Istraživanje utjecaja LED dopunske rasvjete na povećanje prinosa hidroponske salate i pakchoija u staklenicima zimi
[Sažetak] Zima u Šangaju često karakteriziraju niske temperature i slaba sunčeva svjetlost, a rast hidroponskog lisnatog povrća u staklenicima je spor, a proizvodni ciklus dug, što ne može zadovoljiti potražnju na tržištu. Posljednjih godina, LED dodatna svjetla za biljke počela su se koristiti u uzgoju i proizvodnji u staklenicima, do određene mjere, kako bi se nadoknadio nedostatak da dnevno akumulirana svjetlost u stakleniku ne može zadovoljiti potrebe rasta usjeva kada je prirodno svjetlo nedovoljno. U eksperimentu su u staklenik instalirane dvije vrste LED dodatnih svjetala različitog kvaliteta svjetlosti kako bi se proveo istraživački eksperiment povećanja proizvodnje hidroponske salate i zelenih stabljika zimi. Rezultati su pokazali da dvije vrste LED svjetala mogu značajno povećati svježu težinu pakchoija i salate po biljci. Učinak pakchoija na povećanje prinosa uglavnom se ogleda u poboljšanju ukupne senzorne kvalitete kao što je povećanje i zadebljanje listova, a učinak salate na povećanje prinosa uglavnom se ogleda u povećanju broja listova i sadržaja suhe tvari.

Svjetlost je neizostavan dio rasta biljaka. Posljednjih godina, LED svjetla se široko koriste u uzgoju i proizvodnji u stakleničkom okruženju zbog visoke stope fotoelektrične konverzije, prilagodljivog spektra i dugog vijeka trajanja [1]. U stranim zemljama, zbog ranog početka srodnih istraživanja i zrelog sistema podrške, mnoge velike proizvodnje cvijeća, voća i povrća imaju relativno kompletne strategije dopunske rasvjete. Akumulacija velike količine stvarnih podataka o proizvodnji također omogućava proizvođačima da jasno predvide efekat povećanja proizvodnje. Istovremeno, procjenjuje se povrat nakon korištenja LED sistema dopunske rasvjete [2]. Međutim, većina trenutnih domaćih istraživanja o dopunskoj rasvjeti pristrasna je prema kvaliteti svjetlosti malog obima i spektralnoj optimizaciji, te nedostaju strategije dopunske rasvjete koje se mogu koristiti u stvarnoj proizvodnji [3]. Mnogi domaći proizvođači će direktno koristiti postojeća strana rješenja dopunske rasvjete prilikom primjene tehnologije dopunske rasvjete u proizvodnji, bez obzira na klimatske uslove proizvodnog područja, vrste proizvedenog povrća i stanje objekata i opreme. Osim toga, visoka cijena dodatne rasvjetne opreme i velika potrošnja energije često rezultiraju ogromnim jazom između stvarnog prinosa usjeva i ekonomskog povrata i očekivanog efekta. Takva trenutna situacija ne pogoduje razvoju i promociji tehnologije dopunske rasvjete i povećanju proizvodnje u zemlji. Stoga je hitno potrebno razumno uvesti zrele LED dopunske svjetlosne proizvode u stvarna domaća proizvodna okruženja, optimizirati strategije korištenja i prikupiti relevantne podatke.

Zima je godišnje doba kada je svježe lisnato povrće veoma traženo. Staklenici mogu pružiti pogodnije okruženje za rast lisnatog povrća zimi nego polja za uzgoj na otvorenom. Međutim, jedan članak je istakao da neki stari ili loše očišćeni staklenici imaju propusnost svjetlosti manju od 50% zimi. Osim toga, dugotrajno kišno vrijeme je također sklono javljanju zimi, što dovodi do niske temperature i slabog osvjetljenja u stakleniku, što utiče na normalan rast biljaka. Svjetlost je postala ograničavajući faktor za rast povrća zimi [4]. U eksperimentu se koristi Zelena kocka (Green Cube), koja je puštena u stvarnu proizvodnju. Sistem sadnje lisnatog povrća s plitkim protokom tekućine uparen je s dva LED gornja svjetlosna modula kompanije Signify (China) Investment Co., Ltd. s različitim omjerima plavog svjetla. Sadnja salate i pakchoija, koji su dva lisnata povrća s većom tržišnom potražnjom, ima za cilj proučavanje stvarnog povećanja proizvodnje hidroponskog lisnatog povrća LED rasvjetom u zimskom stakleniku.

Materijali i metode
Materijali korišteni za testiranje

Testni materijali korišteni u eksperimentu bili su zelena salata i pakčoj. Sorta zelene salate, Green Leaf Lettuce, dolazi od kompanije Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., a sorta pakčoj, Brilliant Green, dolazi od Instituta za hortikulturu Šangajske akademije poljoprivrednih nauka.

Eksperimentalna metoda

Eksperiment je proveden u stakleniku tipa Wenluo, u sklopu Sunqiao baze kompanije Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd., od novembra 2019. do februara 2020. godine. Ukupno su provedena dva kruga ponovljenih eksperimenata. Prvi krug eksperimenta održan je krajem 2019. godine, a drugi krug početkom 2020. godine. Nakon sjetve, eksperimentalni materijal je smješten u prostoriju sa vještačkom svjetlošću za uzgoj sadnica, a korišteno je navodnjavanje plimom i osekom. Tokom perioda uzgoja sadnica, za navodnjavanje je korišten opći hranjivi rastvor hidroponskog povrća sa EC od 1,5 i pH 5,5. Nakon što su sadnice narasle do 3 lista i 1 stadija srca, posađene su na gredicu lisnatog povrća tipa Green Cube Track sa plitkim protokom. Nakon sadnje, sistem cirkulacije hranjivog rastvora sa plitkim protokom koristio je hranjivi rastvor EC 2 i pH 6 za svakodnevno navodnjavanje. Učestalost navodnjavanja bila je 10 minuta sa dovodom vode i 20 minuta sa prekidom dovoda vode. Kontrolna grupa (bez dodatka svjetla) i tretmanska grupa (dodatak LED svjetla) su određene u eksperimentu. CK je zasađena u staklenom plasteniku bez dodatka svjetla. LB: drw-lb Ho (200W) je korišten za dopunu svjetla nakon sadnje u staklenom plasteniku. Gustina svjetlosnog fluksa (PPFD) na površini hidroponskog povrća bila je oko 140 μmol/(㎡·S). MB: nakon sadnje u staklenom plasteniku, drw-lb (200W) je korišten za dopunu svjetla, a PPFD je bio oko 140 μmol/(㎡·S).

Prvi krug eksperimentalne sadnje je 8. novembar 2019. godine, a datum sadnje je 25. novembar 2019. godine. Vrijeme dopunske prihrane za testnu grupu je od 6:30 do 17:00 sati; drugi krug eksperimentalne sadnje je 30. decembar 2019. godine, datum sadnje je 17. januar 2020. godine, a vrijeme dopunske prihrane za eksperimentalnu grupu je od 4:00 do 17:00 sati.
Po sunčanom zimskom vremenu, staklenik će otvoriti krovni prozor, bočnu foliju i ventilator za dnevnu ventilaciju od 6:00 do 17:00 sati. Kada je temperatura niska noću, staklenik će zatvoriti krovni prozor, bočnu foliju i ventilator od 17:00 do 6:00 sati (sljedećeg dana), te otvoriti termoizolacijsku zavjesu u stakleniku radi očuvanja topline tokom noći.

Prikupljanje podataka

Visina biljke, broj listova i svježa težina po biljci dobijeni su nakon berbe nadzemnih dijelova Qingjingcai i zelene salate. Nakon mjerenja svježe težine, biljci su stavljeni u pećnicu i sušeni na 75℃ tokom 72 sata. Nakon toga, određena je suha težina. Temperatura u stakleniku i gustoća fotosintetskog fotonskog fluksa (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) su prikupljene i zabilježene svakih 5 minuta pomoću temperaturnog senzora (RS-GZ-N01-2) i senzora fotosintetski aktivnog zračenja (GLZ-CG).

Analiza podataka

Izračunajte efikasnost korištenja svjetlosti (LUE, Light Use Efficiency) prema sljedećoj formuli:
LUE (g/mol) = prinos povrća po jedinici površine/ukupna kumulativna količina svjetlosti koju povrće dobije po jedinici površine od sadnje do berbe
Sadržaj suhe tvari izračunajte prema sljedećoj formuli:
Sadržaj suhe tvari (%) = suha težina po biljci/svježa težina po biljci x 100%
Koristite Excel2016 i IBM SPSS Statistics 20 za analizu podataka u eksperimentu i analizu značajnosti razlike.

Materijali i metode
Svjetlost i temperatura

Prvi krug eksperimenta trajao je 46 dana od sadnje do berbe, a drugi krug 42 dana od sadnje do berbe. Tokom prvog kruga eksperimenta, prosječna dnevna temperatura u plasteniku uglavnom se kretala u rasponu od 10-18 ℃; tokom drugog kruga eksperimenta, fluktuacija prosječne dnevne temperature u plasteniku bila je veća nego tokom prvog kruga eksperimenta, sa najnižom prosječnom dnevnom temperaturom od 8,39 ℃ i najvišom prosječnom dnevnom temperaturom od 20,23 ℃. Prosječna dnevna temperatura pokazala je opći uzlazni trend tokom procesa rasta (Slika 1).

Tokom prvog kruga eksperimenta, dnevni svjetlosni integral (DLI) u stakleniku fluktuirao je manje od 14 mol/(㎡·D). Tokom drugog kruga eksperimenta, dnevna kumulativna količina prirodnog svjetla u stakleniku pokazala je ukupni trend rasta, koji je bio veći od 8 mol/(㎡·D), a maksimalna vrijednost pojavila se 27. februara 2020. godine, koja je iznosila 26,1 mol/(㎡·D). Promjena dnevne kumulativne količine prirodnog svjetla u stakleniku tokom drugog kruga eksperimenta bila je veća nego tokom prvog kruga eksperimenta (Slika 2). Tokom prvog kruga eksperimenta, ukupna dnevna kumulativna količina svjetla (zbir DLI prirodnog svjetla i DLI dopunskog LED svjetla) grupe dopunskog svjetla bila je veća od 8 mol/(㎡·D) većinu vremena. Tokom drugog kruga eksperimenta, ukupna dnevna akumulirana količina svjetla grupe dopunskog svjetla bila je veća od 10 mol/(㎡·D) većinu vremena. Ukupna akumulirana količina dodatnog svjetla u drugom krugu bila je 31,75 mol/㎡ veća nego u prvom krugu.

Prinos lisnatog povrća i efikasnost korištenja svjetlosne energije

●Rezultati prvog kruga testiranja
Na slici 3 se vidi da pakchoi s dodatkom LED rasvjete bolje raste, oblik biljke je kompaktniji, a listovi su veći i deblji od pakchoia bez dodatka rasvjete. Listovi pakchoia LB i MB su svjetliji i tamnije zeleni od CK. Na slici 4 se vidi da zelena salata s dodatnim LED svjetlom bolje raste od CK bez dodatnog svjetla, broj listova je veći, a oblik biljke je puniji.

Iz Tabele 1 se može vidjeti da nema značajne razlike u visini biljke, broju listova, sadržaju suhe tvari i efikasnosti korištenja svjetlosne energije pakchoija tretiranog sa CK, LB i MB, ali je svježa težina pakchoija tretiranog sa LB i MB značajno veća od one sa CK; Nije bilo značajne razlike u svježoj težini po biljci između dvije LED lampe za uzgoj sa različitim omjerima plave svjetlosti u tretmanu sa LB i MB.

Iz tabele 2 se može vidjeti da je visina biljke salate u LB tretmanu bila značajno veća nego u CK tretmanu, ali nije bilo značajne razlike između LB tretmana i MB tretmana. Postojale su značajne razlike u broju listova između tri tretmana, a broj listova u MB tretmanu bio je najveći, koji je iznosio 27. Svježa težina po biljci LB tretmana bila je najveća, koja je iznosila 101 g. Također je postojala značajna razlika između dvije grupe. Nije bilo značajne razlike u sadržaju suhe tvari između CK i LB tretmana. Sadržaj MB bio je 4,24% veći od CK i LB tretmana. Postojale su značajne razlike u efikasnosti korištenja svjetlosti između tri tretmana. Najveća efikasnost korištenja svjetlosti bila je u LB tretmanu, koja je iznosila 13,23 g/mol, a najniža u CK tretmanu, koja je iznosila 10,72 g/mol.

●Rezultati drugog kruga testiranja

Iz Tabele 3 se može vidjeti da je visina biljke Pakchoi tretiranog sa MB bila značajno veća od visine CK, i nije bilo značajne razlike između njega i LB tretmana. Broj listova Pakchoi tretiranog sa LB i MB bio je značajno veći od onog sa CK, ali nije bilo značajne razlike između dvije grupe dodatnih svjetlosnih tretmana. Postojale su značajne razlike u svježoj težini po biljci između tri tretmana. Svježa težina po biljci kod CK bila je najniža i iznosila je 47 g, a kod MB tretmana najveća i iznosila je 116 g. Nije bilo značajne razlike u sadržaju suhe tvari između tri tretmana. Postoje značajne razlike u efikasnosti korištenja svjetlosne energije. CK je nizak i iznosi 8,74 g/mol, a tretman MB najveći i iznosi 13,64 g/mol.

Iz Tabele 4 se može vidjeti da nije bilo značajne razlike u visini biljke salate između tri tretmana. Broj listova u LB i MB tretmanima bio je značajno veći nego u CK. Među njima, broj MB listova bio je najveći i iznosio je 26. Nije bilo značajne razlike u broju listova između LB i MB tretmana. Svježa težina po biljci dvije grupe dopunskih svjetlosnih tretmana bila je značajno veća nego kod CK, a svježa težina po biljci bila je najveća kod MB tretmana i iznosila je 133 g. Također su postojale značajne razlike između LB i MB tretmana. Postojale su značajne razlike u sadržaju suhe tvari između tri tretmana, a sadržaj suhe tvari kod LB tretmana bio je najveći i iznosio je 4,05%. Efikasnost iskorištavanja svjetlosne energije kod MB tretmana značajno je veća nego kod CK i LB tretmana i iznosi 12,67 g/mol.

Tokom drugog kruga eksperimenta, ukupni DLI grupe s dopunskim svjetlom bio je mnogo veći od DLI tokom istog broja dana kolonizacije tokom prvog kruga eksperimenta (Slika 1-2), a vrijeme dopunskog svjetla grupe tretirane dopunskim svjetlom u drugom krugu eksperimenta (4:00-00-17:00). U poređenju s prvim krugom eksperimenta (6:30-17:00), povećao se za 2,5 sata. Vrijeme berbe u dva kruga Pakchoi-ja bilo je 35 dana nakon sadnje. Svježa težina pojedinačne biljke CK u dva kruga bila je slična. Razlika u svježoj težini po biljci u LB i MB tretmanu u poređenju sa CK u drugom krugu eksperimenata bila je mnogo veća od razlike u svježoj težini po biljci u poređenju sa CK u prvom krugu eksperimenata (Tabela 1, Tabela 3). Vrijeme berbe drugog kruga eksperimentalne salate bilo je 42 dana nakon sadnje, a vrijeme berbe prvog kruga eksperimentalne salate bilo je 46 dana nakon sadnje. Broj dana kolonizacije kada je ubrana druga runda eksperimentalne salate CK bio je 4 dana manji nego u prvoj rundi, ali je svježa težina po biljci 1,57 puta veća od one u prvoj rundi eksperimenata (Tabela 2 i Tabela 4), a efikasnost korištenja svjetlosne energije je slična. Može se vidjeti da se, kako temperatura postepeno raste, a prirodno svjetlo u stakleniku postepeno povećava, proizvodni ciklus salate skraćuje.

Materijali i metode
Dva kruga testiranja su u osnovi obuhvatila cijelu zimu u Šangaju, a kontrolna grupa (CK) je uspjela relativno obnoviti stvarni status proizvodnje hidroponske zelene stabljike i salate u stakleniku pod niskim temperaturama i slabom sunčevom svjetlošću tokom zime. Eksperimentalna grupa sa dodatkom svjetlosti imala je značajan promotivni efekat na najintuitivniji indeks podataka (svježa težina po biljci) u dva kruga eksperimenata. Među njima, efekat povećanja prinosa Pakchoija ogledao se u veličini, boji i debljini listova istovremeno. Ali salata ima tendenciju povećanja broja listova, a oblik biljke izgleda punije. Rezultati ispitivanja pokazuju da dodatak svjetlosti može poboljšati svježu težinu i kvalitet proizvoda u sadnji dvije kategorije povrća, čime se povećava komercijalnost povrtnih proizvoda. Pakchoi dopunjen crveno-bijelim, nisko-plavim i crveno-bijelim, srednje plavim LED modulima gornjeg osvjetljenja su tamnije zelene boje i sjajnijeg izgleda od listova bez dodatnog osvjetljenja, listovi su veći i deblji, a trend rasta cijele biljke je kompaktniji i snažniji. Međutim, „mozaična salata“ pripada svijetlozelenom lisnatom povrću i ne postoji očigledan proces promjene boje tokom rasta. Promjena boje lista nije očigledna ljudskom oku. Odgovarajući udio plavog svjetla može potaknuti razvoj lista i sintezu fotosintetskih pigmenata, te spriječiti izduživanje internodija. Stoga je povrće iz grupe dodataka svjetlosti popularnije kod potrošača po pitanju izgleda i kvalitete.

Tokom drugog kruga testiranja, ukupna dnevna kumulativna količina svjetlosti grupe s dopunskim svjetlom bila je mnogo veća od DLI tokom istog broja dana kolonizacije tokom prvog kruga eksperimenta (Slika 1-2), a vrijeme dodatnog svjetla drugog kruga grupe s tretmanom dopunskim svjetlom (4:00-17:00), u poređenju s prvim krugom eksperimenta (6:30-17:00), povećalo se za 2,5 sata. Vrijeme berbe dva kruga Pakchoya bilo je 35 dana nakon sadnje. Svježa težina CK u dva kruga bila je slična. Razlika u svježoj težini po biljci između LB i MB tretmana i CK u drugom krugu eksperimenata bila je mnogo veća od razlike u svježoj težini po biljci s CK u prvom krugu eksperimenata (Tabela 1 i Tabela 3). Stoga, produženje vremena dodatnog svjetla može potaknuti povećanje proizvodnje hidroponskog Pakchoya uzgojenog u zatvorenom prostoru zimi. Vrijeme berbe druge runde eksperimentalne salate bilo je 42 dana nakon sadnje, a vrijeme berbe prve runde eksperimentalne salate bilo je 46 dana nakon sadnje. Kada je ubrana druga runda eksperimentalne salate, broj dana kolonizacije CK grupe bio je 4 dana manji nego u prvoj rundi. Međutim, svježa težina jedne biljke bila je 1,57 puta veća od one u prvoj rundi eksperimenata (Tabela 2 i Tabela 4). Efikasnost korištenja svjetlosne energije bila je slična. Može se vidjeti da kako temperatura polako raste i prirodno svjetlo u plasteniku se postepeno povećava (Slika 1-2), proizvodni ciklus salate se može shodno tome skratiti. Stoga, dodavanje dodatne svjetlosne opreme u plastenik zimi s niskim temperaturama i slabom sunčevom svjetlošću može efikasno poboljšati efikasnost proizvodnje salate, a zatim povećati proizvodnju. U prvoj rundi eksperimenta, potrošnja energije dopunjene svjetlošću biljke lisnog menija bila je 0,95 kWh, a u drugoj rundi eksperimenta, potrošnja energije dopunjene svjetlošću biljke lisnog menija bila je 1,15 kWh. U poređenju između dva kruga eksperimenata, potrošnja svjetlosti tri tretmana Pakchoi-ja, efikasnost iskorištenja energije u drugom eksperimentu bila je niža nego u prvom eksperimentu. Efikasnost iskorištenja svjetlosne energije grupa tretiranih dodatnim svjetlom salate CK i LB u drugom eksperimentu bila je nešto niža nego u prvom eksperimentu. Zaključuje se da je mogući razlog to što niska prosječna dnevna temperatura u roku od sedmicu dana nakon sadnje produžava period sporog rasta sadnica, i iako se temperatura malo oporavila tokom eksperimenta, raspon je bio ograničen, a ukupna prosječna dnevna temperatura je i dalje bila na niskom nivou, što je ograničavalo efikasnost iskorištenja svjetlosne energije tokom ukupnog ciklusa rasta hidroponskog lisnatog povrća. (Slika 1).

Tokom eksperimenta, bazen sa hranjivim rastvorom nije bio opremljen opremom za zagrijavanje, tako da je korijensko okruženje hidroponskog lisnatog povrća uvijek bilo na niskoj temperaturi, a prosječna dnevna temperatura je bila ograničena, što je uzrokovalo da povrće ne iskoristi u potpunosti dnevnu kumulativnu svjetlost povećanu produženjem LED dopunske rasvjete. Stoga je prilikom dopunske rasvjete u plasteniku zimi potrebno razmotriti odgovarajuće mjere očuvanja toplote i zagrijavanja kako bi se osigurao efekat dopunske rasvjete za povećanje proizvodnje. Stoga je potrebno razmotriti odgovarajuće mjere očuvanja toplote i povećanja temperature kako bi se osigurao efekat dopunske rasvjete i povećanje prinosa u zimskom plasteniku. Upotreba LED dopunske rasvjete će do određene mjere povećati troškove proizvodnje, a sama poljoprivredna proizvodnja nije industrija s visokim prinosima. Stoga, u pogledu optimizacije strategije dopunske rasvjete i saradnje s drugim mjerama u stvarnoj proizvodnji hidroponskog lisnatog povrća u zimskom plasteniku, te kako koristiti dopunsku rasvjetnu opremu za postizanje efikasne proizvodnje i poboljšanje efikasnosti korištenja svjetlosne energije i ekonomskih koristi, i dalje su potrebni daljnji proizvodni eksperimenti.

Autori: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Izvor članka: Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva (Hortikultura u staklenicima).

Reference:
[1] Jianfeng Dai, Praksa primjene Philipsovih hortikulturnih LED rasvjetnih tijela u proizvodnji u plastenicima [J]. Poljoprivredna inženjerska tehnologija, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin i dr. Status primjene i perspektive tehnologije svjetlosnih dodataka za zaštićeno voće i povrće [J]. Sjeverna hortikultura, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao, et al. Status istraživanja i primjene i strategija razvoja rasvjete postrojenja [J]. Časopis za rasvjetno inženjerstvo, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi, et al. Primjena izvora svjetlosti i kontrole kvalitete svjetlosti u proizvodnji povrća u plastenicima [J]. Kinesko povrće, 2012 (2): 1-7