Recerca sobre l'efecte de la llum suplementària LED en l'efecte d'augment del rendiment de l'enciam hidropònic i el pakchoi en hivernacle a l'hivern
[Resum] L'hivern a Xangai sovint es troba amb baixes temperatures i poca insolació, i el creixement de les verdures de fulla hidropòniques a l'hivernacle és lent i el cicle de producció és llarg, cosa que no pot satisfer la demanda de l'oferta del mercat. En els darrers anys, les llums suplementàries LED per a plantes han començat a utilitzar-se en el cultiu i la producció d'hivernacles, fins a cert punt, per compensar el defecte que la llum acumulada diàriament a l'hivernacle no pot satisfer les necessitats de creixement dels cultius quan la llum natural és insuficient. A l'experiment, es van instal·lar dos tipus de llums suplementàries LED amb diferent qualitat de llum a l'hivernacle per dur a terme l'experiment d'exploració per augmentar la producció d'enciam hidropònic i tija verda a l'hivern. Els resultats van mostrar que els dos tipus de llums LED poden augmentar significativament el pes fresc per planta de pakchoi i enciam. L'efecte d'augment del rendiment del pakchoi es reflecteix principalment en la millora de la qualitat sensorial general, com ara l'augment i l'engruiximent de les fulles, i l'efecte d'augment del rendiment de l'enciam es reflecteix principalment en l'augment del nombre de fulles i del contingut de matèria seca.

La llum és una part indispensable del creixement de les plantes. En els darrers anys, les llums LED s'han utilitzat àmpliament en el cultiu i la producció en hivernacles a causa de la seva alta taxa de conversió fotoelèctrica, l'espectre personalitzable i la llarga vida útil [1]. En països estrangers, a causa de l'inici precoç de la investigació relacionada i el sistema de suport madur, moltes produccions de flors, fruites i verdures a gran escala tenen estratègies de suplement de llum relativament completes. L'acumulació d'una gran quantitat de dades de producció real també permet als productors predir clarament l'efecte de l'augment de la producció. Al mateix temps, s'avalua el retorn després d'utilitzar el sistema de llum suplementària LED [2]. Tanmateix, la major part de la investigació nacional actual sobre la llum suplementària està esbiaixada cap a la qualitat de la llum a petita escala i l'optimització espectral, i manca d'estratègies de llum suplementària que es puguin utilitzar en la producció real [3]. Molts productors nacionals utilitzaran directament solucions d'il·luminació suplementària estrangeres existents quan apliquin tecnologia d'il·luminació suplementària a la producció, independentment de les condicions climàtiques de la zona de producció, els tipus de verdures produïdes i les condicions de les instal·lacions i els equips. A més, l'alt cost dels equips de llum suplementària i l'alt consum d'energia sovint provoquen una gran diferència entre el rendiment real del cultiu i el retorn econòmic i l'efecte esperat. Aquesta situació actual no és propícia per al desenvolupament i la promoció de la tecnologia de suplementació de la llum i l'augment de la producció al país. Per tant, és una necessitat urgent posar raonablement productes de llum suplementària LED madurs en entorns de producció nacionals reals, optimitzar les estratègies d'ús i acumular dades rellevants.

L'hivern és l'estació en què les verdures de fulla fresca tenen una gran demanda. Els hivernacles poden proporcionar un entorn més adequat per al creixement de verdures de fulla a l'hivern que els camps de cultiu a l'aire lliure. Tanmateix, un article va assenyalar que alguns hivernacles envellits o mal nets tenen una transmitància de llum inferior al 50% a l'hivern. A més, també és probable que es produeixi un clima plujós a llarg termini a l'hivern, cosa que fa que l'hivernacle es trobi en un entorn de baixa temperatura i poca llum, cosa que afecta el creixement normal de les plantes. La llum s'ha convertit en un factor limitant per al creixement de les verdures a l'hivern [4]. En l'experiment s'utilitza el Green Cube que s'ha posat en producció real. El sistema de plantació de verdures de fulla de flux líquid superficial es combina amb els dos mòduls de llum LED superiors de Signify (China) Investment Co., Ltd. amb diferents proporcions de llum blava. La plantació d'enciam i pakchoi, que són dues verdures de fulla amb una major demanda del mercat, té com a objectiu estudiar l'augment real de la producció de verdures de fulla hidropòniques mitjançant la il·luminació LED a l'hivernacle d'hivern.

Materials i mètodes
Materials utilitzats per a la prova

Els materials de prova utilitzats en l'experiment van ser enciam i verdures packchoi. La varietat d'enciam Green Leaf Lettuce prové de Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., i la varietat pakchoi Brilliant Green prové de l'Institut d'Horticultura de l'Acadèmia de Ciències Agrícoles de Xangai.

Mètode experimental

L'experiment es va dur a terme a l'hivernacle de vidre tipus Wenluo de la base Sunqiao de Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd., des del novembre de 2019 fins al febrer de 2020. Es van dur a terme un total de dues rondes d'experiments repetits. La primera ronda de l'experiment va ser a finals de 2019 i la segona ronda a principis de 2020. Després de la sembra, els materials experimentals es van col·locar a la sala climàtica amb llum artificial per al cultiu de plàntules i es va utilitzar el reg de marea. Durant el període de cultiu de plàntules, es va utilitzar la solució nutritiva general de verdures hidropòniques amb una EC d'1,5 i un pH de 5,5 per al reg. Després que les plàntules creixessin fins a 3 fulles i 1 estadi de cor, es van plantar al llit de plantació de verdures de fulla de flux poc profund tipus Green Cube Track. Després de la plantació, el sistema de circulació de la solució nutritiva de flux poc profund utilitzava una solució nutritiva d'EC 2 i pH 6 per al reg diari. La freqüència de reg va ser de 10 minuts amb el subministrament d'aigua i de 20 minuts amb el subministrament d'aigua aturat. A l'experiment es van establir el grup de control (sense suplement de llum) i el grup de tractament (suplement de llum LED). CK es va plantar en un hivernacle de vidre sense suplement de llum. LB: es va utilitzar drw-lb Ho (200 W) per complementar la llum després de plantar a l'hivernacle de vidre. La densitat de flux lumínic (PPFD) a la superfície de la coberta vegetal hidropònica era d'uns 140 μmol/(㎡·S). MB: després de plantar a l'hivernacle de vidre, es va utilitzar el drw-lb (200 W) per complementar la llum, i el PPFD era d'uns 140 μmol/(㎡·S).

La primera ronda de plantació experimental és el 8 de novembre de 2019 i la data de plantació és el 25 de novembre de 2019. L'hora de suplementació de llum del grup de prova és de 6:30 a 17:00; la segona ronda de plantació experimental és el 30 de desembre de 2019, la data de plantació és el 17 de gener de 2020 i l'hora de suplementació del grup experimental és de 4:00 a 17:00.
Quan fa sol a l'hivern, l'hivernacle obrirà el sostre solar, la pel·lícula lateral i el ventilador per a la ventilació diària de 6:00 a 17:00. Quan la temperatura sigui baixa a la nit, l'hivernacle tancarà la claraboia, la pel·lícula lateral en rotlle i el ventilador de 17:00 a 6:00 (l'endemà) i obrirà la cortina d'aïllament tèrmic de l'hivernacle per a la conservació de la calor nocturna.

Recollida de dades

L'alçada de la planta, el nombre de fulles i el pes fresc per planta es van obtenir després de collir les parts superficials de Qingjingcai i enciam. Després de mesurar el pes fresc, es va col·locar en un forn i es va assecar a 75 ℃ durant 72 h. Al final, es va determinar el pes sec. La temperatura a l'hivernacle i la densitat de flux de fotons fotosintètics (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) es recullen i registren cada 5 minuts mitjançant el sensor de temperatura (RS-GZ-N01-2) i el sensor de radiació fotosintèticament actiu (GLZ-CG).

Anàlisi de dades

Calculeu l'eficiència de l'ús de la llum (LUE, Light Use Efficiency) segons la fórmula següent:
LUE (g/mol) = rendiment de les verdures per unitat de superfície / la quantitat total acumulada de llum obtinguda per les verdures per unitat de superfície des de la sembra fins a la collita
Calculeu el contingut de matèria seca segons la fórmula següent:
Contingut de matèria seca (%) = pes sec per planta/pes fresc per planta x 100%
Utilitzeu l'Excel2016 i l'IBM SPSS Statistics 20 per analitzar les dades de l'experiment i analitzar la significació de la diferència.

Materials i mètodes
Llum i temperatura

La primera ronda d'experiments va durar 46 dies des de la sembra fins a la collita, i la segona ronda va durar 42 dies des de la sembra fins a la collita. Durant la primera ronda d'experiments, la temperatura mitjana diària a l'hivernacle es va situar principalment entre els 10 i els 18 ℃; durant la segona ronda d'experiments, la fluctuació de la temperatura mitjana diària a l'hivernacle va ser més severa que durant la primera ronda d'experiments, amb una temperatura mitjana diària més baixa de 8,39 ℃ i una temperatura mitjana diària més alta de 20,23 ℃. La temperatura mitjana diària va mostrar una tendència general a l'alça durant el procés de creixement (Fig. 1).

Durant la primera ronda d'experiments, la integral de llum diària (DLI) a l'hivernacle va fluctuar menys de 14 mol/(㎡·D). Durant la segona ronda d'experiments, la quantitat acumulada diària de llum natural a l'hivernacle va mostrar una tendència general a l'alça, superior a 8 mol/(㎡·D), i el valor màxim va aparèixer el 27 de febrer de 2020, que va ser de 26,1 mol/(㎡·D). El canvi de la quantitat acumulada diària de llum natural a l'hivernacle durant la segona ronda d'experiments va ser més gran que durant la primera ronda d'experiments (Fig. 2). Durant la primera ronda d'experiments, la quantitat total de llum acumulada diària (la suma de la llum natural DLI i la llum suplementària LED DLI) del grup de llum suplementària va ser superior a 8 mol/(㎡·D) la major part del temps. Durant la segona ronda d'experiments, la quantitat total de llum acumulada diària del grup de llum suplementària va ser superior a 10 mol/(㎡·D) la major part del temps. La quantitat total acumulada de llum suplementària a la segona ronda va ser 31,75 mol/㎡ més que a la primera ronda.

Rendiment de les verdures de fulla i eficiència en la utilització de l'energia lumínica

● Resultats de la primera ronda de proves
Es pot veure a la figura 3 que el pakchoi suplementat amb LED creix millor, la forma de la planta és més compacta i les fulles són més grans i gruixudes que la CK sense suplement. Les fulles del pakchoi LB i MB són d'un verd més brillant i fosc que la CK. Es pot veure a la figura 4 que l'enciam amb llum suplementària LED creix millor que la CK sense llum suplementària, el nombre de fulles és més alt i la forma de la planta és més plena.

Es pot veure a la Taula 1 que no hi ha cap diferència significativa en l'alçada de la planta, el nombre de fulles, el contingut de matèria seca i l'eficiència d'utilització de l'energia lumínica dels pakchoi tractats amb CK, LB i MB, però el pes fresc dels pakchoi tractats amb LB i MB és significativament més alt que el de CK; No hi va haver cap diferència significativa en el pes fresc per planta entre els dos llums de cultiu LED amb diferents proporcions de llum blava en el tractament de LB i MB.

A la taula 2 es pot veure que l'alçada de la planta d'enciam en el tractament amb LB va ser significativament més alta que en el tractament amb CK, però no hi va haver cap diferència significativa entre el tractament amb LB i el tractament amb MB. Hi va haver diferències significatives en el nombre de fulles entre els tres tractaments, i el nombre de fulles en el tractament amb MB va ser el més alt, que va ser de 27. El pes fresc per planta del tractament amb LB va ser el més alt, que va ser de 101 g. També hi va haver una diferència significativa entre els dos grups. No hi va haver cap diferència significativa en el contingut de matèria seca entre els tractaments amb CK i LB. El contingut d'MB va ser un 4,24% més alt que en els tractaments amb CK i LB. Hi va haver diferències significatives en l'eficiència de l'ús de la llum entre els tres tractaments. L'eficiència de l'ús de la llum més alta va ser en el tractament amb LB, que va ser de 13,23 g/mol, i la més baixa va ser en el tractament amb CK, que va ser de 10,72 g/mol.

●Resultats de la segona ronda de proves

Es pot veure a la Taula 3 que l'alçada de la planta de Pakchoi tractada amb MB era significativament més alta que la de CK, i no hi va haver cap diferència significativa entre aquest i el tractament amb LB. El nombre de fulles de Pakchoi tractades amb LB i MB va ser significativament més alt que el de CK, però no hi va haver cap diferència significativa entre els dos grups de tractaments de llum suplementaris. Hi va haver diferències significatives en el pes fresc per planta entre els tres tractaments. El pes fresc per planta en CK va ser el més baix, amb 47 g, i el tractament amb MB va ser el més alt, amb 116 g. No hi va haver cap diferència significativa en el contingut de matèria seca entre els tres tractaments. Hi ha diferències significatives en l'eficiència de la utilització de l'energia lumínica. CK és baix, amb 8,74 g/mol, i el tractament amb MB és el més alt, amb 13,64 g/mol.

A la Taula 4 es pot veure que no hi va haver cap diferència significativa en l'alçada de la planta d'enciam entre els tres tractaments. El nombre de fulles en els tractaments LB i MB va ser significativament més alt que en CK. Entre ells, el nombre de fulles MB va ser el més alt, amb 26. No hi va haver cap diferència significativa en el nombre de fulles entre els tractaments LB i MB. El pes fresc per planta dels dos grups de tractaments amb llum suplementària va ser significativament més alt que el de CK, i el pes fresc per planta va ser el més alt en el tractament MB, que va ser de 133 g. També hi va haver diferències significatives entre els tractaments LB i MB. Hi va haver diferències significatives en el contingut de matèria seca entre els tres tractaments, i el contingut de matèria seca del tractament LB va ser el més alt, que va ser del 4,05%. L'eficiència d'utilització de l'energia lumínica del tractament MB és significativament més alta que la del tractament CK i LB, que és de 12,67 g/mol.

Durant la segona ronda d'experiments, el DLI total del grup de llum suplementària va ser molt més alt que el DLI durant el mateix nombre de dies de colonització durant la primera ronda d'experiments (Figura 1-2), i el temps de llum suplementària del grup de tractament de llum suplementària a la segona ronda d'experiments (4:00-00-17:00). En comparació amb la primera ronda d'experiments (6:30-17:00), va augmentar en 2,5 hores. El temps de collita de les dues rondes de Pakchoi va ser de 35 dies després de la sembra. El pes fresc de les plantes individuals de CK a les dues rondes va ser similar. La diferència en el pes fresc per planta en el tractament amb LB i MB en comparació amb CK a la segona ronda d'experiments va ser molt més gran que la diferència en el pes fresc per planta en comparació amb CK a la primera ronda d'experiments (Taula 1, Taula 3). El temps de collita de la segona ronda d'enciam experimental va ser de 42 dies després de la sembra, i el temps de collita de la primera ronda d'enciam experimental va ser de 46 dies després de la sembra. El nombre de dies de colonització quan es va collir la segona ronda d'enciam experimental CK va ser 4 dies inferior al de la primera ronda, però el pes fresc per planta és 1,57 vegades superior al de la primera ronda d'experiments (Taula 2 i Taula 4), i l'eficiència d'utilització de l'energia lumínica és similar. Es pot observar que a mesura que la temperatura s'escalfa gradualment i la llum natural a l'hivernacle augmenta gradualment, el cicle de producció d'enciam s'escurça.

Materials i mètodes
Les dues rondes de proves van cobrir bàsicament tot l'hivern a Xangai, i el grup de control (CK) va ser capaç de restaurar relativament l'estat de producció real de tija verda hidropònica i enciam a l'hivern a baixa temperatura i poca llum solar. El grup d'experimentació amb suplement de llum va tenir un efecte de promoció significatiu sobre l'índex de dades més intuïtiu (pes fresc per planta) en les dues rondes d'experiments. Entre ells, l'efecte d'augment del rendiment del Pakchoi es va reflectir en la mida, el color i el gruix de les fulles alhora. Però l'enciam tendeix a augmentar el nombre de fulles i la forma de la planta sembla més plena. Els resultats de les proves mostren que la suplementació de llum pot millorar el pes fresc i la qualitat del producte en la plantació de les dues categories de verdures, augmentant així la comercialitat dels productes vegetals. Els mòduls de llum LED superiors de color vermell-blanc, blau baix i vermell-blanc, blau mitjà per al Pakchoi suplementat tenen un verd més fosc i un aspecte brillant que les fulles sense llum suplementària, les fulles són més grans i gruixudes, i la tendència de creixement de tot el tipus de planta és més compacta i vigorosa. Tanmateix, l'"enciam mosaic" pertany a les verdures de fulla verda clara i no hi ha cap procés de canvi de color evident durant el procés de creixement. El canvi de color de les fulles no és evident per als ulls humans. La proporció adequada de llum blava pot promoure el desenvolupament de les fulles i la síntesi de pigments fotosintètics, i inhibir l'elongació internodal. Per tant, les verdures del grup de suplements lumínics són més preferides pels consumidors pel que fa a la qualitat de l'aspecte.

Durant la segona ronda de la prova, la quantitat total acumulada diària de llum del grup de llum suplementària va ser molt més alta que la DLI durant el mateix nombre de dies de colonització durant la primera ronda de l'experiment (Figura 1-2), i el temps de llum suplementària de la segona ronda del grup de tractament de llum suplementària (4:00-17:00), en comparació amb la primera ronda de l'experiment (6:30-17:00), va augmentar en 2,5 hores. El temps de collita de les dues rondes de Pakchoi va ser de 35 dies després de la sembra. El pes fresc de CK en les dues rondes va ser similar. La diferència en el pes fresc per planta entre el tractament LB i MB i CK en la segona ronda d'experiments va ser molt més gran que la diferència en el pes fresc per planta amb CK en la primera ronda d'experiments (Taula 1 i Taula 3). Per tant, ampliar el temps de suplement de llum pot promoure l'augment de la producció de Pakchoi hidropònic cultivat en interiors a l'hivern. El temps de collita de la segona ronda d'enciam experimental va ser 42 dies després de la sembra, i el temps de collita de la primera ronda d'enciam experimental va ser 46 dies després de la sembra. Quan es va collir la segona ronda d'enciam experimental, el nombre de dies de colonització del grup CK va ser 4 dies inferior al de la primera ronda. Tanmateix, el pes fresc d'una sola planta va ser 1,57 vegades superior al de la primera ronda d'experiments (Taula 2 i Taula 4). L'eficiència de la utilització de l'energia lumínica va ser similar. Es pot veure que a mesura que la temperatura augmenta lentament i la llum natural a l'hivernacle augmenta gradualment (Figura 1-2), el cicle de producció d'enciam es pot escurçar en conseqüència. Per tant, afegir equips de llum suplementaris a l'hivernacle amb baixa temperatura i poca llum solar pot millorar eficaçment l'eficiència de producció d'enciam i, a continuació, augmentar la producció. A la primera ronda d'experiments, el consum d'energia de llum suplementada de la planta de fulla va ser de 0,95 kW-h, i a la segona ronda d'experiments, el consum d'energia de llum suplementada de la planta de fulla va ser d'1,15 kW-h. En comparació entre les dues rondes d'experiments, el consum de llum dels tres tractaments de Pakchoi, l'eficiència d'utilització d'energia en el segon experiment va ser inferior a la del primer experiment. L'eficiència d'utilització d'energia lumínica dels grups de tractament de llum suplementària d'enciam CK i LB en el segon experiment va ser lleugerament inferior a la del primer experiment. Es dedueix que la possible raó és que la baixa temperatura mitjana diària dins d'una setmana després de la sembra fa que el període de plàntules lentes sigui més llarg, i tot i que la temperatura va repuntar una mica durant l'experiment, el rang era limitat i la temperatura mitjana diària general encara es mantenia a un nivell baix, cosa que va restringir l'eficiència d'utilització d'energia lumínica durant el cicle de creixement general per a la hidroponia de verdures de fulla. (Figura 1).

Durant l'experiment, la piscina de solució nutritiva no estava equipada amb equips d'escalfament, de manera que l'entorn de les arrels de les verdures de fulla hidropòniques sempre estava a un nivell de temperatura baix, i la temperatura mitjana diària era limitada, cosa que va fer que les verdures no aprofitessin al màxim l'augment de llum acumulada diària mitjançant l'ampliació de la llum suplementària LED. Per tant, a l'hora de complementar la llum a l'hivernacle, cal tenir en compte mesures adequades de conservació de la calor i escalfament per garantir l'efecte de complementar la llum per augmentar la producció. Per tant, cal tenir en compte mesures adequades de conservació de la calor i augment de la temperatura per garantir l'efecte del suplement de llum i l'augment del rendiment a l'hivernacle. L'ús de llum suplementària LED augmentarà el cost de producció fins a cert punt, i la producció agrícola en si mateixa no és una indústria d'alt rendiment. Per tant, pel que fa a com optimitzar l'estratègia de llum suplementària i cooperar amb altres mesures en la producció real de verdures de fulla hidropòniques a l'hivernacle, i com utilitzar l'equip de llum suplementària per aconseguir una producció eficient i millorar l'eficiència de l'ús de l'energia lumínica i els beneficis econòmics, encara calen més experiments de producció.

Autors: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Font de l'article: Tecnologia d'enginyeria agrícola (horticultura d'hivernacle).

Referències:
[1] Jianfeng Dai, Pràctica d'aplicació de LED hortícoles de Philips en la producció d'hivernacles [J]. Tecnologia d'enginyeria agrícola, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin, et al. Estat de l'aplicació i perspectives de la tecnologia de suplements lumínics per a fruites i verdures protegides [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao, et al. Estat de la recerca i l'aplicació i estratègia de desenvolupament de la il·luminació de plantes [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi, et al. Aplicació de la font de llum i el control de qualitat de la llum en la producció de verdures d'hivernacle [J]. Vegetable xinès, 2012 (2): 1-7