cultivador mestre considerar que as flores haviam atingido o pico de maturação, aproximadamente 60 dias, e depois colhidas. Os ramos das plantas colhidos foram secos até que as amostras de flores registrassem um nível de umidade de 12%. Finalmente, a flor seca foi pesada para cada tratamento e cada temporada.

Análise Estatística

Para estimar a relação entre rendimentos e irradiância, fizemos três regressões OLS usando o Excel, uma para cada temporada, onde o rendimento por 1,49 m2 foi regredido em relação ao PPFD. Os dados relatados sobre a morfologia da planta, exceto a altura da planta e o espaçamento entre nós, são observações qualitativas feitas pelo cultivador mestre.

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RESULTADOS

Observações morfológicas

As plantas cultivadas sob a iluminação mais intensa (1.498 μmols/m2.s) tinham folhas mais pálidas que eram muito mais frequentemente enroladas e queimadas em direção ao topo da planta (Figura 2 – ao fim do texto). O empalidecimento é indicativo de uma deficiência de nitrogênio, e uma análise tecidual mostrou níveis muito baixos de nitrogênio em comparação com plantas cultivadas sob iluminação de menor intensidade. Esses sintomas eram óbvios já na segunda semana do estágio de floração, e não tentamos tratar esses sintomas variando a temperatura, o fluxo de ar, a irrigação ou os nutrientes.

Na colheita, em comparação com os tratamentos de LED e HPS de menor potência, essas plantas apresentaram internódios mais estreitos (3,91 cm vs 5,04 cm), ramos notavelmente mais fortes e uma média de 5,2 cm mais curtas (dados não mostrados). Evidentemente, níveis mais baixos de luz fizeram com que as plantas se estendessem em direção à luz, um efeito que foi observado em plantas de outro contêiner (Kim et al., 2008). Além disso, o cultivador mestre relatou que os tratamentos com LEDs de maior intensidade tinham flores notavelmente mais densas.

Essas duas características morfológicas têm implicações importantes para o rendimento, pois acredita-se que internódios estreitos e flores mais densas aumentam o valor da produção (por exemplo, Rauscher, 2017).

Finalmente, todos os tratamentos com LED atingiram o pico de maturação 5 dias antes do tratamento com HPS. O cultivador mestre determinou o pico de maturação monitorando as mudanças na cor dos estigmas e tricomas das flores. No entanto, para o nosso experimento, decidimos colher todas as plantas quando o cultivador mestre considerou as plantas sob iluminação HPS prontas, o que sempre ocorria aproximadamente aos 60 dias.

Rendimentos

Os rendimentos médios aumentaram substancialmente entre as duas primeiras temporadas e a terceira. A razão é que cerca de 6 meses separam o final da segunda temporada e o início da terceira e o cultivador mestre fez alterações em sua receita de nutrientes e técnica de poda durante esse período. A Figura 3 (ao fim do texto) representa os rendimentos finais, medidos em gramas médios de flores secas por mesa, contra a intensidade da luz para cada temporada.

Os resultados mostram uma relação positiva, aparentemente linear, entre rendimentos e intensidade da luz para a faixa que consideramos. A força da relação, medida pelo R2, é muito forte em todas as temporadas (0,87 a 0,94). Em outras palavras, quase toda a variabilidade do rendimento é explicada apenas pela intensidade da luz, sugerindo que o ajuste do espectro através das luzes de amplo espectro não é um fator importante para o rendimento se mantivermos a intensidade constante.

É possível que o ajuste do espectro ainda possa ser importante para o perfil químico da planta de uma maneira que possa aumentar o valor da flor. Testamos o perfil químico e encontramos variações, mas tínhamos fundos suficientes para testar uma amostra por tratamento, resultando em um tamanho de amostra muito pequeno para justificar a divulgação dos resultados.

O retorno financeiro do uso de mais eletricidade

Concluímos que os rendimentos aumentam aproximadamente linearmente com a intensidade de luz de até 1500 µmols/m2.s, mas essas luzes de alta intensidade usam muito mais eletricidade do que as luzes de intensidade mais baixa. Então, perguntamos a seguir se a intensidade de luz adicional e o rendimento resultante justificam gastar mais dinheiro em eletricidade.

Os coeficientes de regressão permitem estimar o retorno líquido do uso de eletricidade adicional para gerar um aumento adicional de µmol/m2.s na intensidade da luz. Os resultados são apresentados na Tabela 2. Por exemplo, para a primeira temporada do experimento, o coeficiente estimado no PPFD é de 0,51. Assim, se aumentarmos o µmol/m2.s em um, os rendimentos deverão aumentar em 0,51 gramas. As medições de energia e luz realizadas durante nossos testes sugerem que as luzes LED produzem, em média, cerca de 1,3 µmol/m2.s de PPFD usando um watt de eletricidade, em suas respectivas alturas de montagem.

Produtores de lâmpadas e alguns pesquisadores relataram níveis de eficiência muito mais altos. Esse nível depende da distância do dispositivo de medição das luzes, que muitas vezes não é relatada. No entanto, aumentar o nível de eficiência assumido apenas fortaleceria os resultados aqui relatados.

Portanto, são necessários cerca de 0,77 watts para produzir um µmol/m2.s. No caso de nosso experimento, as plantas cresceram por 60 dias e as luzes estavam acesas 12 horas por dia, ou um total de 720 horas. Assim, os 0,77 watts adicionais gerariam 0,55 kWh adicionais de eletricidade. Supondo que custo da eletricidade seja de 11 centavos de dólar por kWh, os watts adicionais necessários para produzir US$ 2,68 adicionais de cannabis custariam cerca de 6 centavos de dólar. A Tabela 2 relata que a receita estimada gerada pelo gasto de US$ 0,06 adicional varia de 1,58 a 3,08 dólares.

Após esse experimento, a Greenseal Cannabis Company converteu suas salas de flores de dois níveis com iluminação HPS em salas de 5 e 6 níveis com alta intensidade de iluminação LED (Figura 4 – ao fim do texto). A combinação de maiores rendimentos por planta e um número maior de plantas por metro cúbico quase triplicou sua produção.

Conclusão

Nossos resultados mostram uma relação positiva, e aparentemente linear, entre intensidade e rendimentos que continua até pelo menos 1498 µmols/m2.s, que é mais que o dobro do nível fornecido por um dispositivo HPS na configuração de cultivo que atualmente é o padrão do setor.

Além disso, mantendo a intensidade da luz constante, em relação aos rendimentos, todos os espectros de lâmpadas parecem ter um desempenho igualmente bom. Em outros mundos, não encontramos evidências de que o espectro da lâmpada HPS ou os vários espectros sintonizados oferecidos por luzes LED especiais para horticulturas aumentem o rendimento em comparação com uma lâmpada LED de amplo espectro e uso geral.

Pode ser que o ajuste do espectro tenha impacto no perfil químico da flor, mas essa questão foi além do escopo deste estudo. Finalmente, o cultivador mestre julgou que todos os tratamentos de LED para cada temporada levavam cerca de cinco dias a menos para atingir o pico de maturação em comparação com os tratamentos de HPS.

Figuras

Figura 1

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Figura 2

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Figura 3

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Figura 4

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Tabelas

Tabela 1. Irradiância média ao nível do dossel durante o período de floração.
–                                             Watts/1,49 m2        PPFD        % 400-500 nm        % 500-600 nm       % 600-700 nm
LED para horticultura 1      440                           490           13%                          24%                          63%
HPS                                        1100                         710           20%                          40%                          40%
LED para horticultura 2      640                           750           4%                            38%                          58%
LED para horticultura 3      660                           756           19%                          31%                          50%
LED para horticultura 4      640                           775           24%                          26%                          50%
LED de uso geral 1              640                            815           8%                            7%                            85%
LED para horticultura 6      640                            945          10%                          42%                          48%
LED para horticultura 7      660                            1024        11%                          43%                          45%

As lâmpadas foram acesas 12 horas por dia. A tabela também informa a porcentagem de luz nas faixas de comprimento de onda de 400-500, 500-600 e 600-700 nm (nanômetro).

Tabela 2. O custo da eletricidade pelo aumento da intensidade da luz.

(A) Custo da eletricidade (US$/kWh)                                    0,11
(B) Eficiência da luz (μmol/m2.joule)                                    1,30
(C) Total de horas de luzes iluminando                               720,00
(D) Watts requeridos para gerar 1 μmol/m2                       0,76 = C(1/B)/1000)
(E) Custo para gerar um μmol/m2 adicional                       0,08 = A
D
(F) Valor médio da cannabis no varejo (US$/grama)         5,25

Valor (US$) do aumento de rendimento previsto para um µmol adicional
Temporada 1 (coeficiente de regressão = 0,51)                   2,68 = F0,51
Temporada 2 (coeficiente de regressão = 0,30)                  1,58 = F
0,30
Temporada 3 (coeficiente de regressão = 0,60)                   3,08 = F*0,60

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