Ricerca sull'effetto della luce supplementare a LED sull'aumento della resa di lattuga e pakchoi idroponici in serra in inverno
[Abstract] L'inverno a Shanghai è spesso caratterizzato da basse temperature e scarsa insolazione, e la crescita delle verdure a foglia idroponiche in serra è lenta e il ciclo di produzione è lungo, il che non consente di soddisfare la domanda di mercato. Negli ultimi anni, le luci supplementari a LED per le piante hanno iniziato a essere utilizzate nella coltivazione e produzione in serra, in una certa misura, per compensare il problema dell'insufficiente accumulo di luce giornaliero in serra, che non consente di soddisfare le esigenze di crescita delle colture quando la luce naturale è insufficiente. Nell'esperimento, sono stati installati nella serra due tipi di luci supplementari a LED con diversa qualità luminosa per condurre un esperimento esplorativo sull'aumento della produzione di lattuga idroponica e di 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 pak-choi e lattuga. L'effetto di aumento della resa del pak-choi si riflette principalmente nel miglioramento della qualità sensoriale complessiva, come l'ingrossamento e l'ispessimento delle foglie, mentre 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]. All'estero, grazie all'avvio precoce della ricerca in materia e al sistema di supporto maturo, molte produzioni di fiori, frutta e verdura su larga scala dispongono di strategie di integrazione luminosa relativamente complete. L'accumulo di una grande quantità di dati di produzione effettivi consente inoltre ai produttori di prevedere chiaramente l'effetto dell'aumento della produzione. Allo stesso tempo, viene valutato il ritorno sull'investimento dopo l'utilizzo del sistema di illuminazione supplementare a LED [2]. Tuttavia, la maggior parte dell'attuale ricerca nazionale sulla luce supplementare è orientata verso la qualità della luce su piccola scala e l'ottimizzazione spettrale, e non prevede strategie di illuminazione supplementare che possano essere utilizzate nella produzione effettiva [3]. Molti produttori nazionali utilizzeranno direttamente soluzioni di illuminazione supplementare 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 degli impianti e delle attrezzature. Inoltre, l'elevato costo delle apparecchiature di illuminazione supplementare e l'elevato consumo energetico spesso determinano un enorme divario tra la resa effettiva del raccolto e il ritorno economico atteso. La situazione attuale non favorisce lo sviluppo e la promozione della tecnologia di illuminazione supplementare e l'aumento della produzione nel Paese. Pertanto, è urgente introdurre in modo ragionevole prodotti di illuminazione supplementare a LED maturi in ambienti di produzione nazionali reali, ottimizzare le strategie di utilizzo e raccogliere dati rilevanti.

L'inverno è la stagione in cui le verdure a foglia fresca sono molto richieste. Le serre possono fornire un ambiente più adatto alla crescita di verdure a foglia in inverno rispetto ai campi coltivati ​​all'aperto. Tuttavia, un articolo ha evidenziato che alcune serre vecchie o scarsamente pulite hanno una trasmittanza luminosa inferiore al 50% in inverno. Inoltre, anche le piogge prolungate sono inclini a verificarsi in inverno, il che rende la serra un ambiente a bassa temperatura e scarsa illuminazione, il 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 effettivamente messo in produzione, viene utilizzato nell'esperimento. Il sistema di piantagione di verdure a foglia a flusso liquido superficiale è abbinato a due moduli di illuminazione superiore a LED di Signify (China) Investment Co., Ltd. con diversi rapporti di luce blu. La piantumazione di lattuga e pakchoi, due verdure a foglia con una maggiore domanda di mercato, mira a studiare l'effettivo aumento della produzione di verdure a foglia idroponiche mediante illuminazione a LED nella serra invernale.

Materiali e metodi
Materiali utilizzati per il test

I materiali di prova utilizzati nell'esperimento erano lattuga e ortaggi packchoi. La varietà di lattuga, Green Leaf Lettuce, proviene dalla Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., mentre la varietà di pakchoi, Brilliant Green, proviene dall'Istituto di Orticoltura dell'Accademia di Scienze Agrarie di Shanghai.

Metodo sperimentale

L'esperimento è stato condotto nella serra in vetro tipo Wenluo della sede centrale di Sunqiao della Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. da novembre 2019 a febbraio 2020. Sono stati condotti due cicli di esperimenti ripetuti. Il primo ciclo si è svolto alla fine del 2019 e il secondo all'inizio del 2020. Dopo la semina, i materiali sperimentali sono stati collocati nella camera climatica con luce artificiale per la crescita delle piantine, ed è stata utilizzata l'irrigazione a marea. Durante il periodo di crescita delle piantine, è stata utilizzata per l'irrigazione la soluzione nutritiva standard per ortaggi idroponici con EC di 1,5 e pH di 5,5. Dopo che le piantine hanno raggiunto lo stadio di 3 foglie e 1 cuore, sono state piantate nel letto di semina per ortaggi a foglia a flusso superficiale tipo Green Cube Track. Dopo la semina, il sistema di circolazione della soluzione nutritiva a flusso superficiale ha utilizzato una soluzione nutritiva con EC 2 e pH 6 per l'irrigazione giornaliera. La frequenza di irrigazione è stata di 10 minuti con erogazione idrica e di 20 minuti con erogazione idrica interrotta. Il gruppo di controllo (senza integrazione luminosa) e il gruppo di trattamento (integrazione luminosa a LED) sono stati selezionati nell'esperimento. CK è stato piantato in serra di vetro senza integrazione luminosa. LB: drw-lb Ho (200W) è stato utilizzato per integrare la luce dopo la piantagione in serra di vetro. La densità del flusso luminoso (PPFD) sulla superficie della chioma di ortaggi idroponici era di circa 140 μmol/(㎡·S). MB: dopo la piantagione in serra di vetro, drw-lb (200W) è stato utilizzato per integrare la luce e la PPFD era di circa 140 μmol/(㎡·S).

La prima tornata di piantagioni sperimentali è l'8 novembre 2019, e la data di piantagione è il 25 novembre 2019. L'orario di integrazione luminosa del gruppo di prova è dalle 6:30 alle 17:00; la seconda tornata di piantagioni sperimentali è il 30 dicembre 2019, la data di piantagione è il 17 gennaio 2020, e l'orario di integrazione del gruppo sperimentale è dalle 4:00 alle 17:00.
In inverno, con il bel tempo, la serra aprirà il tetto apribile, la pellicola laterale e il ventilatore per la ventilazione giornaliera dalle 6:00 alle 17:00. Quando la temperatura notturna è bassa, la serra chiuderà il lucernario, la pellicola laterale e il ventilatore tra le 17:00 e le 6:00 (del giorno successivo) e aprirà la tenda isolante termica della serra per preservare il calore notturno.

Raccolta dati

L'altezza della pianta, il numero di foglie e il peso fresco per pianta sono stati ottenuti dopo la raccolta delle parti aeree di Qingjingcai e lattuga. Dopo aver misurato il peso fresco, le piante sono state poste in un forno e fatte essiccare a 75 °C per 72 ore. Al termine, è stato determinato il peso secco. La temperatura nella serra e la densità del flusso di fotoni fotosintetici (PPFD, Photosyntetic Photon Flux Density) vengono raccolte e registrate ogni 5 minuti dal sensore di temperatura (RS-GZ-N01-2) e dal sensore di radiazione fotosinteticamente attiva (GLZ-CG).

Analisi dei dati

Calcolare l'efficienza dell'uso della luce (LUE, Light Use Efficiency) secondo la seguente formula:
LUE (g/mol) = resa vegetale per unità di superficie/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%
Utilizzare Excel2016 e IBM SPSS Statistics 20 per analizzare i dati dell'esperimento e valutare la significatività della differenza.

Materiali e metodi
Luce e temperatura

Il primo ciclo di esperimenti è durato 46 giorni dalla semina al raccolto, mentre il secondo ciclo ne ha impiegati 42. Durante il primo ciclo di esperimenti, la temperatura media giornaliera in serra si è attestata per lo più tra i 10 e i 18 °C; durante il secondo ciclo di esperimenti, le fluttuazioni della temperatura media giornaliera in serra sono state più marcate rispetto al primo ciclo di esperimenti, con una temperatura media giornaliera minima di 8,39 °C e una temperatura media giornaliera massima di 20,23 °C. La temperatura media giornaliera ha mostrato una tendenza generale al rialzo durante il processo di crescita (Fig. 1).

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

Resa delle verdure a foglia ed efficienza nell'utilizzo dell'energia luminosa

●Risultati del primo round di test
Dalla Fig. 3 si può osservare che il pakchoi con illuminazione a 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 del pakchoi LB e MB sono più luminose e di un verde più scuro rispetto al CK. Dalla Fig. 4 si può osservare che la lattuga con illuminazione a LED cresce meglio rispetto al CK senza illuminazione, il numero di foglie è maggiore e la forma della pianta è più folta.

Dalla Tabella 1 si può osservare 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 più alto di quello del CK; non vi è stata 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.

Dalla tabella 2 si può osservare che l'altezza della pianta di lattuga nel trattamento LB era significativamente più alta rispetto a quella nel trattamento CK, ma non vi era alcuna differenza significativa tra il trattamento LB e il trattamento MB. Si sono osservate differenze significative nel numero di foglie tra i tre trattamenti, e il numero di foglie nel trattamento MB è stato il più alto, pari a 27. Il peso fresco per pianta nel trattamento LB è stato il più alto, pari a 101 g. Si è riscontrata anche una differenza significativa tra i due gruppi. Non si è riscontrata 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 CK e LB. Si sono osservate differenze significative nell'efficienza dell'uso della luce tra i tre trattamenti. L'efficienza dell'uso della luce più elevata è stata registrata nel trattamento LB, pari a 13,23 g/mol, e la più bassa nel trattamento CK, pari a 10,72 g/mol.

●Risultati del secondo round dei test

Dalla Tabella 3 si può osservare 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 quest'ultima e il trattamento con LB. Il numero di foglie di Pakchoi trattate con LB e MB era significativamente superiore a quello di CK, ma non vi era alcuna differenza significativa tra i due gruppi di trattamenti con luce supplementare. Vi erano differenze significative nel peso fresco per pianta tra i tre trattamenti. Il peso fresco per pianta nel trattamento con CK era il più basso, pari a 47 g, e nel trattamento con MB era il più alto, pari a 116 g. Non vi era alcuna differenza significativa nel contenuto di sostanza secca tra i tre trattamenti. Vi sono differenze significative nell'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa. Il CK è basso, pari a 8,74 g/mol, e il trattamento con MB è il più alto, pari a 13,64 g/mol.

Dalla Tabella 4 si può osservare che non vi è stata alcuna differenza significativa nell'altezza delle piante di lattuga tra i tre trattamenti. Il numero di foglie nei trattamenti LB e MB era significativamente più alto rispetto a quello in CK. Tra questi, il numero di foglie MB era il più alto, pari a 26. Non vi è stata 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 più alto di quello di CK, e il peso fresco per pianta era il più alto nel trattamento MB, pari a 133 g. Vi sono state anche differenze significative tra i trattamenti LB e MB. Vi sono state 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 più alta di quella dei trattamenti CK e LB, pari a 12,67 g/mol.

Durante il secondo ciclo di esperimenti, il DLI totale del gruppo sottoposto a luce supplementare è risultato molto più elevato rispetto al DLI registrato durante lo stesso numero di giorni di colonizzazione durante il primo ciclo di esperimenti (Figura 1-2) e al tempo di luce supplementare del gruppo sottoposto a trattamento con luce supplementare nel secondo ciclo di esperimenti (4:00-00-17:00). Rispetto al primo ciclo di esperimenti (6:30-17:00), è aumentato di 2,5 ore. Il tempo di raccolta dei due cicli di Pakchoi è stato di 35 giorni dopo la semina. Il peso fresco delle singole piante CK nei due cicli è risultato simile. La differenza nel peso fresco per pianta nel trattamento LB e MB rispetto a CK nel secondo ciclo di esperimenti è risultata molto maggiore rispetto alla differenza nel 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 durante la seconda fase di raccolta di lattuga sperimentale CK è stato di 4 giorni inferiore rispetto a quello della prima fase, ma il peso fresco per pianta è 1,57 volte superiore a quello della prima fase di esperimenti (Tabella 2 e Tabella 4) e l'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa è simile. Si può osservare che con il graduale aumento della temperatura e della luce naturale nella serra, il ciclo di produzione della lattuga si accorcia.

Materiali e metodi
I due cicli di test hanno coperto sostanzialmente l'intero inverno a Shanghai e il gruppo di controllo (CK) è stato in grado di ripristinare relativamente l'effettivo stato di produzione di lattuga e stelo verde idroponici in serra, a basse temperature e con scarsa luce solare in inverno. Il gruppo sperimentale con integrazione luminosa ha avuto un significativo effetto di promozione sull'indice dei dati più intuitivo (peso fresco per pianta) nei due cicli di esperimenti. Tra questi, l'effetto di aumento della resa del Pakchoi si è riflesso contemporaneamente nelle dimensioni, nel colore e nello spessore delle foglie. Tuttavia, la lattuga tende ad aumentare il numero di foglie e la forma della pianta appare più piena. I risultati dei test mostrano che l'integrazione luminosa può migliorare il peso fresco e la qualità del prodotto nella semina di entrambe le categorie di ortaggi, aumentando così la commercializzazione dei prodotti ortofrutticoli. Il Pakchoi integrato con i moduli LED superiori rosso-bianco, blu scuro e rosso-bianco, blu medio presenta un aspetto verde più scuro e brillante rispetto alle foglie senza luce supplementare, le foglie sono più grandi e spesse e la tendenza di crescita dell'intera tipologia di pianta è più compatta e vigorosa. Tuttavia, la "lattuga a mosaico" appartiene alle verdure a foglia verde chiaro e non presenta un evidente cambiamento di colore durante la crescita. Il cambiamento di colore delle foglie non è evidente all'occhio umano. Un'adeguata proporzione di luce blu può favorire lo sviluppo delle foglie e la sintesi dei pigmenti fotosintetici, inibendo l'allungamento degli internodi. Pertanto, le verdure del gruppo degli integratori di luce sono più apprezzate dai consumatori per la loro qualità estetica.

Durante il secondo ciclo di test, la quantità totale di luce cumulativa giornaliera del gruppo sottoposto a luce supplementare è stata molto più elevata del DLI durante lo stesso numero di giorni di colonizzazione durante il primo ciclo di esperimento (Figura 1-2), e il tempo di luce supplementare del secondo ciclo del gruppo di trattamento con luce supplementare (4:00-17:00), rispetto al primo ciclo di esperimento (6:30-17:00), è aumentato di 2,5 ore. Il tempo di raccolta dei due cicli di Pakchoi è stato di 35 giorni dopo la semina. Il peso fresco di CK nei due cicli è stato simile. La differenza di peso fresco per pianta tra il trattamento LB e MB e CK nel secondo ciclo di esperimenti è stata molto maggiore della differenza di peso fresco per pianta con CK nel primo ciclo di esperimenti (Tabella 1 e Tabella 3). Pertanto, estendere il tempo di integrazione luminosa 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, mentre quello del primo ciclo di lattuga sperimentale è stato di 46 giorni. Al momento della raccolta del secondo ciclo di lattuga sperimentale, il numero di giorni di colonizzazione del gruppo CK è stato inferiore di 4 giorni rispetto al primo ciclo. Tuttavia, il peso fresco di una singola pianta è risultato 1,57 volte superiore a quello del primo ciclo di esperimenti (Tabella 2 e Tabella 4). L'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa è risultata simile. Si può osservare che, con l'aumentare della temperatura e il graduale aumento della luce naturale nella serra (Figura 1-2), il ciclo di produzione della lattuga può essere ridotto di conseguenza. Pertanto, l'aggiunta di apparecchiature di illuminazione supplementari alla serra in inverno, con basse temperature e scarsa luce solare, può migliorare efficacemente l'efficienza produttiva della lattuga e quindi aumentarne la produzione. Nel primo ciclo di esperimenti, il consumo di energia luminosa integrata della pianta con menu a foglia è stato di 0,95 kW-h, mentre nel secondo ciclo di esperimenti, il consumo di energia luminosa integrata della pianta con menu a foglia è stato di 1,15 kW-h. Confrontando i due cicli di esperimenti, il consumo di luce dei tre trattamenti di Pakchoi, l'efficienza di utilizzo dell'energia nel secondo esperimento è stata inferiore a quella del primo esperimento. L'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa dei gruppi di trattamento supplementare di luce CK e LB di lattuga nel secondo esperimento è stata leggermente inferiore a quella del primo esperimento. Si deduce che la possibile ragione sia che la bassa temperatura media giornaliera entro una settimana dalla semina allunga il periodo di crescita lento delle piantine e, sebbene la temperatura sia leggermente aumentata durante l'esperimento, l'intervallo è stato limitato e la temperatura media giornaliera complessiva si è mantenuta a un livello basso, il che ha limitato l'efficienza di utilizzo dell'energia luminosa durante l'intero ciclo di crescita per l'idroponica delle verdure a foglia. (Figura 1).

Durante l'esperimento, la vasca di soluzione nutritiva non era dotata di apparecchiature di riscaldamento, pertanto l'ambiente radicale delle verdure a foglia idroponiche era sempre a bassa temperatura e la temperatura media giornaliera era limitata, impedendo alle verdure di sfruttare appieno la luce cumulativa giornaliera aumentata dall'estensione della luce supplementare a LED. Pertanto, quando si integra la luce in serra in inverno, è necessario considerare adeguate misure di conservazione del calore e di riscaldamento per garantire l'effetto dell'integrazione luminosa e aumentare la produzione. Pertanto, è necessario considerare adeguate misure di conservazione del calore e di aumento della temperatura per garantire l'effetto dell'integrazione luminosa e l'aumento della resa nella serra invernale. L'uso di luce supplementare a LED aumenterà in una certa misura i costi di produzione e la produzione agricola di per sé non è un settore ad alto rendimento. Pertanto, per quanto riguarda come ottimizzare la strategia di illuminazione supplementare e cooperare con altre misure nella produzione effettiva di verdure a foglia idroponiche in serra invernale, e come utilizzare le apparecchiature di illuminazione supplementare per ottenere una produzione efficiente e migliorare l'efficienza dell'utilizzo dell'energia luminosa e i benefici economici, sono ancora necessari ulteriori esperimenti di produzione.

Autori: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Cubo verde di Shanghai Agricultural Development Co., Ltd.).
Fonte dell'articolo: Tecnologia ingegneristica agraria (orticoltura in serra).

Riferimenti:
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[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin, et al. Stato dell'applicazione e prospettive della tecnologia di integrazione luminosa per frutta e verdura protette [J]. Orticoltura settentrionale, 2018 (17): 166-170
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