Ricerca sull'effetto della luce supplementare a LED sull'effetto di aumento della resa della lattuga idroponica e del pakchoi in serra in inverno
[Riassunto] L'inverno a Shanghai incontra spesso basse temperature e poca luce solare, e la crescita delle verdure a foglia idroponiche nella serra è lenta e il ciclo di produzione è lungo, il che non può soddisfare la domanda di offerta del mercato.Negli ultimi anni, nella coltivazione e nella produzione in serra, si è iniziato ad utilizzare, in una certa misura, l'utilizzo di luci supplementari per impianti a LED per sopperire al difetto che la luce giornaliera accumulata in serra non può soddisfare le esigenze di crescita delle colture quando la luce naturale è insufficiente.Nell'esperimento, nella serra sono stati installati due tipi di luci supplementari a LED con diversa qualità della luce per eseguire l'esperimento esplorativo di aumentare la produzione di lattuga idroponica e stelo verde in inverno.I risultati hanno mostrato che i due tipi di luci a LED possono aumentare significativamente il peso fresco per pianta di pakchoi e lattuga.L'effetto di aumento della resa del pakchoi si riflette principalmente nel miglioramento della qualità sensoriale complessiva, come l'allargamento e l'ispessimento delle foglie, e l'effetto di aumento della resa della lattuga si riflette principalmente nell'aumento del numero di foglie e del contenuto di sostanza secca.

La luce è una parte indispensabile della crescita delle piante.Negli ultimi anni, le luci a LED sono state ampiamente utilizzate nella coltivazione e nella produzione in serra grazie al loro elevato tasso di conversione fotoelettrica, allo spettro personalizzabile e alla lunga durata [1].In paesi stranieri, a causa dell'inizio precoce della ricerca correlata e del sistema di supporto maturo, molte produzioni di fiori, frutta e verdura su larga scala hanno strategie di integrazione della luce relativamente complete.L'accumulo di una grande quantità di dati sulla produzione effettiva consente inoltre ai produttori di prevedere chiaramente l'effetto dell'aumento della produzione.Allo stesso tempo, viene valutato il ritorno dopo l'utilizzo del sistema di illuminazione supplementare a LED [2].Tuttavia, la maggior parte dell'attuale ricerca nazionale sulla luce supplementare è sbilanciata verso la qualità della luce su piccola scala e l'ottimizzazione spettrale e manca di strategie di luce supplementare che possano essere utilizzate nella produzione effettiva[3].Molti produttori nazionali utilizzeranno direttamente soluzioni di illuminazione supplementari straniere esistenti quando applicano la tecnologia di illuminazione supplementare alla produzione, indipendentemente dalle condizioni climatiche dell'area di produzione, dai tipi di ortaggi prodotti e dalle condizioni delle strutture e delle attrezzature.Inoltre, l'elevato costo delle apparecchiature luminose supplementari e l'elevato consumo di energia spesso determinano un enorme divario tra la resa effettiva del raccolto e il ritorno economico e l'effetto previsto.Tale situazione attuale non favorisce lo sviluppo e la promozione della tecnologia per integrare la luce e aumentare la produzione nel paese.Pertanto, è urgente inserire ragionevolmente prodotti di illuminazione supplementare a LED maturi in ambienti di produzione domestica reali, ottimizzare le strategie di utilizzo e accumulare dati rilevanti.

L'inverno è la stagione in cui le verdure fresche in foglia sono molto richieste.Le serre possono fornire un ambiente più adatto per la crescita degli ortaggi a foglia in inverno rispetto ai campi coltivati ​​all'aperto.Tuttavia, un articolo ha sottolineato che alcune serre invecchiate o scarsamente pulite hanno una trasmissione della luce inferiore al 50% in inverno. temperatura e ambiente con scarsa illuminazione, che influisce sulla normale crescita delle piante.La luce è diventata un fattore limitante per la crescita delle verdure in inverno [4].Il Green Cube che è stato messo in produzione effettiva viene utilizzato nell'esperimento.Il sistema di piantagione di ortaggi a foglia a flusso liquido poco profondo è abbinato ai due moduli luminosi superiori a LED di Signify (China) Investment Co., Ltd. con diversi rapporti di luce blu.Piantare lattuga e pakchoi, che sono due ortaggi a foglia con maggiore domanda di mercato, mira a studiare l'effettivo aumento della produzione di ortaggi a foglia idroponici mediante l'illuminazione a LED nella serra invernale.

Materiali e metodi
Materiali utilizzati per la prova

I materiali di prova utilizzati nell'esperimento erano lattuga e verdure packchoi.La varietà di lattuga, Green Leaf Lettuce, proviene da Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., mentre la varietà pakchoi, Brilliant Green, proviene dall'Istituto di orticoltura dell'Accademia delle scienze agricole di Shanghai.

Metodo sperimentale

L'esperimento è stato condotto nella serra di vetro di tipo Wenluo della base Sunqiao della Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd. da novembre 2019 a febbraio 2020. Sono stati condotti in totale due cicli di esperimenti ripetuti.Il primo round dell'esperimento si è svolto alla fine del 2019 e il secondo all'inizio del 2020. Dopo la semina, i materiali sperimentali sono stati collocati nella stanza climatica con luce artificiale per l'allevamento delle piantine ed è stata utilizzata l'irrigazione della marea.Durante il periodo di crescita delle piantine, per l'irrigazione è stata utilizzata la soluzione nutritiva generale delle verdure idroponiche con EC di 1,5 e pH di 5,5.Dopo che le piantine sono cresciute fino a 3 foglie e 1 stadio di cuore, sono state piantate sul letto di piantagione di ortaggi a foglia verde a flusso superficiale del tipo a pista cubo verde.Dopo la semina, il sistema di circolazione della soluzione nutritiva a flusso superficiale ha utilizzato la soluzione nutritiva EC 2 e pH 6 per l'irrigazione quotidiana.La frequenza di irrigazione era di 10 min con erogazione idrica e di 20 min con erogazione idrica interrotta.Il gruppo di controllo (nessun supplemento luce) e il gruppo di trattamento (supplemento luce LED) sono stati impostati nell'esperimento.CK è stato piantato in serra di vetro senza supplemento di luce.LB: drw-lb Ho (200W) è stato utilizzato per integrare la luce dopo la semina nella serra di vetro.La densità del flusso luminoso (PPFD) sulla superficie della chioma vegetale idroponica era di circa 140 μmol/(㎡·S).MB: dopo aver piantato nella serra di vetro, è stato utilizzato il drw-lb (200W) per integrare la luce e il PPFD era di circa 140 μmol/(㎡·S).

Il primo round della data di impianto sperimentale è l'8 novembre 2019 e la data di impianto è il 25 novembre 2019. L'orario di integrazione della luce del gruppo di prova è dalle 6:30 alle 17:00;il secondo turno della data di impianto sperimentale è il 30 dicembre 2019, la data di impianto è il 17 gennaio 2020 e l'orario di integrazione del gruppo sperimentale è dalle 4:00 alle 17:00
Nelle giornate di sole in inverno, la serra aprirà il tetto apribile, la pellicola laterale e il ventilatore per la ventilazione quotidiana dalle 6:00 alle 17:00.Quando la temperatura è bassa di notte, la serra chiuderà il lucernario, la pellicola laterale e la ventola alle 17:00-6:00 (il giorno successivo) e aprirà la tenda di isolamento termico nella serra per la conservazione del calore notturno.

Raccolta dati

L'altezza della pianta, il numero di foglie e il peso fresco per pianta sono stati ottenuti dopo aver raccolto le parti fuori terra di Qingjingcai e lattuga.Dopo aver misurato il peso fresco, è stato posto in stufa ed essiccato a 75°C per 72 ore.Dopo la fine, è stato determinato il peso secco.La temperatura nella serra e la densità di flusso fotonico fotosintetico (PPFD, densità di flusso fotonico fotosintetico) vengono raccolte e registrate ogni 5 minuti dal sensore di temperatura (RS-GZ-N01-2) e dal sensore di radiazione fotosinteticamente attivo (GLZ-CG).

Analisi dei dati

Calcolare l'efficienza d'uso della luce (LUE, Light Use Efficiency) secondo la seguente formula:
LUE (g/mol) = resa vegetale per unità di superficie/la quantità cumulativa totale di luce ottenuta dalle verdure per unità di superficie dalla semina al raccolto
Calcolare il contenuto di sostanza secca secondo la seguente formula:
Contenuto di sostanza secca (%) = peso secco per pianta/peso fresco per pianta x 100%
Utilizza Excel2016 e IBM SPSS Statistics 20 per analizzare i dati nell'esperimento e analizzare il significato della differenza.

Materiali e metodi
Luce e temperatura

Il primo ciclo di esperimenti ha richiesto 46 giorni dalla semina al raccolto e il secondo ciclo ha richiesto 42 giorni dalla semina al raccolto.Durante il primo ciclo di esperimenti, la temperatura media giornaliera nella serra era per lo più compresa tra 10 e 18 ℃;durante il secondo round dell'esperimento, la fluttuazione della temperatura media giornaliera nella serra è stata più grave di quella durante il primo round dell'esperimento, con la temperatura media giornaliera più bassa di 8,39 ℃ e la temperatura media giornaliera più alta di 20,23 ℃.La temperatura media giornaliera ha mostrato una tendenza complessiva al rialzo durante il processo di crescita (Fig. 1).

Durante il primo round dell'esperimento, l'integrale di luce giornaliero (DLI) in serra ha fluttuato meno di 14 mol/(㎡·D).Durante il secondo round dell'esperimento, la quantità cumulativa giornaliera di luce naturale in serra ha mostrato una tendenza complessiva al rialzo, che era superiore a 8 mol/(㎡·D), e il valore massimo è apparso il 27 febbraio 2020, che era 26,1 mol /(㎡·D).La variazione della quantità cumulativa giornaliera di luce naturale in serra durante il secondo round dell'esperimento è stata maggiore di quella durante il primo round dell'esperimento (Fig. 2).Durante il primo round dell'esperimento, la quantità di luce cumulativa giornaliera totale (la somma di DLI di luce naturale e DLI di luce supplementare a led) del gruppo di luce supplementare era superiore a 8 mol/(㎡·D) per la maggior parte del tempo.Durante il secondo round dell'esperimento, la quantità totale giornaliera di luce accumulata dal gruppo di luce supplementare è stata per la maggior parte del tempo superiore a 10 mol/(㎡·D).La quantità totale accumulata di luce supplementare nel secondo round è stata di 31,75 mol/㎡ in più rispetto a quella del primo round.

Resa degli ortaggi a foglia ed efficienza nell'utilizzo dell'energia leggera

● Primo round di risultati dei test
Si può vedere dalla Fig. 3 che il pakchoi integrato con LED cresce meglio, la forma della pianta è più compatta e le foglie sono più grandi e spesse rispetto al CK non integrato.Le foglie di LB e MB pakchoi sono più luminose e di un verde più scuro rispetto a CK.Si può vedere dalla Fig. 4 che la lattuga con luce supplementare a LED cresce meglio della CK senza luce supplementare, il numero di foglie è maggiore e la forma della pianta è più piena.

Si può vedere dalla tabella 1 che non vi è alcuna differenza significativa nell'altezza della pianta, nel numero di foglie, nel contenuto di sostanza secca e nell'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa del pakchoi trattato con CK, LB e MB, ma il peso fresco del pakchoi trattato con LB e MB è significativamente superiore a quello di CK;Non c'era alcuna differenza significativa nel peso fresco per pianta tra le due luci di coltivazione a LED con diversi rapporti di luce blu nel trattamento di LB e MB.

Si può vedere dalla tabella 2 che l'altezza della pianta della lattuga nel trattamento LB era significativamente superiore a quella del trattamento CK, ma non vi era alcuna differenza significativa tra il trattamento LB e il trattamento MB.C'erano differenze significative nel numero di foglie tra i tre trattamenti e il numero di foglie nel trattamento MB era il più alto, che era 27. Il peso fresco per pianta del trattamento LB era il più alto, che era 101 g.C'era anche una differenza significativa tra i due gruppi.Non c'era alcuna differenza significativa nel contenuto di sostanza secca tra i trattamenti CK e LB.Il contenuto di MB era superiore del 4,24% rispetto ai trattamenti con CK e LB.Ci sono state differenze significative nell'efficienza d'uso della luce tra i tre trattamenti.La più alta efficienza di utilizzo della luce era nel trattamento LB, che era 13,23 g/mol, e la più bassa era nel trattamento CK, che era 10,72 g/mol.

●Seconda tornata di risultati del test

Si può vedere dalla Tabella 3 che l'altezza della pianta di Pakchoi trattata con MB era significativamente superiore a quella di CK e non vi era alcuna differenza significativa tra essa e il trattamento con LB.Il numero di foglie di Pakchoi trattate con LB e MB era significativamente superiore a quello con CK, ma non vi era alcuna differenza significativa tra i due gruppi di trattamenti con luce supplementare.Ci sono state differenze significative nel peso fresco per pianta tra i tre trattamenti.Il peso fresco per pianta in CK era il più basso a 47 g, e il trattamento MB era il più alto a 116 g.Non c'era alcuna differenza significativa nel contenuto di sostanza secca tra i tre trattamenti.Esistono differenze significative nell'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa.CK è basso a 8,74 g/mol e il trattamento MB è il più alto a 13,64 g/mol.

Si può vedere dalla Tabella 4 che non vi era alcuna differenza significativa nell'altezza delle piante di lattuga tra i tre trattamenti.Il numero di foglie nei trattamenti LB e MB era significativamente superiore a quello dei trattamenti CK.Tra questi, il numero di foglie MB era il più alto a 26. Non c'era alcuna differenza significativa nel numero di foglie tra i trattamenti LB e MB.Il peso fresco per pianta dei due gruppi di trattamenti con luce supplementare era significativamente superiore a quello di CK e il peso fresco per pianta era il più alto nel trattamento MB, che era di 133 g.C'erano anche differenze significative tra i trattamenti LB e MB.C'erano differenze significative nel contenuto di sostanza secca tra i tre trattamenti e il contenuto di sostanza secca del trattamento LB era il più alto, pari al 4,05%.L'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa del trattamento MB è significativamente superiore a quella del trattamento CK e LB, che è di 12,67 g/mol.

Durante il secondo round dell'esperimento, il DLI totale del gruppo di luce supplementare era molto più alto del DLI durante lo stesso numero di giorni di colonizzazione durante il primo round dell'esperimento (Figura 1-2) e il tempo di luce supplementare della luce supplementare gruppo di trattamento nel secondo turno dell'esperimento (4:00-00-17:00).Rispetto al primo round dell'esperimento (6:30-17:00), è aumentato di 2,5 ore.Il tempo di raccolta dei due turni di Pakchoi era di 35 giorni dopo la semina.Il peso fresco della singola pianta CK nei due turni era simile.La differenza di peso fresco per pianta nel trattamento LB e MB rispetto a CK nel secondo ciclo di esperimenti era molto maggiore della differenza di peso fresco per pianta rispetto a CK nel primo ciclo di esperimenti (Tabella 1, Tabella 3).Il tempo di raccolta del secondo ciclo di lattuga sperimentale è stato di 42 giorni dopo la semina e il tempo di raccolta del primo ciclo di lattuga sperimentale è stato di 46 giorni dopo la semina.Il numero di giorni di colonizzazione in cui è stato raccolto il secondo ciclo di lattuga sperimentale CK è stato di 4 giorni inferiore a quello del primo ciclo, ma il peso fresco per pianta è 1,57 volte quello del primo ciclo di esperimenti (Tabella 2 e Tabella 4), e l'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa è simile.Si può notare che man mano che la temperatura si riscalda e la luce naturale nella serra aumenta, il ciclo di produzione della lattuga si accorcia.

Materiali e metodi
I due cicli di test hanno sostanzialmente coperto l'intero inverno a Shanghai e il gruppo di controllo (CK) è stato in grado di ripristinare relativamente lo stato di produzione effettivo del gambo verde idroponico e della lattuga nella serra a bassa temperatura e con poca luce solare in inverno.Il gruppo di esperimenti con integratori leggeri ha avuto un significativo effetto di promozione sull'indice di dati più intuitivo (peso fresco per pianta) nei due cicli di esperimenti.Tra questi, l'effetto di aumento della resa di Pakchoi si è riflesso contemporaneamente nelle dimensioni, nel colore e nello spessore delle foglie.Ma la lattuga tende ad aumentare il numero di foglie e la forma della pianta sembra più piena.I risultati del test mostrano che l'integrazione leggera può migliorare il peso fresco e la qualità del prodotto nella semina delle due categorie di ortaggi, aumentando così la commercializzazione dei prodotti vegetali.Pakchoi integrato da I moduli LED top-light rosso-bianco, basso-blu e rosso-bianco, blu medio hanno un aspetto verde più scuro e lucido rispetto alle foglie senza luce supplementare, le foglie sono più grandi e più spesse e la tendenza alla crescita di tutto il tipo di pianta è più compatto e vigoroso.Tuttavia, la "lattuga a mosaico" appartiene alle verdure a foglia verde chiaro e non vi è alcun evidente processo di cambiamento di colore nel processo di crescita.Il cambiamento del colore delle foglie non è evidente per gli occhi umani.La proporzione appropriata di luce blu può favorire lo sviluppo delle foglie e la sintesi del pigmento fotosintetico e inibire l'allungamento degli internodi.Pertanto, le verdure nel gruppo degli integratori leggeri sono più apprezzate dai consumatori in termini di qualità dell'aspetto.

Durante il secondo round del test, la quantità di luce cumulativa giornaliera totale del gruppo di luce supplementare era molto più alta del DLI durante lo stesso numero di giorni di colonizzazione durante il primo round dell'esperimento (Figura 1-2), e la luce supplementare il tempo del secondo round del gruppo di trattamento della luce supplementare (4: 00-17: 00), rispetto al primo round dell'esperimento (6: 30-17: 00), è aumentato di 2,5 ore.Il tempo di raccolta dei due turni di Pakchoi era di 35 giorni dopo la semina.Il peso fresco di CK nei due round è stato simile.La differenza di peso fresco per pianta tra trattamento LB e MB e CK nel secondo ciclo di esperimenti era molto maggiore della differenza di peso fresco per pianta con CK nel primo ciclo di esperimenti (Tabella 1 e Tabella 3).Pertanto, prolungare il tempo di integrazione della luce può favorire l'aumento della produzione di Pakchoi idroponici coltivati ​​indoor in inverno.Il tempo di raccolta del secondo ciclo di lattuga sperimentale è stato di 42 giorni dopo la semina e il tempo di raccolta del primo ciclo di lattuga sperimentale è stato di 46 giorni dopo la semina.Quando è stato raccolto il secondo giro di lattuga sperimentale, il numero di giorni di colonizzazione del gruppo CK era di 4 giorni inferiore a quello del primo giro.Tuttavia, il peso fresco di una singola pianta era 1,57 volte quello del primo ciclo di esperimenti (Tabella 2 e Tabella 4).L'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa era simile.Si può vedere che man mano che la temperatura sale lentamente e la luce naturale nella serra aumenta gradualmente (Figura 1-2), il ciclo di produzione della lattuga può essere accorciato di conseguenza.Pertanto, l'aggiunta di apparecchiature luminose supplementari alla serra in inverno con basse temperature e scarsa luce solare può migliorare efficacemente l'efficienza produttiva della lattuga e quindi aumentare la produzione.Nella prima fase dell'esperimento, il consumo energetico della luce integrata dalla pianta del menu delle foglie era di 0,95 kw-h, e nella seconda fase dell'esperimento, il consumo energetico della luce integrata della pianta del menu delle foglie era di 1,15 kw-h.Rispetto ai due cicli di esperimenti, il consumo di luce dei tre trattamenti di Pakchoi, l'efficienza di utilizzo dell'energia nel secondo esperimento era inferiore a quella del primo esperimento.L'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa dei gruppi di trattamento della luce supplementare della lattuga CK e LB nel secondo esperimento era leggermente inferiore a quella del primo esperimento.Si deduce che la possibile ragione è che la bassa temperatura media giornaliera entro una settimana dalla semina allunga il lento periodo di piantina e, sebbene la temperatura sia leggermente rimbalzata durante l'esperimento, l'intervallo era limitato e la temperatura media giornaliera complessiva era ancora a un livello basso, che ha limitato l'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa durante il ciclo di crescita complessivo per l'idroponica delle verdure a foglia.(Figura 1).

Durante l'esperimento, il pool di soluzioni nutritive non era dotato di apparecchiature di riscaldamento, in modo che l'ambiente radicale delle verdure a foglia idroponiche fosse sempre a un livello di bassa temperatura e la temperatura media giornaliera fosse limitata, il che impediva alle verdure di sfruttare appieno della luce cumulativa giornaliera aumentata estendendo la luce supplementare a LED.Pertanto, quando si integra la luce nella serra in inverno, è necessario considerare adeguate misure di conservazione e riscaldamento del calore per garantire l'effetto dell'integrazione della luce per aumentare la produzione.Pertanto, è necessario prendere in considerazione adeguate misure di conservazione del calore e aumento della temperatura per garantire l'effetto del supplemento di luce e l'aumento della resa nella serra invernale.L'uso della luce supplementare a LED aumenterà in una certa misura il costo di produzione e la stessa produzione agricola non è un'industria ad alto rendimento.Pertanto, su come ottimizzare la strategia di illuminazione supplementare e cooperare con altre misure nella produzione effettiva di ortaggi a foglia idroponici nella serra invernale e su come utilizzare l'attrezzatura di illuminazione supplementare per ottenere una produzione efficiente e migliorare l'efficienza dell'utilizzo dell'energia luminosa e i vantaggi economici , ha ancora bisogno di ulteriori esperimenti di produzione.

Autori: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Fonte dell'articolo: tecnologia di ingegneria agricola (orticoltura in serra).

Riferimenti:
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