Cercetare privind efectul luminii suplimentare cu LED asupra creșterii randamentului salatei hidroponice și al soiului Pakchoi în seră pe timp de iarnă
[Rezumat] Iarna în Shanghai se caracterizează adesea prin temperaturi scăzute și soare slab, iar creșterea legumelor cu frunze hidroponice în seră este lentă, iar ciclul de producție este lung, ceea ce nu poate satisface cererea pieței. În ultimii ani, luminile suplimentare cu LED pentru plante au început să fie utilizate în cultivarea și producția în seră, într-o oarecare măsură, pentru a compensa defectul conform căruia lumina zilnică acumulată în seră nu poate satisface nevoile de creștere a culturilor atunci când lumina naturală este insuficientă. În cadrul experimentului, două tipuri de lumini suplimentare cu LED cu calitate diferită a luminii au fost instalate în seră pentru a realiza experimentul de explorare a creșterii producției de salată verde hidroponică și salată verde cu tulpină în timpul iernii. Rezultatele au arătat că cele două tipuri de lumini LED pot crește semnificativ greutatea proaspătă per plantă de pakchoi și salată verde. Efectul de creștere a randamentului pakchoi se reflectă în principal în îmbunătățirea calității senzoriale generale, cum ar fi mărirea și îngroșarea frunzelor, iar efectul de creștere a randamentului salatei se reflectă în principal în creșterea numărului de frunze și a conținutului de substanță uscată.

Lumina este o parte indispensabilă a creșterii plantelor. În ultimii ani, luminile LED au fost utilizate pe scară largă în cultivarea și producția în seră datorită ratei lor ridicate de conversie fotoelectrică, spectrului personalizabil și duratei lungi de viață [1]. În țările străine, datorită începerii timpurii a cercetărilor conexe și a sistemului de susținere matur, multe producții de flori, fructe și legume la scară largă au strategii relativ complete de suplimentare a luminii. Acumularea unei cantități mari de date despre producția reală permite, de asemenea, producătorilor să prezică clar efectul creșterii producției. În același timp, se evaluează randamentul după utilizarea sistemului de iluminare suplimentară cu LED [2]. Cu toate acestea, majoritatea cercetărilor interne actuale privind lumina suplimentară sunt părtinitoare către calitatea luminii la scară mică și optimizarea spectrală și lipsesc strategii de iluminare suplimentară care pot fi utilizate în producția reală [3]. Mulți producători autohtoni vor utiliza direct soluțiile de iluminare suplimentară străine existente atunci când aplică tehnologia de iluminare suplimentară în producție, indiferent de condițiile climatice ale zonei de producție, tipurile de legume produse și condițiile instalațiilor și echipamentelor. În plus, costul ridicat al echipamentelor de iluminare suplimentară și consumul ridicat de energie duc adesea la o diferență uriașă între randamentul real al culturilor și randamentul economic și efectul așteptat. O astfel de situație actuală nu este propice dezvoltării și promovării tehnologiei de iluminat suplimentar și creșterii producției în țară. Prin urmare, este o nevoie urgentă de a introduce în mod rezonabil produsele de iluminat suplimentar cu LED mature în medii de producție interne reale, de a optimiza strategiile de utilizare și de a acumula date relevante.

Iarna este anotimpul în care legumele cu frunze proaspete sunt la mare căutare. Serele pot oferi un mediu mai potrivit pentru creșterea legumelor cu frunze în timpul iernii decât câmpurile agricole în aer liber. Cu toate acestea, un articol a subliniat că unele sere îmbătrânite sau prost curățate au o transmitanță a luminii mai mică de 50% în timpul iernii. În plus, vremea ploioasă pe termen lung este, de asemenea, predispusă la apariția iernii, ceea ce face ca sera să fie într-un mediu cu temperatură scăzută și lumină slabă, afectând creșterea normală a plantelor. Lumina a devenit un factor limitator pentru creșterea legumelor în timpul iernii [4]. În experiment este utilizat Cubul Verde care a fost pus în producție reală. Sistemul de plantare a legumelor cu frunze cu flux superficial de lichid este asociat cu două module de iluminare superioară LED de la Signify (China) Investment Co., Ltd., cu diferite rapoarte de lumină albastră. Plantarea salatei și a pakchoi, care sunt două legume cu frunze cu o cerere mai mare pe piață, își propune să studieze creșterea reală a producției de legume cu frunze hidroponice prin iluminare LED în sera de iarnă.

Materiale și metode
Materiale utilizate pentru testare

Materialele de testare utilizate în experiment au fost salată verde și legume packchoi. Varietatea de salată verde Green Leaf provine de la Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., iar varietatea de pakchoi Brilliant Green provine de la Institutul de Horticultură al Academiei de Științe Agricole din Shanghai.

Metoda experimentală

Experimentul a fost realizat în sera de sticlă de tip Wenluo a sediului Sunqiao al companiei Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd., din noiembrie 2019 până în februarie 2020. Au fost efectuate în total două runde de experimente repetate. Prima rundă a experimentului a avut loc la sfârșitul anului 2019, iar a doua rundă la începutul anului 2020. După semănat, materialele experimentale au fost plasate în camera climatică cu lumină artificială pentru creșterea răsadurilor, utilizându-se irigarea bazală. În perioada de creștere a răsadurilor, pentru irigare s-a utilizat soluția nutritivă generală de legume hidroponice cu o concentrație energetică energetică (EC) de 1,5 și un pH de 5,5. După ce răsadurile au crescut la 3 frunze și 1 stadiu de inimă, acestea au fost plantate în stratul de plantare pentru legume cu frunze de tip Green Cube Track. După plantare, sistemul de circulație a soluției nutritive cu flux superficial a utilizat o soluție nutritivă cu EC 2 și pH 6 pentru irigarea zilnică. Frecvența de irigare a fost de 10 minute cu alimentarea cu apă și de 20 de minute cu alimentarea cu apă oprită. În cadrul experimentului au fost stabilite grupul de control (fără supliment de lumină) și grupul de tratament (cu supliment de lumină LED). CK a fost plantată într-o seră de sticlă fără supliment de lumină. LB: drw-lb Ho (200W) a fost utilizat pentru a suplimenta lumina după plantarea în sera de sticlă. Densitatea fluxului luminos (PPFD) pe suprafața coronamentului de legume hidroponice a fost de aproximativ 140 μmol/(㎡·S). MB: după plantarea în sera de sticlă, drw-lb (200W) a fost utilizat pentru a suplimenta lumina, iar PPFD a fost de aproximativ 140 μmol/(㎡·S).

Prima rundă de plantare experimentală este 8 noiembrie 2019, iar data plantării este 25 noiembrie 2019. Grupul testat are nevoie de suplimentare luminoasă între orele 6:30-17:00; a doua rundă de plantare experimentală este 30 decembrie 2019, data plantării este 17 ianuarie 2020, iar grupul experimental are nevoie de suplimentare între orele 4:00-17:00.
Pe vreme însorită de iarnă, sera va deschide trapa, folia laterală și ventilatorul pentru ventilație zilnică între orele 6:00 și 17:00. Când temperatura este scăzută noaptea, sera va închide luminatorul, folia laterală și ventilatorul între orele 17:00 și 18:00 (a doua zi) și va deschide perdeaua termică din seră pentru păstrarea căldurii pe timp de noapte.

Colectarea datelor

Înălțimea plantei, numărul de frunze și greutatea proaspătă per plantă au fost obținute după recoltarea părților supraterane de Qingjingcai și salată verde. După măsurarea greutății proaspete, aceasta a fost plasată într-un cuptor și uscată la 75℃ timp de 72 de ore. După finalizare, a fost determinată greutatea uscată. Temperatura din seră și densitatea fluxului de fotoni fotosintetici (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) sunt colectate și înregistrate la fiecare 5 minute de către senzorul de temperatură (RS-GZ-N01-2) și senzorul de radiații fotosintetic activ (GLZ-CG).

Analiza datelor

Calculați eficiența utilizării luminii (LUE, Light Use Efficiency) conform următoarei formule:
LUE (g/mol) = randamentul legumelor pe unitatea de suprafață/cantitatea totală cumulată de lumină obținută de legume pe unitatea de suprafață de la plantare până la recoltare
Calculați conținutul de substanță uscată conform următoarei formule:
Conținut de substanță uscată (%) = greutate uscată per plantă/greutate proaspătă per plantă x 100%
Folosește Excel2016 și IBM SPSS Statistics 20 pentru a analiza datele din experiment și a analiza semnificația diferenței.

Materiale și metode
Lumină și temperatură

Prima rundă de experiment a durat 46 de zile de la plantare până la recoltare, iar a doua rundă a durat 42 de zile de la plantare până la recoltare. În timpul primei runde de experiment, temperatura medie zilnică în seră s-a situat în mare parte în intervalul 10-18 ℃; în timpul celei de-a doua runde de experiment, fluctuația temperaturii medii zilnice în seră a fost mai severă decât în ​​timpul primei runde de experiment, cu cea mai scăzută temperatură medie zilnică de 8,39 ℃ și cea mai ridicată temperatură medie zilnică de 20,23 ℃. Temperatura medie zilnică a prezentat o tendință generală ascendentă în timpul procesului de creștere (Fig. 1).

În timpul primei runde a experimentului, integrala zilnică de lumină (DLI) în seră a fluctuat cu mai puțin de 14 mol/(㎡·D). În timpul celei de-a doua runde a experimentului, cantitatea cumulată zilnică de lumină naturală în seră a prezentat o tendință generală ascendentă, fiind mai mare de 8 mol/(㎡·D), iar valoarea maximă a apărut pe 27 februarie 2020, fiind de 26,1 mol/(㎡·D). Modificarea cantității cumulate zilnice de lumină naturală în seră în timpul celei de-a doua runde a experimentului a fost mai mare decât cea din timpul primei runde a experimentului (Fig. 2). În timpul primei runde a experimentului, cantitatea totală cumulată zilnică de lumină (suma integralei zilnice de lumină naturală și a integralei zilnice de lumină suplimentară cu LED) a grupului de lumină suplimentară a fost mai mare de 8 mol/(㎡·D) în majoritatea timpului. În timpul celei de-a doua runde a experimentului, cantitatea totală zilnică acumulată de lumină a grupului de lumină suplimentară a fost mai mare de 10 mol/(㎡·D) în majoritatea timpului. Cantitatea totală acumulată de lumină suplimentară în a doua rundă a fost cu 31,75 mol/㎡ mai mare decât cea din prima rundă.

Randamentul legumelor cu frunze și eficiența utilizării energiei luminoase

●Rezultatele primei runde de teste
Din Fig. 3 se poate observa că pakchoi-ul suplimentat cu LED crește mai bine, forma plantei este mai compactă, iar frunzele sunt mai mari și mai groase decât CK-ul fără supliment. Frunzele de pakchoi LB și MB sunt de un verde mai deschis și mai închis decât CK. Din Fig. 4 se poate observa că salata verde cu lumină LED crește mai bine decât CK-ul fără lumină suplimentară, numărul de frunze este mai mare, iar forma plantei este mai plină.

Din Tabelul 1 se poate observa că nu există o diferență semnificativă în ceea ce privește înălțimea plantelor, numărul de frunze, conținutul de materie uscată și eficiența utilizării energiei luminoase la pakchoi tratați cu CK, LB și MB, dar greutatea proaspătă a pakchoi tratați cu LB și MB este semnificativ mai mare decât cea a CK; Nu a existat o diferență semnificativă în ceea ce privește greutatea proaspătă per plantă între cele două lămpi de creștere LED cu rapoarte diferite de lumină albastră în tratamentul cu LB și MB.

Din tabelul 2 se poate observa că înălțimea plantei de salată verde în tratamentul cu LB a fost semnificativ mai mare decât cea în tratamentul cu CK, dar nu a existat nicio diferență semnificativă între tratamentul cu LB și tratamentul cu MB. Au existat diferențe semnificative în numărul de frunze între cele trei tratamente, iar numărul de frunze în tratamentul cu MB a fost cel mai mare, fiind de 27. Greutatea proaspătă per plantă în tratamentul cu LB a fost cea mai mare, fiind de 101 g. De asemenea, a existat o diferență semnificativă între cele două grupuri. Nu a existat nicio diferență semnificativă în conținutul de substanță uscată între tratamentele cu CK și LB. Conținutul de MB a fost cu 4,24% mai mare decât în ​​tratamentul cu CK și LB. Au existat diferențe semnificative în ceea ce privește eficiența utilizării luminii între cele trei tratamente. Cea mai mare eficiență a utilizării luminii a fost în tratamentul cu LB, care a fost de 13,23 g/mol, iar cea mai mică a fost în tratamentul cu CK, care a fost de 10,72 g/mol.

●Rezultatele celei de-a doua runde de teste

Din Tabelul 3 se poate observa că înălțimea plantelor de Pakchoi tratate cu MB a fost semnificativ mai mare decât cea a CK și nu a existat nicio diferență semnificativă între acesta și tratamentul cu LB. Numărul de frunze de Pakchoi tratate cu LB și MB a fost semnificativ mai mare decât cel cu CK, dar nu a existat nicio diferență semnificativă între cele două grupuri de tratamente suplimentare cu lumină. Au existat diferențe semnificative în greutatea proaspătă per plantă între cele trei tratamente. Greutatea proaspătă per plantă în CK a fost cea mai mică, de 47 g, iar în tratamentul cu MB a fost cea mai mare, de 116 g. Nu a existat nicio diferență semnificativă în conținutul de substanță uscată între cele trei tratamente. Există diferențe semnificative în ceea ce privește eficiența utilizării energiei luminoase. CK are un nivel scăzut, de 8,74 g/mol, iar tratamentul cu MB are cel mai mare, de 13,64 g/mol.

Din Tabelul 4 se poate observa că nu a existat o diferență semnificativă în ceea ce privește înălțimea plantelor de salată între cele trei tratamente. Numărul de frunze în tratamentele LB și MB a fost semnificativ mai mare decât cel în tratamentul CK. Printre acestea, numărul de frunze MB a fost cel mai mare, de 26. Nu a existat o diferență semnificativă în ceea ce privește numărul de frunze între tratamentele LB și MB. Greutatea proaspătă per plantă a celor două grupuri de tratamente cu lumină suplimentară a fost semnificativ mai mare decât cea a CK, iar greutatea proaspătă per plantă a fost cea mai mare în tratamentul MB, care a fost de 133 g. De asemenea, au existat diferențe semnificative între tratamentele LB și MB. Au existat diferențe semnificative în conținutul de substanță uscată între cele trei tratamente, iar conținutul de substanță uscată al tratamentului LB a fost cel mai mare, fiind de 4,05%. Eficiența utilizării energiei luminoase a tratamentului MB este semnificativ mai mare decât cea a tratamentului CK și LB, care este de 12,67 g/mol.

În timpul celei de-a doua runde de experimente, DLI total al grupului cu lumină suplimentară a fost mult mai mare decât DLI pe parcursul aceluiași număr de zile de colonizare din prima rundă de experimente (Figura 1-2) și decât timpul de lumină suplimentară al grupului cu tratament cu lumină suplimentară din a doua rundă de experimente (4:00-00-17:00). Comparativ cu prima rundă de experimente (6:30-17:00), acesta a crescut cu 2,5 ore. Timpul de recoltare pentru cele două runde de Pakchoi a fost de 35 de zile după plantare. Greutatea proaspătă a plantelor individuale CK în cele două runde a fost similară. Diferența în greutatea proaspătă per plantă în tratamentul LB și MB comparativ cu CK în a doua rundă de experimente a fost mult mai mare decât diferența în greutatea proaspătă per plantă comparativ cu CK în prima rundă de experimente (Tabelul 1, Tabelul 3). Timpul de recoltare pentru a doua rundă de salată experimentală a fost de 42 de zile după plantare, iar timpul de recoltare pentru prima rundă de salată experimentală a fost de 46 de zile după plantare. Numărul de zile de colonizare la recoltarea celei de-a doua runde de salată experimentală CK a fost cu 4 zile mai mic decât cel din prima rundă, dar greutatea proaspătă per plantă este de 1,57 ori mai mare decât cea din prima rundă de experimente (Tabelul 2 și Tabelul 4), iar eficiența utilizării energiei luminoase este similară. Se poate observa că, pe măsură ce temperatura crește treptat și lumina naturală din seră crește treptat, ciclul de producție al salatei se scurtează.

Materiale și metode
Cele două runde de testare au acoperit practic întreaga iarnă din Shanghai, iar grupul de control (CK) a reușit să restabilească relativ starea reală de producție a tulpinilor verzi și a salatei verzi hidroponice în seră, la temperaturi scăzute și lumină solară redusă pe timpul iernii. Grupul experimental cu suplimente luminoase a avut un efect de promovare semnificativ asupra celui mai intuitiv indice de date (greutatea proaspătă per plantă) în cele două runde de experimente. Printre acestea, efectul de creștere a randamentului Pakchoi s-a reflectat simultan în dimensiunea, culoarea și grosimea frunzelor. Salata verde tinde însă să crească numărul de frunze, iar forma plantei arată mai plină. Rezultatele testelor arată că suplimentarea cu lumină poate îmbunătăți greutatea proaspătă și calitatea produsului la plantarea celor două categorii de legume, crescând astfel comercializarea produselor vegetale. Modulele de lumină LED superioare roșu-alb, albastru-scurt și roșu-alb-albastru mediu pentru Pakchoi au un aspect verde mai închis și strălucitor decât frunzele fără lumină suplimentară, frunzele sunt mai mari și mai groase, iar tendința de creștere a întregului tip de plantă este mai compactă și viguroasă. Totuși, „salata verde mozaic” aparține legumelor cu frunze de culoare verde deschis și nu există un proces evident de schimbare a culorii în procesul de creștere. Schimbarea culorii frunzelor nu este evidentă pentru ochiul uman. Proporția adecvată de lumină albastră poate promova dezvoltarea frunzelor și sinteza pigmenților fotosintetici și poate inhiba alungirea internodurilor. Prin urmare, legumele din grupul suplimentelor de lumină sunt mai apreciate de consumatori în ceea ce privește calitatea aspectului.

În timpul celei de-a doua runde a testului, cantitatea totală cumulată zilnică de lumină a grupului cu lumină suplimentară a fost mult mai mare decât DLI pe parcursul aceluiași număr de zile de colonizare din prima rundă a experimentului (Figura 1-2), iar timpul de lumină suplimentară din a doua rundă a grupului cu tratament suplimentar cu lumină (4:00-17:00), comparativ cu prima rundă a experimentului (6:30-17:00), a crescut cu 2,5 ore. Timpul de recoltare pentru cele două runde de Pakchoi a fost de 35 de zile după plantare. Greutatea proaspătă a CK în cele două runde a fost similară. Diferența de greutate proaspătă per plantă între tratamentul LB și MB și CK în a doua rundă de experimente a fost mult mai mare decât diferența de greutate proaspătă per plantă cu CK în prima rundă de experimente (Tabelul 1 și Tabelul 3). Prin urmare, extinderea timpului de suplimentare cu lumină poate promova creșterea producției de Pakchoi hidroponic cultivat în interior iarna. Timpul de recoltare al celei de-a doua runde de salată experimentală a fost la 42 de zile de la plantare, iar timpul de recoltare al primei runde de salată experimentală a fost la 46 de zile de la plantare. Când a fost recoltată a doua rundă de salată experimentală, numărul de zile de colonizare ale grupului CK a fost cu 4 zile mai mic decât cel al primei runde. Cu toate acestea, greutatea proaspătă a unei singure plante a fost de 1,57 ori mai mică decât cea a primei runde de experimente (Tabelul 2 și Tabelul 4). Eficiența utilizării energiei luminoase a fost similară. Se poate observa că, pe măsură ce temperatura crește lent și lumina naturală din seră crește treptat (Figura 1-2), ciclul de producție a salatei poate fi scurtat în mod corespunzător. Prin urmare, adăugarea de echipamente suplimentare de iluminat în seră în timpul iernii, cu temperaturi scăzute și lumină solară redusă, poate îmbunătăți eficient eficiența producției de salată și, prin urmare, poate crește producția. În prima rundă de experiment, consumul de energie pentru lumina suplimentată a plantei cu meniu de frunze a fost de 0,95 kw-h, iar în a doua rundă de experiment, consumul de energie pentru lumina suplimentată a plantei cu meniu de frunze a fost de 1,15 kw-h. Comparativ cu cele două runde de experimente, consumul de lumină al celor trei tratamente cu Pakchoi a fost mai mic decât cel din primul experiment. Eficiența utilizării energiei luminoase a grupurilor de salată CK și LB tratate cu lumină suplimentară în al doilea experiment a fost ușor mai mică decât cea din primul experiment. Se deduce că motivul posibil este că temperatura medie zilnică scăzută la o săptămână după plantare prelungește perioada de răsad lent și, deși temperatura a crescut puțin în timpul experimentului, intervalul a fost limitat, iar temperatura medie zilnică generală a fost încă la un nivel scăzut, ceea ce a restricționat eficiența utilizării energiei luminoase pe parcursul ciclului general de creștere pentru hidroponia legumelor cu frunze. (Figura 1).

În timpul experimentului, piscina cu soluție nutritivă nu a fost echipată cu echipamente de încălzire, astfel încât mediul radicular al legumelor cu frunze hidroponice a fost mereu la un nivel scăzut de temperatură, iar temperatura medie zilnică a fost limitată, ceea ce a făcut ca legumele să nu utilizeze pe deplin lumina cumulativă zilnică crescută prin extinderea luminii suplimentare cu LED-uri. Prin urmare, atunci când se suplimentează lumina în seră pe timp de iarnă, este necesar să se ia în considerare măsuri adecvate de conservare a căldurii și de încălzire pentru a asigura efectul suplimentării luminii pentru a crește producția. Prin urmare, este necesar să se ia în considerare măsuri adecvate de conservare a căldurii și de creștere a temperaturii pentru a asigura efectul suplimentării luminii și creșterea randamentului în sera de iarnă. Utilizarea luminii suplimentare cu LED-uri va crește costul de producție într-o anumită măsură, iar producția agricolă în sine nu este o industrie cu randament ridicat. Prin urmare, în ceea ce privește modul de optimizare a strategiei de iluminare suplimentară și cooperarea cu alte măsuri în producția efectivă de legume cu frunze hidroponice în sera de iarnă și modul de utilizare a echipamentelor de iluminare suplimentară pentru a obține o producție eficientă și a îmbunătăți eficiența utilizării energiei luminoase și beneficiile economice, sunt încă necesare experimente suplimentare de producție.

Autori: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Sursa articolului: Tehnologia ingineriei agricole (Horticultura în seră).

Referințe:
[1] Jianfeng Dai, Practica aplicării LED-urilor horticole Philips în producția de sere [J]. Tehnologie inginerească agricolă, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin și alții. Stadiul cererii și perspectivele tehnologiei de suplimente luminoase pentru fructe și legume protejate [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao și alții. Stadiul cercetării și aplicațiilor și strategia de dezvoltare a iluminatului instalațiilor [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi și alții. Aplicarea sursei de lumină și a controlului calității luminii în producția de legume în seră [J]. Chinese vegetable, 2012 (2): 1-7