Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/3014
Title: Tecnologie innovative di pre-coltivazione di specie forestali basate su fonti luminose LED
Other Titles: Innovative technologies for the precultivation of forest species based on LED lights
Authors: Marras, Tatiana
Keywords: Pre-coltivazione;Vivaistica forestale;Illuminazione artificiale;Riforestazione;Plant factory;Restauro forestale;Precultivation;Forest nursery;Artificial lighting;Reforestation;Plant factory;Forest restoration;AGR/05
Issue Date: 27-Jun-2016
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 28. ciclo
Abstract: 
La possibilità di coltivare le piante sotto luci artificiali ha affascinato l’uomo fin dall’inizio del XX secolo. L’introduzione dei LED ha segnato un punto di svolta, in virtù dei minori consumi energetici e della minore produzione di calore. La maggiore evoluzione dei sistemi di coltivazione indoor è rappresentata dalle plant factories, sistemi di crescita chiusi in grado di produrre piante di alta qualità nel corso di tutto l’anno, grazie ad un controllo artificiale dell’ambiente di coltivazione. Mentre l’interesse per la produzione indoor di specie agrarie è in continuo aumento, l’interesse per le specie forestali risulta essere molto più limitato. Il progetto Zephyr (Zero Impact Innovative Technology in Forest Plant Production), finanziato dalla Commissione europea nell’ambito del programma Horizon 2020, è iniziato nel 2012, con l’intento di introdurre una tecnologia innovativa ispirata al concetto di plant factory per la pre-coltivazione di materiale di rigenerazione forestale a partire da seme. L’unità di produzione è mobile, a impatto zero sull’ambiente, non influenzata dalle condizioni ambientali esterne e dotata di luci LED caratterizzate dall’emissione di spettri continui ottimali per sostenere la fotosintesi clorofilliana. Primo obiettivo del lavoro di tesi, svolto nell’ambito del progetto Zephyr, è stata la definizione di protocolli di germinazione per le seguenti specie: Corylus avellana L., Frangula azorica Grubov, Fraxinus excelsior L., Fraxinus ornus L., Hypericum foliosum Aiton, Laurus azorica (Seub.) Franco, Morella Faya (Aiton) Wilbur, Platanus orientalis L., Prunus lusitanica L. ssp. azorica (Mouillefert) Franco, Quercus suber L., Taxus baccata L. Tra le precedenti, Corylus avellana L., Fraxinus excelsior L., Platanus orientalis L. e Quercus suber L. sono state poi coltivate indoor, testando 5 spettri LED e 1 spettro a fluorescenza. Tutte le specie hanno mostrato un buon accrescimento sotto lampade artificiali, valutato mediante l’analisi di parametri morfometrici e microscopici, senza sviluppare sintomi di stress, fatta eccezione per il P. orientalis. In particolare le perfomance di crescita si sono rivelate significativamente migliori sotto LED che sotto lampade a fluorescenza. Fatta eccezione per il platano, le altre 3 specie sono state quindi trasferite per un anno in serra prima dell’impianto finale in campo aperto, evidenziando come l’effetto dei diversi spettri LED su alcuni parametri di crescita tenda ad annullarsi nel corso dei mesi successivi al trapianto. Relativamente a platano e sughera sono anche stati condotti studi in bosco, volti ad analizzare le condizioni luminose, in termini quantitativi e qualitativi, più idonei all’accrescimento e affermazione della rinnovazione naturale. In entrambi i casi è stato evidenziato come i semenzali siano esposti ad una condizione alternante di luce e ombra nel corso della giornata. Dunque, la definizione classica di eliofilia di una specie, quale caratteristica delle piante che prosperano alla luce diretta del sole, poco si addice allo stadio di semenzale. Ciò determina la possibilità di coltivare tali specie in ambiente artificiale anche ad intensità basse. Punti della sughereta esposti a luce solare diretta nelle ore più calde hanno però mostrato tassi di germinazione ed emergenza superiori rispetto a punti ombreggiati. Il legame tra
fenologia e temperatura è stato confermato dalla comparazione dei cicli di accrescimento in camera di crescita, serra e bosco. In camera di crescita, la costanza della temperatura in maniera indipendente dalle stagioni rende infatti più rapidi i cicli vegetativi, determinando un maggiore accrescimento dei semenzali nel medesimo tempo.
I risultati ottenuti dimostrano la grande potenzialità dell’utilizzo dei LED per la pre-coltivazione di qualsiasi specie forestale, una volta superato lo scoglio della definizione di un corretto protocollo di germinazione e coltivazione.

The possibility of cultivating plants under artificial lights has fascinated men since the beginning of XX century. The introduction of LEDs led to a drastic change, thanks to the lower energy consumption and heat emission. The greater evolution in the field of indoor cultivation systems is represented by the plant factories, that are closed growth systems able to produce high quality plants during all year round, thanks to an artificial control of environmental conditions. While the indoor cultivation of vegetables is developing fast, the cultivation of forest species is still limited. The Zephyr EU-project (Zero Impact Innovative Technology in Forest Plant Production), funded by Horizon 2020, started in 2012 with the aim of introducing an innovative technology inspired by the plant factory concept for the precultivation of forest seedlings from seeds. The production unit is transportable, zero-impact, independent from outdoor environmental conditions and equipped with LED lights characterized by the emission of broad continuous spectra optimal for promoting plant photosynthesis. First aim of this thesis, developed within the Zephyr EU-project, was the definition of germination protocols for the following species: Corylus avellana L., Frangula azorica Grubov, Fraxinus excelsior L., Fraxinus ornus L., Hypericum foliosum Aiton, Laurus azorica (Seub.) Franco, Morella Faya (Aiton) Wilbur, Platanus orientalis L., Prunus lusitanica L. ssp. azorica (Mouillefert) Franco, Quercus suber L., Taxus baccata L. Among them, Corylus avellana L., Fraxinus excelsior L., Platanus orientalis L. and Quercus suber L. were then indoor cultivated, testing 5 LED spectra and 1 fluorescent spectrum. All the species showed good growth performances under artificial lights, evaluated through the analysis of morphometric and microscopic parameters, without any stress symptoms, with the exception of P. orientalis. In particular, LEDs resulted to be better than fluorescent lights in promoting plant growth. Apart from oriental plane, the other 3 species were then transferred for 1 year into a greenhouse before the transplant in the open field, showing that the effects of LED spectra on certain parameters tend to disappear after a few months after the exposure to natural sunlight. Referring to oriental plane and cork oak, some studies were also carried on in natural forests, in order to analyze, in terms of quality and quantity, the best light conditions for the growth of natural regeneration. In both cases seedlings appeared to be exposed to alternating light conditions (light/shadow) during a day. So the classical definition of heliophilia, as feature of plants growing better if exposed to full sunlight, is not fit for seedlings. It is therefore possible to artificially cultivate these species at low light intensity, too. In the cork oak forest a significant difference in terms of germination and emergence percentage was identified between points exposed to direct sunlight in the hottest time of the day and shadowed points. The link between temperature and phenology was confirmed comparing the natural growth cycle of cork oak into the forest with that typical of greenhouse and growth chamber. Into a growth chamber, the constant temperature (independently form the seasons) makes
the growth cycles faster and seedlings result to be higher than in natural or semi-natural conditions. The so obtained results show the high potential of LEDs as light sources for forest species precultivation, once defined a right germination and cultivation protocol.
Description: 
Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie per la gestione forestale e ambientale
URI: http://hdl.handle.net/2067/3014
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