Kutatás a LED kiegészítő világítás hatásáról a hidroponikus saláta és pakchoi terméshozamának növelésére üvegházban télen
[Absztrakt] Sanghajban a tél gyakran alacsony hőmérséklettel és kevés napsütéssel jár, így az üvegházakban termesztett leveles zöldségek növekedése lassú, a termelési ciklus pedig hosszú, ami nem tudja kielégíteni a piaci kínálati igényeket. Az elmúlt években a LED-es növényi kiegészítő lámpákat bizonyos mértékig elkezdték használni az üvegházi termesztésben és termelésben, hogy kompenzálják azt a hiányosságot, hogy az üvegházban a napi felhalmozott fény nem tudja kielégíteni a növénynövekedés igényeit, amikor a természetes fény nem elegendő. A kísérletben kétféle, különböző fényminőségű LED-es kiegészítő lámpát telepítettek az üvegházba, hogy elvégezzék a hidroponikus saláta és a zöld szár téli termelésének növelésére irányuló kísérletet. Az eredmények azt mutatták, hogy a kétféle LED-lámpa jelentősen növelheti a pakchoi és a saláta növényenkénti friss tömegét. A pakchoi hozamnövelő hatása főként az általános érzékszervi minőség javulásában, például a levelek megnagyobbodásában és megvastagodásában, a saláta hozamnövelő hatása pedig főként a levelek számának és a szárazanyag-tartalom növekedésében tükröződik.

A fény nélkülözhetetlen része a növények növekedésének. Az utóbbi években a LED-lámpákat széles körben alkalmazzák az üvegházi termesztésben és termelésben a magas fotoelektromos konverziós arányuk, testreszabható spektrumuk és hosszú élettartamuk miatt [1]. Külföldön a kapcsolódó kutatások korai megkezdése és az érett támogató rendszer miatt számos nagyüzemi virág-, gyümölcs- és zöldségtermesztő viszonylag teljes fénykiegészítő stratégiával rendelkezik. A nagyszámú tényleges termelési adat felhalmozódása lehetővé teszi a termelők számára, hogy egyértelműen előre jelezzék a termelés növelésének hatását. Ugyanakkor a LED-es kiegészítő fényrendszer használata utáni megtérülést is értékelik [2]. A kiegészítő fényre vonatkozó jelenlegi hazai kutatások nagy része azonban a kisléptékű fényminőség és a spektrális optimalizálás felé torzul, és hiányoznak belőlük a tényleges termelésben alkalmazható kiegészítő fénystratégiák [3]. Sok hazai termelő közvetlenül a meglévő külföldi kiegészítő világítási megoldásokat használja a kiegészítő világítási technológia termelésben történő alkalmazásakor, függetlenül a termőhely éghajlati viszonyaitól, a termesztett zöldségek típusától, valamint a létesítmények és berendezések állapotától. Ezenkívül a kiegészítő fényberendezések magas költsége és a magas energiafogyasztás gyakran hatalmas különbséget eredményez a tényleges terméshozam és a gazdasági megtérülés, valamint a várt hatás között. A jelenlegi helyzet nem kedvez a kiegészítő világítási technológia fejlesztésének és népszerűsítésének, valamint a termelés növelésének az országban. Ezért sürgősen szükség van arra, hogy a kiforrott LED-es kiegészítő világítási termékeket ésszerűen a tényleges hazai gyártási környezetbe helyezzük, optimalizáljuk a felhasználási stratégiákat, és releváns adatokat gyűjtsünk.

A tél az az évszak, amikor a friss leveles zöldségek iránt nagy a kereslet. Az üvegházak télen megfelelőbb környezetet biztosíthatnak a leveles zöldségek termesztéséhez, mint a szabadföldi termesztőföldek. Egy cikk azonban rámutatott, hogy egyes elöregedett vagy rosszul tisztított üvegházak fényáteresztő képessége télen kevesebb, mint 50%. Ezenkívül télen hajlamos a hosszú távú esős időjárás is, ami alacsony hőmérsékletű és gyenge fényviszonyok közé sodorja az üvegházakat, ami befolyásolja a növények normális növekedését. A fény korlátozó tényezővé vált a zöldségek téli növekedésében [4]. A kísérletben a ténylegesen termelésbe helyezett Green Cube-ot használták. A sekély folyadékáramlású leveles zöldségültető rendszert a Signify (China) Investment Co., Ltd. két különböző kék fényarányú LED felső világításmoduljával párosították. A saláta és a pakchoi, két nagyobb piaci keresletű leveles zöldség ültetésének célja a hidroponikus leveles zöldségek termelésének tényleges növekedésének vizsgálata a téli üvegházakban a LED-világítás segítségével.

Anyagok és módszerek
A vizsgálathoz használt anyagok

A kísérletben használt tesztanyagok saláta és packchoi zöldségek voltak. A Green Leaf Lettuce salátafajta a Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd.-től, a Brilliant Green pakchoi fajta pedig a Sanghaji Mezőgazdasági Tudományos Akadémia Kertészeti Intézetétől származik.

Kísérleti módszer

A kísérletet a Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. Sunqiao telephelyén található Wenluo típusú üvegházban végezték 2019 novembere és 2020 februárja között. Összesen két ismételt kísérleti kört végeztek. A kísérlet első köre 2019 végén, a második köre pedig 2020 elején volt. A vetés után a kísérleti anyagokat mesterséges megvilágítású klímakamrába helyezték a palántaneveléshez, és árapály öntözést alkalmaztak. A palántanevelési időszak alatt 1,5 EC₅ és 5,5 pH-jú hidroponikus zöldségek általános tápoldatát használták az öntözéshez. Miután a palánták 3 levélre és 1 szívállapotra nőttek, a Green Cube Track típusú sekély átfolyású leveles zöldségágyásba ültették őket. Az ültetés után a sekély átfolyású tápoldat-keringető rendszerben EC₅ és pH₅ 6 tápoldatot használtak a napi öntözéshez. Az öntözés gyakorisága 10 perc volt vízellátással és 20 perc vízellátás nélkül. A kísérletben kontrollcsoportot (fénykiegészítés nélkül) és kezelési csoportot (LED-es fénykiegészítés) állítottak be. A CK-t üvegházba ültették fénykiegészítés nélkül. LB: az üvegházba ültetés után drw-lb Ho-t (200W) használtak a fény kiegészítésére. A hidroponikus zöldséglobozat felületén a fényáram sűrűsége (PPFD) körülbelül 140 μmol/(㎡·S) volt. MB: az üvegházba ültetés után drw-lb-t (200W) használtak a fény kiegészítésére, a PPFD pedig körülbelül 140 μmol/(㎡·S) volt.

A kísérleti vetés első körének időpontja 2019. november 8., az ültetés dátuma pedig 2019. november 25. A tesztcsoport fénykiegészítési ideje 6:30-17:00; a kísérleti vetés második körének időpontja 2019. december 30., az ültetés dátuma 2020. január 17., a kísérleti csoport fénykiegészítési ideje pedig 4:00-17:00.
Téli napsütéses időben az üvegház 6:00 és 17:00 óra között kinyitja a napfénytetőt, az oldalsó fóliát és a ventilátort a napi szellőztetés érdekében. Alacsony éjszakai hőmérséklet esetén az üvegház 17:00 és 6:00 óra között (másnap) bezárja a tetőablakot, az oldalsó fóliát és a ventilátort, és kinyitja az üvegház hőszigetelő függönyét az éjszakai hőmegőrzés érdekében.

Adatgyűjtés

A növény magasságát, a levelek számát és a növényenkénti friss tömeget a Qingjingcai és a saláta föld feletti részeinek betakarítása után mérték. A friss tömeg mérése után a növényeket kemencébe helyezték, és 75 °C-on 72 órán át szárították. Ezután meghatározták a száraz tömeget. Az üvegház hőmérsékletét és a fotoszintetikus fotonfluxus-sűrűséget (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) 5 percenként rögzítették a hőmérséklet-érzékelő (RS-GZ-N01-2) és a fotoszintetikusan aktív sugárzás-érzékelő (GLZ-CG) segítségével.

Adatelemzés

A fényhasznosítási hatásfokot (LUE, Light Use Efficiency) a következő képlettel számíthatja ki:
LUE (g/mol) = zöldséghozam egységnyi területenként / a zöldségek által egységnyi területenként kapott teljes halmozott fénymennyiség az ültetéstől a betakarításig
A szárazanyag-tartalmat a következő képlettel számítjuk ki:
Szárazanyag-tartalom (%) = növényenkénti száraz tömeg/növényenkénti friss tömeg x 100%
Az Excel2016 és az IBM SPSS Statistics 20 programok segítségével elemezze a kísérlet adatait, és vizsgálja meg a különbségek szignifikanciáját.

Anyagok és módszerek
Fény és hőmérséklet

A kísérlet első köre 46 napig tartott az ültetéstől a betakarításig, a második kör pedig 42 napig. Az első kísérleti körben az üvegházban az átlagos napi hőmérséklet többnyire 10-18 ℃ között mozgott; a második kísérleti körben az üvegházban az átlagos napi hőmérséklet ingadozása nagyobb volt, mint az első kísérleti körben, a legalacsonyabb napi átlaghőmérséklet 8,39 ℃, a legmagasabb napi átlaghőmérséklet pedig 20,23 ℃ volt. A napi átlaghőmérséklet a növekedési folyamat során összességében emelkedő tendenciát mutatott (1. ábra).

A kísérlet első fordulójában az üvegházban a napi fényintegrál (DLI) kevesebb mint 14 mol/(㎡·D) ingadozott. A kísérlet második fordulójában az üvegházban a természetes fény napi kumulatív mennyisége összességében növekvő tendenciát mutatott, meghaladta a 8 mol/(㎡·D) értéket, és a maximális érték 2020. február 27-én volt megfigyelhető, ami 26,1 mol/(㎡·D) volt. Az üvegházban a természetes fény napi kumulatív mennyiségének változása a második kísérleti fordulóban nagyobb volt, mint az első kísérleti fordulóban (2. ábra). A kísérlet első fordulójában a kiegészítő fénycsoport teljes napi kumulatív fénymennyisége (a természetes fény DLI és a LED kiegészítő fény DLI összege) az idő nagy részében meghaladta a 8 mol/(㎡·D) értéket. A kísérlet második fordulójában a kiegészítő fénycsoport teljes napi kumulatív fénymennyisége az idő nagy részében meghaladta a 10 mol/(㎡·D) értéket. A második körben a kiegészítő fény teljes felhalmozódott mennyisége 31,75 mol/㎡-val több volt, mint az első körben.

Leveles zöldségek terméshozama és fényenergia-felhasználási hatékonysága

● Az első tesztkör eredményei
A 3. ábrából látható, hogy a LED-kiegészítő fénnyel kezelt pakchoi jobban növekszik, a növény alakja kompaktabb, a levelei nagyobbak és vastagabbak, mint a nem kiegészített CK-é. Az LB és MB pakchoi levelei élénkebb és sötétebb zöldek, mint a CK-é. A 4. ábrából látható, hogy a LED-kiegészítő fénnyel kezelt saláta jobban növekszik, mint a kiegészítő fénnyel nem kezelt CK, a levelek száma nagyobb, a növény alakja teltebb.

Az 1. táblázatból látható, hogy a CK-val, LB-vel és MB-vel kezelt pakchoi növénymagasságában, levélszámában, szárazanyag-tartalmában és fényenergia-hasznosítási hatékonyságában nincs szignifikáns különbség, de az LB-vel és MB-vel kezelt pakchoi friss tömege szignifikánsan magasabb, mint a CK-é; Az LB és MB kezelésében nem volt szignifikáns különbség a növényenkénti friss tömegben a két különböző kékfény-arányú LED-es termesztőlámpa között.

A 2. táblázatból látható, hogy az LB kezelésben részesülő saláta növénymagassága szignifikánsan magasabb volt, mint a CK kezelésben részesülőé, de az LB és az MB kezelés között nem volt szignifikáns különbség. A három kezelés között szignifikáns különbség mutatkozott a levelek számában, az MB kezelésben volt a legmagasabb a levelek száma, 27. Az LB kezelés növényenkénti friss tömege volt a legmagasabb, 101 g. A két csoport között szintén szignifikáns különbség volt. A szárazanyag-tartalomban nem volt szignifikáns különbség a CK és az LB kezelések között. Az MB-tartalom 4,24%-kal magasabb volt, mint a CK és az LB kezeléseknél. A három kezelés között szignifikáns különbség volt a fényhasznosítás hatékonyságában. A legmagasabb fényhasznosítási hatékonyság az LB kezelésben volt, amely 13,23 g/mol, a legalacsonyabb pedig a CK kezelésben, amely 10,72 g/mol volt.

●A teszteredmények második köre

A 3. táblázatból látható, hogy az MB-vel kezelt Pakchoi növénymagassága szignifikánsan magasabb volt, mint a CK-é, és nem volt szignifikáns különbség a LB-vel és az LB-kezeléssel kezelt Pakchoi leveleinek száma szignifikánsan magasabb volt, mint a CK-val kezelté, de a kiegészítő fénykezelések két csoportja között nem volt szignifikáns különbség. A három kezelés között szignifikáns különbség volt a növényenkénti friss tömegben. A CK-ban a növényenkénti friss tömeg a legalacsonyabb, 47 g, az MB-kezelésben pedig a legmagasabb, 116 g. A három kezelés között nem volt szignifikáns különbség a szárazanyag-tartalomban. A fényenergia-hasznosítás hatékonyságában szignifikáns különbségek vannak. A CK alacsony, 8,74 g/mol, az MB-kezelés pedig a legmagasabb, 13,64 g/mol.

A 4. táblázatból látható, hogy a saláta növénymagasságában nem volt szignifikáns különbség a három kezelés között. Az LB és MB kezelésekben a levelek száma szignifikánsan magasabb volt, mint a CK-ban. Ezek közül az MB levelek száma volt a legmagasabb, 26. Az LB és MB kezelések között nem volt szignifikáns különbség a levelek számában. A kiegészítő fénykezelések két csoportjának növényenkénti friss tömege szignifikánsan magasabb volt, mint a CK-ban, és a növényenkénti friss tömeg az MB kezelésben volt a legmagasabb, 133 g. Az LB és MB kezelések között is szignifikáns különbségek voltak. A három kezelés között szignifikáns különbség volt a szárazanyag-tartalomban, és az LB kezelés szárazanyag-tartalma volt a legmagasabb, 4,05% volt. Az MB kezelés fényenergia-hasznosítási hatékonysága szignifikánsan magasabb, mint a CK és LB kezelésé, ami 12,67 g/mol.

A kísérlet második fordulójában a kiegészítő fénykezelésben részesült csoport teljes DLI-értéke sokkal magasabb volt, mint az első kísérleti forduló azonos számú kolonizációs napja alatt mért DLI (1-2. ábra), valamint a második kísérleti forduló kiegészítő fénykezelési csoportjának kiegészítő fényideje (4:00-00-17:00). Az első kísérleti fordulóhoz (6:30-17:00) képest 2,5 órával nőtt. A Pakchoi két fordulójának betakarítási ideje az ültetés után 35 nap volt. A CK egyes növények friss tömege a két fordulóban hasonló volt. Az LB és MB kezelésekben a növényenkénti friss tömeg különbsége a CK-hoz képest a második kísérleti fordulóban sokkal nagyobb volt, mint a növényenkénti friss tömeg különbsége a CK-hoz képest az első kísérleti fordulóban (1. táblázat, 3. táblázat). A kísérleti saláta második fordulójának betakarítási ideje az ültetés után 42 nap, az első forduló kísérleti saláta betakarítási ideje pedig az ültetés után 46 nap volt. A kísérleti CK saláta második körének betakarításakor a kolonizációs napok száma 4 nappal kevesebb volt, mint az első körben, de a növényenkénti friss tömeg 1,57-szerese az első kísérleti körhöz képest (2. és 4. táblázat), és a fényenergia-hasznosítás hatékonysága is hasonló. Látható, hogy a hőmérséklet fokozatos emelkedésével és az üvegház természetes fényének fokozatos növekedésével a saláta termelési ciklusa lerövidül.

Anyagok és módszerek
A két tesztelési kör lényegében a teljes sanghaji telet lefedte, a kontrollcsoport (CK) pedig viszonylag vissza tudta állítani a hidroponikus zöld szár és a saláta tényleges termelési állapotát az üvegházban alacsony hőmérsékleten és kevés téli napfény mellett. A fénykiegészítő kísérleti csoport jelentős promóciós hatást gyakorolt ​​a legintuitívabb adatindexre (növényenkénti friss tömeg) a két kísérleti körben. Ezek közül a pakchoi hozamnövelő hatása a levelek méretében, színében és vastagságában is tükröződött. A saláta azonban hajlamos a levelek számának növelésére, és a növény alakja teltebbnek tűnik. A teszteredmények azt mutatják, hogy a fénykiegészítés javíthatja a friss tömeget és a termékminőséget a két zöldségkategória ültetésekor, ezáltal növelve a zöldségtermékek kereskedelmi forgalomba hozatalát. A piros-fehér, halványkék és piros-fehér, középkék LED felső fénymodulokkal kiegészített pakchoi sötétebb zöld és fényesebb megjelenésű, mint a kiegészítő fény nélküli levelek, a levelek nagyobbak és vastagabbak, az egész növénytípus növekedési trendje pedig kompaktabb és erőteljesebb. A „mozaikos saláta” azonban a világoszöld leveles zöldségek közé tartozik, és a növekedési folyamat során nincs nyilvánvaló színváltozási folyamat. A levél színének változása az emberi szem számára nem nyilvánvaló. A megfelelő kék fény aránya elősegítheti a levélfejlődést és a fotoszintetikus pigmentszintézist, valamint gátolhatja az internódium megnyúlását. Ezért a fénykiegészítő csoportba tartozó zöldségeket a fogyasztók a megjelenésük minősége szempontjából jobban kedvelik.

A teszt második fordulójában a kiegészítő fénykezelési csoport teljes napi kumulatív fénymennyisége jóval magasabb volt, mint a kísérlet első fordulójában a kolonizációs napok száma alatt a DLI (1-2. ábra), és a kiegészítő fénykezelési csoport második fordulójának (4:00-17:00) kiegészítő fényideje az első kísérleti fordulóhoz (6:30-17:00) képest 2,5 órával nőtt. A pakchoi két fordulójának betakarítási ideje az ültetés után 35 nap volt. A CK friss tömege a két fordulóban hasonló volt. Az LB és MB kezelés, valamint a CK között a növényenkénti friss tömeg különbsége a második kísérleti fordulóban sokkal nagyobb volt, mint a CK-val kezelt növényenkénti friss tömeg különbsége az első kísérleti fordulóban (1. és 3. táblázat). Ezért a fénykiegészítési idő meghosszabbítása elősegítheti a télen beltérben termesztett hidroponikus pakchoi termelésének növekedését. A kísérleti saláta második körének betakarítási ideje 42 nap volt az ültetés után, az első körének pedig 46 nap. A kísérleti saláta második körének betakarításakor a CK csoport kolonizációs napjainak száma 4 nappal kevesebb volt, mint az első körben. Az egyes növények friss tömege azonban 1,57-szerese volt az első kísérleti kör tömegének (2. és 4. táblázat). A fényenergia-hasznosítás hatékonysága hasonló volt. Látható, hogy a hőmérséklet lassú emelkedésével és az üvegház természetes fényének fokozatos növekedésével (1-2. ábra) a saláta termelési ciklusa ennek megfelelően lerövidülhet. Ezért a téli, alacsony hőmérsékletű és kevés napfényes időszakban az üvegházba kiegészítő világítóberendezések telepítése hatékonyan javíthatja a saláta termelési hatékonyságát, és ezáltal növelheti a termelést. Az első kísérleti körben a levélmenü növénnyel kiegészített fény energiafogyasztása 0,95 kWh, a második kísérleti körben pedig 1,15 kWh volt. A két kísérleti kör összehasonlításakor a Pakchoi három kezelésének fényfogyasztása, az energiafelhasználás hatékonysága a második kísérletben alacsonyabb volt, mint az első kísérletben. A CK és LB saláta kiegészítő fénykezelési csoportok fényenergia-felhasználási hatékonysága a második kísérletben valamivel alacsonyabb volt, mint az első kísérletben. Ebből arra lehet következtetni, hogy a lehetséges ok az, hogy az ültetést követő egy héten belüli alacsony napi átlaghőmérséklet meghosszabbítja a lassú palántanevelési időszakot, és bár a hőmérséklet a kísérlet során kissé emelkedett, a tartomány korlátozott volt, és az általános napi átlaghőmérséklet továbbra is alacsony szinten maradt, ami korlátozta a fényenergia-felhasználás hatékonyságát a leveles zöldségek hidroponikus termesztése során a teljes növekedési ciklus során. (1. ábra)

A kísérlet során a tápoldat-medence nem volt felszerelve melegítőberendezéssel, így a hidroponikus leveles zöldségek gyökérkörnyezete mindig alacsony hőmérsékletű volt, és a napi átlaghőmérséklet korlátozott volt, ami miatt a zöldségek nem tudták teljes mértékben kihasználni a LED-es kiegészítő világítás meghosszabbításával megnövelt napi kumulatív fényt. Ezért a téli üvegházi fénypótlás során megfelelő hőmegőrzési és fűtési intézkedéseket kell figyelembe venni a kiegészítő fény hatásának biztosítása és a terméshozam növelése érdekében. Ezért megfelelő hőmegőrzési és hőmérséklet-emelési intézkedéseket kell figyelembe venni a téli üvegházban a fénykiegészítés hatásának és a terméshozam növelésének biztosítása érdekében. A LED-es kiegészítő világítás használata bizonyos mértékig növeli a termelési költségeket, és maga a mezőgazdasági termelés nem magas hozamú ágazat. Ezért a kiegészítő világítási stratégia optimalizálása és más intézkedésekkel való együttműködése a hidroponikus leveles zöldségek téli üvegházban történő tényleges termesztése során, valamint a kiegészítő világítási berendezések hatékony termelés elérése és a fényenergia-felhasználás hatékonyságának, valamint a gazdasági előnyök javítása érdekében további termelési kísérletekre van szükség.

Szerzők: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai zöld kocka Agricultural Development Co., Ltd.).
Cikk forrása: Mezőgazdasági Gépészettechnika (Üvegházhatású Kertészet).

Referenciák:
[1] Jianfeng Dai, Philips kertészeti LED alkalmazási gyakorlat üvegházi termelésben [J]. Mezőgazdasági mérnöki technológia, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin és mások. A fénykiegészítő technológia alkalmazásának állapota és kilátásai védett gyümölcsök és zöldségek esetében [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao és mások. A növényi világítás kutatási és alkalmazási helyzete, valamint fejlesztési stratégiája [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi és mások. Fényforrás és fényminőség-szabályozás alkalmazása üvegházi zöldségtermesztésben [J]. Kínai zöldség, 2012 (2): 1-7