Изследване на ефекта на допълнителната светодиодна светлина върху ефекта на увеличаване на добива на хидропонна маруля и пакчой в оранжерия през зимата
[Резюме] Зимата в Шанхай често се сблъсква с ниски температури и слабо слънчево греене, а растежът на хидропонните листни зеленчуци в оранжерията е бавен и производственият цикъл е дълъг, което не може да отговори на търсенето на предлагане на пазара. През последните години LED допълнителните осветителни тела за растения започнаха да се използват в оранжерийното отглеждане и производство, до известна степен, за да компенсират дефекта, че ежедневната натрупана светлина в оранжерията не може да отговори на нуждите на растежа на културите, когато естествената светлина е недостатъчно. В експеримента два вида LED допълнителни светлини с различно качество на светлината бяха инсталирани в оранжерията, за да се извърши проучвателният експеримент за увеличаване на производството на хидропонна маруля и зелено стъбло през зимата. Резултатите показаха, че двата вида LED светлини могат значително да увеличат прясното тегло на растение пакчой и маруля. Увеличаващият добива ефект на pakchoi се отразява главно в подобряването на цялостното сензорно качество, като уголемяване и удебеляване на листата, а ефектът на увеличаване на добива на марулята се отразява главно в увеличаването на броя на листата и съдържанието на сухо вещество.

Светлината е незаменима част от растежа на растенията. През последните години LED светлините се използват широко в отглеждането и производството в оранжерийна среда поради високия им коефициент на фотоелектрическо преобразуване, персонализиран спектър и дълъг експлоатационен живот [1]. В чужди страни, поради ранното начало на свързани изследвания и зрялата поддържаща система, много широкомащабно производство на цветя, плодове и зеленчуци имат относително завършени стратегии за леки добавки. Натрупването на голямо количество действителни производствени данни също позволява на производителите ясно да предвидят ефекта от увеличаване на производството. В същото време се оценява възвръщаемостта след използване на LED допълнителна светлинна система [2]. Повечето от настоящите местни изследвания на допълнителната светлина обаче са предубедени към качеството на светлината в малък мащаб и спектралната оптимизация и им липсват стратегии за допълнителна светлина, които могат да се използват в реално производство[3]. Много местни производители ще използват директно съществуващите чуждестранни решения за допълнително осветление, когато прилагат технология за допълнително осветление в производството, независимо от климатичните условия на производствената зона, видовете произвеждани зеленчуци и условията на съоръженията и оборудването. В допълнение, високата цена на допълнително осветително оборудване и високата консумация на енергия често водят до огромна разлика между действителния добив на културата и икономическата възвръщаемост и очаквания ефект. Такава текуща ситуация не е благоприятна за развитието и популяризирането на технологията за допълване на светлината и увеличаване на производството в страната. Поради това е спешна необходимост разумно да се поставят зрели LED допълнителни светлинни продукти в реални местни производствени среди, да се оптимизират стратегиите за използване и да се натрупат подходящи данни.

Зимата е сезонът, когато пресните листни зеленчуци са много търсени. Оранжериите могат да осигурят по-подходяща среда за растеж на листни зеленчуци през зимата, отколкото полетата за отглеждане на открито. В една статия обаче се посочва, че някои застаряващи или лошо чисти оранжерии имат пропускливост на светлина под 50% през зимата. В допълнение, дългосрочно дъждовно време също е предразположено да настъпи през зимата, което прави оранжерията в ниско- температура и среда с ниска осветеност, което влияе върху нормалния растеж на растенията. Светлината се превърна в ограничаващ фактор за растежа на зеленчуците през зимата [4]. Зеленият куб, който е пуснат в реално производство, се използва в експеримента. Системата за засаждане на листни зеленчуци с плитък течен поток е съчетана с двата горни светодиодни светлинни модула на Signify (China) Investment Co., Ltd. с различни съотношения на синя светлина. Засаждането на маруля и пакчои, които са два листни зеленчуци с по-голямо пазарно търсене, има за цел да проучи действителното увеличение на производството на хидропонни листни зеленчуци чрез LED осветление в зимната оранжерия.

Материали и методи
Материали, използвани за теста

Материалите за изпитване, използвани в експеримента, са маруля и зеленчуци packchoi. Сортът маруля, Green Leaf Lettuce, идва от Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., а сортът pakchoi, Brilliant Green, идва от Института по градинарство на Шанхайската академия на селскостопанските науки.

Експериментален метод

Експериментът е проведен в стъклена оранжерия тип Wenluo на база Sunqiao на Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd. от ноември 2019 г. до февруари 2020 г. Бяха проведени общо два кръга от повторени експерименти. Първият кръг от експеримента беше в края на 2019 г., а вторият кръг беше в началото на 2020 г. След засяването експерименталните материали бяха поставени в помещението с изкуствен светлинен климат за отглеждане на разсад и беше използвано напояване с прилив. По време на периода на отглеждане на разсад за напояване се използва общият хранителен разтвор на хидропонни зеленчуци с EC 1,5 и pH 5,5. След като разсадът порасна до 3 листа и 1 стадий на сърце, той беше засаден върху лехата за засаждане на листни зеленчуци със зелени кубчета. След засаждането системата за циркулация на хранителен разтвор с плитък поток използва хранителен разтвор с EC 2 и pH 6 за ежедневно напояване. Честотата на напояване беше 10 минути при подаване на вода и 20 минути при спряно подаване на вода. Контролната група (без добавка за светлина) и групата за лечение (добавка за LED светлина) бяха определени в експеримента. CK беше засаден в стъклена оранжерия без добавка на светлина. LB: drw-lb Ho (200W) се използва за допълване на светлината след засаждане в стъклена оранжерия. Плътността на светлинния поток (PPFD) на повърхността на хидропонния зеленчуков балдахин е около 140 μmol/(㎡·S). MB: след засаждане в стъклена оранжерия, drw-lb (200W) беше използван за допълване на светлината, а PPFD беше около 140 μmol/(㎡·S).

Първият кръг от експерименталната дата на засаждане е 8 ноември 2019 г., а датата на засаждане е 25 ноември 2019 г. Времето за добавяне на светлина на тестовата група е 6:30-17:00; датата на втория кръг от експерименталното засаждане е 30 декември 2019 г., датата на засаждане е 17 януари 2020 г., а времето за добавяне на експерименталната група е 4:00-17:00
При слънчево време през зимата оранжерията ще отвори люка, страничния филм и вентилатора за ежедневна вентилация от 6:00-17:00 часа. Когато температурата е ниска през нощта, оранжерията ще затвори капандурата, страничния ролков филм и вентилатора в 17:00-6:00 (на следващия ден) и ще отвори топлоизолационната завеса в оранжерията за нощно запазване на топлината.

Събиране на данни

Височината на растението, броят на листата и прясното тегло на растение са получени след прибиране на надземните части на Qingjingcai и маруля. След измерване на прясното тегло, той се поставя в пещ и се суши при 75 ℃ в продължение на 72 часа. След края се определя сухото тегло. Температурата в оранжерията и плътността на фотосинтетичния фотонен поток (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) се събират и записват на всеки 5 минути от температурния сензор (RS-GZ-N01-2) и фотосинтетично активния сензор за радиация (GLZ-CG).

Анализ на данни

Изчислете ефективността на използване на светлината (LUE, Light Use Efficiency) по следната формула:
LUE (g/mol) = добив на зеленчуци на единица площ/общото кумулативно количество светлина, получено от зеленчуци на единица площ от засаждането до прибирането на реколтата
Изчислете съдържанието на сухо вещество по следната формула:
Съдържание на сухо вещество (%) = сухо тегло на растение/прясно тегло на растение x 100%
Използвайте Excel2016 и IBM SPSS Statistics 20, за да анализирате данните в експеримента и да анализирате значимостта на разликата.

Материали и методи
Светлина и температура

Първият кръг от експеримента отне 46 дни от засаждането до прибирането на реколтата, а вторият кръг отне 42 дни от засаждането до прибирането на реколтата. По време на първия кръг от експеримента средната дневна температура в оранжерията беше предимно в диапазона 10-18 ℃; по време на втория кръг от експеримента колебанията на средната дневна температура в оранжерията бяха по-сериозни от тези по време на първия кръг от експеримента, с най-ниската средна дневна температура от 8,39 ℃ и най-високата средна дневна температура от 20,23 ℃. Средната дневна температура показва обща възходяща тенденция по време на процеса на растеж (фиг. 1).

По време на първия кръг от експеримента, дневният светлинен интеграл (DLI) в оранжерия варира по-малко от 14 mol/(㎡·D). По време на втория кръг от експеримента дневното кумулативно количество естествена светлина в оранжерията показа обща възходяща тенденция, която беше по-висока от 8 mol/(㎡·D), а максималната стойност се появи на 27 февруари 2020 г., която беше 26,1 mol /(㎡·D). Промяната на дневното кумулативно количество естествена светлина в оранжерията по време на втория кръг на експеримента е по-голяма от тази по време на първия кръг на експеримента (фиг. 2). По време на първия кръг от експеримента общото дневно кумулативно количество светлина (сумата от естествена светлина DLI и led допълнителна светлина DLI) на групата с допълнителна светлина беше по-високо от 8 mol/(㎡·D) през повечето време. По време на втория кръг на експеримента общото дневно натрупано количество светлина от групата с допълнителна светлина беше повече от 10 mol/(㎡·D) през повечето време. Общото натрупано количество допълнителна светлина във втория кръг е с 31,75 mol/㎡ повече от това в първия кръг.

Добив на листни зеленчуци и ефективност на използване на светлинна енергия

●Първи кръг от резултатите от теста
Може да се види от фиг. 3, че пакчой с добавка на LED расте по-добре, формата на растението е по-компактна, а листата са по-големи и по-дебели от CK без добавки. Листата на LB и MB pakchoi са по-ярки и по-тъмнозелени от CK. Може да се види от фиг. 4, че марулята с LED допълнителна светлина расте по-добре от CK без допълнителна светлина, броят на листата е по-голям и формата на растението е по-пълна.

Може да се види от таблица 1, че няма значителна разлика във височината на растението, броя на листата, съдържанието на сухо вещество и ефективността на използване на светлинната енергия на pakchoi, третиран с CK, LB и MB, но прясното тегло на pakchoi, третиран с LB и MB, е значително по-висока от тази на CK; Няма значителна разлика в свежото тегло на растение между двете LED лампи за отглеждане с различни съотношения на синя светлина при третирането на LB и MB.

Може да се види от таблица 2, че височината на растението на маруля при третиране с LB е значително по-висока от тази при третиране с CK, но няма значителна разлика между третиране с LB и третиране с MB. Имаше значителни разлики в броя на листата между трите лечения, а броят на листата при третиране с MB беше най-висок, който беше 27. Свежото тегло на растение при третиране с LB беше най-високо, което беше 101 g. Имаше и значителна разлика между двете групи. Няма значителна разлика в съдържанието на сухо вещество между третирането с CK и LB. Съдържанието на MB е с 4,24% по-високо от лечението с CK и LB. Имаше значителни разлики в ефективността на използването на светлина между трите лечения. Най-високата ефективност на използване на светлина е при лечението с LB, която е 13,23 g/mol, а най-ниската е при лечението с CK, която е 10,72 g/mol.

●Втори кръг на резултатите от теста

Може да се види от таблица 3, че височината на растението на Pakchoi, третирано с MB, е значително по-висока от тази на CK и няма значителна разлика между него и лечението с LB. Броят на листата на Pakchoi, третирани с LB и MB, е значително по-висок от този с CK, но няма значителна разлика между двете групи на допълнително лечение със светлина. Има значителни разлики в прясното тегло на растение между трите третирания. Свежото тегло на растение в CK е най-ниското при 47 g, а третирането с MB е най-високото при 116 g. Няма значителна разлика в съдържанието на сухо вещество между трите третирания. Има значителни разлики в ефективността на използване на светлинната енергия. CK е ниска при 8,74 g/mol, а лечението с MB е най-високо при 13,64 g/mol.

Може да се види от таблица 4, че няма значителна разлика във височината на растението на марулята между трите третирания. Броят на листата при лечения с LB и MB е значително по-висок от този при CK. Сред тях броят на листата на MB е най-високият - 26. Няма значителна разлика в броя на листата между леченията с LB и MB. Прясното тегло на растение от двете групи допълнителни светлинни обработки е значително по-високо от това на CK, а прясното тегло на растение е най-високо при MB лечение, което е 133 g. Има също значителни разлики между лечението с LB и MB. Има значителни разлики в съдържанието на сухо вещество между трите третирания, а съдържанието на сухо вещество при третирането с LB е най-високо, което е 4,05%. Ефективността на използване на светлинната енергия при лечението с MB е значително по-висока от тази при лечението с CK и LB, което е 12,67 g/mol.

По време на втория кръг от експеримента общият DLI на групата с допълнителна светлина беше много по-висок от DLI по време на същия брой дни на колонизация по време на първия кръг от експеримента (Фигура 1-2), а времето за допълнителна светлина на допълнителната светлина група за лечение във втория кръг на експеримента (4:00-00-17:00). В сравнение с първия кръг от експеримента (6:30-17:00), той се е увеличил с 2,5 часа. Времето за прибиране на реколтата от двата кръга Pakchoi беше 35 дни след засаждането. Свежото тегло на CK отделно растение в двата цикъла беше подобно. Разликата в свежото тегло на растение при третиране с LB и MB в сравнение с CK във втория кръг от експерименти беше много по-голяма от разликата в прясното тегло на растение в сравнение с CK в първия кръг от експерименти (Таблица 1, Таблица 3). Времето за прибиране на реколтата от втория кръг на експерименталната маруля беше 42 дни след засаждането, а времето за прибиране на реколтата от първия кръг от експерименталната маруля беше 46 дни след засаждането. Броят на дните на колонизация, когато вторият кръг от експериментална маруля CK е събран, е с 4 дни по-малък от този на първия кръг, но прясното тегло на растение е 1,57 пъти по-голямо от това от първия кръг от експерименти (Таблица 2 и Таблица 4), и ефективността на използване на светлинната енергия е подобна. Може да се види, че тъй като температурата постепенно се затопля и естествената светлина в оранжерията постепенно се увеличава, производственият цикъл на марулята се съкращава.

Материали и методи
Двата кръга на тестване основно обхващат цялата зима в Шанхай и контролната група (CK) успява относително да възстанови действителния статус на производство на хидропонно зелено стъбло и маруля в оранжерията при ниска температура и слаба слънчева светлина през зимата. Експерименталната група с лека добавка имаше значителен промоционален ефект върху най-интуитивния индекс на данните (свежо тегло на растение) в двата кръга от експерименти. Сред тях, ефектът на увеличаване на добива на Pakchoi се отразява едновременно в размера, цвета и дебелината на листата. Но марулята има тенденция да увеличава броя на листата и формата на растението изглежда по-пълна. Резултатите от теста показват, че леките добавки могат да подобрят прясното тегло и качеството на продукта при засаждането на двете категории зеленчуци, като по този начин се увеличи търговската реализация на зеленчуковите продукти. Pakchoi, допълнен от Червено-бели, слабо сини и червено-бели, средно сини LED модули за горна светлина са по-тъмнозелени и лъскави на външен вид от листата без допълнителна светлина, листата са по-големи и по-дебели и тенденцията на растеж на целият вид растение е по-компактен и енергичен. „Мозаечната маруля“ обаче принадлежи към светлозелените листни зеленчуци и няма очевиден процес на промяна на цвета в процеса на растеж. Промяната в цвета на листата не е очевидна за човешкото око. Подходящото съотношение на синята светлина може да насърчи развитието на листата и синтеза на фотосинтетични пигменти и да инхибира удължаването на междувъзлията. Следователно, зеленчуците в групата на леките добавки са по-предпочитани от потребителите по отношение на качеството на външен вид.

По време на втория кръг на теста общото дневно кумулативно количество светлина на групата с допълнителна светлина беше много по-високо от DLI по време на същия брой дни на колонизация по време на първия кръг на експеримента (Фигура 1-2) и допълнителната светлина времето на втория кръг от групата с допълнителна светлина (4: 00-17: 00), в сравнение с първия кръг на експеримента (6: 30-17: 00), то се е увеличило с 2,5 часа. Времето за прибиране на реколтата от двата кръга Pakchoi беше 35 дни след засаждането. Прясното тегло на CK в двата рунда беше подобно. Разликата в свежото тегло на растение между третирането с LB и MB и CK във втория кръг от експерименти беше много по-голяма от разликата в прясното тегло на растение с CK в първия кръг от експерименти (Таблица 1 и Таблица 3). Следователно удължаването на времето за добавяне на светлина може да насърчи увеличаването на производството на хидропонни Pakchoi, култивирани на закрито през зимата. Времето за прибиране на реколтата от втория кръг на експерименталната маруля беше 42 дни след засаждането, а времето за прибиране на реколтата от първия кръг от експерименталната маруля беше 46 дни след засаждането. Когато вторият кръг от експериментална маруля беше събран, броят на дните на колонизация на CK групата беше с 4 дни по-малък от този на първия кръг. Въпреки това, прясното тегло на едно растение е 1,57 пъти по-голямо от това от първия кръг от експерименти (Таблица 2 и Таблица 4). Ефективността на използване на светлинната енергия е подобна. Може да се види, че тъй като температурата бавно се повишава и естествената светлина в оранжерията постепенно се увеличава (Фигура 1-2), производственият цикъл на марулята може да бъде съответно съкратен. Следователно добавянето на допълнително осветително оборудване към оранжерията през зимата при ниска температура и слаба слънчева светлина може ефективно да подобри производствената ефективност на марулята и след това да увеличи производството. В първия кръг от експеримента консумацията на енергия на светлина с добавка на листното меню беше 0,95 kw-h, а във втория кръг на експеримента консумацията на енергия на светлина с добавка на растението с листно меню беше 1,15 kw-h. В сравнение между двата кръга от експерименти, консумацията на светлина при трите лечения на Pakchoi, ефективността на използване на енергията във втория експеримент е по-ниска от тази в първия експеримент. Ефективността на използване на светлинната енергия на групите за допълнителна светлинна обработка с маруля CK и LB във втория експеримент е малко по-ниска от тази в първия експеримент. Предполага се, че възможната причина е, че ниската средна дневна температура в рамките на една седмица след засаждането прави бавния период на разсад по-дълъг и въпреки че температурата се възстанови малко по време на експеримента, диапазонът беше ограничен и общата средна дневна температура беше все още на ниско ниво, което ограничава ефективността на използване на светлинната енергия по време на цялостния цикъл на растеж за хидропоника на листни зеленчуци. (Фигура 1).

По време на експеримента басейнът с хранителен разтвор не беше оборудван с оборудване за затопляне, така че кореновата среда на хидропонните листни зеленчуци винаги беше на ниско температурно ниво, а средната дневна температура беше ограничена, което накара зеленчуците да не се възползват напълно от дневната кумулативна светлина, увеличена чрез удължаване на допълнителната LED светлина. Следователно, когато се добавя светлина в оранжерията през зимата, е необходимо да се обмислят подходящи мерки за запазване на топлината и отопление, за да се гарантира ефектът от добавянето на светлина за увеличаване на производството. Следователно е необходимо да се обмислят подходящи мерки за запазване на топлината и повишаване на температурата, за да се осигури ефектът от добавянето на светлина и увеличаването на добива в зимната оранжерия. Използването на LED допълнителна светлина ще увеличи производствените разходи до известна степен, а самото селскостопанско производство не е отрасъл с висока доходност. Следователно по отношение на това как да се оптимизира стратегията за допълнителна светлина и да се сътрудничи с други мерки в действителното производство на хидропонни листни зеленчуци в зимна оранжерия и как да се използва оборудването за допълнителна светлина за постигане на ефективно производство и подобряване на ефективността на използването на светлинна енергия и икономически ползи , все още се нуждае от допълнителни производствени експерименти.

Автори: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Източник на статията: Технология на селскостопанското инженерство (оранжерийно градинарство).

препратки:
[1] Jianfeng Dai, практика на Philips за градинарско приложение на светодиоди в оранжерийно производство [J]. Технология на селското стопанство, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin и др. Състояние на приложението и перспектива за технология за леки добавки за защитени плодове и зеленчуци [J]. Северно градинарство, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao и др. Статут на изследване и приложение и стратегия за развитие на осветлението на растенията [J]. Вестник по осветителна техника, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi и др. Приложение на светлинен източник и контрол на качеството на светлината в оранжерийното зеленчукопроизводство [J]. Китайски зеленчук, 2012 (2): 1-7