Forskning i effekten af ​​LED-supplerende lys på den udbytteøgende effekt af hydroponisk salat og pakchoi i drivhus om vinteren
[Abstrakt] Vinteren i Shanghai oplever ofte lave temperaturer og lavt solskin, og væksten af ​​hydroponiske bladgrøntsager i drivhuset er langsom, og produktionscyklussen er lang, hvilket ikke kan imødekomme markedets efterspørgsel. I de senere år er LED-suppleringslys til planter begyndt at blive brugt i drivhusdyrkning og -produktion, i et vist omfang, for at kompensere for den mangel, at det daglige akkumulerede lys i drivhuset ikke kan opfylde behovet for afgrødevækst, når det naturlige lys er utilstrækkeligt. I eksperimentet blev to slags LED-suppleringslys med forskellig lyskvalitet installeret i drivhuset for at udføre et undersøgelseseksperiment for at øge produktionen af ​​hydroponisk salat og grøn stængel om vinteren. Resultaterne viste, at de to slags LED-lys kan øge den friske vægt pr. plante af pakchoi og salat betydeligt. Den udbytteøgende effekt af pakchoi afspejles primært i forbedringen af ​​den samlede sensoriske kvalitet, såsom bladforstørrelse og -fortykkelse, og den udbytteøgende effekt af salat afspejles primært i stigningen i antallet af blade og tørstofindholdet.

Lys er en uundværlig del af plantevækst. I de senere år er LED-lys blevet meget anvendt i dyrkning og produktion i drivhusmiljøer på grund af deres høje fotoelektriske konverteringshastighed, brugerdefinerbare spektrum og lange levetid [1]. I udlandet har mange store blomster-, frugt- og grøntsagsproducenter relativt komplette lystilskudsstrategier på grund af den tidlige start af relateret forskning og det modne støttesystem. Akkumuleringen af ​​en stor mængde faktiske produktionsdata giver også producenterne mulighed for klart at forudsige effekten af ​​at øge produktionen. Samtidig evalueres afkastet efter brug af LED-supplementlyssystemet [2]. Imidlertid er det meste af den nuværende indenlandske forskning i supplerende lys forudindtaget mod lyskvalitet og spektral optimering i lille skala og mangler supplerende lysstrategier, der kan bruges i den faktiske produktion [3]. Mange indenlandske producenter vil direkte bruge eksisterende udenlandske supplerende belysningsløsninger, når de anvender supplerende belysningsteknologi til produktion, uanset de klimatiske forhold i produktionsområdet, de producerede grøntsagers typer og forholdene for faciliteter og udstyr. Derudover resulterer de høje omkostninger ved supplerende belysningsudstyr og det høje energiforbrug ofte i et stort gab mellem det faktiske afgrødeudbytte og økonomiske afkast og den forventede effekt. En sådan nuværende situation er ikke befordrende for udvikling og fremme af teknologi til supplerende lys og øget produktion i landet. Derfor er det et presserende behov for at få modne LED-supplerende lysprodukter på en rimelig måde ind i faktiske indenlandske produktionsmiljøer, optimere brugsstrategier og indsamle relevante data.

Vinteren er den årstid, hvor der er stor efterspørgsel på friske bladgrøntsager. Drivhuse kan give et mere passende miljø til dyrkning af bladgrøntsager om vinteren end udendørs marker. En artikel påpegede dog, at nogle aldrende eller dårligt rengjorte drivhuse har en lysgennemgang på mindre end 50% om vinteren. Derudover er langvarig regn også tilbøjelig til at forekomme om vinteren, hvilket gør drivhuset til et miljø med lav temperatur og lavt lys, hvilket påvirker planternes normale vækst. Lys er blevet en begrænsende faktor for grøntsagers vækst om vinteren [4]. Green Cube, der er blevet sat i produktion, bruges i eksperimentet. Systemet til plantning af bladgrøntsager med lav væskestrømning matches med Signify (China) Investment Co., Ltd.'s to LED-toplysmoduler med forskellige blå lysforhold. Plantning af salat og pakchoi, som er to bladgrøntsager med større markedsefterspørgsel, har til formål at undersøge den faktiske stigning i produktionen af ​​hydroponiske bladgrøntsager ved hjælp af LED-belysning i vinterdrivhuset.

Materialer og metoder
Materialer brugt til testen

De anvendte testmaterialer i eksperimentet var salat og pakchoi-grøntsager. Salatsorten Green Leaf Lettuce kommer fra Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., og pakchoi-sorten Brilliant Green kommer fra Horticulture Institute of Shanghai Academy of Agricultural Sciences.

Eksperimentel metode

Eksperimentet blev udført i Wenluo-glasdrivhuset hos Sunqiao-basen hos Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. fra november 2019 til februar 2020. Der blev gennemført i alt to runder med gentagne eksperimenter. Den første runde af eksperimentet var i slutningen af ​​2019, og den anden runde var i begyndelsen af ​​2020. Efter såning blev forsøgsmaterialerne placeret i et kunstigt lysklimarum til kimplanter, og der blev anvendt tidevanding. I kimplanternes dyrkningsperiode blev en generel næringsopløsning af hydroponiske grøntsager med en EC på 1,5 og en pH på 5,5 anvendt til vanding. Efter at kimplanterne var vokset til 3 blade og 1 hjertestadium, blev de plantet i et Green Cube-banebed med lavvandet flow til bladgrøntsagsplantning. Efter plantning blev der anvendt en lavvandet næringsopløsning med en EC 2 og en pH 6 næringsopløsning til daglig vanding i et cirkulationssystem. Vandingsfrekvensen var 10 minutter med vandforsyning og 20 minutter med stoppet vandforsyning. Kontrolgruppen (uden lystilskud) og behandlingsgruppen (LED-lystilskud) blev sat i eksperimentet. CK blev plantet i glasdrivhus uden lystilskud. LB: drw-lb Ho (200 W) blev brugt som lystilskud efter plantning i glasdrivhuset. Lysfluxdensiteten (PPFD) på overfladen af ​​den hydroponiske grøntsags baldakin var omkring 140 μmol/(㎡·S). MB: efter plantning i glasdrivhuset blev drw-lb (200 W) brugt til at supplere lyset, og PPFD var omkring 140 μmol/(㎡·S).

Den første runde af eksperimentel plantningsdato er den 8. november 2019, og plantningsdatoen er den 25. november 2019. Testgruppens lystilskudstidspunkt er 6:30-17:00; den anden runde af eksperimentel plantningsdato er den 30. december 2019, plantningsdatoen er den 17. januar 2020, og tilskudstidspunktet for forsøgsgruppen er 4:00-17:00.
I solskin om vinteren åbner drivhuset soltaget, sidefilmen og ventilatoren for daglig ventilation fra kl. 6:00-17:00. Når temperaturen er lav om natten, lukker drivhuset ovenlysvinduet, sidefilmen og ventilatoren kl. 17:00-6:00 (den næste dag) og åbner varmeisoleringsgardinet i drivhuset for at bevare varmen om natten.

Dataindsamling

Plantens højde, antal blade og friskvægt pr. plante blev målt efter høst af de overjordiske dele af Qingjingcai og salat. Efter måling af friskvægten blev den anbragt i en ovn og tørret ved 75 ℃ i 72 timer. Derefter blev tørvægten bestemt. Temperaturen i drivhuset og fotosyntetisk fotonfluxdensitet (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) indsamles og registreres hvert 5. minut af temperatursensoren (RS-GZ-N01-2) og den fotosyntetisk aktive strålingssensor (GLZ-CG).

Dataanalyse

Beregn lysudnyttelseseffektiviteten (LUE, Light Use Efficiency) i henhold til følgende formel:
LUE (g/mol) = grøntsagsudbytte pr. arealenhed/den samlede kumulative mængde lys, som grøntsager opnår pr. arealenhed fra plantning til høst
Beregn tørstofindholdet efter følgende formel:
Tørstofindhold (%) = tørvægt pr. plante/friskvægt pr. plante x 100%
Brug Excel2016 og IBM SPSS Statistics 20 til at analysere dataene i eksperimentet og analysere forskellens betydning.

Materialer og metoder
Lys og temperatur

Den første runde af forsøget tog 46 dage fra plantning til høst, og den anden runde tog 42 dage fra plantning til høst. I løbet af den første runde af forsøget lå den daglige gennemsnitstemperatur i drivhuset for det meste i intervallet 10-18 ℃; i løbet af den anden runde af forsøget var udsvingene i den daglige gennemsnitstemperatur i drivhuset mere alvorlige end i den første runde af forsøget, med den laveste daglige gennemsnitstemperatur på 8,39 ℃ og den højeste daglige gennemsnitstemperatur på 20,23 ℃. Den daglige gennemsnitstemperatur viste en samlet opadgående tendens under vækstprocessen (fig. 1).

I løbet af første forsøgsrunde fluktuerede det daglige lysintegral (DLI) i drivhuset med mindre end 14 mol/(㎡·D). I løbet af anden forsøgsrunde viste den daglige kumulative mængde naturligt lys i drivhuset en samlet opadgående tendens, som var højere end 8 mol/(㎡·D), og den maksimale værdi viste sig den 27. februar 2020, som var 26,1 mol/(㎡·D). Ændringen i den daglige kumulative mængde naturligt lys i drivhuset i løbet af anden forsøgsrunde var større end i første forsøgsrunde (fig. 2). I løbet af første forsøgsrunde var den samlede daglige kumulative lysmængde (summen af ​​naturligt lys-DLI og LED-supplerende lys-DLI) for den supplerende lysgruppe højere end 8 mol/(㎡·D) det meste af tiden. I løbet af anden forsøgsrunde var den samlede daglige akkumulerede lysmængde for den supplerende lysgruppe mere end 10 mol/(㎡·D) det meste af tiden. Den samlede akkumulerede mængde supplerende lys i anden runde var 31,75 mol/㎡ mere end i første runde.

Udbytte af bladgrøntsager og effektiv udnyttelse af lysenergi

● Første runde af testresultater
Det kan ses af figur 3, at den LED-supplerede pakchoi vokser bedre, plantens form er mere kompakt, og bladene er større og tykkere end den ikke-supplerede CK. LB- og MB-pakchoiens blade er lysere og mørkere grønne end CK. Det kan ses af figur 4, at salat med LED-supplerende lys vokser bedre end CK uden supplerende lys, antallet af blade er højere, og plantens form er fyldigere.

Det fremgår af tabel 1, at der ikke er nogen signifikant forskel i plantehøjde, bladantal, tørstofindhold og lysenergiudnyttelseseffektivitet for pakchoi behandlet med CK, LB og MB, men friskvægten af ​​pakchoi behandlet med LB og MB er signifikant højere end for CK. Der var ingen signifikant forskel i friskvægt pr. plante mellem de to LED-vækstlamper med forskellige blå lysforhold i behandlingen af ​​LB og MB.

Det fremgår af tabel 2, at plantehøjden på salat i LB-behandling var signifikant højere end i CK-behandling, men der var ingen signifikant forskel mellem LB-behandling og MB-behandling. Der var signifikante forskelle i antallet af blade mellem de tre behandlinger, og antallet af blade i MB-behandling var det højeste, hvilket var 27. Friskvægten pr. plante i LB-behandlingen var den højeste, hvilket var 101 g. Der var også signifikant forskel mellem de to grupper. Der var ingen signifikant forskel i tørstofindholdet mellem CK- og LB-behandlinger. Indholdet af MB var 4,24 % højere end i CK- og LB-behandlinger. Der var signifikante forskelle i lysudnyttelseseffektiviteten mellem de tre behandlinger. Den højeste lysudnyttelseseffektivitet var i LB-behandlingen, som var 13,23 g/mol, og den laveste var i CK-behandlingen, som var 10,72 g/mol.

● Anden runde af testresultater

Det fremgår af tabel 3, at plantehøjden på Pakchoi behandlet med MB var signifikant højere end på CK, og der var ingen signifikant forskel mellem den og LB-behandlingen. Antallet af blade på Pakchoi behandlet med LB og MB var signifikant højere end på CK, men der var ingen signifikant forskel mellem de to grupper af supplerende lysbehandlinger. Der var signifikante forskelle i friskvægten pr. plante mellem de tre behandlinger. Friskvægten pr. plante i CK var den laveste med 47 g, og MB-behandlingen var den højeste med 116 g. Der var ingen signifikant forskel i tørstofindholdet mellem de tre behandlinger. Der er signifikante forskelle i lysenergiudnyttelseseffektiviteten. CK er lav med 8,74 g/mol, og MB-behandlingen er den højeste med 13,64 g/mol.

Det fremgår af tabel 4, at der ikke var nogen signifikant forskel i plantehøjden på salat mellem de tre behandlinger. Antallet af blade i LB- og MB-behandlingerne var signifikant højere end i CK. Blandt dem var antallet af MB-blade det højeste med 26. Der var ingen signifikant forskel i antallet af blade mellem LB- og MB-behandlingerne. Friskvægten pr. plante for de to grupper af supplerende lysbehandlinger var signifikant højere end for CK, og friskvægten pr. plante var den højeste i MB-behandlingen, som var 133 g. Der var også signifikante forskelle mellem LB- og MB-behandlingerne. Der var signifikante forskelle i tørstofindholdet mellem de tre behandlinger, og tørstofindholdet i LB-behandlingen var det højeste, som var 4,05 %. Lysenergiudnyttelseseffektiviteten ved MB-behandling er signifikant højere end ved CK- og LB-behandling, som er 12,67 g/mol.

I løbet af anden runde af forsøget var den samlede DLI for gruppen, der fik supplerende lys, meget højere end DLI i løbet af det samme antal koloniseringsdage i løbet af første runde af forsøget (Figur 1-2), og tiden for den supplerende lysbehandling for gruppen, der fik supplerende lys, i anden runde af forsøget (4:00-00-17:00). Sammenlignet med første runde af forsøget (6:30-17:00) steg den med 2,5 timer. Høstetiden for de to runder Pakchoi var 35 dage efter plantning. Friskvægten af ​​den enkelte CK-plante i de to runder var ensartet. Forskellen i friskvægt pr. plante i LB- og MB-behandling sammenlignet med CK i anden runde af forsøg var meget større end forskellen i friskvægt pr. plante sammenlignet med CK i første runde af forsøg (Tabel 1, Tabel 3). Høstetiden for anden runde af forsøgssalat var 42 dage efter plantning, og høstetiden for første runde af forsøgssalat var 46 dage efter plantning. Antallet af koloniseringsdage, da anden runde af eksperimentel salat CK blev høstet, var 4 dage mindre end i første runde, men den friske vægt pr. plante er 1,57 gange så stor som i første runde af forsøg (Tabel 2 og Tabel 4), og lysenergiudnyttelseseffektiviteten er ensartet. Det kan ses, at efterhånden som temperaturen gradvist stiger, og det naturlige lys i drivhuset gradvist stiger, forkortes salatproduktionscyklussen.

Materialer og metoder
De to testrunder dækkede stort set hele vinteren i Shanghai, og kontrolgruppen (CK) var i stand til relativt at genoprette den faktiske produktionsstatus for hydroponisk grøn stilk og salat i drivhuset under lav temperatur og lavt sollys om vinteren. Eksperimentgruppen med lystilskud havde en betydelig promoveringseffekt på det mest intuitive dataindeks (friskvægt pr. plante) i de to testrunder. Blandt dem afspejledes den udbytteforøgende effekt af Pakchoi samtidig i bladenes størrelse, farve og tykkelse. Men salat har en tendens til at øge antallet af blade, og plantens form ser fyldigere ud. Testresultaterne viser, at lystilskud kan forbedre friskvægten og produktkvaliteten ved plantning af de to grøntsagskategorier og derved øge kommercielle fordele ved grøntsagsprodukter. Pakchoi suppleret med De rød-hvide, lav-blå og rød-hvide, mellemblå LED-toplysmoduler er mørkere grønne og skinnende i udseende end blade uden supplerende lys, bladene er større og tykkere, og væksttendensen for hele plantetypen er mere kompakt og kraftig. "Mosaiksalat" tilhører dog lysegrønne bladgrøntsager, og der er ingen tydelig farveændringsproces i vækstprocessen. Ændringen af ​​bladfarve er ikke tydelig for det menneskelige øje. Den passende andel af blåt lys kan fremme bladudvikling og fotosyntetisk pigmentsyntese og hæmme forlængelse af internoder. Derfor er grøntsager i lystilskudsgruppen mere foretrukne af forbrugerne med hensyn til udseende og kvalitet.

I løbet af anden runde af testen var den samlede daglige kumulative lysmængde i den supplerende lysgruppe meget højere end DLI i løbet af det samme antal koloniseringsdage i løbet af den første runde af eksperimentet (Figur 1-2), og den supplerende lystid i anden runde af den supplerende lysbehandlingsgruppe (4:00-17:00) steg med 2,5 timer sammenlignet med den første runde af eksperimentet (6:30-17:00). Høstetidspunktet for de to runder Pakchoi var 35 dage efter plantning. Friskvægten af ​​CK i de to runder var ensartet. Forskellen i friskvægt pr. plante mellem LB- og MB-behandling og CK i anden runde af eksperimenter var meget større end forskellen i friskvægt pr. plante med CK i første runde af eksperimenter (Tabel 1 og Tabel 3). Derfor kan forlængelse af lystilskudstiden fremme stigningen i produktionen af ​​hydroponisk Pakchoi dyrket indendørs om vinteren. Høstetidspunktet for anden runde forsøgssalat var 42 dage efter plantning, og høsttidspunktet for første runde forsøgssalat var 46 dage efter plantning. Da anden runde forsøgssalat blev høstet, var antallet af koloniseringsdage for CK-gruppen 4 dage mindre end i første runde. Den friske vægt af en enkelt plante var dog 1,57 gange så høj som i første forsøgsrunde (Tabel 2 og Tabel 4). Lysenergiudnyttelseseffektiviteten var ensartet. Det kan ses, at efterhånden som temperaturen langsomt stiger, og det naturlige lys i drivhuset gradvist øges (Figur 1-2), kan salatproduktionscyklussen forkortes tilsvarende. Derfor kan tilføjelse af supplerende lysudstyr til drivhuset om vinteren med lav temperatur og lavt sollys effektivt forbedre salatproduktionseffektiviteten og derefter øge produktionen. I første forsøgsrunde var strømforbruget for bladmenu-plantens supplerende lys 0,95 kW-t, og i anden forsøgsrunde var strømforbruget for bladmenu-plantens supplerende lys 1,15 kW-t. Sammenlignet mellem de to runder af eksperimenter var lysforbruget for de tre behandlinger af pakchoi og energiudnyttelseseffektiviteten i det andet eksperiment lavere end i det første eksperiment. Lysenergiudnyttelseseffektiviteten for grupperne med salat CK og LB, der fik supplerende lysbehandling, var i det andet eksperiment en smule lavere end i det første eksperiment. Det kan udledes, at den mulige årsag er, at den lave daglige gennemsnitstemperatur inden for en uge efter plantning forlænger den langsomme kimplanteperiode. Selvom temperaturen steg en smule under eksperimentet, var intervallet begrænset, og den samlede daglige gennemsnitstemperatur var stadig på et lavt niveau, hvilket begrænsede lysenergiudnyttelseseffektiviteten under den samlede vækstcyklus for hydroponisk dyrkning af bladgrøntsager (Figur 1).

Under eksperimentet var næringsopløsningsbassinet ikke udstyret med opvarmningsudstyr, så rodmiljøet for hydroponiske bladgrøntsager altid var på et lavt temperaturniveau, og den daglige gennemsnitstemperatur var begrænset, hvilket medførte, at grøntsagerne ikke fuldt ud udnyttede det daglige akkumulerede lys, der blev øget ved at forlænge LED-suppleringslyset. Derfor er det nødvendigt at overveje passende varmebevarende og opvarmningsforanstaltninger, når man supplerer lys i drivhuset om vinteren, for at sikre effekten af ​​supplerende lys for at øge produktionen. Derfor er det nødvendigt at overveje passende foranstaltninger til varmebevarelse og temperaturøgning for at sikre effekten af ​​lystilskud og udbytteforøgelse i vinterdrivhuset. Brugen af ​​LED-suppleringslys vil øge produktionsomkostningerne i et vist omfang, og landbrugsproduktionen i sig selv er ikke en højtydende industri. Derfor er der stadig behov for yderligere produktionsforsøg med hensyn til, hvordan man optimerer den supplerende lysstrategi og samarbejder med andre foranstaltninger i den faktiske produktion af hydroponiske bladgrøntsager i vinterdrivhuset, og hvordan man bruger det supplerende lysudstyr til at opnå effektiv produktion og forbedre effektiviteten af ​​lysenergiudnyttelsen og økonomiske fordele.

Forfattere: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Artikelkilde: Landbrugsteknik (drivhusgartneri).

Referencer:
[1] Jianfeng Dai, Philips' praksis for LED-belysning i drivhusproduktion i havebrug [J]. Landbrugsteknik, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin m.fl. Anvendelsesstatus og udsigter for lystilskudsteknologi til beskyttede frugter og grøntsager [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao m.fl. Forsknings- og anvendelsesstatus samt udviklingsstrategi for plantebelysning [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi m.fl. Anvendelse af lyskilde og lyskvalitetskontrol i væksthusgrøntsagsproduktion [J]. Kinesiske grøntsager, 2012 (2): 1-7