Изследване на ефекта на допълнителната LED светлина върху повишаването на добива от хидропонна маруля и пакчой в оранжерии през зимата
[Резюме] Зимата в Шанхай често се характеризира с ниски температури и слабо слънчево греене, а растежът на хидропонните листни зеленчуци в оранжериите е бавен, а производственият цикъл е дълъг, което не може да отговори на търсенето на пазара. През последните години в оранжерийното отглеждане и производство започнаха да се използват допълнителни LED осветителни тела за растения, до известна степен, за да компенсират недостатъка, че ежедневно натрупаната светлина в оранжерията не може да отговори на нуждите на растежа на културите, когато естествената светлина е недостатъчна. В експеримента в оранжерията бяха инсталирани два вида допълнителни LED осветителни тела с различно качество на светлината, за да се проведе изследователският експеримент за увеличаване на производството на хидропонна маруля и зелени стъбла през зимата. Резултатите показват, че двата вида LED осветителни тела могат значително да увеличат свежото тегло на растение пакчой и маруля. Повишаващият добив ефект на пакчой се отразява главно в подобряването на общите сензорни качества, като уголемяване и удебеляване на листата, а повишаващият добив ефект на марулята се отразява главно в увеличаването на броя на листата и съдържанието на сухо вещество.

Светлината е неразделна част от растежа на растенията. През последните години LED лампите се използват широко в отглеждането и производството в оранжерийна среда поради високия им коефициент на фотоелектрично преобразуване, персонализируемия спектър и дългия експлоатационен живот [1]. В чужбина, поради ранното начало на свързаните изследвания и зрялата поддържаща система, много големи производители на цветя, плодове и зеленчуци имат относително пълни стратегии за добавяне на светлина. Натрупването на голямо количество данни за действителното производство също така позволява на производителите ясно да прогнозират ефекта от увеличаването на производството. В същото време се оценява възвръщаемостта след използване на LED системата за допълнително осветление [2]. Въпреки това, повечето от настоящите местни изследвания върху допълнителното осветление са насочени към качеството на светлината в малък мащаб и спектралната оптимизация и липсват стратегии за допълнително осветление, които могат да се използват в реалното 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 производствения район, видовете произвеждани зеленчуци и състоянието на съоръженията и оборудването. Освен това, високата цена на допълнителното осветително оборудване и високата консумация на енергия често водят до огромна разлика между действителния добив на реколтата и икономическата възвръщаемост и очаквания ефект. Тази настояща ситуация не е благоприятна за развитието и популяризирането на технологиите за допълнително осветление и увеличаване на производството в страната. Следователно е спешно необходимо разумно внедряване на зрели LED продукти за допълнително осветление в реални домашни производствени среди, оптимизиране на стратегиите за употреба и натрупване на подходящи данни.

Зимата е сезонът, когато пресните листни зеленчуци са с голямо търсене. Оранжериите могат да осигурят по-подходяща среда за растеж на листни зеленчуци през зимата, отколкото полетата, отглеждани на открито. В една статия обаче се посочва, че някои стареещи или лошо почистени оранжерии имат пропускливост на светлината под 50% през зимата. Освен това, през зимата е предразположено и дългосрочно дъждовно време, което прави оранжерията в среда с ниски температури и слаба светлина, което влияе върху нормалния растеж на растенията. Светлината се е превърнала в ограничаващ фактор за растежа на зеленчуците през зимата [4]. В експеримента се използва Green Cube, който е пуснат в реално производство. Системата за засаждане на листни зеленчуци с плитък течен поток е съчетана с два LED модула за горно осветление на Signify (China) Investment Co., Ltd. с различни съотношения на синя светлина. Засаждането на маруля и пакчой, които са два листни зеленчука с по-голямо пазарно търсене, има за цел да проучи реалното увеличение на производството на хидропонни листни зеленчуци чрез LED осветление в зимната оранжерия.

Материали и методи
Материали, използвани за теста

Тестовите материали, използвани в експеримента, бяха маруля и зеленчуци пакчой. Сортът маруля „Зелена листна салата“ идва от Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., а сортът пакчой „Брилянтно зелено“ идва от Института по градинарство към Шанхайската академия по селскостопански науки.

Експериментален метод

Експериментът е проведен в стъклена оранжерия тип Wenluo на базата Sunqiao на Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. от ноември 2019 г. до февруари 2020 г. Проведени са общо два кръга от повторни експерименти. Първият кръг от експеримента е проведен в края на 2019 г., а вторият кръг - в началото на 2020 г. След засяването експерименталните материали са поставени в помещение с изкуствена светлина за отглеждане на разсад и е използвано напояване при прилив и отлив. По време на периода на отглеждане на разсад за напояване е използван общ хранителен разтвор от хидропонни зеленчуци с EC 1,5 и pH 5,5. След като разсадът порасне до 3 листа и 1 сърцевидна фаза, той е засаден в лехата за засаждане на листни зеленчуци тип Green Cube Track с плитък поток. След засаждането, системата за циркулация на хранителен разтвор с плитък поток е използвала хранителен разтвор с EC 2 и pH 6 за ежедневно напояване. Честотата на напояване е била 10 минути с водоподаване и 20 минути със спряно водоподаване. В експеримента бяха определени контролната група (без добавка на светлина) и третираната група (добавка с LED светлина). CK беше засадена в стъклена оранжерия без добавка на светлина. LB: drw-lb Ho (200W) беше използван за допълване на светлината след засаждане в стъклена оранжерия. Плътността на светлинния поток (PPFD) върху повърхността на хидропонния зеленчуков лист беше около 140 μmol/(㎡·S). MB: след засаждане в стъклената оранжерия, drw-lb (200W) беше използван за допълване на светлината и 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 допълнително осветление на тестовата група е 6:30-17:00; вторият кръг от експерименталната дата на засаждане е 30 декември 2019 г., датата на засаждане е 17 януари 2020 г., а времето за допълнително осветление на експерименталната група е 4:00-17:00.
При слънчево зимно време, оранжерията ще отвори люка на покрива, страничното фолио и вентилатора за ежедневно проветряване от 6:00 до 17:00 часа. Когато температурата е ниска през нощта, оранжерията ще затвори покривния прозорец, страничното фолио и вентилатора от 17:00 до 6:00 часа (на следващия ден) и ще отвори топлоизолационната завеса в оранжерията за запазване на топлината през нощта.

Събиране на данни

Височината на растенията, броят на листата и свежо тегло на растение бяха получени след прибиране на надземните части на Qingjingcai и марулята. След измерване на свежо тегло, то беше поставено в сушилня и изсушено при 75℃ в продължение на 72 часа. След края беше определено 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 сензора за фотосинтетично активно лъчение (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 зеленчуците на единица площ от засаждането до прибирането на реколтата
Съдържанието на сухо вещество се изчислява 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 от 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, отколкото по време на първия кръг от експеримента, с най-ниска средна дневна температура от 8,39 ℃ и най-висока средна дневна температура от 20,23 ℃. Средната дневна температура показа обща възходяща тенденция по време на процеса на растеж (фиг. 1).

По време на първия кръг от експеримента, дневният светлинен интеграл (DLI) в оранжерията се колебаеше с 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 в дневното кумулативно количество естествена светлина в оранжерията по време на втория кръг от експеримента беше по-голяма от тази по време на първия кръг от експеримента (фиг. 2). По време на първия кръг от експеримента, общото дневно кумулативно количество светлина (сумата от DLI на естествена светлина и DLI на допълнителна светодиодна светлина) на групата с допълнителна светлина беше по-висока от 8 mol/(㎡·D) през повечето време. По време на втория кръг от експеримента, общото дневно акумулирано количество светлина на 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 светлинната енергия

●Резултати от първия кръг на тестовете
От Фиг. 3 може да се види, че пакчой с добавка на LED расте по-добре, формата на растението е по-компактна, а листата са по-големи и по-дебели от тези на недобавената CK. Листата на пакчой LB и MB са по-ярко и по-тъмнозелени от тези на CK. От Фиг. 4 може да се види, че марулята с допълнителна LED светлина расте по-добре от CK без допълнителна светлина, броят на листата е по-голям, а формата на растението е по-пълна.

От Таблица 1 може да се види, че няма съществена разлика във височината на растенията, броя на листата, съдържанието на сухо вещество и ефективността на използване на светлинната енергия на пакчой, третиран с CK, LB и MB, но свежо тегло на пакчой, третиран с LB и MB, е значително по-високо от това на CK; Няма съществена разлика в свежо тегло на растение между двете LED лампи за отглеждане с различни съотношения на синя светлина при третирането с LB и MB.

От таблица 2 може да се види, че височината на растенията на марулята при третиране с LB е била значително по-висока от тази при третиране с CK, но няма съществена разлика между третиране с LB и третиране с MB. Имало е значителни разлики в броя на листата между трите третирания, като броят на листата при третиране с MB е бил най-висок - 27. Свежо тегло на растение при третиране с LB е било най-високо - 101 g. Имало е и значителна разлика между двете групи. Нямало е съществена разлика в съдържанието на сухо вещество между третиранията с CK и LB. Съдържанието на MB е било с 4,24% по-високо от третиранията с CK и LB. Имало е значителни разлики в ефективността на използване на светлината между трите третирания. Най-високата ефективност на използване на светлината е била при третиране с LB, която е била 13,23 g/mol, а най-ниската - при третиране с CK, която е била 10,72 g/mol.

●Резултати от втори кръг от тестове

От Таблица 3 може да се види, че височината на растенията на пакчой, третиран с MB, е била значително по-висока от тази на CK и няма съществена разлика между него и третирането с LB. Броят на листата на пакчой, третирани с LB и MB, е бил значително по-висок от този с CK, но няма съществена разлика между двете групи допълнителни светлинни третирания. Имаше значителни разлики в свежото тегло на растение между трите третирания. Свежо тегло на растение при CK беше най-ниско - 47 g, а при третирането с MB - най-високо - 116 g. Нямаше съществена разлика в съдържанието на сухо вещество между трите третирания. Имаше значителни разлики в ефективността на използване на светлинната енергия. CK е нисък - 8,74 g/mol, а третирането с MB е най-високо - 13,64 g/mol.

От Таблица 4 може да се види, че не е имало съществена разлика във височината на растенията на марулята между трите третирания. Броят на листата при третиранията с LB и MB е бил значително по-висок от този при CK. Сред тях броят на листата с MB е бил най-висок - 26. Няма съществена разлика в броя на листата между третиранията с LB и MB. Свежо тегло на растение при двете групи с допълнителни светлинни третирания е било значително по-високо от това при CK, а свежо тегло на растение е било най-високо при третирането с MB, което е било 133 g. Имало е и значителни разлики между третиранията с LB и MB. Имало е значителни разлики в съдържанието на сухо вещество между трите третирания, като съдържанието на сухо вещество при третирането с LB е било най-високо, което е било 4,05%. Ефективността на използване на светлинната енергия при третирането с MB е значително по-висока от тази при третирането с CK и LB, която 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 през същия брой дни на колонизация по време на първия кръг от експеримента (Фигура 1-2), а времето за допълнителна светлина на групата, третирана с допълнителна светлина, се увеличи във втория кръг от експеримента (4:00-00-17:00). В сравнение с първия кръг от експеримента (6:30-17:00), той се увеличи с 2,5 часа. Времето за прибиране на реколтата от двата кръга Pakchoi беше 35 дни след засаждане. Свежо тегло на отделните растения CK в двата кръга беше сходно. Разликата в свежо 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 свежо тегло на растение в сравнение с CK в първия кръг от експерименти (Таблица 1, Таблица 3). Времето за прибиране на реколтата от втория кръг от експериментална маруля беше 42 дни след засаждането, а времето за прибиране на реколтата от първия кръг от експериментална маруля беше 46 дни след засаждането. Броят на дните на колонизация при втория кръг от експерименталната маруля CK е бил с 4 дни по-малък от този при първия кръг, но прясното тегло на растение е 1,57 пъти по-голямо от това при първия кръг от експерименти (Таблица 2 и Таблица 4), а ефективността на използване на светлинната енергия е подобна. Вижда се, че с постепенното повишаване на температурата и постепенното увеличаване на естествената светлина в оранжерията, производственият цикъл на марулята се скъсява.

Материали и методи
Двата кръга на тестване обхванаха основно цялата зима в Шанхай, а контролната група (CK) успя да възстанови относително действителното състояние на производство на хидропонни зелени стъбла и маруля в оранжерия при ниски температури и слаба слънчева светлина през зимата. Експерименталната група с добавка на светлина имаше значителен стимулиращ ефект върху най-интуитивния индекс на данните (прясно тегло на растение) в двата кръга на експериментите. Сред тях, ефектът от увеличаване на добива на Pakchoi се отрази 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 тестовете показват, че добавката на светлина може да подобри прясното тегло и качеството на продукта при засаждането на двете категории зеленчуци, като по този начин увеличи търговския вид на зеленчуковите продукти. Pakchoi, допълнен с червено-бели, нискосини и червено-бели, средносини 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, а тенденцията на растеж на целия тип растение е по-компактна и енергична. Въпреки това, „мозаечната маруля“ принадлежи към светлозелените листни зеленчуци и няма очевиден процес на промяна на цвета по време на растежа. Промяната в цвета на листата не е очевидна за човешкото око. Подходящото съотношение на синя светлина може да насърчи развитието на листата и синтеза на фотосинтетични пигменти и да потисне удължаването на междувъзлията. Следователно, зеленчуците от групата на светлинните добавки са по-предпочитани от потребителите по отношение на външния им 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), а времето на допълнителна светлина във втория кръг на групата с допълнително третиране със светлина (4:00-17:00), в сравнение с първия кръг на експеримента (6:30-17:00), се увеличи с 2,5 часа. Времето за прибиране на реколтата от двата кръга на пакчой беше 35 дни след засаждането. Свежо тегло на китайската кайма в двата кръга беше сходно. Разликата в свежо тегло на растение между третирането с LB и MB и китайската кайма във втория кръг на експериментите беше много по-голяма от разликата в свежо тегло на растение с китайската кайма в първия кръг на експериментите (Таблица 1 и Таблица 3). Следователно, удължаването на времето на допълнителна светлина може да насърчи увеличаването на производството на хидропонна пакчой, отглеждана на закрито през зимата. Времето за прибиране на реколтата от втория кръг експериментална маруля беше 42 дни след засаждането, а времето за прибиране на реколтата от първия кръг експериментална маруля беше 46 дни след засаждането. Когато беше прибран вторият кръг експериментална маруля, 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 беше 1,57 пъти по-голямо от това на първия кръг експерименти (Таблица 2 и Таблица 4). Ефективността на използване на светлинната енергия беше подобна. Вижда се, че с бавното повишаване на температурата и постепенното увеличаване на естествената светлина в оранжерията (Фигура 1-2), производственият цикъл на марулята може да бъде съответно съкратен. Следователно, добавянето на допълнително осветително оборудване към оранжерията през зимата с ниски температури и слаба слънчева светлина може ефективно да подобри производствената ефективност на марулята и след това да увеличи производството. В първия кръг на експеримента консумацията на енергия от добавената светлина на листното растение беше 0,95 kWh, а във втория кръг на експеримента консумацията на енергия от добавената светлина на листното растение беше 1,15 kWh. В сравнение между двата кръга експерименти, консумацията на светлина при трите третирания с 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 допълнително третиране 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 среднодневна температура в рамките на една седмица след засаждането удължава периода на бавно поникване на разсад и въпреки че температурата се е повишила леко по време на експеримента, диапазонът е ограничен и общата среднодневна температура все още е на ниско ниво, което ограничава ефективността на използване на светлинната енергия по време на целия цикъл на растеж при хидропоника на листни зеленчуци. (Фигура 1).

По време на експеримента басейнът с хранителния разтвор не беше оборудван с отоплително оборудване, така че кореновата среда на хидропонните листни зеленчуци винаги беше на ниско температурно ниво, а средната дневна температура беше ограничена, което доведе до невъзможност зеленчуците да използват пълноценно дневната кумулативна светлина, увеличена чрез удължаване на допълнителното LED осветление. Следователно, при добавяне на светлина в оранжерията през зимата е необходимо да се обмислят подходящи мерки за запазване на топлината и отопление, за да се осигури 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 увеличаване на добива в зимната оранжерия. Използването на допълнително LED осветление ще увеличи производствените разходи до известна степен, а самото селскостопанско производство не е високодобивен отрасъл. Следователно, по отношение на това как да се оптимизира стратегията за допълнително осветление и как да се съчетае с други мерки в реалното производство на хидропонни листни зеленчуци в зимна оранжерия, както и как да се използва допълнителното осветително оборудване за постигане на ефективно производство и подобряване на ефективността на използване на светлинната енергия и икономически ползи, все още са необходими 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).

Референции:
[1] Jianfeng Dai, Практика за приложение на Philips LED осветление в градинарството в оранжерийно производство [J]. Технологии на селскостопанското инженерство, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin и др. Състояние на приложението и перспективи на технологията за светлинни добавки за защитени плодове и зеленчуци [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao и др. Състояние на изследванията и приложенията и стратегия за развитие на растителното осветление [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Джинг Сие, Хоу Ченг Лиу, Уей Сонг Ши и др. Приложение на светлинния източник и контрол на качеството на светлината в оранжерийното производство на зеленчуци [J]. Китайски зеленчуци, 2012 (2): 1-7