Výskum vplyvu doplnkového LED svetla na zvýšenie výnosu hydroponického šalátu a pakchoi v skleníku v zime
[Abstrakt] Zima v Šanghaji sa často vyznačuje nízkymi teplotami a nedostatkom slnečného svitu, rast hydroponickej listovej zeleniny v skleníkoch je pomalý a produkčný cyklus dlhý, čo nedokáže uspokojiť dopyt na trhu. V posledných rokoch sa v skleníkových pestovateľských a produkčných priestoroch začalo do istej miery používať LED doplnkové osvetlenie rastlín, aby sa vykompenzoval nedostatok, že denne nahromadené svetlo v skleníku nedokáže uspokojiť potreby rastu plodín, keď je prirodzené svetlo nedostatočné. V experimente boli v skleníku nainštalované dva druhy LED doplnkových svetiel s rôznou kvalitou svetla, aby sa uskutočnil prieskumný experiment na zvýšenie produkcie hydroponického šalátu a zelenej stonky v zime. Výsledky ukázali, že dva druhy LED svetiel môžu výrazne zvýšiť čerstvú hmotnosť pakchoi a šalátu na rastlinu. Zvyšujúci sa úroda sa prejavuje najmä v zlepšení celkovej senzorickej kvality, ako je zväčšenie a zahusťovanie listov, a zvyšujúci sa úroda sa prejavuje najmä vo zvýšení počtu listov a obsahu sušiny.

Svetlo je neoddeliteľnou súčasťou rastu rastlín. V posledných rokoch sa LED svetlá široko používajú v pestovaní a produkcii v skleníkovom prostredí vďaka vysokej miere fotoelektrickej konverzie, prispôsobiteľnému spektru a dlhej životnosti [1]. V zahraničí majú mnohé veľkovýroby kvetov, ovocia a zeleniny vďaka skorému začiatku súvisiaceho výskumu a vyspelej podpornej sústave relatívne kompletné stratégie doplnkového osvetlenia. Zhromaždenie veľkého množstva údajov o skutočnej produkcii tiež umožňuje výrobcom jasne predpovedať vplyv zvýšenia produkcie. Zároveň sa vyhodnocuje návratnosť po použití systému doplnkového osvetlenia LED [2]. Väčšina súčasného domáceho výskumu doplnkového osvetlenia je však zameraná na kvalitu svetla v malom rozsahu a spektrálnu optimalizáciu a chýbajú stratégie doplnkového osvetlenia, ktoré by sa dali použiť v skutočnej produkcii [3]. Mnohí domáci výrobcovia priamo využívajú existujúce zahraničné riešenia doplnkového osvetlenia pri aplikácii technológie doplnkového osvetlenia na produkciu bez ohľadu na klimatické podmienky produkčnej oblasti, druhy pestovanej zeleniny a stav zariadení a vybavenia. Okrem toho vysoké náklady na doplnkové svetelné zariadenia a vysoká spotreba energie často vedú k obrovskému rozdielu medzi skutočným výnosom plodiny a ekonomickou návratnosťou a očakávaným efektom. Takáto súčasná situácia nevedie k rozvoju a podpore technológie doplnkového osvetlenia a zvyšovaniu produkcie v krajine. Preto je naliehavo potrebné rozumne uviesť vyspelé doplnkové osvetlenie LED do reálnych domácich výrobných prostredí, optimalizovať stratégie používania a zhromaždiť relevantné údaje.

Zima je obdobím, kedy je čerstvá listová zelenina veľmi žiadaná. Skleníky môžu poskytnúť vhodnejšie prostredie pre rast listovej zeleniny v zime ako polia pestované vonku. Jeden článok však poukázal na to, že niektoré starnúce alebo zle čistené skleníky majú v zime priepustnosť svetla menej ako 50 %. Okrem toho sa v zime často vyskytuje aj dlhodobé daždivé počasie, ktoré spôsobuje, že skleník sa nachádza v prostredí s nízkou teplotou a slabým osvetlením, čo ovplyvňuje normálny rast rastlín. Svetlo sa stalo limitujúcim faktorom pre rast zeleniny v zime [4]. V experimente sa používa Zelená kocka, ktorá bola uvedená do skutočnej výroby. Systém pestovania listovej zeleniny s plytkým prietokom kvapaliny je spárovaný s dvoma LED modulmi horného osvetlenia od spoločnosti Signify (China) Investment Co., Ltd. s rôznymi pomermi modrého svetla. Cieľom pestovania šalátu a pakchoi, čo sú dve listové zeleniny s väčším dopytom na trhu, je študovať skutočný nárast produkcie hydroponickej listovej zeleniny pomocou LED osvetlenia v zimnom skleníku.

Materiály a metódy
Materiály použité na testovanie

Testovacími materiálmi použitými v experimente boli hlávkový šalát a zelenina pakchoi. Odroda šalátu Green Leaf Lettuce pochádza od spoločnosti Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd. a odroda pakchoi Brilliant Green pochádza zo Záhradníckeho inštitútu Šanghajskej akadémie poľnohospodárskych vied.

Experimentálna metóda

Experiment sa uskutočnil v skleníku typu Wenluo na základni Sunqiao spoločnosti Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. od novembra 2019 do februára 2020. Celkovo sa uskutočnili dve kolá opakovaných experimentov. Prvé kolo experimentu sa uskutočnilo koncom roka 2019 a druhé kolo začiatkom roka 2020. Po zasiatí sa experimentálny materiál umiestnil do miestnosti s umelým svetlom na pestovanie sadeníc a použila sa závlaha prílivom a odlivom. Počas obdobia pestovania sadeníc sa na zavlažovanie použil všeobecný živný roztok hydroponickej zeleniny s EC 1,5 a pH 5,5. Keď sadenice dorástli do 3 listov a 1 srdca, boli zasadené na záhon listovej zeleniny typu Green Cube Track s plytkým prietokom. Po zasadení sa systém cirkulácie živného roztoku s plytkým prietokom používal na denné zavlažovanie živný roztok EC 2 a pH 6. Frekvencia zavlažovania bola 10 minút s prívodom vody a 20 minút bez prívodu vody. V experimente bola stanovená kontrolná skupina (bez doplnkového svetla) a skúšobná skupina (s doplnkovým svetlom LED). CK bola vysadená v sklenenom skleníku bez doplnkového svetla. LB: po výsadbe v sklenenom skleníku bolo na doplnenie svetla použité drw-lb Ho (200 W). Hustota svetelného toku (PPFD) na povrchu hydroponického zeleninového porastu bola približne 140 μmol/(㎡·S). MB: po výsadbe v sklenenom skleníku bolo na doplnenie svetla použité drw-lb (200 W) a PPFD bola približne 140 μmol/(㎡·S).

Prvé kolo experimentálnej výsadby je 8. novembra 2019 a dátum výsadby je 25. novembra 2019. Čas doplnkového svetla pre testovanú skupinu je od 6:30 do 17:00; druhé kolo experimentálnej výsadby je 30. decembra 2019, dátum výsadby je 17. januára 2020 a čas doplnkového svetla pre experimentálnu skupinu je od 4:00 do 17:00.
V zime za slnečného počasia sa v skleníku otvorí strešné okno, bočná fólia a ventilátor pre denné vetranie od 6:00 do 17:00. Pri nízkych nočných teplotách sa v skleníku zatvorí strešné okno, bočná fólia a ventilátor od 17:00 do 6:00 (nasledujúci deň) a otvorí sa tepelnoizolačná clona v skleníku pre udržanie tepla v noci.

Zber údajov

Výška rastliny, počet listov a čerstvá hmotnosť na rastlinu sa získali po zbere nadzemných častí hlávkového šalátu Qingjingcai a šalátu. Po zmeraní čerstvej hmotnosti sa rastliny umiestnili do pece a sušili pri teplote 75 °C počas 72 hodín. Po skončení sa stanovila suchá hmotnosť. Teplota v skleníku a hustota fotosyntetického toku fotónov (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) sa zaznamenávali každých 5 minút teplotným senzorom (RS-GZ-N01-2) a senzorom fotosynteticky aktívneho žiarenia (GLZ-CG).

Analýza údajov

Vypočítajte účinnosť využitia svetla (LUE, Light Use Efficiency) podľa nasledujúceho vzorca:
LUE (g/mol) = výnos zeleniny na jednotku plochy/celkové kumulatívne množstvo svetla, ktoré zelenina získa na jednotku plochy od výsadby po zber
Obsah sušiny vypočítajte podľa nasledujúceho vzorca:
Obsah sušiny (%) = suchá hmotnosť na rastlinu/čerstvá hmotnosť na rastlinu x 100 %
Na analýzu údajov v experimente a analýzu významnosti rozdielu použite programy Excel 2016 a IBM SPSS Statistics 20.

Materiály a metódy
Svetlo a teplota

Prvé kolo experimentu trvalo 46 dní od výsadby po zber a druhé kolo trvalo 42 dní od výsadby po zber. Počas prvého kola experimentu sa priemerná denná teplota v skleníku pohybovala prevažne v rozmedzí 10 – 18 ℃; počas druhého kola experimentu bolo kolísanie priemernej dennej teploty v skleníku výraznejšie ako počas prvého kola experimentu, s najnižšou priemernou dennou teplotou 8,39 ℃ a najvyššou priemernou dennou teplotou 20,23 ℃. Priemerná denná teplota vykazovala počas rastu celkovo rastúci trend (obr. 1).

Počas prvého kola experimentu denný svetelný integrál (DLI) v skleníku kolísal o menej ako 14 mol/(㎡·D). Počas druhého kola experimentu denné kumulatívne množstvo prirodzeného svetla v skleníku vykazovalo celkovo vzostupný trend, ktorý bol vyšší ako 8 mol/(㎡·D) a maximálna hodnota sa objavila 27. februára 2020, keď bola 26,1 mol/(㎡·D). Zmena denného kumulatívneho množstva prirodzeného svetla v skleníku počas druhého kola experimentu bola väčšia ako počas prvého kola experimentu (obr. 2). Počas prvého kola experimentu bolo celkové denné kumulatívne množstvo svetla (súčet DLI prirodzeného svetla a DLI doplnkového LED svetla) skupiny doplnkového svetla väčšinou vyššie ako 8 mol/(㎡·D). Počas druhého kola experimentu bolo celkové denné kumulatívne množstvo svetla skupiny doplnkového svetla väčšinou vyššie ako 10 mol/(㎡·D). Celkové nahromadené množstvo doplnkového svetla v druhom kole bolo o 31,75 mol/㎡ viac ako v prvom kole.

Výnos listovej zeleniny a účinnosť využitia svetelnej energie

●Výsledky prvého kola testov
Z obr. 3 je vidieť, že pakchoi s doplnkovým LED osvetlením rastie lepšie, tvar rastliny je kompaktnejší a listy sú väčšie a hrubšie ako u nefajčeného CK. Listy pakchoi LB a MB sú jasnejšie a tmavšie zelené ako u CK. Z obr. 4 je vidieť, že šalát s doplnkovým LED osvetlením rastie lepšie ako CK bez doplnkového svetla, počet listov je vyšší a tvar rastliny je plnší.

Z tabuľky 1 je zrejmé, že u pakchoi ošetrených CK, LB a MB nie je významný rozdiel vo výške rastlín, počte listov, obsahu sušiny a účinnosti využitia svetelnej energie, ale čerstvá hmotnosť pakchoi ošetreného LB a MB je výrazne vyššia ako u CK; Pri ošetrení LB a MB nebol zistený žiadny významný rozdiel v čerstvej hmotnosti na rastlinu medzi dvoma LED pestovateľskými svetlami s rôznymi pomermi modrého svetla.

Z tabuľky 2 je zrejmé, že výška rastlín šalátu v ošetrení LB bola výrazne vyššia ako v ošetrení CK, ale medzi ošetrením LB a ošetrením MB nebol žiadny významný rozdiel. Medzi tromi ošetreniami boli významné rozdiely v počte listov a počet listov v ošetrení MB bol najvyšší, a to 27. Čerstvá hmotnosť na rastlinu v ošetrení LB bola najvyššia, a to 101 g. Medzi týmito dvoma skupinami bol tiež významný rozdiel. Medzi ošetreniami CK a LB nebol žiadny významný rozdiel v obsahu sušiny. Obsah MB bol o 4,24 % vyšší ako v ošetreniach CK a LB. Medzi tromi ošetreniami boli významné rozdiely v účinnosti využitia svetla. Najvyššia účinnosť využitia svetla bola v ošetrení LB, ktorá bola 13,23 g/mol, a najnižšia v ošetrení CK, ktorá bola 10,72 g/mol.

●Výsledky druhého kola testov

Z tabuľky 3 je zrejmé, že výška rastlín Pakchoi ošetrených MB bola výrazne vyššia ako výška rastlín CK a medzi ním a ošetrením LB nebol žiadny významný rozdiel. Počet listov Pakchoi ošetrených LB a MB bol výrazne vyšší ako počet listov ošetrených CK, ale medzi týmito dvoma skupinami doplnkových svetelných ošetrení nebol žiadny významný rozdiel. Medzi tromi ošetreniami boli významné rozdiely v čerstvej hmotnosti na rastlinu. Čerstvá hmotnosť na rastlinu pri CK bola najnižšia, 47 g, a pri ošetrení MB bola najvyššia, 116 g. Medzi tromi ošetreniami nebol žiadny významný rozdiel v obsahu sušiny. Existujú významné rozdiely v účinnosti využitia svetelnej energie. CK je nízky, 8,74 g/mol, a ošetrenie MB je najvyššie, 13,64 g/mol.

Z tabuľky 4 je zrejmé, že medzi tromi ošetreniami nebol žiadny významný rozdiel vo výške rastlín šalátu. Počet listov v ošetreniach LB a MB bol výrazne vyšší ako v ošetrení CK. Spomedzi nich bol počet listov MB najvyšší, a to 26. Medzi ošetreniami LB a MB nebol žiadny významný rozdiel v počte listov. Čerstvá hmotnosť na rastlinu v dvoch skupinách s doplnkovým svetlom bola výrazne vyššia ako v ošetrení CK a čerstvá hmotnosť na rastlinu bola najvyššia v ošetrení MB, ktorá bola 133 g. Medzi ošetreniami LB a MB boli tiež významné rozdiely. Medzi tromi ošetreniami boli významné rozdiely v obsahu sušiny a obsah sušiny v ošetrení LB bol najvyšší, a to 4,05 %. Účinnosť využitia svetelnej energie pri ošetrení MB je výrazne vyššia ako v ošetrení CK a LB, ktorá je 12,67 g/mol.

Počas druhého kola experimentu bol celkový DLI skupiny s doplnkovým svetlom oveľa vyšší ako DLI počas rovnakého počtu kolonizačných dní počas prvého kola experimentu (obrázok 1-2) a čas doplnkového svetla skupiny ošetrenej doplnkovým svetlom v druhom kole experimentu (4:00-00-17:00). V porovnaní s prvým kolom experimentu (6:30-17:00) sa zvýšil o 2,5 hodiny. Čas zberu v dvoch kolách Pakchoi bol 35 dní po výsadbe. Čerstvá hmotnosť jednotlivých rastlín CK v oboch kolách bola podobná. Rozdiel v čerstvej hmotnosti na rastlinu pri ošetrení LB a MB v porovnaní s CK v druhom kole experimentov bol oveľa väčší ako rozdiel v čerstvej hmotnosti na rastlinu v porovnaní s CK v prvom kole experimentov (tabuľka 1, tabuľka 3). Čas zberu v druhom kole experimentálneho šalátu bol 42 dní po výsadbe a čas zberu v prvom kole experimentálneho šalátu bol 46 dní po výsadbe. Počet dní kolonizácie pri druhom kole zberu experimentálneho šalátu CK bol o 4 dni nižší ako v prvom kole, ale čerstvá hmotnosť na rastlinu je 1,57-krát vyššia ako v prvom kole experimentov (Tabuľka 2 a Tabuľka 4) a účinnosť využitia svetelnej energie je podobná. Je zrejmé, že s postupným zvyšovaním teploty a postupným zvyšovaním prirodzeného svetla v skleníku sa skracuje produkčný cyklus šalátu.

Materiály a metódy
Dve kolá testovania v podstate pokrývali celú zimu v Šanghaji a kontrolná skupina (CK) dokázala relatívne obnoviť skutočný produkčný stav hydroponickej zelenej stonky a šalátu v skleníku za nízkych teplôt a slabého slnečného žiarenia v zime. Experimentálna skupina s doplnkovým svetlom mala v dvoch kolách experimentov významný podporný vplyv na najintuitívnejší index údajov (čerstvá hmotnosť na rastlinu). Zvýšenie úrody sa u odrody Pakchoi prejavilo vo veľkosti, farbe a hrúbke listov súčasne. Šalát však má tendenciu zvyšovať počet listov a tvar rastliny vyzerá plnšie. Výsledky testov ukazujú, že doplnkové svetlo môže zlepšiť čerstvú hmotnosť a kvalitu produktu pri výsadbe oboch kategórií zeleniny, čím sa zvyšuje predajnosť zeleninových produktov. Pakchoi doplnený červeno-bielymi, nízkomodrými a červeno-bielymi, stredne modrými LED modulmi má tmavšie zelený a lesklý vzhľad ako listy bez doplnkového svetla, listy sú väčšie a hrubšie a rastový trend celého typu rastliny je kompaktnejší a energickejší. „Mozaikový šalát“ však patrí medzi svetlozelenú listovú zeleninu a počas rastu nedochádza k žiadnej zjavnej zmene farby. Zmena farby listov nie je pre ľudské oko zrejmá. Vhodný podiel modrého svetla môže podporiť vývoj listov a syntézu fotosyntetických pigmentov a inhibovať predlžovanie internódií. Preto je zelenina v skupine so svetelnými doplnkami u spotrebiteľov z hľadiska vzhľadu uprednostňovaná.

Počas druhého kola testu bolo celkové denné kumulatívne množstvo svetla v skupine s doplnkovým svetlom oveľa vyššie ako DLI počas rovnakého počtu kolonizačných dní počas prvého kola experimentu (Obrázok 1-2) a čas doplnkového svetla v druhom kole skupiny s doplnkovým svetlom (4:00-17:00) sa v porovnaní s prvým kolom experimentu (6:30-17:00) zvýšil o 2,5 hodiny. Čas zberu v dvoch kolách Pakchoi bol 35 dní po výsadbe. Čerstvá hmotnosť CK v oboch kolách bola podobná. Rozdiel v čerstvej hmotnosti na rastlinu medzi ošetrením LB a MB a CK v druhom kole experimentov bol oveľa väčší ako rozdiel v čerstvej hmotnosti na rastlinu s CK v prvom kole experimentov (Tabuľka 1 a Tabuľka 3). Preto predĺženie času doplnkového svetla môže podporiť zvýšenie produkcie hydroponického Pakchoi pestovaného v interiéri v zime. Čas zberu druhého kola experimentálneho šalátu bol 42 dní po výsadbe a čas zberu prvého kola experimentálneho šalátu bol 46 dní po výsadbe. Po zbere druhého kola experimentálneho šalátu bol počet dní kolonizácie skupiny CK o 4 dni kratší ako v prvom kole. Čerstvá hmotnosť jednej rastliny však bola 1,57-krát vyššia ako v prvom kole experimentov (Tabuľka 2 a Tabuľka 4). Účinnosť využitia svetelnej energie bola podobná. Je vidieť, že s pomalým rastúcim teplotným rozdielom a postupným zvyšovaním prirodzeného svetla v skleníku (Obrázok 1-2) sa môže produkčný cyklus šalátu zodpovedajúcim spôsobom skrátiť. Pridanie doplnkového osvetlenia do skleníka v zime s nízkou teplotou a nízkym slnečným žiarením preto môže účinne zlepšiť efektivitu produkcie šalátu a tým zvýšiť produkciu. V prvom kole experimentu bola spotreba energie rastliny s doplnkovým svetlom 0,95 kWh a v druhom kole experimentu bola spotreba energie rastliny s doplnkovým svetlom 1,15 kWh. V porovnaní s dvoma kolami experimentov bola spotreba svetla troch ošetrení Pakchoi, účinnosť využitia energie v druhom experimente nižšia ako v prvom experimente. Účinnosť využitia svetelnej energie skupín šalátu CK a LB s doplnkovým svetlom v druhom experimente bola o niečo nižšia ako v prvom experimente. Predpokladá sa, že možným dôvodom je, že nízka priemerná denná teplota v priebehu týždňa po výsadbe predlžuje obdobie pomalého rastu sadeníc a hoci sa teplota počas experimentu mierne zvýšila, rozsah bol obmedzený a celková priemerná denná teplota bola stále na nízkej úrovni, čo obmedzovalo účinnosť využitia svetelnej energie počas celkového rastového cyklu hydroponie listovej zeleniny (Obrázok 1).

Počas experimentu nebola nádrž s živným roztokom vybavená ohrievacím zariadením, takže koreňové prostredie hydroponickej listovej zeleniny bolo vždy na nízkej teplote a priemerná denná teplota bola obmedzená, čo spôsobovalo, že zelenina nedokázala naplno využiť denné kumulatívne svetlo zvýšené predĺžením doplnkového LED osvetlenia. Preto je pri dopĺňaní svetla v skleníku v zime potrebné zvážiť vhodné opatrenia na ochranu tepla a vykurovanie, aby sa zabezpečil účinok doplnkového svetla na zvýšenie produkcie. Preto je potrebné zvážiť vhodné opatrenia na ochranu tepla a zvýšenie teploty, aby sa zabezpečil účinok doplnkového svetla a zvýšenie výnosu v zimnom skleníku. Použitie doplnkového LED osvetlenia do určitej miery zvýši výrobné náklady a samotná poľnohospodárska výroba nie je odvetvím s vysokými výnosmi. Preto, pokiaľ ide o to, ako optimalizovať stratégiu doplnkového svetla a spolupracovať s inými opatreniami pri skutočnej produkcii hydroponickej listovej zeleniny v zimnom skleníku a ako používať doplnkové svetelné zariadenie na dosiahnutie efektívnej produkcie a zlepšenie účinnosti využitia svetelnej energie a ekonomických výhod, je stále potrebné ďalšie výrobné experimenty.

Autori: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Zdroj článku: Poľnohospodárska technika (skleníkové záhradníctvo).

Referencie:
[1] Jianfeng Dai, Prax aplikácie záhradníckych LED diód od spoločnosti Philips v skleníkovej produkcii [J]. Poľnohospodárska technika, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin a kol. Stav aplikácie a perspektívy technológie svetelných doplnkov pre chránené ovocie a zeleninu [J]. Severné záhradníctvo, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao a kol. Stav výskumu a aplikácií a stratégia vývoja osvetlenia rastlín [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi a kol. Aplikácia svetelného zdroja a kontroly kvality svetla v skleníkovej produkcii zeleniny [J]. Čínska zelenina, 2012 (2): 1-7