Cercetări privind efectul luminii suplimentare cu LED-uri asupra efectului de creștere a randamentului salatei hidroponice și Pakchoi în seră în timpul iernii
[Rezumat] Iarna din Shanghai se confruntă adesea cu temperaturi scăzute și soare scăzut, iar creșterea legumelor cu frunze hidroponice în seră este lentă și ciclul de producție este lung, ceea ce nu poate satisface cererea de aprovizionare a pieței. În ultimii ani, luminile suplimentare cu LED-uri pentru plante au început să fie utilizate în cultivarea și producția în seră, într-o anumită măsură, pentru a compensa defectul că lumina acumulată zilnic în seră nu poate satisface nevoile de creștere a culturilor atunci când lumina naturală este insuficientă. În cadrul experimentului, în seră au fost instalate două tipuri de lumini suplimentare LED cu o calitate diferită a luminii pentru a efectua experimentul de explorare de creștere a producției de salată verde și tulpină hidroponică 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 verde 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 cu LED-uri au fost utilizate pe scară largă în cultivare și producție într-un mediu de seră datorită ratei lor ridicate de conversie fotoelectrică, spectrului personalizabil și duratei de viață lungi [1]. În țările străine, datorită începerii timpurii a cercetărilor aferente și a sistemului matur de susținere, multe producții de flori, fructe și legume la scară largă au strategii de supliment de lumină relativ complete. Acumularea unei cantități mari de date de producție reală permite, de asemenea, producătorilor să prezică în mod clar efectul creșterii producției. În același timp, se evaluează revenirea după utilizarea sistemului de iluminare suplimentară cu LED [2]. Cu toate acestea, cea mai mare parte a cercetării interne actuale privind lumina suplimentară este orientată către calitatea luminii la scară mică și optimizarea spectrală și nu dispun de strategii suplimentare de lumină care să poată fi utilizate în producția efectivă[3]. Mulți producători autohtoni vor utiliza direct soluțiile de iluminat suplimentar străine existente atunci când aplică tehnologie de iluminat suplimentară la producție, indiferent de condițiile climatice ale zonei de producție, tipurile de legume produse și condițiile instalațiilor și echipamentelor. În plus, costul ridicat al echipamentelor ușoare suplimentare și consumul ridicat de energie duc adesea la un decalaj uriaș între randamentul real al recoltei și rentabilitatea economică și efectul așteptat. O astfel de situație actuală nu este propice dezvoltării și promovării tehnologiei de completare a luminii și creșterea producției în țară. Prin urmare, este o nevoie urgentă de a pune în mod rezonabil produse de lumină suplimentare LED mature în mediile reale de producție internă, de a optimiza strategiile de utilizare și de a acumula date relevante.

Iarna este anotimpul în care legumele proaspete cu frunze 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 curate au o transmisie a luminii de mai puțin de 50% iarna. temperatura și mediul cu lumină scăzută, care afectează creșterea normală a plantelor. Lumina a devenit un factor limitativ pentru creșterea legumelor iarna [4]. Cubul verde care a fost pus în producție efectivă este folosit în experiment. Sistemul de plantare a legumelor cu frunze cu curgere mică de lichid este combinat cu cele două module de lumină superioară LED de la Signify (China) Investment Co., Ltd. cu diferite rapoarte de lumină albastră. Plantarea de salată verde și pakchoi, care sunt două legume cu frunze cu o cerere mai mare pe piață, își propune să studieze creșterea efectivă a producției de legume cu frunze hidroponice prin iluminarea LED în sera de iarnă.

Materiale și metode
Materiale folosite pentru testare

Materialele de testare folosite în experiment au fost salata verde și legumele packchoi. Soiul de salată verde, Green Leaf Lettuce, provine de la Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., iar soiul pakchoi, Brilliant Green, provine de la Institutul de Horticultură al Academiei de Științe Agricole din Shanghai.

Metoda experimentala

Experimentul a fost efectuat în sera de sticlă de tip Wenluo a bazei Sunqiao a 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 fost la sfârșitul anului 2019, iar a doua rundă a fost la începutul anului 2020. După însămânțare, materialele experimentale au fost plasate în camera climatică cu lumină artificială pentru creșterea răsadurilor și s-a folosit irigarea cu maree. În perioada de creștere a răsadurilor, soluția nutritivă generală a legumelor hidroponice cu EC de 1,5 și pH de 5,5 a fost utilizată pentru irigare. După ce răsadurile au crescut la 3 frunze și 1 stadiu de inimă, au fost plantate pe patul de plantare a legumelor cu frunze, de tip cub verde, cu curgere mică. După plantare, sistemul de circulație a soluției nutritive cu curgere mică a folosit soluție nutritivă EC 2 și pH 6 pentru irigarea zilnică. Frecvența de irigare a fost de 10 min cu alimentarea cu apă și 20 min cu alimentarea cu apă oprită. Grupul de control (fără supliment de lumină) și grupul de tratament (supliment de lumină LED) au fost stabilite în experiment. CK a fost plantat în seră de sticlă fără supliment de lumină. LB: drw-lb Ho (200W) a fost folosit pentru a suplimenta lumina după plantare în seră de sticlă. Densitatea fluxului luminos (PPFD) pe suprafața baldachinului vegetal hidroponic a fost de aproximativ 140 μmol/(㎡·S). MB: după plantare în sera de sticlă, drw-lb (200W) a fost folosit pentru a suplimenta lumina, iar PPFD a fost de aproximativ 140 μmol/(㎡·S).

Prima rundă a datei de plantare experimentală este 8 noiembrie 2019, iar data de plantare este 25 noiembrie 2019. Ora de supliment de lumină a grupului de testare este 6:30-17:00; a doua rundă a datei de plantare experimentală este 30 decembrie 2019, data de plantare este 17 ianuarie 2020, iar ora de completare a grupului experimental este 4:00-17:00
Pe vreme însorită iarna, sera va deschide trapa, filmul lateral și ventilatorul pentru ventilație zilnică între orele 6:00-17:00. Când temperatura este scăzută noaptea, sera va închide luminatorul, filmul lateral și ventilatorul la 17:00-6:00 (a doua zi) și va deschide cortina de izolare termică din seră pentru păstrarea căldurii pe timp de noapte.

Colectarea datelor

Înălțimea plantei, numărul de frunze și greutatea proaspătă pe plantă au fost obținute după recoltarea părților supraterane de Qingjingcai și salată verde. După măsurarea greutății proaspete, a fost introdus într-un cuptor și uscat la 75℃ timp de 72 de ore. După sfârșit, s-a determinat greutatea uscată. Temperatura din seră și densitatea fluxului fotonului fotosintetic (PPFD, densitatea fluxului fotonului fotosintetic) sunt colectate și înregistrate la fiecare 5 minute de senzorul de temperatură (RS-GZ-N01-2) și senzorul de radiație activ fotosintetic (GLZ-CG).

Analiza datelor

Calculați eficiența utilizării luminii (LUE, Light Use Efficiency) conform următoarei formule:
LUE (g/mol) = randamentul de legume pe unitatea de suprafata/cantitatea totala cumulata de lumina obtinuta de legume pe unitatea de suprafata de la plantare pana la recoltare
Calculați conținutul de substanță uscată conform următoarei formule:
Conținut de substanță uscată (%) = greutate uscată per plantă/greutate proaspătă per plantă x 100%
Utilizați Excel2016 și IBM SPSS Statistics 20 pentru a analiza datele din experiment și pentru a analiza semnificația diferenței.

Materiale și metode
Lumina si temperatura

Prima rundă de experiment a durat 46 de zile de la plantare la recoltare, iar a doua rundă a durat 42 de zile de la plantare la recoltă. În timpul primei runde de experiment, temperatura medie zilnică în seră a fost 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 cea din prima rundă de experiment, cu cea mai scăzută temperatură medie zilnică de 8,39 ℃ și cea mai mare temperatură medie zilnică de 20,23 ℃. Temperatura medie zilnică a arătat o tendință generală ascendentă în timpul procesului de creștere (Fig. 1).

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

Randamentul legumelor cu frunze și eficiența utilizării energiei ușoare

●Prima rundă de rezultate ale testelor
Se poate observa din Fig. 3 că pakchoi-ul suplimentat cu LED crește mai bine, forma plantei este mai compactă, iar frunzele sunt mai mari și mai groase decât CK nesuplimentat. Frunzele LB și MB pakchoi sunt mai strălucitoare și verzi mai închise decât CK. Se poate observa din Fig. 4 că salata verde cu supliment de lumină LED crește mai bine decât CK fără supliment de lumină, 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 înălțimea plantei, numărul de frunze, conținutul de substanță uscată și eficiența utilizării energiei luminoase a pakchoi tratați cu CK, LB și MB, dar greutatea proaspătă a pakchoi tratată cu LB și MB este semnificativ mai mare decât cea a CK; Nu a existat o diferență semnificativă în greutatea proaspătă pe plantă între cele două lumini de creștere cu LED-uri cu rapoarte diferite de lumină albastră în tratamentul LB și MB.

Se poate observa din tabelul 2 că înălțimea plantei de salată în tratamentul LB a fost semnificativ mai mare decât cea în tratamentul CK, dar nu a existat nicio diferență semnificativă între tratamentul LB și tratamentul cu MB. Au existat diferențe semnificative în ceea ce privește numărul de frunze între cele trei tratamente, iar numărul de frunze în tratamentul cu MB a fost cel mai mare, care a fost de 27. Greutatea proaspătă pe plantă a tratamentului LB a fost cea mai mare, care a fost 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 CK și LB. Conținutul de MB a fost cu 4,24% mai mare decât tratamentele cu CK și LB. Au existat diferențe semnificative în ceea ce privește eficiența utilizării luminii între cele trei tratamente. Cea mai mare eficiență de utilizare a luminii a fost în tratamentul LB, care a fost de 13,23 g/mol, iar cea mai mică a fost în tratamentul CK, care a fost de 10,72 g/mol.

●A doua rundă de rezultate ale testelor

Se poate observa din Tabelul 3 că înălțimea plantei Pakchoi tratată 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 pe plantă între cele trei tratamente. Greutatea proaspătă per plantă în CK a fost cea mai mică, la 47 g, iar tratamentul cu MB a fost cea mai mare la 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 este scăzut la 8,74 g/mol, iar tratamentul cu MB este cel mai mare la 13,64 g/mol.

Din Tabelul 4 se poate observa că nu a existat nicio diferență semnificativă în înălțimea plantei de salată între cele trei tratamente. Numărul de frunze în tratamentele LB și MB a fost semnificativ mai mare decât cel din CK. Dintre acestea, numărul de frunze MB a fost cel mai mare la 26. Nu a existat nicio diferență semnificativă în numărul de frunze între tratamentele LB și MB. Greutatea proaspătă per plantă a celor două grupuri de tratamente suplimentare cu lumină a fost semnificativ mai mare decât cea a CK, iar greutatea proaspătă per plantă a fost cea mai mare în tratamentul cu MB, care a fost de 133 g. Au existat, de asemenea, 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, care a fost de 4,05%. Eficiența utilizării energiei luminoase a tratamentului cu 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 experiment, DLI total al grupului de lumină suplimentară a fost mult mai mare decât DLI în același număr de zile de colonizare în timpul primei runde de experiment (Figura 1-2) și timpul de lumină suplimentară al luminii suplimentare. grup de tratament în a doua rundă a experimentului (4:00-00-17:00). În comparație cu prima rundă de experiment (6:30-17:00), a crescut cu 2,5 ore. Timpul de recoltare a celor două runde de Pakchoi a fost de 35 de zile după plantare. Greutatea proaspătă a plantei individuale CK în cele două runde a fost similară. Diferența de greutate proaspătă per plantă în tratamentul cu LB și MB comparativ cu CK în a doua rundă de experimente a fost mult mai mare decât diferența de greutate proaspătă per plantă comparativ cu CK în prima rundă de experimente (Tabelul 1, Tabelul 3). Timpul de recoltare a celei de-a doua runde de salată experimentală a fost de 42 de zile după plantare, iar timpul de recoltare a primei runde de salată experimentală a fost de 46 de zile după plantare. Numărul de zile de colonizare când a fost recoltată a doua rundă 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 se încălzește treptat și lumina naturală din seră crește treptat, ciclul de producție al salatei verde se scurtează.

Materiale și metode
Cele două runde de testare au acoperit practic toată iarna din Shanghai, iar grupul de control (CK) a reușit să restabilească relativ starea reală de producție a tulpinii verzi hidroponice și a salatei verde în seră la temperaturi scăzute și lumina soarelui scăzută iarna. Grupul de experimente cu suplimente ușoare a avut un efect semnificativ de promovare 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 în dimensiunea, culoarea și grosimea frunzelor în același timp. Dar salata verde tinde să crească numărul de frunze, iar forma plantei pare mai plină. Rezultatele testelor arată că suplimentarea ușoară poate îmbunătăți greutatea proaspătă și calitatea produsului în plantarea celor două categorii de legume, crescând astfel comercialitatea produselor vegetale. Pakchoi completat de Modulele de lumină superioară cu LED roșu-alb, albastru scăzut și roșu-alb, albastru mijlociu au un verde mai închis și un aspect strălucitor decât frunzele fără lumină suplimentară, frunzele sunt mai mari și mai groase, iar tendința de creștere a intregul tip de planta este mai compact si mai viguros. Cu toate acestea, „salta 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 ochii oamenilor. Proporția adecvată de lumină albastră poate promova dezvoltarea frunzelor și sinteza pigmentului fotosintetic și poate inhiba alungirea internodului. Prin urmare, legumele din grupa suplimentelor ușoare sunt mai favorizate de consumatori în calitatea aspectului.

În timpul celei de-a doua runde a testului, cantitatea totală zilnică de lumină cumulativă a grupului de lumină suplimentară a fost mult mai mare decât DLI în același număr de zile de colonizare în timpul primei runde a experimentului (Figura 1-2) și lumina suplimentară. timpul celei de-a doua runde a grupului de 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 a celor 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 cu 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 supliment de lumină poate promova creșterea producției de Pakchoi hidroponic cultivat în interior iarna. Timpul de recoltare a celei de-a doua runde de salată experimentală a fost de 42 de zile după plantare, iar timpul de recoltare a primei runde de salată experimentală a fost de 46 de zile după plantare. Când a fost recoltată a doua rundă de salată experimentală, numărul de zile de colonizare al grupului CK a fost cu 4 zile mai mic decât cel din prima rundă. Cu toate acestea, greutatea proaspătă a unei singure plante a fost de 1,57 ori mai mare decât 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 încet și lumina naturală din seră crește treptat (Figura 1-2), ciclul de producție al salatei poate fi scurtat corespunzător. Prin urmare, adăugarea de echipamente luminoase suplimentare la seră în timpul iernii cu temperatură scăzută și lumină solară scăzută poate îmbunătăți eficient eficiența producției de salată verde și apoi crește producția. În prima rundă de experiment, consumul de energie luminoasă suplimentată de instalația de meniu de frunze a fost de 0,95 kw-h, iar în a doua rundă de experiment, consumul de energie luminoasă suplimentată de instalația de meniu de frunze a fost de 1,15 kw-h. În comparație între cele două runde de experimente, consumul de lumină al celor trei tratamente de Pakchoi, eficiența utilizării energiei în al doilea experiment a fost mai mică decât cea din primul experiment. Eficiența utilizării energiei luminii a grupurilor de tratament suplimentar cu lumină CK și LB de salată verde în al doilea experiment a fost ușor mai mică decât cea din primul experiment. Se deduce că posibilul motiv este că temperatura medie zilnică scăzută în decurs de o săptămână după plantare prelungește perioada lentă a răsadurilor și, deși temperatura a revenit 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 în timpul ciclului general de creștere pentru hidroponia legumelor cu frunze. (Figura 1).

În timpul experimentului, bazinul de soluții nutritive nu a fost echipat cu echipament de încălzire, astfel încât mediul rădăcină al legumelor cu frunze hidroponice a fost întotdeauna la un nivel scăzut de temperatură, iar temperatura medie zilnică a fost limitată, ceea ce a făcut ca legumele să nu reușească să folosească pe deplin. a luminii zilnice cumulate a crescut prin extinderea luminii suplimentare LED. Prin urmare, atunci când se suplimentează lumina în seră în timpul iernii, 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 creșterea temperaturii pentru a asigura efectul suplimentului de lumină și creșterea randamentului în sera de iarnă. Utilizarea luminii suplimentare LED 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 lumină suplimentară și de cooperare cu alte măsuri în producția efectivă de legume cu frunze hidroponice în seră de iarnă și modul de utilizare a echipamentului de lumină suplimentară pentru a obține o producție eficientă și a îmbunătăți eficiența utilizării energiei ușoare și a beneficiilor economice , mai are nevoie de experimente de producție suplimentare.

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

Referinte:
[1] Jianfeng Dai, practica de aplicare a LED-urilor horticole Philips în producția de seră [J]. Tehnologia ingineriei agricole, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin și colab. Starea aplicației și perspectiva tehnologiei suplimentelor ușoare pentru fructe și legume protejate [J]. Horticultura nordică, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao și colab. Starea cercetării și aplicării și strategia de dezvoltare a iluminatului plantelor [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi și colab. Aplicarea sursei de lumină și controlul calității luminii în producția de legume de seră [J]. Legumă chinezească, 2012 (2): 1-7