Forskning om effekten av LED-tilläggsljus på den avkastningsökande effekten av hydroponisk sallad och pakchoi i växthus på vintern
[Sammanfattning] Vintern i Shanghai drabbas ofta av låga temperaturer och lågt solsken, och tillväxten av hydroponiska bladgrönsaker i växthuset är långsam och produktionscykeln är lång, vilket inte kan möta marknadens efterfrågan. Under senare år har LED-tilläggslampor för växter börjat användas i växthusodling och -produktion, i viss mån, för att kompensera för bristen att det dagliga ackumulerade ljuset i växthuset inte kan möta grödornas tillväxtbehov när det naturliga ljuset är otillräckligt. I experimentet installerades två typer av LED-tilläggslampor med olika ljuskvalitet i växthuset för att genomföra ett undersökningsexperiment för att öka produktionen av hydroponisk sallad och gröna stjälkar på vintern. Resultaten visade att de två typerna av LED-lampor kan öka den färska vikten per planta av pakchoi och sallad avsevärt. Den avkastningsökande effekten av pakchoi återspeglas främst i förbättringen av den övergripande sensoriska kvaliteten, såsom bladförstoring och förtjockning, och den avkastningsökande effekten av sallad återspeglas främst i ökningen av antalet blad och torrsubstanshalten.

Ljus är en oumbärlig del av växternas tillväxt. Under senare år har LED-lampor använts i stor utsträckning inom odling och produktion i växthusmiljö på grund av deras höga fotoelektriska omvandlingshastighet, anpassningsbara spektrum och långa livslängd [1]. I utlandet, på grund av den tidiga starten av relaterad forskning och det mogna stödsystemet, har många storskaliga blom-, frukt- och grönsaksproducenter relativt kompletta strategier för ljustillskott. Ackumuleringen av en stor mängd faktiska produktionsdata gör det också möjligt för producenter att tydligt förutsäga effekten av att öka produktionen. Samtidigt utvärderas avkastningen efter användning av LED-tilläggsljussystem [2]. Emellertid är det mesta av den nuvarande inhemska forskningen om kompletterande ljus partisk mot småskalig ljuskvalitet och spektraloptimering, och saknar kompletterande ljusstrategier som kan användas i faktisk produktion [3]. Många inhemska producenter kommer direkt att använda befintliga utländska kompletterande belysningslösningar när de tillämpar kompletterande belysningsteknik i produktionen, oavsett klimatförhållandena i produktionsområdet, de typer av grönsaker som produceras och förhållandena för anläggningar och utrustning. Dessutom resulterar den höga kostnaden för kompletterande belysningsutrustning och hög energiförbrukning ofta i ett stort gap mellan den faktiska skörden och den ekonomiska avkastningen och den förväntade effekten. En sådan nuvarande situation är inte gynnsam för utveckling och marknadsföring av tekniken för kompletterande ljus och ökad produktion i landet. Därför är det ett akut behov av att rimligt placera mogna LED-produkter för kompletterande ljus i faktiska inhemska produktionsmiljöer, optimera användningsstrategier och samla in relevant data.

Vintern är den säsong då färska bladgrönsaker är mycket efterfrågade. Växthus kan ge en mer lämplig miljö för odling av bladgrönsaker på vintern än utomhusodling. En artikel påpekade dock att vissa åldrande eller dåligt rena växthus har en ljusgenomsläpplighet på mindre än 50 % på vintern. Dessutom är långvarigt regnigt väder också benäget att förekomma på vintern, vilket gör att växthuset befinner sig i en miljö med låg temperatur och svagt ljus, vilket påverkar växternas normala tillväxt. Ljus har blivit en begränsande faktor för grönsakernas tillväxt på vintern [4]. Den gröna kuben som har satts i faktisk produktion används i experimentet. Det grunt vätskeflödessystemet för plantering av bladgrönsaker matchas med Signify (China) Investment Co., Ltd:s två LED-toppbelysningsmoduler med olika blåljusförhållanden. Att plantera sallad och pakchoi, som är två bladgrönsaker med större marknadsefterfrågan, syftar till att studera den faktiska ökningen av produktionen av hydroponiska bladgrönsaker genom LED-belysning i vinterväxthuset.

Material och metoder
Material som används för testet

Testmaterialen som användes i experimentet var sallad och pakchoi. Salladssorten Green Leaf Lettuce kommer från Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., och pakchoisorten Brilliant Green kommer från Horticulture Institute of Shanghai Academy of Agricultural Sciences.

Experimentell metod

Experimentet utfördes i Wenluo-liknande glasväxthus på Sunqiao-basen hos Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. från november 2019 till februari 2020. Totalt två omgångar av upprepade experiment genomfördes. Den första omgången av experimentet var i slutet av 2019, och den andra omgången var i början av 2020. Efter sådd placerades experimentmaterialet i ett klimatrum med artificiellt ljus för plantodling, och tidvattenbevattning användes. Under plantodlingsperioden användes en allmän näringslösning av hydroponiska grönsaker med EC på 1,5 och pH på 5,5 för bevattning. När plantorna vuxit till 3 blad och 1 kärnstadium planterades de i en grön kubbana av typen med grunt flöde av bladgrönsaker. Efter plantering användes ett grunt flöde av näringslösning för daglig bevattning i cirkulationssystem. Bevattningsfrekvensen var 10 minuter med vattentillförsel och 20 minuter med stoppad vattentillförsel. Kontrollgruppen (utan ljustillskott) och behandlingsgruppen (LED-ljustillskott) användes i experimentet. CK planterades i glasväxthus utan ljustillskott. LB: drw-lb Ho (200 W) användes som ljustillskott efter plantering i glasväxthuset. Ljusflödestätheten (PPFD) på ytan av den hydroponiska grönsakens trädkrona var cirka 140 μmol/(㎡·S). MB: efter plantering i glasväxthuset användes drw-lb (200 W) för att ljustillskott, och PPFD var cirka 140 μmol/(㎡·S).

Den första omgången av experimentell plantering är den 8 november 2019 och planteringsdatumet är den 25 november 2019. Testgruppens ljustillskottstid är 6:30-17:00; den andra omgången av experimentell plantering är den 30 december 2019, planteringsdatumet är den 17 januari 2020 och ljustillskottstiden för experimentgruppen är 4:00-17:00.
Vid soligt vinterväder öppnar växthuset takluckan, sidofilmen och fläkten för daglig ventilation från 6:00-17:00. När temperaturen är låg på natten stänger växthuset takfönstret, sidofilmen och fläkten kl. 17:00-6:00 (nästa dag) och öppnar värmeisoleringsgardinen i växthuset för att bevara värmen på natten.

Datainsamling

Växtens höjd, antal blad och färskvikt per planta erhölls efter att de ovanjordiska delarna av Qingjingcai och sallad skördats. Efter mätning av färskvikten placerades plantan i en ugn och torkades vid 75 ℃ i 72 timmar. Därefter bestämdes torrvikten. Temperaturen i växthuset och fotosyntetisk fotonflödesdensitet (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) samlas in och registreras var 5:e minut med temperatursensorn (RS-GZ-N01-2) och den fotosyntetiskt aktiva strålningssensorn (GLZ-CG).

Dataanalys

Beräkna ljuseffektiviteten (LUE, Light Use Efficiency) enligt följande formel:
LUE (g/mol) = grönsaksavkastning per ytenhet/den totala kumulativa mängden ljus som grönsaker får per ytenhet från plantering till skörd
Beräkna torrsubstanshalten enligt följande formel:
Torrsubstanshalt (%) = torrvikt per planta/färskvikt per planta x 100 %
Använd Excel 2016 och IBM SPSS Statistics 20 för att analysera data i experimentet och analysera skillnadens betydelse.

Material och metoder
Ljus och temperatur

Den första experimentomgången tog 46 dagar från plantering till skörd, och den andra omgången tog 42 dagar från plantering till skörd. Under den första experimentomgången låg den dagliga medeltemperaturen i växthuset mestadels i intervallet 10-18 ℃; under den andra experimentomgången var fluktuationen i den dagliga medeltemperaturen i växthuset större än under den första experimentomgången, med den lägsta dagliga medeltemperaturen på 8,39 ℃ och den högsta dagliga medeltemperaturen på 20,23 ℃. Den dagliga medeltemperaturen visade en generellt uppåtgående trend under tillväxtprocessen (Fig. 1).

Under den första experimentomgången fluktuerade den dagliga ljusintegralen (DLI) i växthuset mindre än 14 mol/(㎡·D). Under den andra experimentomgången visade den dagliga kumulativa mängden naturligt ljus i växthuset en övergripande uppåtgående trend, som var högre än 8 mol/(㎡·D), och det maximala värdet inträffade den 27 februari 2020, vilket var 26,1 mol/(㎡·D). Förändringen av den dagliga kumulativa mängden naturligt ljus i växthuset under den andra experimentomgången var större än under den första experimentomgången (Fig. 2). Under den första experimentomgången var den totala dagliga kumulativa ljusmängden (summan av naturligt ljus-DLI och LED-kompletterande ljus-DLI) för gruppen som fick kompletterande ljus högre än 8 mol/(㎡·D) för det mesta. Under den andra experimentomgången var den totala dagliga ackumulerade ljusmängden för gruppen som fick kompletterande ljus mer än 10 mol/(㎡·D) för det mesta. Den totala ackumulerade mängden kompletterande ljus i den andra omgången var 31,75 mol/㎡ mer än i den första omgången.

Avkastning av bladgrönsaker och effektivitet i användning av ljusenergi

● Första omgången av testresultat
Det framgår av figur 3 att pakchoi med LED-tillskott växer bättre, växtformen är mer kompakt och bladen är större och tjockare än hos CK utan tillskott. LB- och MB-pakchoibladen är ljusare och mörkare gröna än CK. Det framgår av figur 4 att sallad med LED-tillskott växer bättre än CK utan tillskott, antalet blad är högre och växtformen är fylligare.

Det framgår av tabell 1 att det inte finns någon signifikant skillnad i planthöjd, bladantal, torrsubstanshalt och ljusenergiutnyttjandeeffektivitet för pakchoi behandlad med CK, LB och MB, men färskvikten för pakchoi behandlad med LB och MB är signifikant högre än för CK. Det fanns ingen signifikant skillnad i färskvikt per planta mellan de två LED-växtlamporna med olika blåljusförhållanden vid behandling av LB och MB.

Det framgår av tabell 2 att planthöjden på sallad vid LB-behandling var signifikant högre än vid CK-behandling, men det fanns ingen signifikant skillnad mellan LB-behandling och MB-behandling. Det fanns signifikanta skillnader i antalet blad mellan de tre behandlingarna, och antalet blad vid MB-behandling var det högsta, vilket var 27. Färskvikten per planta vid LB-behandling var den högsta, vilket var 101 g. Det fanns också en signifikant skillnad mellan de två grupperna. Det fanns ingen signifikant skillnad i torrsubstanshalt mellan CK- och LB-behandlingar. Halten av MB var 4,24 % högre än vid CK- och LB-behandlingar. Det fanns signifikanta skillnader i ljusutnyttjandegraden mellan de tre behandlingarna. Den högsta ljusutnyttjandegraden var vid LB-behandling, som var 13,23 g/mol, och den lägsta var vid CK-behandling, som var 10,72 g/mol.

● Andra omgången av testresultat

Det framgår av tabell 3 att planthöjden på pakchoi behandlad med MB var signifikant högre än den för CK, och det fanns ingen signifikant skillnad mellan den och LB-behandlingen. Antalet blad på pakchoi behandlad med LB och MB var signifikant högre än med CK, men det fanns ingen signifikant skillnad mellan de två grupperna av kompletterande ljusbehandlingar. Det fanns signifikanta skillnader i färskvikten per planta mellan de tre behandlingarna. Färskvikten per planta i CK var lägst på 47 g, och MB-behandlingen var högst på 116 g. Det fanns ingen signifikant skillnad i torrsubstanshalten mellan de tre behandlingarna. Det finns signifikanta skillnader i ljusenergiutnyttjandeeffektivitet. CK är låg på 8,74 g/mol, och MB-behandlingen är högst på 13,64 g/mol.

Det framgår av tabell 4 att det inte fanns någon signifikant skillnad i planthöjden hos sallad mellan de tre behandlingarna. Antalet blad i LB- och MB-behandlingarna var signifikant högre än i CK. Bland dem var antalet MB-blad högst, 26. Det fanns ingen signifikant skillnad i antalet blad mellan LB- och MB-behandlingarna. Färskvikten per planta för de två grupperna av kompletterande ljusbehandlingar var signifikant högre än för CK, och färskvikten per planta var högst i MB-behandlingen, vilket var 133 g. Det fanns också signifikanta skillnader mellan LB- och MB-behandlingarna. Det fanns signifikanta skillnader i torrsubstanshalten mellan de tre behandlingarna, och torrsubstanshalten i LB-behandlingen var högst, vilket var 4,05 %. Ljusenergiutnyttjandegraden för MB-behandlingen är signifikant högre än för CK- och LB-behandlingen, vilket är 12,67 g/mol.

Under den andra experimentomgången var den totala DLI för gruppen som fick kompletterande ljus mycket högre än DLI under samma antal koloniseringsdagar under den första experimentomgången (Figur 1-2), och tiden för kompletterande ljusbehandling för gruppen som fick kompletterande ljusbehandling i den andra experimentomgången (4:00-00-17:00). Jämfört med den första experimentomgången (6:30-17:00) ökade den med 2,5 timmar. Skördetiden för de två omgångarna av Pakchoi var 35 dagar efter plantering. Färskvikten för de enskilda CK-plantorna i de två omgångarna var likartad. Skillnaden i färskvikt per planta vid LB- och MB-behandling jämfört med CK i den andra experimentomgången var mycket större än skillnaden i färskvikt per planta jämfört med CK i den första experimentomgången (Tabell 1, Tabell 3). Skördetiden för den andra omgången experimentell sallad var 42 dagar efter plantering, och skördetiden för den första omgången experimentell sallad var 46 dagar efter plantering. Antalet koloniseringsdagar när den andra omgången av experimentell sallad CK skördades var 4 dagar färre än under den första omgången, men den färska vikten per planta är 1,57 gånger högre än under den första omgången av experiment (tabell 2 och tabell 4), och ljusenergiutnyttjandet är liknande. Det kan ses att allt eftersom temperaturen gradvis värms upp och det naturliga ljuset i växthuset gradvis ökar, förkortas salladsproduktionscykeln.

Material och metoder
De två testomgångarna täckte i princip hela vintern i Shanghai, och kontrollgruppen (CK) kunde relativt återställa den faktiska produktionsstatusen för hydroponisk grön stjälk och sallad i växthuset under låg temperatur och svagt solljus på vintern. Experimentgruppen med ljustillskott hade en signifikant främjande effekt på det mest intuitiva dataindexet (färskvikt per planta) i de två experimentomgångarna. Bland dem återspeglades den ökande effekten av Pakchoi i bladens storlek, färg och tjocklek samtidigt. Men sallad tenderar att öka antalet blad, och växtens form ser fylligare ut. Testresultaten visar att ljustillskott kan förbättra färskvikten och produktkvaliteten vid plantering av de två grönsakskategorierna, vilket ökar kommersialiseringen av grönsaksprodukter. Pakchoi kompletterat med De rödvita, lågblå och rödvita, mellanblå LED-toppljusmodulerna är mörkare gröna och glänsande i utseende än bladen utan kompletterande ljus, bladen är större och tjockare, och tillväxttrenden för hela växttypen är mer kompakt och kraftig. "Mosaiksallad" tillhör dock ljusgröna bladgrönsaker, och det finns ingen uppenbar färgförändringsprocess under tillväxtprocessen. Förändringen av bladfärg är inte uppenbar för det mänskliga ögat. Lämplig andel blått ljus kan främja bladutveckling och fotosyntetisk pigmentsyntes, och hämma internodförlängning. Därför är grönsaker i ljustillskottsgruppen mer föredragna av konsumenterna vad gäller utseende och kvalitet.

Under den andra omgången av testet var den totala dagliga kumulativa ljusmängden för gruppen som fick kompletterande ljus mycket högre än DLI under samma antal koloniseringsdagar under den första omgången av experimentet (Figur 1-2), och tiden för kompletterande ljus under den andra omgången av gruppen som fick kompletterande ljusbehandling (4:00-17:00) ökade med 2,5 timmar jämfört med den första omgången av experimentet (6:30-17:00). Skördetiden för de två omgångarna av Pakchoi var 35 dagar efter plantering. Färskvikten av CK i de två omgångarna var likartad. Skillnaden i färskvikt per planta mellan LB- och MB-behandling och CK i den andra omgången av experiment var mycket större än skillnaden i färskvikt per planta med CK i den första omgången av experiment (Tabell 1 och Tabell 3). Därför kan en förlängning av ljustillskottstiden främja ökningen av produktionen av hydroponisk Pakchoi som odlas inomhus på vintern. Skördetiden för den andra omgången experimentell sallad var 42 dagar efter plantering, och skördetiden för den första omgången experimentell sallad var 46 dagar efter plantering. När den andra omgången experimentell sallad skördades var antalet koloniseringsdagar för CK-gruppen 4 dagar färre än för den första omgången. Emellertid var den färska vikten för en enskild planta 1,57 gånger högre än för den första experimentomgången (tabell 2 och tabell 4). Ljusenergiutnyttjandet var liknande. Det kan ses att när temperaturen långsamt stiger och det naturliga ljuset i växthuset gradvis ökar (figur 1-2), kan produktionscykeln för sallad förkortas i motsvarande grad. Därför kan tillägg av kompletterande belysningsutrustning till växthuset på vintern med låg temperatur och lågt solljus effektivt förbättra produktionseffektiviteten för sallad och sedan öka produktionen. I den första experimentomgången var effektförbrukningen för bladmenyväxtens kompletterade ljus 0,95 kWh, och i den andra experimentomgången var effektförbrukningen för bladmenyväxtens kompletterade ljus 1,15 kWh. Jämfört mellan de två experimentrundorna var ljusförbrukningen för de tre behandlingarna av pakchoi och energiutnyttjandegraden i det andra experimentet lägre än i det första experimentet. Ljusenergiutnyttjandegraden för grupperna med sallad CK och LB som fick tilläggsljusbehandling i det andra experimentet var något lägre än i det första experimentet. Det kan dras slutsatsen att den möjliga orsaken är att den låga dagliga medeltemperaturen inom en vecka efter plantering gör den långsamma plantperioden längre, och även om temperaturen återhämtade sig något under experimentet var intervallet begränsat, och den totala dagliga medeltemperaturen var fortfarande på en låg nivå, vilket begränsade ljusenergiutnyttjandegraden under den totala tillväxtcykeln för hydroponisk odling av bladgrönsaker. (Figur 1).

Under experimentet var näringslösningsbassängen inte utrustad med värmeutrustning, vilket ledde till att rotmiljön för hydroponiska bladgrönsaker alltid var på en låg temperaturnivå, och den dagliga medeltemperaturen var begränsad, vilket ledde till att grönsakerna inte utnyttjade det dagliga kumulativa ljuset som ökades genom att förlänga LED-tilläggsbelysningen fullt ut. Därför är det nödvändigt att överväga lämpliga värmebevarande och uppvärmningsåtgärder när man kompletterar ljuset i växthuset på vintern för att säkerställa effekten av kompletterande ljus för att öka produktionen. Därför är det nödvändigt att överväga lämpliga åtgärder för värmebevarande och temperaturökning för att säkerställa effekten av ljustillskott och ökad avkastning i vinterväxthuset. Användningen av LED-tilläggsbelysning kommer att öka produktionskostnaden i viss mån, och jordbruksproduktionen i sig är inte en högavkastande industri. Därför, när det gäller hur man optimerar den kompletterande ljusstrategin och samarbetar med andra åtgärder i den faktiska produktionen av hydroponiska bladgrönsaker i vinterväxthus, och hur man använder den kompletterande ljusutrustningen för att uppnå effektiv produktion och förbättra effektiviteten i ljusenergiutnyttjandet och ekonomiska fördelar, behövs det fortfarande ytterligare produktionsexperiment.

Författare: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai grön kub Agricultural Development Co., Ltd.).
Artikelkälla: Jordbruksteknik (växthusodling).

Referenser:
[1] Jianfeng Dai, Philips LED-applikationspraxis inom trädgårdsodling [J]. Jordbruksteknik, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin m.fl. Tillämpningsstatus och utsikter för ljustillskottsteknik för skyddade frukter och grönsaker [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao m.fl. Forskning och tillämpningsstatus samt utvecklingsstrategi för växtbelysning [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi m.fl. Tillämpning av ljuskällor och ljuskvalitetskontroll i växthusgrönsaksproduktion [J]. Kinesiska grönsaker, 2012 (2): 1-7