Investigación sobre o efecto da luz suplementaria LED no efecto de aumento do rendemento da leituga hidropónica e o pakchoi en invernadoiros no inverno
[Resumo] O inverno en Shanghai adoita ter baixas temperaturas e pouca luz solar, e o crecemento das verduras de folla hidropónicas no invernadoiro é lento e o ciclo de produción é longo, o que non pode satisfacer a demanda da oferta do mercado. Nos últimos anos, as luces suplementarias LED para plantas comezaron a utilizarse no cultivo e produción en invernadoiro, ata certo punto, para compensar o defecto de que a luz acumulada diaria no invernadoiro non pode satisfacer as necesidades do crecemento dos cultivos cando a luz natural é insuficiente. No experimento, instaláronse dous tipos de luces suplementarias LED con diferente calidade de luz no invernadoiro para levar a cabo o experimento de exploración para aumentar a produción de leituga hidropónica e de talo verde no inverno. Os resultados mostraron que os dous tipos de luces LED poden aumentar significativamente o peso fresco por planta de pakchoi e leituga. O efecto de aumento do rendemento do pakchoi reflíctese principalmente na mellora da calidade sensorial xeral, como o aumento e o engrosamento das follas, e o efecto de aumento do rendemento da leituga reflíctese principalmente no aumento do número de follas e do contido de materia seca.

A luz é unha parte indispensable do crecemento das plantas. Nos últimos anos, as luces LED utilizáronse amplamente no cultivo e na produción en invernadoiros debido á súa alta taxa de conversión fotoeléctrica, ao seu espectro personalizable e á súa longa vida útil [1]. En países estranxeiros, debido ao inicio temperán da investigación relacionada e ao sistema de apoio maduro, moitas producións de flores, froitas e verduras a grande escala teñen estratexias de suplemento de luz relativamente completas. A acumulación dunha gran cantidade de datos de produción real tamén permite aos produtores predicir claramente o efecto do aumento da produción. Ao mesmo tempo, avalíase o retorno despois de usar o sistema de luz suplementaria LED [2]. Non obstante, a maior parte da investigación nacional actual sobre a luz suplementaria está sesgada cara á calidade da luz a pequena escala e á optimización espectral, e carece de estratexias de luz suplementaria que se poidan usar na produción real [3]. Moitos produtores nacionais utilizarán directamente as solucións de iluminación suplementaria estranxeiras existentes ao aplicar a tecnoloxía de iluminación suplementaria á produción, independentemente das condicións climáticas da zona de produción, dos tipos de verduras producidas e das condicións das instalacións e equipos. Ademais, o alto custo dos equipos de luz suplementaria e o alto consumo de enerxía adoitan resultar nunha enorme diferenza entre o rendemento real da colleita e o retorno económico e o efecto esperado. Esta situación actual non favorece o desenvolvemento e a promoción da tecnoloxía de iluminación complementaria e o aumento da produción no país. Polo tanto, é unha necesidade urxente de colocar razoablemente produtos de iluminación complementaria LED maduros en contornas de produción nacionais reais, optimizar as estratexias de uso e acumular datos relevantes.

O inverno é a estación na que as verduras de folla fresca teñen unha gran demanda. Os invernadoiros poden proporcionar un ambiente máis axeitado para o crecemento das verduras de folla no inverno que os campos de cultivo ao aire libre. Non obstante, un artigo sinalou que algúns invernadoiros vellos ou mal limpos teñen unha transmitancia de luz inferior ao 50 % no inverno. Ademais, o tempo chuvioso a longo prazo tamén é propenso a producirse no inverno, o que fai que o invernadoiro se atope nun ambiente de baixa temperatura e pouca luz, o que afecta o crecemento normal das plantas. A luz converteuse nun factor limitante para o crecemento das verduras no inverno [4]. No experimento utilízase o Green Cube que se puxo en produción real. O sistema de plantación de verduras de folla de fluxo líquido superficial combínase cos dous módulos de luz superior LED de Signify (China) Investment Co., Ltd. con diferentes proporcións de luz azul. A plantación de leituga e pakchoi, que son dúas verduras de folla con maior demanda no mercado, ten como obxectivo estudar o aumento real da produción de verduras de folla hidropónicas mediante iluminación LED no invernadoiro de inverno.

Materiais e métodos
Materiais empregados para a proba

Os materiais de proba empregados no experimento foron leituga e verduras packchoi. A variedade de leituga Green Leaf Lettuce provén de Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., e a variedade de pakchoi Brilliant Green provén do Instituto de Horticultura da Academia de Ciencias Agrícolas de Shanghai.

Método experimental

O experimento realizouse no invernadoiro de vidro tipo Wenluo da base de Sunqiao de Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. desde novembro de 2019 ata febreiro de 2020. Realizáronse un total de dúas roldas de experimentos repetidos. A primeira rolda do experimento foi a finais de 2019 e a segunda rolda a principios de 2020. Despois da sementeira, os materiais experimentais colocáronse nunha sala climática con luz artificial para o cultivo de plántulas e utilizouse o rego por marea. Durante o período de cultivo de plántulas, utilizouse para o rego a solución nutritiva xeral de vexetais hidropónicos cunha CE de 1,5 e un pH de 5,5. Despois de que as plántulas crecesen ata 3 follas e 1 estadio de corazón, plantáronse no leito de plantación de vexetais de folla de fluxo superficial tipo Green Cube Track. Despois da plantación, o sistema de circulación da solución nutritiva de fluxo superficial utilizou unha solución nutritiva de CE 2 e pH 6 para o rego diario. A frecuencia de rego foi de 10 minutos co subministro de auga e de 20 minutos co subministro de auga interrompido. No experimento establécense o grupo de control (sen suplemento de luz) e o grupo de tratamento (suplemento de luz LED). CK plantouse nun invernadoiro de vidro sen suplemento de luz. LB: utilizouse drw-lb Ho (200 W) para complementar a luz despois de plantar no invernadoiro de vidro. A densidade de fluxo luminoso (PPFD) na superficie da cuberta vexetal hidropónica foi de aproximadamente 140 μmol/(㎡·S). MB: despois de plantar no invernadoiro de vidro, utilizouse drw-lb (200 W) para complementar a luz e a PPFD foi de aproximadamente 140 μmol/(㎡·S).

A primeira rolda de plantación experimental é o 8 de novembro de 2019 e a data de plantación é o 25 de novembro de 2019. O horario de suplemento de luz do grupo de proba é de 6:30 a 17:00; a segunda rolda de plantación experimental é o 30 de decembro de 2019, a data de plantación é o 17 de xaneiro de 2020 e o horario de suplemento do grupo experimental é de 4:00 a 17:00.
No inverno, cando fai sol, o invernadoiro abrirá o teito solar, a película lateral e o ventilador para a ventilación diaria de 6:00 a 17:00. Cando a temperatura sexa baixa pola noite, o invernadoiro pechará a claraboia, a película lateral en rolo e o ventilador entre as 17:00 e as 6:00 (ao día seguinte) e abrirá a cortina de illamento térmico do invernadoiro para conservar a calor nocturna.

Recollida de datos

A altura da planta, o número de follas e o peso fresco por planta obtivéronse despois de recoller as partes aéreas de Qingjingcai e leituga. Despois de medir o peso fresco, colocouse nun forno e secouse a 75 ℃ durante 72 h. Ao final, determinouse o peso seco. A temperatura no invernadoiro e a densidade do fluxo de fotóns fotosintéticos (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) recóllense e rexístranse cada 5 minutos mediante o sensor de temperatura (RS-GZ-N01-2) e o sensor de radiación fotosinteticamente activo (GLZ-CG).

Análise de datos

Calcula a eficiencia do uso da luz (LUE, Light Use Efficiency) segundo a seguinte fórmula:
LUE (g/mol) = rendemento vexetal por unidade de área/a cantidade total acumulada de luz obtida polas verduras por unidade de área desde a plantación ata a colleita
Calcula o contido de materia seca segundo a seguinte fórmula:
Contido de materia seca (%) = peso seco por planta/peso fresco por planta x 100%
Usa Excel2016 e IBM SPSS Statistics 20 para analizar os datos do experimento e analizar a significancia da diferenza.

Materiais e métodos
Luz e temperatura

A primeira rolda de experimentos durou 46 días desde a plantación ata a colleita, e a segunda rolda levou 42 días desde a plantación ata a colleita. Durante a primeira rolda de experimentos, a temperatura media diaria no invernadoiro oscilou principalmente no rango de 10-18 ℃; durante a segunda rolda de experimentos, a flutuación da temperatura media diaria no invernadoiro foi máis severa que durante a primeira rolda de experimentos, cunha temperatura media diaria máis baixa de 8,39 ℃ e unha temperatura media diaria máis alta de 20,23 ℃. A temperatura media diaria mostrou unha tendencia xeral ascendente durante o proceso de crecemento (Fig. 1).

Durante a primeira rolda do experimento, a integral de luz diaria (DLI) no invernadoiro fluctuou menos de 14 mol/(㎡·D). Durante a segunda rolda do experimento, a cantidade acumulada diaria de luz natural no invernadoiro mostrou unha tendencia xeral ascendente, superior a 8 mol/(㎡·D), e o valor máximo apareceu o 27 de febreiro de 2020, que foi de 26,1 mol/(㎡·D). O cambio na cantidade acumulada diaria de luz natural no invernadoiro durante a segunda rolda do experimento foi maior que durante a primeira rolda do experimento (Fig. 2). Durante a primeira rolda do experimento, a cantidade total de luz acumulada diaria (a suma da DLI de luz natural e a DLI de luz suplementaria LED) do grupo de luz suplementaria foi superior a 8 mol/(㎡·D) a maior parte do tempo. Durante a segunda rolda do experimento, a cantidade total de luz acumulada diaria do grupo de luz suplementaria foi superior a 10 mol/(㎡·D) a maior parte do tempo. A cantidade total acumulada de luz suplementaria na segunda rolda foi 31,75 mol/㎡ maior que na primeira rolda.

Rendemento das verduras de folla e eficiencia da utilización da enerxía lumínica

●Resultados da primeira rolda de probas
Na figura 3 pódese ver que o pakchoi suplementado con LED crece mellor, a forma da planta é máis compacta e as follas son máis grandes e grosas que as do CK sen suplemento. As follas do pakchoi LB e MB son dun verde máis brillante e escuro que as do CK. Na figura 4 pódese ver que a leituga con luz suplementaria LED crece mellor que a CK sen luz suplementaria, o número de follas é maior e a forma da planta é máis completa.

Na Táboa 1 pódese observar que non hai diferenzas significativas na altura da planta, o número de follas, o contido de materia seca e a eficiencia de utilización da enerxía lumínica dos pakchoi tratados con CK, LB e MB, pero o peso fresco dos pakchoi tratados con LB e MB é significativamente maior que o de CK; Non houbo diferenzas significativas no peso fresco por planta entre as dúas luces de cultivo LED con diferentes proporcións de luz azul no tratamento de LB e MB.

Na táboa 2 pódese observar que a altura da planta de leituga no tratamento LB foi significativamente maior que no tratamento CK, pero non houbo diferenzas significativas entre o tratamento LB e o tratamento MB. Houbo diferenzas significativas no número de follas entre os tres tratamentos, e o número de follas no tratamento MB foi o máis alto, que foi de 27. O peso fresco por planta do tratamento LB foi o máis alto, que foi de 101 g. Tamén houbo diferenzas significativas entre os dous grupos. Non houbo diferenzas significativas no contido de materia seca entre os tratamentos CK e LB. O contido de MB foi un 4,24 % maior que nos tratamentos CK e LB. Houbo diferenzas significativas na eficiencia do uso da luz entre os tres tratamentos. A maior eficiencia do uso da luz foi no tratamento LB, que foi de 13,23 g/mol, e a máis baixa no tratamento CK, que foi de 10,72 g/mol.

●Resultados da segunda rolda de probas

Na Táboa 3 pódese observar que a altura da planta de Pakchoi tratada con MB foi significativamente maior que a de CK, e non houbo diferenzas significativas entre este e o tratamento con LB. O número de follas de Pakchoi tratadas con LB e MB foi significativamente maior que o con CK, pero non houbo diferenzas significativas entre os dous grupos de tratamentos de luz suplementarios. Houbo diferenzas significativas no peso fresco por planta entre os tres tratamentos. O peso fresco por planta en CK foi o máis baixo, con 47 g, e o tratamento con MB foi o máis alto, con 116 g. Non houbo diferenzas significativas no contido de materia seca entre os tres tratamentos. Hai diferenzas significativas na eficiencia de utilización da enerxía lumínica. CK é baixo, con 8,74 g/mol, e o tratamento con MB é o máis alto, con 13,64 g/mol.

Na Táboa 4 pódese observar que non houbo diferenzas significativas na altura da planta de leituga entre os tres tratamentos. O número de follas nos tratamentos LB e MB foi significativamente maior que no CK. Entre elas, o número de follas MB foi o máis alto, con 26. Non houbo diferenzas significativas no número de follas entre os tratamentos LB e MB. O peso fresco por planta dos dous grupos de tratamentos con luz suplementaria foi significativamente maior que o do CK, e o peso fresco por planta foi o máis alto no tratamento MB, que foi de 133 g. Tamén houbo diferenzas significativas entre os tratamentos LB e MB. Houbo diferenzas significativas no contido de materia seca entre os tres tratamentos, e o contido de materia seca do tratamento LB foi o máis alto, que foi do 4,05 %. A eficiencia de utilización da enerxía lumínica do tratamento MB é significativamente maior que a do tratamento CK e LB, que é de 12,67 g/mol.

Durante a segunda rolda de experimentos, o DLI total do grupo de luz suplementaria foi moito maior que o DLI durante o mesmo número de días de colonización durante a primeira rolda de experimentos (Figura 1-2) e o tempo de luz suplementaria do grupo de tratamento con luz suplementaria na segunda rolda de experimentos (4:00-00-17:00). En comparación coa primeira rolda de experimentos (6:30-17:00), aumentou en 2,5 horas. O tempo de colleita das dúas roldas de Pakchoi foi de 35 días despois da plantación. O peso fresco das plantas individuais de CK nas dúas roldas foi similar. A diferenza no peso fresco por planta no tratamento LB e MB en comparación con CK na segunda rolda de experimentos foi moito maior que a diferenza no peso fresco por planta en comparación con CK na primeira rolda de experimentos (Táboa 1, Táboa 3). O tempo de colleita da segunda rolda de leituga experimental foi de 42 días despois da plantación e o tempo de colleita da primeira rolda de leituga experimental foi de 46 días despois da plantación. O número de días de colonización cando se colleitou a segunda rolda de leituga experimental CK foi 4 días menor que o da primeira rolda, pero o peso fresco por planta é 1,57 veces maior que o da primeira rolda de experimentos (Táboa 2 e Táboa 4), e a eficiencia de utilización da enerxía luminosa é similar. Pódese observar que a medida que a temperatura se quenta gradualmente e a luz natural no invernadoiro aumenta gradualmente, o ciclo de produción de leituga acúrtase.

Materiais e métodos
As dúas roldas de probas cubriron basicamente todo o inverno en Shanghai, e o grupo de control (CK) foi capaz de restaurar relativamente o estado de produción real de talo verde hidropónico e leituga no invernadoiro a baixas temperaturas e pouca luz solar no inverno. O grupo experimental con suplemento de luz tivo un efecto de promoción significativo no índice de datos máis intuitivo (peso fresco por planta) nas dúas roldas de experimentos. Entre eles, o efecto de aumento do rendemento do Pakchoi reflectiuse no tamaño, cor e grosor das follas ao mesmo tempo. Pero a leituga tende a aumentar o número de follas e a forma da planta parece máis completa. Os resultados das probas mostran que a suplementación con luz pode mellorar o peso fresco e a calidade do produto na plantación das dúas categorías de hortalizas, aumentando así a comercialidade dos produtos vexetais. Os módulos de luz LED superiores Pakchoi suplementados por vermello-branco, azul baixo e vermello-branco, azul medio son dun verde máis escuro e brillante en aparencia que as follas sen luz suplementaria, as follas son máis grandes e grosas e a tendencia de crecemento de todo o tipo de planta é máis compacta e vigorosa. Non obstante, a "leituga mosaico" pertence ás verduras de folla verde clara e non hai un proceso evidente de cambio de cor no proceso de crecemento. O cambio de cor da folla non é obvio para o ollo humano. A proporción axeitada de luz azul pode promover o desenvolvemento das follas e a síntese de pigmentos fotosintéticos e inhibir o alongamento internodal. Polo tanto, as verduras do grupo de suplementos lumínicos son máis favorecidas polos consumidores en canto á calidade da aparencia.

Durante a segunda rolda da proba, a cantidade total acumulada diaria de luz do grupo de luz suplementaria foi moito maior que o DLI durante o mesmo número de días de colonización durante a primeira rolda do experimento (Figura 1-2), e o tempo de luz suplementaria da segunda rolda do grupo de tratamento con luz suplementaria (4:00-17:00), en comparación coa primeira rolda do experimento (6:30-17:00), aumentou en 2,5 horas. O tempo de colleita das dúas roldas de Pakchoi foi de 35 días despois da plantación. O peso fresco de CK nas dúas roldas foi similar. A diferenza no peso fresco por planta entre o tratamento LB e MB e CK na segunda rolda de experimentos foi moito maior que a diferenza no peso fresco por planta con CK na primeira rolda de experimentos (Táboa 1 e Táboa 3). Polo tanto, ampliar o tempo de suplemento de luz pode promover o aumento da produción de Pakchoi hidropónico cultivado en interiores no inverno. O tempo de colleita da segunda rolda de leituga experimental foi 42 días despois da plantación, e o tempo de colleita da primeira rolda de leituga experimental foi 46 días despois da plantación. Cando se colleitou a segunda rolda de leituga experimental, o número de días de colonización do grupo CK foi 4 días menor que o da primeira rolda. Non obstante, o peso fresco dunha soa planta foi 1,57 veces maior que o da primeira rolda de experimentos (Táboa 2 e Táboa 4). A eficiencia de utilización da enerxía lumínica foi similar. Pódese observar que a medida que a temperatura aumenta lentamente e a luz natural no invernadoiro aumenta gradualmente (Figura 1-2), o ciclo de produción de leituga pódese acurtar en consecuencia. Polo tanto, engadir equipos de iluminación suplementarios ao invernadoiro no inverno con baixa temperatura e pouca luz solar pode mellorar eficazmente a eficiencia da produción de leituga e, a continuación, aumentar a produción. Na primeira rolda de experimentos, o consumo de enerxía de luz suplementaria da planta de menú de follas foi de 0,95 kW-h, e na segunda rolda de experimentos, o consumo de enerxía de luz suplementaria da planta de menú de follas foi de 1,15 kW-h. En comparación entre as dúas roldas de experimentos, o consumo de luz dos tres tratamentos de Pakchoi, a eficiencia de utilización de enerxía no segundo experimento foi menor que no primeiro experimento. A eficiencia de utilización de enerxía lumínica dos grupos de tratamento de luz suplementaria de leituga CK e LB no segundo experimento foi lixeiramente menor que a do primeiro experimento. Dedúcese que a posible razón é que a baixa temperatura media diaria dentro dunha semana despois da plantación fai que o período de plántula lenta sexa máis longo e, aínda que a temperatura repuntou un pouco durante o experimento, o rango foi limitado e a temperatura media diaria xeral seguía sendo baixa, o que restrinxiu a eficiencia de utilización de enerxía lumínica durante o ciclo de crecemento xeral para a hidroponía de hortalizas de folla. (Figura 1).

Durante o experimento, a piscina da solución nutritiva non estaba equipada con equipos de quecemento, polo que o ambiente das raíces das verduras de folla hidropónicas sempre estivo a un nivel de temperatura baixo e a temperatura media diaria foi limitada, o que provocou que as verduras non aproveitasen plenamente o aumento acumulativo diario da luz ao ampliar a luz suplementaria LED. Polo tanto, ao suplementar a luz no invernadoiro no inverno, é necesario considerar medidas axeitadas de conservación da calor e quecemento para garantir o efecto de suplementar a luz para aumentar a produción. Polo tanto, é necesario considerar medidas axeitadas de conservación da calor e aumento da temperatura para garantir o efecto do suplemento de luz e o aumento do rendemento no invernadoiro de inverno. O uso de luz suplementaria LED aumentará o custo de produción ata certo punto, e a produción agrícola en si non é unha industria de alto rendemento. Polo tanto, en canto a como optimizar a estratexia de luz suplementaria e cooperar con outras medidas na produción real de verduras de folla hidropónicas no invernadoiro de inverno, e como usar o equipo de luz suplementaria para lograr unha produción eficiente e mellorar a eficiencia da utilización da enerxía lumínica e os beneficios económicos, aínda necesita máis experimentos de produción.

Autores: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Fonte do artigo: Tecnoloxía da enxeñaría agrícola (horticultura de invernadoiro).

Referencias:
[1] Jianfeng Dai, Práctica de aplicación de LED hortícolas de Philips na produción en invernadoiros [J]. Tecnoloxía de enxeñaría agrícola, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin e outros. Estado da aplicación e perspectivas da tecnoloxía de suplementos lumínicos para froitas e verduras protexidas [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao e outros. Estado da investigación e das aplicacións e estratexia de desenvolvemento da iluminación de plantas [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi e outros. Aplicación da fonte de luz e do control da calidade da luz na produción de hortalizas en invernadoiro [J]. Vexetais chineses, 2012 (2): 1-7