Badania nad wpływem dodatkowego światła LED na zwiększenie plonów sałaty i pakchoi uprawianych hydroponicznie w szklarni zimą
[Streszczenie] Zima w Szanghaju często charakteryzuje się niskimi temperaturami i słabym nasłonecznieniem, a wzrost hydroponicznych warzyw liściastych w szklarniach jest powolny, a cykl produkcyjny długi, co nie pozwala na zaspokojenie popytu rynkowego. W ostatnich latach w uprawie i produkcji szklarniowej zaczęto stosować oświetlenie uzupełniające LED, aby zrekompensować niedobór dziennego światła akumulowanego w szklarni, który nie zaspokaja potrzeb wzrostu roślin w warunkach niedoboru światła naturalnego. W eksperymencie zainstalowano w szklarni dwa rodzaje oświetlenia uzupełniającego LED o różnej jakości światła, aby przeprowadzić eksperyment badawczy mający na celu zwiększenie produkcji hydroponicznej sałaty i zielonych łodyg w okresie zimowym. Wyniki pokazały, że dwa rodzaje oświetlenia LED mogą znacząco zwiększyć świeżą masę rośliny pakchoi i sałaty. Zwiększający plony wpływ pakchoi przejawia się głównie w poprawie ogólnej jakości sensorycznej, takiej jak powiększenie i zagęszczenie liści, a plony sałaty przejawiają się głównie we wzroście liczby liści i zawartości suchej masy.

Światło jest niezbędnym elementem wzrostu roślin. W ostatnich latach oświetlenie LED jest szeroko stosowane w uprawie i produkcji w środowisku szklarniowym ze względu na wysoki współczynnik konwersji fotoelektrycznej, dostosowywalne widmo i długą żywotność [1]. W krajach zagranicznych, ze względu na wczesne rozpoczęcie badań w tym zakresie i dojrzały system wsparcia, wiele wielkoskalowych produkcji kwiatów, owoców i warzyw ma stosunkowo kompletne strategie uzupełniania światła. Nagromadzenie dużej ilości rzeczywistych danych produkcyjnych pozwala również producentom na jasne przewidywanie efektu zwiększenia produkcji. Jednocześnie ocenia się zwrot z zastosowania systemu oświetlenia uzupełniającego LED [2]. Jednak większość obecnych krajowych badań nad oświetleniem uzupełniającym jest ukierunkowana na jakość światła na małą skalę i optymalizację widmową i brakuje w nich strategii oświetlenia uzupełniającego, które można by zastosować w rzeczywistej produkcji [3]. Wielu krajowych producentów będzie bezpośrednio korzystać z istniejących zagranicznych rozwiązań oświetlenia uzupełniającego podczas stosowania technologii oświetlenia uzupełniającego w produkcji, niezależnie od warunków klimatycznych obszaru produkcji, rodzajów produkowanych warzyw oraz stanu obiektów i sprzętu. Ponadto, wysoki koszt dodatkowego oświetlenia i wysokie zużycie energii często prowadzą do ogromnej różnicy między rzeczywistym plonem a oczekiwanym efektem. Taka obecna sytuacja nie sprzyja rozwojowi i promocji technologii dodatkowego oświetlenia oraz zwiększeniu produkcji w kraju. Dlatego pilnie potrzebne jest rozsądne wdrożenie sprawdzonych produktów LED do oświetlenia uzupełniającego w rzeczywistych warunkach produkcji krajowej, optymalizacja strategii użytkowania i gromadzenie odpowiednich danych.

Zima to pora roku, w której świeże warzywa liściaste cieszą się dużym popytem. Szklarnie mogą zapewnić bardziej odpowiednie środowisko do wzrostu warzyw liściastych zimą niż pola uprawne na świeżym powietrzu. Jednak artykuł wskazał, że niektóre starzejące się lub słabo czyste szklarnie mają przepuszczalność światła mniejszą niż 50% zimą. Ponadto, zimą często zdarzają się długotrwałe deszcze, które sprawiają, że szklarnia znajduje się w środowisku o niskiej temperaturze i słabym oświetleniu, co wpływa na normalny wzrost roślin. Światło stało się czynnikiem ograniczającym wzrost warzyw zimą [4]. W eksperymencie wykorzystano Green Cube, który został wprowadzony do rzeczywistej produkcji. System sadzenia warzyw liściastych z płytkim przepływem cieczy jest dopasowany do dwóch modułów górnego światła LED firmy Signify (China) Investment Co., Ltd. o różnych proporcjach światła niebieskiego. Sadzenie sałaty i pakchoi, które są dwoma warzywami liściastymi o większym zapotrzebowaniu rynkowym, ma na celu zbadanie rzeczywistego wzrostu produkcji hydroponicznych warzyw liściastych dzięki oświetleniu LED w szklarni zimowej.

Materiały i metody
Materiały użyte do testu

Materiałem testowym użytym w eksperymencie były sałata i pakchoi. Odmiana sałaty, Green Leaf Lettuce, pochodzi z firmy Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., a odmiana pakchoi, Brilliant Green, z Instytutu Ogrodnictwa Szanghajskiej Akademii Nauk Rolniczych.

Metoda eksperymentalna

Eksperyment przeprowadzono w szklarni typu Wenluo w bazie Sunqiao firmy Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. od listopada 2019 r. do lutego 2020 r. Przeprowadzono łącznie dwie rundy powtarzanych eksperymentów. Pierwsza runda eksperymentu miała miejsce pod koniec 2019 r., a druga na początku 2020 r. Po wysianiu, materiały doświadczalne umieszczono w pomieszczeniu klimatycznym ze sztucznym światłem w celu hodowli sadzonek, a następnie zastosowano nawadnianie pływowe. W okresie hodowli sadzonek do nawadniania stosowano ogólną pożywkę dla warzyw hydroponicznych o EC 1,5 i pH 5,5. Po osiągnięciu przez sadzonki 3 liści i 1 stadium serca, posadzono je na grządce do sadzenia warzyw liściastych typu Green Cube Track o płytkim przepływie. Po posadzeniu, system cyrkulacji pożywki o płytkim przepływie wykorzystywał pożywkę o EC 2 i pH 6 do codziennego nawadniania. Częstotliwość nawadniania wynosiła 10 minut z dopływem wody i 20 minut z zatrzymanym dopływem wody. W eksperymencie utworzono grupę kontrolną (bez dodatku światła) i grupę leczoną (z dodatkiem światła LED). Roślinę CK posadzono w szklarni bez dodatku światła. LB: drw-lb Ho (200 W) użyto do uzupełnienia światła po posadzeniu w szklarni. Gęstość strumienia światła (PPFD) na powierzchni hydroponicznej łanu warzyw wynosiła około 140 μmol/(㎡·S). MB: po posadzeniu w szklarni, drw-lb (200 W) użyto do uzupełnienia światła, a PPFD wynosiło około 140 μmol/(㎡·S).

Pierwsza runda eksperymentalnego sadzenia przypada na 8 listopada 2019 r., a data sadzenia to 25 listopada 2019 r. Czas dodatkowego światła dla grupy testowej wynosi 6:30-17:00; druga runda eksperymentalnego sadzenia przypada na 30 grudnia 2019 r., data sadzenia to 17 stycznia 2020 r., a czas dodatkowego światła dla grupy eksperymentalnej wynosi 4:00-17:00
W słoneczne dni zimą szklarnia będzie otwierać okno dachowe, folie boczne i wentylator w celu zapewnienia codziennej wentylacji w godzinach 6:00-17:00. Gdy temperatura w nocy będzie niska, szklarnia zamknie okno dachowe, folie boczne i wentylator w godzinach 17:00-18:00 (następnego dnia), a w szklarni otworzy się kurtyna termoizolacyjna w celu utrzymania ciepła w nocy.

Zbieranie danych

Wysokość roślin, liczbę liści i świeżą masę każdej rośliny uzyskano po zbiorze nadziemnych części Qingjingcai i sałaty. Po zmierzeniu świeżej masy, rośliny umieszczono w suszarce i suszono w temperaturze 75°C przez 72 godziny. Po zakończeniu suszenia określono masę suchą. Temperatura w szklarni oraz gęstość strumienia fotonów fotosyntetycznych (PPFD) są rejestrowane co 5 minut za pomocą czujnika temperatury (RS-GZ-N01-2) i czujnika promieniowania fotosyntetycznie czynnego (GLZ-CG).

Analiza danych

Oblicz efektywność wykorzystania światła (LUE, Light Use Efficiency) według następującego wzoru:
LUE (g/mol) = plon warzyw na jednostkę powierzchni/łączna skumulowana ilość światła uzyskana przez warzywa na jednostkę powierzchni od momentu zasadzenia do zbioru
Zawartość suchej masy obliczamy według poniższego wzoru:
Zawartość suchej masy (%) = sucha masa na roślinę/świeża masa na roślinę x 100%
Przeanalizuj dane eksperymentu za pomocą programu Excel 2016 i IBM SPSS Statistics 20 oraz sprawdź istotność różnic.

Materiały i metody
Światło i temperatura

Pierwsza runda eksperymentu trwała 46 dni od posadzenia do zbioru, a druga – 42 dni od posadzenia do zbioru. Podczas pierwszej rundy eksperymentu średnia dzienna temperatura w szklarni utrzymywała się przeważnie w zakresie 10–18°C; podczas drugiej rundy eksperymentu wahania średniej dziennej temperatury w szklarni były większe niż w pierwszej rundzie eksperymentu, z najniższą średnią dzienną temperaturą wynoszącą 8,39°C i najwyższą średnią dzienną temperaturą wynoszącą 20,23°C. Średnia dzienna temperatura wykazywała ogólną tendencję wzrostową w trakcie procesu wzrostu (rys. 1).

Podczas pierwszej rundy eksperymentu dzienna całka świetlna (DLI) w szklarni wahała się mniej niż 14 mol/(㎡·D). Podczas drugiej rundy eksperymentu dzienna skumulowana ilość światła naturalnego w szklarni wykazywała ogólną tendencję wzrostową, która była wyższa niż 8 mol/(㎡·D), a maksymalna wartość pojawiła się 27 lutego 2020 r. i wyniosła 26,1 mol/(㎡·D). Zmiana dziennej skumulowanej ilości światła naturalnego w szklarni podczas drugiej rundy eksperymentu była większa niż podczas pierwszej rundy eksperymentu (rys. 2). Podczas pierwszej rundy eksperymentu całkowita dzienna skumulowana ilość światła (suma DLI światła naturalnego i DLI światła uzupełniającego LED) grupy światła uzupełniającego była wyższa niż 8 mol/(㎡·D) przez większość czasu. Podczas drugiej rundy eksperymentu całkowita dzienna skumulowana ilość światła grupy światła uzupełniającego była wyższa niż 10 mol/(㎡·D) przez większość czasu. Łączna ilość skumulowanego światła dodatkowego w drugiej rundzie była o 31,75 mol/㎡ większa niż w pierwszej rundzie.

Plon warzyw liściastych i efektywność wykorzystania energii świetlnej

●Pierwsza runda wyników testów
Na rys. 3 widać, że sałata z dodatkiem LED rośnie lepiej, jej kształt jest bardziej zwarty, a liście są większe i grubsze niż w przypadku sałaty bez dodatku CK. Liście sałaty z dodatkiem LB i MB są jaśniejsze i ciemniejsze niż w przypadku sałaty z dodatkiem CK. Na rys. 4 widać, że sałata z dodatkiem LED rośnie lepiej niż sałata z dodatkiem CK bez dodatku, ma większą liczbę liści i pełniejszy kształt.

Z tabeli 1 wynika, że ​​nie ma znaczącej różnicy w wysokości roślin, liczbie liści, zawartości suchej masy i efektywności wykorzystania energii świetlnej pakchoi traktowanego CK, LB i MB, ale świeża masa pakchoi traktowanego LB i MB jest znacznie wyższa niż CK; nie było znaczącej różnicy w świeżej masie na roślinę między dwoma lampami LED o różnym stosunku światła niebieskiego w przypadku traktowania LB i MB.

Z tabeli 2 wynika, że ​​wysokość roślin sałaty w zabiegu LB była istotnie wyższa niż w zabiegu CK, ale nie było istotnej różnicy między zabiegiem LB a zabiegiem MB. Istniały istotne różnice w liczbie liści pomiędzy trzema zabiegami, a liczba liści w zabiegu MB była najwyższa i wynosiła 27. Najwyższa była świeża masa na roślinę w zabiegu LB, która wynosiła 101 g. Istniała również istotna różnica pomiędzy obiema grupami. Nie było istotnej różnicy w zawartości suchej masy pomiędzy zabiegami CK i LB. Zawartość MB była o 4,24% wyższa niż w zabiegach CK i LB. Istniały istotne różnice w efektywności wykorzystania światła pomiędzy trzema zabiegami. Najwyższa efektywność wykorzystania światła była w zabiegu LB, która wynosiła 13,23 g/mol, a najniższa w zabiegu CK, która wynosiła 10,72 g/mol.

●Druga runda wyników testów

Z Tabeli 3 wynika, że ​​wysokość roślin Pakchoi traktowanych MB była istotnie wyższa niż CK, a nie było istotnej różnicy między nimi a zabiegami LB. Liczba liści Pakchoi traktowanych LB i MB była istotnie wyższa niż w przypadku CK, ale nie było istotnej różnicy między dwiema grupami zabiegów uzupełniającego światła. Istniały istotne różnice w świeżej masie na roślinę między trzema zabiegami. Świeża masa na roślinę w przypadku CK była najniższa i wynosiła 47 g, a w przypadku zabiegu MB była najwyższa i wynosiła 116 g. Nie było istotnej różnicy w zawartości suchej masy między trzema zabiegami. Istniały istotne różnice w efektywności wykorzystania energii świetlnej. CK jest niskie i wynosi 8,74 g/mol, a zabieg MB jest najwyższy i wynosi 13,64 g/mol.

Z Tabeli 4 wynika, że ​​nie było istotnej różnicy w wysokości roślin sałaty pomiędzy trzema metodami. Liczba liści w metodach LB i MB była istotnie wyższa niż w CK. Wśród nich liczba liści MB była najwyższa i wynosiła 26. Nie było istotnej różnicy w liczbie liści pomiędzy metodami LB i MB. Świeża masa na roślinę w dwóch grupach dodatkowych metod światła była istotnie wyższa niż w CK, a świeża masa na roślinę była najwyższa w metodzie MB, która wynosiła 133 g. Istniały również istotne różnice pomiędzy metodami LB i MB. Istniały istotne różnice w zawartości suchej masy pomiędzy trzema metodami, a zawartość suchej masy w metodzie LB była najwyższa i wynosiła 4,05%. Efektywność wykorzystania energii świetlnej w metodzie MB jest istotnie wyższa niż w metodach CK i LB, która wynosi 12,67 g/mol.

Podczas drugiej rundy eksperymentu, całkowity DLI grupy z dodatkowym światłem był znacznie wyższy niż DLI podczas tej samej liczby dni kolonizacji podczas pierwszej rundy eksperymentu (Rysunek 1-2), a także czas dodatkowego światła w grupie z dodatkowym światłem w drugiej rundzie eksperymentu (4:00-00-17:00). W porównaniu z pierwszą rundą eksperymentu (6:30-17:00), wydłużył się on o 2,5 godziny. Czas zbioru dwóch rund Pakchoi wynosił 35 dni po posadzeniu. Świeża masa pojedynczej rośliny CK w obu rundach była podobna. Różnica w świeżej masie na roślinę w zabiegach LB i MB w porównaniu z CK w drugiej rundzie eksperymentów była znacznie większa niż różnica w świeżej masie na roślinę w porównaniu z CK w pierwszej rundzie eksperymentów (Tabela 1, Tabela 3). Czas zbioru drugiej rundy eksperymentalnej sałaty wynosił 42 dni po posadzeniu, a czas zbioru pierwszej rundy eksperymentalnej sałaty wynosił 46 dni po posadzeniu. Liczba dni kolonizacji podczas zbioru sałaty CK w drugiej rundzie eksperymentalnej była o 4 dni krótsza niż w pierwszej rundzie, ale masa świeżej rośliny była 1,57 razy większa niż w pierwszej rundzie eksperymentów (tabela 2 i tabela 4), a efektywność wykorzystania energii świetlnej była podobna. Widać, że wraz ze stopniowym wzrostem temperatury i stopniowym wzrostem światła naturalnego w szklarni, cykl produkcyjny sałaty ulega skróceniu.

Materiały i metody
Dwie rundy testów objęły zasadniczo całą zimę w Szanghaju, a grupa kontrolna (CK) była w stanie względnie przywrócić rzeczywisty stan produkcji hydroponicznej zielonej łodygi i sałaty w szklarni w niskich temperaturach i przy słabym nasłonecznieniu zimą. Grupa eksperymentalna z dodatkiem światła miała znaczący wpływ na najbardziej intuicyjny wskaźnik danych (świeżą masę na roślinę) w dwóch rundach eksperymentów. Wśród nich, wpływ Pakchoi na wzrost plonów był widoczny w rozmiarze, kolorze i grubości liści. Sałata ma jednak tendencję do zwiększania liczby liści, a kształt rośliny wygląda na pełniejszy. Wyniki testów pokazują, że dodatek światła może poprawić świeżą masę i jakość produktu podczas sadzenia obu kategorii warzyw, zwiększając tym samym komercyjność produktów warzywnych. Pakchoi z dodatkiem czerwonego, niebieskiego i czerwonego, białego i średnio niebieskiego modułu LED ma ciemniejszy zielony i błyszczący wygląd niż liście bez dodatkowego światła, liście są większe i grubsze, a trend wzrostu całej rośliny jest bardziej zwarty i energiczny. Jednak „sałata mozaikowa” należy do jasnozielonych warzyw liściastych i nie wykazuje wyraźnego procesu zmiany koloru podczas wzrostu. Zmiana koloru liścia nie jest widoczna dla ludzkiego oka. Odpowiednia ilość światła niebieskiego może stymulować rozwój liści i syntezę barwników fotosyntetycznych oraz hamować wydłużanie międzywęźli. Dlatego warzywa z grupy suplementów świetlnych są bardziej preferowane przez konsumentów pod względem jakości wyglądu.

Podczas drugiej rundy testu, całkowita skumulowana dzienna ilość światła grupy światła uzupełniającego była znacznie wyższa niż DLI podczas tej samej liczby dni kolonizacji podczas pierwszej rundy eksperymentu (Rysunek 1-2), a czas światła uzupełniającego drugiej rundy grupy z leczeniem światłem uzupełniającym (4:00-17:00), w porównaniu z pierwszą rundą eksperymentu (6:30-17:00), wydłużył się o 2,5 godziny. Czas zbioru dwóch rund Pakchoi wynosił 35 dni po posadzeniu. Świeża masa CK w obu rundach była podobna. Różnica w świeżej masie na roślinę między leczeniem LB i MB a CK w drugiej rundzie eksperymentów była znacznie większa niż różnica w świeżej masie na roślinę z CK w pierwszej rundzie eksperymentów (Tabela 1 i Tabela 3). Dlatego wydłużenie czasu stosowania światła uzupełniającego może sprzyjać wzrostowi produkcji hydroponicznego Pakchoi uprawianego w pomieszczeniach zimą. Zbiór drugiej tury sałaty doświadczalnej nastąpił po 42 dniach od posadzenia, a pierwszej tury po 46 dniach. Podczas zbioru drugiej tury sałaty doświadczalnej liczba dni kolonizacji grupy CK była o 4 dni krótsza niż w pierwszej turze. Jednakże, świeża masa pojedynczej rośliny była 1,57 razy większa niż w pierwszej turze eksperymentów (Tabela 2 i Tabela 4). Efektywność wykorzystania energii świetlnej była podobna. Można zauważyć, że wraz ze wzrostem temperatury i stopniowym zwiększaniem się światła naturalnego w szklarni (Rysunek 1-2), cykl produkcyjny sałaty może ulec odpowiedniemu skróceniu. Dlatego dodanie dodatkowego oświetlenia do szklarni zimą, przy niskiej temperaturze i słabym nasłonecznieniu, może skutecznie poprawić efektywność produkcji sałaty, a tym samym zwiększyć jej produkcję. W pierwszej turze eksperymentu, zużycie energii przez roślinę liściową z dodatkiem światła wyniosło 0,95 kWh, a w drugiej turze eksperymentu, zużycie energii przez roślinę liściową z dodatkiem światła wyniosło 1,15 kWh. W porównaniu z dwiema rundami eksperymentów, zużycie światła w trzech wariantach Pakchoi, efektywność wykorzystania energii w drugim eksperymencie była niższa niż w pierwszym. Efektywność wykorzystania energii świetlnej w grupach sałaty CK i LB, którym podawano dodatkowe światło w drugim eksperymencie, była nieznacznie niższa niż w pierwszym eksperymencie. Przypuszcza się, że możliwą przyczyną jest niska średnia temperatura dzienna w ciągu tygodnia po posadzeniu, która wydłuża okres powolnego wzrostu siewek. Chociaż temperatura nieznacznie wzrosła w trakcie eksperymentu, zakres był ograniczony, a ogólna średnia temperatura dzienna nadal utrzymywała się na niskim poziomie, co ograniczało efektywność wykorzystania energii świetlnej w całym cyklu wzrostu hydroponicznych warzyw liściastych (Rysunek 1).

Podczas eksperymentu zbiornik z roztworem odżywczym nie był wyposażony w urządzenia do ogrzewania, przez co środowisko korzeniowe hydroponicznych warzyw liściastych utrzymywało się zawsze w niskiej temperaturze, a średnia temperatura dobowa była ograniczona. W rezultacie warzywa nie wykorzystywały w pełni dziennego, skumulowanego światła, zwiększonego poprzez wydłużenie czasu działania dodatkowego oświetlenia LED. Dlatego, uzupełniając oświetlenie w szklarni zimą, należy rozważyć odpowiednie środki utrzymania ciepła i ogrzewania, aby zapewnić efekt doświetlenia i zwiększyć plony. Konieczne jest zatem rozważenie odpowiednich środków utrzymania ciepła i podwyższenia temperatury, aby zapewnić efekt doświetlenia i wzrost plonów w szklarni zimowej. Zastosowanie dodatkowego oświetlenia LED zwiększy koszty produkcji w pewnym stopniu, a sama produkcja rolna nie jest wysokowydajna. W związku z tym, aby zoptymalizować strategię doświetlania i połączyć ją z innymi działaniami w rzeczywistej produkcji hydroponicznych warzyw liściastych w szklarni zimowej, a także jak wykorzystać doświetlanie w celu osiągnięcia efektywnej produkcji, poprawy efektywności wykorzystania energii świetlnej i korzyści ekonomicznych, konieczne są dalsze eksperymenty produkcyjne.

Autorzy: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Szanghajska zielona kostka Agricultural Development Co., Ltd.).
Źródło artykułu: Agricultural Engineering Technology (Greenhouse Horticulture).

Odniesienia:
[1] Jianfeng Dai, Zastosowanie diod LED firmy Philips w szklarniach [J]. Technologia inżynierii rolniczej, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin i in. Stan zastosowania i perspektywy technologii doświetlania upraw chronionych owoców i warzyw [J]. Ogrodnictwo północne, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao i in. Stan badań i zastosowań oraz strategia rozwoju oświetlenia roślin [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi i in. Zastosowanie źródła światła i kontrola jakości światła w uprawie warzyw szklarniowych [J]. Chińskie warzywa, 2012 (2): 1-7