Mesures de lumières horticoles

Avec l'arrivée des éclairages horticoles au LED se multiplient les différents spectres disponibles en matière de lumière. De ce fait, chaque type de plante aura des besoins lumineux différents (utilité que la plante aura des différentes équilibres spectraux est propre à chacun de ceux-ci) et il devient donc plus important que jamais de quantifier la fraction de lumière utile à la plante. De plus, de telles mesures nous permettent de comparer les différentes technologies horticoles, ainsi que de garder des paramètres lumineux optimaux tout au long du cycle de culture.

En bref, les différentes mesures

La plupart du temps nous avons l'habitude de parler de watt pour caractériser la puissance lumineuse d'une source. Ceci est en fait un abus de langage puisque cette valeur est directement liée à la consommation électrique et pas à la production de lumière. L'unité servant à quantifier la lumière émise par une source est le lumen. Cette dernière représente la quantité totale de lumière visible par l’œil humain émise par une source, ce qui est déjà mieux mais encore inadapté à l'horticulture. En effet nous cherchons plutôt à quantifier la lumière reçue par nos plantes, ce qui dépend forcément de la distance entre celles-ci et la lampe. C'est là qu'intervient le lux, cette unité sert à mesurer la quantité de lumière visible reçue par une surface donnée. Mais nos amies vertes ne sont, bien évidement, pas sensibles aux même longueurs d'onde que celles que nous voyons, ce qui va compliquer un peu la situation...

C'est pour ces raisons que d'ingénieux ingénieurs ont créé le PPF et le PPFD ! Ces unités de mesures ont été développées spécifiquement pour l'horticulture et prennent en compte la différence de perception entre une plante et l’œil humain dans les mesures de lumière. Le premier est à l'horticulture ce que le lumen est à la vision humaine, et le second mesure la proportion de lumière utile absorbé par une surface donnée ( comme par exemple la surface des feuilles pour une plantes) .

En définitive :

Les différences entre technologies

Depuis déjà plusieurs années nous cherchons à faire pousser des végétaux sous lumière artificielle, et vous le savez déjà, nombreuses sont les technologies qui se proposent d'éclairer vos espaces de culture. Pourtant toutes ne sont pas égales, et chacune dispose de ses avantages et inconvénients. Une manière de les comparer est de regarder en premier lieu l'efficacité de ces éclairages, ce qui rappelons le, nous montre combien de PPF la source est capable de générer par watt consommé. Mais il faut aussi regarder au coût de fonctionnement, ce qui est parfois mal calculé puisqu'il ne faut pas oublier par exemple le prix d'achat, la vitesse d'usure, la consommation électrique, et les frais d'entretien.

 N'oublions pas que ces valeurs nous donnent une indication sur la capacité des différentes lampes à fournir de la lumière utile à puissance électrique égale.

L'adaptation du spectre, et les possibilités de positionnement de la lampe jouent un rôle très important pour nos plantes !

Les différences entre LED

La principale différence entre les modèles est la répartition spectrale de l'énergie, en effet tout types de spectres apparaissent sur le marché, chacun avec leur particularité. Le spectre typique d'un led dernière génération est constitué de deux pics, un bleu et un rouge, qui entourent "une vallée" plus basse (comprendre moins intense).

Zeus Pro Spectrum

La proportion entre les pics et vallée et le positionnement des pics sont les principaux facteurs qui vont varier d'un spectre à l'autre. En effet, on préfèrera un pic dans le rouge plus haut pour assumer une floraison, un pic bleu plus haut pour favoriser une croissance rapide et des inter-nœuds plus courts. La vallée quant à elle a son importance pour les réaction photosensibles de second ordre (moins importante pour la photosynthèse à proprement parler mais tout de même nécessaire en certaine proportion). Ici on a donc à faire avec un spectre de type FSS ce qui signifie la présence d'une vallée, et d'un pic plus haut en rouge qu'en bleu. En d'autre termes un spectre équilibré pour tout un cycle de culture avec une préférence pour la floraison (notons également l'extension du pied du pic rouge vers l'infra-rouge, aussi utile à la floraison). Il existe aussi des spectres similaires avec un pic bleu à même hauteur que le rouge, une vallée plus basse ou bien même un deuxième pics dans le rouge. Chacun de ceux-ci ayant un champ d'application bien particulier.

Une autre différence entre les LEDs peut être leur efficacité, ce qui n'est pas à négliger si on cherche à économiser du courant. En effet, comme expliqué plus haut, une haute efficacité signifie besoin de moins d'électricité pour générer la même lumière. On favorisera alors les modèles avec une efficacité d'au moins 2.6 µmol/j.

Valeurs PAR recommandées

Pour des plantes à croissance rapide, comme les tomates par exemple, les niveaux de PPFD recommandés dépendent du stade de la culture principalement.

Pour une germination, du bouturage et/ou une croissance ralentie on visera 200-400 µmol/s/m² de PPFD moyen,

Pour une croissance optimale on visera 400-600 µmol/s/m²  de PPFD moyen,

Pour une floraison optimale on visera 600-950 µmol/s/m² de PPFD moyen,

Au delà de 1000 µmol/s/m² de PPFD moyen, il faudra ajouter du CO2 en proportion (mais pas uniquement).

Attention ces valeurs sont données à titre indicatif et sont calculées pour des plantes en bonne santé dans un climat optimal, toujours faire monter le PPFD progressivement pour s'assurer que l'intensité n'est pas nocive à la canopée.

Comment lire une table PAR ?

La lecture des tables PAR fournies par les constructeurs est la clef pour déterminer la distance lampe canopée optimale sans avoir à utiliser un PAR-mettre. Mais ces schémas peuvent être parfois un peu difficile à appréhender, c'est pourquoi nous allons voir ensemble quel sont les paramètres à surveiller lorsqu'on observe de tels informations.

Le schéma représente une surface éclairée, le premier point est donc de regarder de quelle surface s'agit il, ensuite cette superficie est divisée en de plus petites surface, avec pour chacune d'entre elle une valeurs PPFD moyenne. Lorsqu'on parle de PPFD moyen pour une lampe spécifique on parle en général de la moyenne de ces valeurs moyennes. Dans la majorité des cas, le constructeur fourni des tables avec différentes valeurs, il s'agit de différentes hauteurs de lampe, en effet plus une lampe est proche, plus la surface sera intensément éclairée. Mais attention, se rapprocher peut aussi avoir pour effet une moins bonne dispersion lumineuse, avec dans certains cas, l'apparition de points chauds ; d'où l'intérêt d'avoir plusieurs mesures sur toute la superficie.

D'autres détails peuvent être à prendre en considération comme la présence ou non de parois réflective sur les murs, leur taux de réflexion, la qualité, mais aussi la forme ainsi que la taille du réflecteur s'il y en a un, etc. 

A l'aide de ces schémas nous allons chercher la configuration qui nous fournit des valeurs de PPFD dans les tolérance adéquates, et le plus homogènement possible sur notre surface.

Voici en exemple les tables fournies par Lumatek pour leur modèle Zeus Compact Pro :

On constate que ces mesures ont été réalisées sans parois réflective, il faudra donc toujours être un peu plus haut que ce qui est annoncé lorsqu'on est dans une tente de culture. Par exemple dans une tente de 1.2x1.2 en mylar, à 30 cm on risque d'avoir encore certains spots au dessus des 1000 µmol/s/m² ce qui peut être préjudiciable. Pour une floraison on se positionnera plutôt à 33-37 cm puisqu'à 50cm les valeurs hautes commencent à tomber déjà fort bas. Ici vu les parois on peu imaginer que la distribution sera encore plus homogène sur les côtés de notre espace de culture. Ne montant probablement les valeurs PPFD moyenne pour la surface entière que de 5% mais plus significativement sur tout les carrés aux extrémités.

On remarquera également que doubler la distance ne divise pas par deux les valeurs PPFD (comparaison entre 15 et 30 cm), alors que de diviser la puissance par deux à l'aide du dimmer (en conservant la hauteur de la lampe) résultera bien par une division par deux des valeurs PPFD.

De plus, comme attendu, la dispersion lumineuse à 1.5m de hauteur est clairement supérieure à celle en rapprochant la lampe ce qui fait également de cette lampe une très bonne concurrente pour la propagation.

Il ne reste plus qu'à trouver le compromis entre hauteur et puissance utilisée pour se trouver dans les tolérances le plus homogènement possible.

Pour aller plus loin

Il a été expliqué plus haut que les luxmettre sont calibrés sur la lumière visible par l'humain et de ce fait ne sont pas toujours indiqués pour mesurer une lumière utile à une plante. Voici les différentes courbes de sensibilité :

On voit très clairement qu'à 550nm par exemple nous sommes très sensible alors que ce ne sera que très très peu utile à la plante, ou exactement l'inverse aux alentour de 680 nm. On voit aussi que la plante utilise deux chlorophylles différentes pour réaliser sa photosynthèse, c'est pourquoi il est important d'utiliser plusieurs longueurs d'ondes de lumière, afin de ne pas solliciter une seule des deux voies métaboliques. C'est au valeurs des quatre pics qu’il est intéressant d’aligner les pics du spectre d'une lampe pour maximiser la puissance assimilée par la plante. Parfois on visera entre les deux de gauche et entre les deux de droites afin de répartir l'énergie sur les deux chlorophylles équitablement mais ce n'est pas une obligation en soi.

Aussi on pourrait penser que la caractéristique full spectrum (la vallée entre les pics du spectre) est dénuée d'intérêt en regardant ce graphe mais détrompons nous. D'une part la chlorophylle B peut être faiblement stimulée par cette lumière, mais elle stimule aussi la  chlorophyle A par le bas de sa sensibilité dans le rouge. De ce fait la plante "a l'impression" d'être exposée à une lumière naturelle, et l'impact que ces longueurs d'ondes pourraient avoir sur d'autre voies métaboliques moins importantes n'est pas supprimé. Et on comprend alors l’intérêt de ne pas concentrer la majorité de l'énergie émise dans cette gamme mais plutôt sur les pics.

Sources

https://www.sanlight.com/en/about-ppf-and-ppfd/
https://www.horticulture.red/fr/expertise/lumiere/mesurer-lumiere-horticulture-par-ppf-ppfd/
https://fr.wikipedia.org/wiki/Photosynth%C3%A8se
https://fr.wikipedia.org/wiki/Vision_humaine
https://lumatek-lighting.com/lumatek-cmh-lamp-315w-240v/
https://lumatek-lighting.com/lumatek-mh-lamp-600w-240v/
https://www.hortinews.net/dossiers/99-guide-lumiere-et-vegetaux.html
https://growace.com/blog/why-is-par-rating-a-big-deal-for-indoor-grow-light-systems/