Forskning på effekten av LED-supplementlys på den avlingsøkende effekten av hydroponisk salat og pakchoi i drivhus om vinteren
[Sammendrag] Vinteren i Shanghai opplever ofte lave temperaturer og lite solskinn, og veksten av hydroponiske bladgrønnsaker i drivhuset er langsom og produksjonssyklusen er lang, noe som ikke kan dekke markedets etterspørsel. I de senere årene har LED-tilleggslys for planter begynt å bli brukt i drivhusdyrking og -produksjon, til en viss grad, for å kompensere for mangelen med at det daglige akkumulerte lyset i drivhuset ikke kan dekke behovene til avlingsvekst når det naturlige lyset er utilstrekkelig. I eksperimentet ble to typer LED-tilleggslys med ulik lyskvalitet installert i drivhuset for å utføre et eksperiment for å øke produksjonen av hydroponisk salat og grønn stilk om vinteren. Resultatene viste at de to typene LED-lys kan øke ferskvekten per plante av pakchoi og salat betydelig. Den avlingsøkende effekten av pakchoi gjenspeiles hovedsakelig i forbedringen av den generelle sensoriske kvaliteten, som bladforstørrelse og fortykkelse, og den avlingsøkende effekten av salat gjenspeiles hovedsakelig i økningen av antall blader og tørrstoffinnhold.

Lys er en uunnværlig del av plantevekst. I de senere årene har LED-lys blitt mye brukt i dyrking og produksjon i drivhusmiljø på grunn av deres høye fotoelektriske konverteringshastighet, tilpassbare spektrum og lange levetid [1]. I utlandet, på grunn av tidlig start av relatert forskning og det modne støttesystemet, har mange storskala blomster-, frukt- og grønnsaksproduksjoner relativt komplette lystilskuddsstrategier. Akkumuleringen av en stor mengde faktiske produksjonsdata lar også produsenter tydelig forutsi effekten av å øke produksjonen. Samtidig evalueres avkastningen etter bruk av LED-supplementlyssystemet [2]. Imidlertid er mesteparten av den nåværende innenlandske forskningen på supplerende lys partisk mot småskala lyskvalitet og spektral optimalisering, og mangler supplerende lysstrategier som kan brukes i faktisk produksjon [3]. Mange innenlandske produsenter vil direkte bruke eksisterende utenlandske supplerende belysningsløsninger når de bruker supplerende belysningsteknologi i produksjonen, uavhengig av klimatiske forhold i produksjonsområdet, hvilke typer grønnsaker som produseres og forholdene til anlegg og utstyr. I tillegg resulterer de høye kostnadene for supplerende belysningsutstyr og høyt energiforbruk ofte i et stort gap mellom det faktiske avlingsutbyttet og den økonomiske avkastningen og den forventede effekten. En slik nåværende situasjon er ikke gunstig for utvikling og markedsføring av teknologi for supplerende lys og økning av produksjonen i landet. Derfor er det et presserende behov for å få modne LED-supplementbelysningsprodukter på en rimelig måte inn i faktiske innenlandske produksjonsmiljøer, optimalisere bruksstrategier og samle inn relevante data.

Vinteren er årstiden da ferske bladgrønnsaker er etterspurt. Drivhus kan gi et mer passende miljø for vekst av bladgrønnsaker om vinteren enn utendørs jordbruksfelt. En artikkel påpekte imidlertid at noen aldrende eller dårlig rene drivhus har en lysgjennomgang på mindre enn 50 % om vinteren. I tillegg er langvarig regnvær også utsatt for vinteren, noe som gjør at drivhuset befinner seg i et miljø med lav temperatur og lite lys, noe som påvirker plantenes normale vekst. Lys har blitt en begrensende faktor for veksten av grønnsaker om vinteren [4]. Green Cube, som har blitt satt i faktisk produksjon, brukes i eksperimentet. Systemet for planteing av bladgrønnsaker med grunn væskestrøm er koblet til Signify (China) Investment Co., Ltd.s to LED-topplysmoduler med forskjellige blålysforhold. Planting av salat og pakchoi, som er to bladgrønnsaker med større markedsetterspørsel, har som mål å studere den faktiske økningen i produksjonen av hydroponiske bladgrønnsaker ved hjelp av LED-belysning i vinterdrivhuset.

Materialer og metoder
Materialer brukt til testen

Testmaterialene som ble brukt i eksperimentet var salat og pakchoi-grønnsaker. Salatsorten Green Leaf Lettuce kommer fra Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., og pakchoi-sorten Brilliant Green kommer fra Horticulture Institute of Shanghai Academy of Agricultural Sciences.

Eksperimentell metode

Eksperimentet ble utført i Wenluo-glassdrivhuset tilhørende Sunqiao-basen til Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. fra november 2019 til februar 2020. Totalt to runder med gjentatte eksperimenter ble utført. Den første runden av eksperimentet var på slutten av 2019, og den andre runden var på begynnelsen av 2020. Etter såing ble forsøksmaterialene plassert i et kunstig lysklimarom for frøplanteoppdrett, og tidevannsvanning ble brukt. I løpet av frøplanteoppdrettsperioden ble en generell næringsløsning av hydroponiske grønnsaker med EC på 1,5 og pH på 5,5 brukt til vanning. Etter at frøplantene vokste til 3 blader og 1 hjertestadium, ble de plantet i et Green Cube-banetype grunnstrømsbladgrønnsaksbed. Etter planting ble det brukt en grunnstrøms næringsløsningssirkulasjonssystem med EC 2 og pH 6 til daglig vanning. Vanningsfrekvensen var 10 minutter med vanntilførsel og 20 minutter med stoppet vanntilførsel. Kontrollgruppen (uten lystilskudd) og behandlingsgruppen (LED-lystilskudd) ble satt i eksperimentet. CK ble plantet i glassdrivhus uten lystilskudd. LB: drw-lb Ho (200 W) ble brukt som lyssupplement etter planting i glassdrivhuset. Lysfluksdensiteten (PPFD) på overflaten av den hydroponiske grønnsakskrona var omtrent 140 μmol/(㎡·S). MB: etter planting i glassdrivhuset ble drw-lb (200 W) brukt som lyssupplement, og PPFD var omtrent 140 μmol/(㎡·S).

Den første runden med eksperimentell plantedato er 8. november 2019, og plantedatoen er 25. november 2019. Testgruppens lystilskuddstidspunkt er 6:30-17:00; den andre runden med eksperimentell plantedato er 30. desember 2019, plantedatoen er 17. januar 2020, og lystilskuddstidspunktet for eksperimentgruppen er 4:00-17:00.
I solskinn om vinteren vil drivhuset åpne soltaket, sidefilmen og viften for daglig ventilasjon fra 6:00-17:00. Når temperaturen er lav om natten, vil drivhuset lukke takvinduet, sidefilmen og viften fra 17:00-6:00 (neste dag), og åpne varmeisolasjonsgardinen i drivhuset for å bevare varmen om natten.

Datainnsamling

Plantehøyde, antall blader og ferskvekt per plante ble målt etter høsting av de overjordiske delene av Qingjingcai og salat. Etter måling av ferskvekten ble plantene plassert i en ovn og tørket ved 75 ℃ i 72 timer. Etter endt tørketid ble tørrvekten bestemt. Temperaturen i drivhuset og fotosyntetisk fotonfluksdensitet (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) samles inn og registreres hvert 5. minutt av temperatursensoren (RS-GZ-N01-2) og den fotosyntetisk aktive strålingssensoren (GLZ-CG).

Dataanalyse

Beregn lysutnyttelseseffektiviteten (LUE, Light Use Efficiency) i henhold til følgende formel:
LUE (g/mol) = grønnsaksavkastning per arealenhet/den totale kumulative mengden lys som grønnsaker oppnår per arealenhet fra planting til høsting
Beregn tørrstoffinnholdet i henhold til følgende formel:
Tørrstoffinnhold (%) = tørrvekt per plante/ferskvekt per plante x 100 %
Bruk Excel2016 og IBM SPSS Statistics 20 til å analysere dataene i eksperimentet og analysere signifikantiteten av forskjellen.

Materialer og metoder
Lys og temperatur

Den første runden av forsøket tok 46 dager fra planting til høsting, og den andre runden tok 42 dager fra planting til høsting. I løpet av den første runden av forsøket lå den daglige gjennomsnittstemperaturen i drivhuset stort sett i området 10–18 ℃. I løpet av den andre runden av forsøket var svingningene i den daglige gjennomsnittstemperaturen i drivhuset større enn i den første runden av forsøket, med den laveste daglige gjennomsnittstemperaturen på 8,39 ℃ og den høyeste daglige gjennomsnittstemperaturen på 20,23 ℃. Den daglige gjennomsnittstemperaturen viste en generell oppadgående trend under vekstprosessen (fig. 1).

I løpet av den første eksperimentrunden svingte det daglige lysintegralet (DLI) i drivhuset mindre enn 14 mol/(㎡·D). I løpet av den andre eksperimentrunden viste den daglige kumulative mengden naturlig lys i drivhuset en generell oppadgående trend, som var høyere enn 8 mol/(㎡·D), og maksimumsverdien dukket opp 27. februar 2020, som var 26,1 mol/(㎡·D). Endringen i den daglige kumulative mengden naturlig lys i drivhuset i løpet av den andre eksperimentrunden var større enn i løpet av den første eksperimentrunden (fig. 2). I løpet av den første eksperimentrunden var den totale daglige kumulative lysmengden (summen av naturlig lys-DLI og LED-supplerende lys-DLI) for gruppen som fikk supplerende lys høyere enn 8 mol/(㎡·D) mesteparten av tiden. I løpet av den andre eksperimentrunden var den totale daglige akkumulerte lysmengden for gruppen som fikk supplerende lys mer enn 10 mol/(㎡·D) mesteparten av tiden. Den totale akkumulerte mengden tilleggslys i andre runde var 31,75 mol/㎡ mer enn i første runde.

Avling av bladgrønnsaker og effektiv utnyttelse av lysenergi

● Første runde med testresultater
Det fremgår av figur 3 at pakchoien med LED-lys vokser bedre, plantens form er mer kompakt, og bladene er større og tykkere enn den ikke-supplerte CK. Bladene på LB- og MB-pakchoien er lysere og mørkere grønne enn CK. Det fremgår av figur 4 at salat med LED-lys vokser bedre enn CK uten lys, antallet blader er høyere, og plantens form er fyldigere.

Det fremgår av tabell 1 at det ikke er noen signifikant forskjell i plantehøyde, bladantall, tørrstoffinnhold og lysenergiutnyttelseseffektivitet for pakchoi behandlet med CK, LB og MB, men ferskvekten til pakchoi behandlet med LB og MB er betydelig høyere enn for CK. Det var ingen signifikant forskjell i ferskvekt per plante mellom de to LED-vekstlysene med forskjellige blålysforhold i behandlingen av LB og MB.

Det fremgår av tabell 2 at plantehøyden på salat i LB-behandlingen var betydelig høyere enn i CK-behandlingen, men det var ingen signifikant forskjell mellom LB-behandlingen og MB-behandlingen. Det var signifikante forskjeller i antall blader mellom de tre behandlingene, og antall blader i MB-behandlingen var det høyeste, som var 27. Ferskvekten per plante i LB-behandlingen var den høyeste, som var 101 g. Det var også signifikant forskjell mellom de to gruppene. Det var ingen signifikant forskjell i tørrstoffinnhold mellom CK- og LB-behandlingene. Innholdet av MB var 4,24 % høyere enn i CK- og LB-behandlingene. Det var signifikante forskjeller i lysutnyttelseseffektiviteten mellom de tre behandlingene. Den høyeste lysutnyttelseseffektiviteten var i LB-behandlingen, som var 13,23 g/mol, og den laveste var i CK-behandlingen, som var 10,72 g/mol.

● Andre runde med testresultater

Det fremgår av tabell 3 at plantehøyden til pakchoi behandlet med MB var betydelig høyere enn for CK, og det var ingen signifikant forskjell mellom den og LB-behandling. Antall blader fra pakchoi behandlet med LB og MB var betydelig høyere enn med CK, men det var ingen signifikant forskjell mellom de to gruppene med supplerende lysbehandlinger. Det var signifikante forskjeller i ferskvekt per plante mellom de tre behandlingene. Ferskvekten per plante i CK var lavest på 47 g, og MB-behandlingen var høyest på 116 g. Det var ingen signifikant forskjell i tørrstoffinnholdet mellom de tre behandlingene. Det er signifikante forskjeller i effektiviteten av lysenergiutnyttelse. CK er lav på 8,74 g/mol, og MB-behandlingen er høyest på 13,64 g/mol.

Det fremgår av tabell 4 at det ikke var noen signifikant forskjell i plantehøyden til salat mellom de tre behandlingene. Antall blader i LB- og MB-behandlingene var betydelig høyere enn i CK. Blant dem var antallet MB-blader høyest med 26. Det var ingen signifikant forskjell i antall blader mellom LB- og MB-behandlingene. Ferskvekten per plante for de to gruppene med supplerende lysbehandlinger var betydelig høyere enn for CK, og ferskvekten per plante var høyest i MB-behandlingen, som var 133 g. Det var også signifikante forskjeller mellom LB- og MB-behandlingene. Det var signifikante forskjeller i tørrstoffinnholdet mellom de tre behandlingene, og tørrstoffinnholdet i LB-behandlingen var høyest, som var 4,05 %. Lysenergiutnyttelseseffektiviteten ved MB-behandlingen er betydelig høyere enn for CK- og LB-behandlingen, som er 12,67 g/mol.

I løpet av andre runde av forsøket var den totale DLI-en for gruppen som fikk supplerende lys mye høyere enn DLI-en i løpet av samme antall koloniseringsdager i løpet av første runde av forsøket (figur 1-2), og tiden for supplerende lysbehandling for gruppen som fikk supplerende lys i andre runde av forsøket (4:00-00-17:00). Sammenlignet med første runde av forsøket (6:30-17:00) økte den med 2,5 timer. Høstetiden for de to rundene med Pakchoi var 35 dager etter planting. Ferskvekten til den enkelte CK-planten i de to rundene var lik. Forskjellen i ferskvekt per plante i LB- og MB-behandling sammenlignet med CK i andre runde av forsøk var mye større enn forskjellen i ferskvekt per plante sammenlignet med CK i første runde av forsøk (tabell 1, tabell 3). Høstetiden for andre runde med forsøkssalat var 42 dager etter planting, og høstetiden for første runde med forsøkssalat var 46 dager etter planting. Antall koloniseringsdager da den andre runden med eksperimentell salat CK ble høstet var 4 dager mindre enn i den første runden, men den ferske vekten per plante er 1,57 ganger høyere enn i den første runden med eksperimenter (tabell 2 og tabell 4), og effektiviteten av lysenergiutnyttelsen er lik. Det kan sees at når temperaturen gradvis varmes opp og det naturlige lyset i drivhuset gradvis øker, forkortes produksjonssyklusen for salat.

Materialer og metoder
De to testrundene dekket i hovedsak hele vinteren i Shanghai, og kontrollgruppen (CK) klarte å relativt gjenopprette den faktiske produksjonsstatusen for hydroponisk grønn stilk og salat i drivhuset under lav temperatur og lite sollys om vinteren. Eksperimentgruppen med lystilskudd hadde en betydelig promoteringseffekt på den mest intuitive dataindeksen (ferskvekt per plante) i de to eksperimentrundene. Blant dem gjenspeiles effekten av avlingsøkning av Pakchoi i størrelsen, fargen og tykkelsen på bladene samtidig. Men salat har en tendens til å øke antall blader, og plantens form ser fyldigere ut. Testresultatene viser at lystilskudd kan forbedre ferskvekten og produktkvaliteten ved planting av de to grønnsakskategoriene, og dermed øke kommersialiteten til grønnsaksprodukter. Pakchoi supplert med De rød-hvite, lav-blå og rød-hvite, mellomblå LED-topplysmodulene er mørkere grønne og skinnende i utseende enn bladene uten tilleggslys, bladene er større og tykkere, og veksttrenden for hele plantetypen er mer kompakt og kraftig. Imidlertid tilhører «mosaikksalat» en lysegrønn bladgrønnsak, og det er ingen åpenbar fargeendringsprosess i vekstprosessen. Endringen i bladfarge er ikke åpenbar for det menneskelige øyet. Riktig andel blått lys kan fremme bladutvikling og fotosyntetisk pigmentsyntese, og hemme internodeforlengelse. Derfor er grønnsaker i lystilskuddsgruppen mer foretrukket av forbrukerne når det gjelder utseende og kvalitet.

I løpet av den andre runden av testen var den totale daglige kumulative lysmengden for gruppen som fikk supplerende lys mye høyere enn DLI i løpet av samme antall koloniseringsdager i løpet av den første runden av eksperimentet (figur 1-2), og tiden for supplerende lys i den andre runden for gruppen som fikk supplerende lysbehandling (4:00-17:00) økte med 2,5 timer sammenlignet med den første runden av eksperimentet (6:30-17:00). Høstetiden for de to rundene med pakchoi var 35 dager etter planting. Ferskvekten av CK i de to rundene var lik. Forskjellen i ferskvekt per plante mellom LB- og MB-behandling og CK i den andre runden med eksperimenter var mye større enn forskjellen i ferskvekt per plante med CK i den første runden med eksperimenter (tabell 1 og tabell 3). Derfor kan forlengelse av tiden for lystilskudd fremme økningen i produksjonen av hydroponisk pakchoi dyrket innendørs om vinteren. Høstetiden for den andre runden med eksperimentell salat var 42 dager etter planting, og høstetiden for den første runden med eksperimentell salat var 46 dager etter planting. Da den andre runden med eksperimentell salat ble høstet, var antallet koloniseringsdager for CK-gruppen 4 dager mindre enn i den første runden. Imidlertid var den ferske vekten av en enkelt plante 1,57 ganger høyere enn i den første runden med eksperimenter (tabell 2 og tabell 4). Effektiviteten av lysenergiutnyttelsen var lik. Det kan sees at når temperaturen sakte stiger og det naturlige lyset i drivhuset gradvis øker (figur 1-2), kan produksjonssyklusen for salat forkortes tilsvarende. Derfor kan det å legge til supplerende lysutstyr i drivhuset om vinteren med lav temperatur og lite sollys effektivt forbedre produksjonseffektiviteten til salat, og deretter øke produksjonen. I den første runden av eksperimentet var strømforbruket til bladmenyplantens supplementerte lys 0,95 kW-t, og i den andre runden av eksperimentet var strømforbruket til bladmenyplantens supplementerte lys 1,15 kW-t. Sammenlignet mellom de to eksperimentrundene, var lysforbruket for de tre behandlingene av pakchoi og energiutnyttelseseffektiviteten i det andre eksperimentet lavere enn i det første eksperimentet. Lysenergiutnyttelseseffektiviteten til gruppene med salat CK og LB som fikk supplerende lysbehandling i det andre eksperimentet var litt lavere enn i det første eksperimentet. Det antas at den mulige årsaken er at den lave daglige gjennomsnittstemperaturen innen en uke etter planting forlenger den langsomme frøplanteperioden. Selv om temperaturen steg litt under eksperimentet, var intervallet begrenset, og den totale daglige gjennomsnittstemperaturen var fortsatt på et lavt nivå, noe som begrenset lysenergiutnyttelseseffektiviteten under den totale vekstsyklusen for hydroponikk av bladgrønnsaker. (Figur 1).

Under eksperimentet var ikke næringsløsningsbassenget utstyrt med oppvarmingsutstyr, slik at rotmiljøet til hydroponiske bladgrønnsaker alltid var på et lavt temperaturnivå, og den daglige gjennomsnittstemperaturen var begrenset, noe som førte til at grønnsakene ikke klarte å utnytte det daglige akkumulerte lyset som økte ved å utvide LED-supplementlyset fullt ut. Derfor, når man supplerer lys i drivhuset om vinteren, er det nødvendig å vurdere passende varmebevarings- og oppvarmingstiltak for å sikre effekten av supplerende lys for å øke produksjonen. Derfor er det nødvendig å vurdere passende tiltak for varmebevaring og temperaturøkning for å sikre effekten av lystilskudd og avlingsøkning i vinterdrivhuset. Bruk av LED-supplementlys vil øke produksjonskostnadene til en viss grad, og landbruksproduksjon i seg selv er ikke en høyavkastende industri. Derfor, når det gjelder hvordan man optimaliserer den supplerende lysstrategien og samarbeider med andre tiltak i den faktiske produksjonen av hydroponiske bladgrønnsaker i vinterdrivhuset, og hvordan man bruker det supplerende lysutstyret for å oppnå effektiv produksjon og forbedre effektiviteten av lysenergiutnyttelsen og økonomiske fordeler, er det fortsatt behov for ytterligere produksjonseksperimenter.

Forfattere: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Artikkelkilde: Landbruksteknikk (drivhushagebruk).

Referanser:
[1] Jianfeng Dai, Philips' praksis for bruk av LED-belysning i drivhusproduksjon i hagebruk [J]. Landbruksteknikk, 2017, 37 (13): 28–32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin mfl. Bruksstatus og utsikter for lystilskuddsteknologi for beskyttet frukt og grønnsaker [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166–170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao mfl. Forskning og anvendelsesstatus og utviklingsstrategi for plantebelysning [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi mfl. Anvendelse av lyskilde og lyskvalitetskontroll i veksthusgrønnsaksproduksjon [J]. Kinesiske grønnsaker, 2012 (2): 1-7