Rannsóknir á áhrifum LED viðbótarljóss á uppskeruaukningu vatnsræktaðs salats og pakchoi í gróðurhúsum að vetri til
[Útdráttur] Veturinn í Shanghai einkennist oft af lágum hita og litlu sólskini, og vöxtur vatnsræktaðs laufgrænmetis í gróðurhúsum er hægur og framleiðsluferlið er langt, sem getur ekki fullnægt eftirspurn markaðarins. Á undanförnum árum hefur LED viðbótarljós fyrir plöntur byrjað að vera notuð í ræktun og framleiðslu í gróðurhúsum, að vissu marki, til að bæta upp fyrir þann galla að daglegt uppsafnað ljós í gróðurhúsinu getur ekki fullnægt þörfum vaxtar uppskerunnar þegar náttúrulegt ljós er ófullnægjandi. Í tilrauninni voru tvær gerðir af LED viðbótarljósum með mismunandi ljósgæðum settar upp í gróðurhúsinu til að framkvæma tilraun til að auka framleiðslu á vatnsræktuðu salati og grænum stilkum á veturna. Niðurstöðurnar sýndu að tvær gerðir af LED ljósum geta aukið ferskþyngd á hverja plöntu af pakchoi og salati verulega. Áhrif pakchoi á uppskeru birtast aðallega í bættum almennum skynjunargæðum eins og stækkun og þykknun laufblaða, og áhrif uppskeru birtast aðallega í aukningu á fjölda laufblaða og þurrefnisinnihaldi.

Ljós er ómissandi þáttur í vexti plantna. Á undanförnum árum hefur LED ljós verið mikið notað í ræktun og framleiðslu í gróðurhúsumhverfi vegna mikils ljósvirkni, sérsniðins litrófs og langs líftíma [1]. Í erlendum löndum, vegna snemmbúinnar rannsókna og þroskuðs stuðningskerfis, hafa margar stórar blóma-, ávaxta- og grænmetisframleiðslur tiltölulega fullkomnar ljósabætiaðferðir. Söfnun mikils magns af raunverulegum framleiðslugögnum gerir framleiðendum einnig kleift að spá skýrt fyrir um áhrif aukinnar framleiðslu. Á sama tíma er ávöxtun eftir notkun LED viðbótarljósakerfisins metin [2]. Hins vegar eru flestar núverandi innlendar rannsóknir á viðbótarljósi hallaðar að smáum ljósgæðum og litrófsbestun og skortir viðbótarljósaaðferðir sem hægt er að nota í raunverulegri framleiðslu [3]. Margir innlendir framleiðendur munu nota beint núverandi erlendar viðbótarljósalausnir þegar þeir beita viðbótarljósatækni í framleiðslu, óháð loftslagsskilyrðum framleiðslusvæðisins, tegundum grænmetis sem framleitt er og aðstæðum aðstöðu og búnaðar. Að auki leiðir hár kostnaður við viðbótarljósabúnað og mikil orkunotkun oft til mikils bils á milli raunverulegrar uppskeru og efnahagslegrar ávöxtunar og væntanlegs árangurs. Slíkar núverandi aðstæður eru ekki til þess fallnar að stuðla að þróun og kynningu á tækni viðbótarljósa og auka framleiðslu í landinu. Þess vegna er brýn þörf á að koma þroskuðum LED viðbótarljósavörum á sanngjarnan hátt í raunverulegt innlent framleiðsluumhverfi, hámarka notkunaraðferðir og safna viðeigandi gögnum.

Veturinn er sá árstími þegar ferskt laufgrænmeti er mjög eftirsótt. Gróðurhús geta veitt heppilegra umhverfi fyrir ræktun laufgrænmetis á veturna en útiræktun. Hins vegar benti grein á að sum öldruð eða illa hrein gróðurhús hafa ljósgegndræpi undir 50% á veturna. Að auki er einnig hætta á langvarandi rigningu á veturna, sem gerir gróðurhúsið í lágum hita og litlu birtuumhverfi, sem hefur áhrif á eðlilegan vöxt plantna. Ljós hefur orðið takmarkandi þáttur fyrir vöxt grænmetis á veturna [4]. Græni teningurinn sem hefur verið settur í raunverulega framleiðslu er notaður í tilrauninni. Grunnflæðis laufgrænmetisplöntunarkerfið er parað við tvær LED-ljóseiningar frá Signify (China) Investment Co., Ltd. með mismunandi bláu ljóshlutföllum. Með því að planta salati og pakchoi, sem eru tvö laufgrænmeti með meiri eftirspurn á markaði, er markmiðið að kanna raunverulega aukningu á framleiðslu á vatnsræktuðu laufgrænmeti með LED-lýsingu í vetrargróðurhúsi.

Efni og aðferðir
Efni sem notuð eru til prófunar

Prófunarefnin sem notuð voru í tilrauninni voru salat og pakchoi-grænmeti. Salattegundin Green Leaf Lettuce kemur frá Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd. og pakchoi-tegundin Brilliant Green kemur frá Horticulture Institute of Shanghai Academy of Agricultural Sciences.

Tilraunaaðferð

Tilraunin var framkvæmd í Wenluo-gerð glergróðurhúsi hjá Sunqiao-stöð Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. frá nóvember 2019 til febrúar 2020. Alls voru tvær lotur af endurteknum tilraunum framkvæmdar. Fyrsta lotan var í lok árs 2019 og sú seinni í byrjun árs 2020. Eftir sáningu var tilraunaefninu komið fyrir í gerviljósarými til ræktunar og flóðvökvun var notuð. Á ræktunartímabilinu var almenn næringarlausn úr vatnsræktuðu grænmeti með EC 1,5 og pH 5,5 notuð til vökvunar. Eftir að spírurnar voru orðnar 3 lauf og 1 kjarnastig voru þær gróðursettar í grunnflæðis laufgrænmetisbeð af gerðinni Green Cube Track. Eftir gróðursetningu var grunnflæðis næringarlausn með EC 2 og pH 6 daglegri vökvun notuð. Vökvunartíðnin var 10 mínútur með vatnsveitu og 20 mínútur með stöðvun vatnsveitu. Viðmiðunarhópurinn (án ljósa) og meðferðarhópurinn (LED ljósa) voru valdir í tilraunina. CK var gróðursett í glergróðurhúsi án viðbótarljóss. LB: drw-lb Ho (200W) var notað til að bæta við ljósi eftir gróðursetningu í glergróðurhúsinu. Ljósflæðisþéttleikinn (PPFD) á yfirborði vatnsræktaðs grænmetisþaksins var um 140 μmól/(㎡·S). MB: eftir gróðursetningu í glergróðurhúsinu var drw-lb (200W) notað til að bæta við ljósi og PPFD var um 140 μmól/(㎡·S).

Fyrsta tilraunaumferðin er 8. nóvember 2019 og sáðsetningardagurinn er 25. nóvember 2019. Ljósauppbótartími tilraunahópsins er frá 6:30 til 17:00; önnur tilraunaumferðin er 30. desember 2019, sáðsetningardagurinn er 17. janúar 2020 og viðbótartími tilraunahópsins er frá 4:00 til 17:00.
Í sólríku vetrarveðri opnar gróðurhúsið sóllúguna, hliðarfilmuna og viftuna til að loftræsta daglega frá kl. 6:00 til 17:00. Þegar hitastigið er lágt á nóttunni lokar gróðurhúsið þakglugganum, hliðarfilmunni og viftunni frá kl. 17:00 til 6:00 (daginn eftir) og opnar einangrunargluggann í gróðurhúsinu til að varðveita hita á nóttunni.

Gagnasöfnun

Hæð plantna, fjöldi blaða og ferskþyngd á hverja plöntu voru mæld eftir að ofanjarðarhlutar Qingjingcai og salats voru uppskornir. Eftir að ferskþyngdin var mæld var plöntunni komið fyrir í ofni og þurrkað við 75°C í 72 klst. Að því loknu var þurrþyngdin ákvörðuð. Hitastigið í gróðurhúsinu og ljóstillífunarflæðisþéttleiki (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) eru safnað og skráð á 5 mínútna fresti með hitaskynjara (RS-GZ-N01-2) og ljóstillífunarvirkri geislunarskynjara (GLZ-CG).

Gagnagreining

Reiknið ljósnýtingarnýtingu (LUE, Light Use Efficiency) samkvæmt eftirfarandi formúlu:
LUE (g/mól) = uppskera grænmetis á flatarmálseiningu/heildarmagn ljóss sem grænmeti fær á flatarmálseiningu frá gróðursetningu til uppskeru
Reiknið þurrefnisinnihaldið samkvæmt eftirfarandi formúlu:
Þurrefnisinnihald (%) = þurrþyngd á plöntu/ferskþyngd á plöntu x 100%
Notið Excel2016 og IBM SPSS Statistics 20 til að greina gögnin í tilrauninni og greina marktækni mismunarins.

Efni og aðferðir
Ljós og hitastig

Fyrsta tilraunalotan tók 46 daga frá gróðursetningu til uppskeru og önnur lotan 42 daga frá gróðursetningu til uppskeru. Í fyrstu tilraunalotunni var meðalhiti dagsins í gróðurhúsinu að mestu leyti á bilinu 10-18 ℃; í annarri tilraunalotunni voru sveiflur í meðalhita dagsins í gróðurhúsinu meiri en í fyrstu tilraunalotunni, þar sem lægsti meðalhiti dagsins var 8,39 ℃ og hæsti meðalhiti dagsins var 20,23 ℃. Meðalhiti dagsins sýndi almennt uppsveiflu á meðan vaxtarferlinu stóð (Mynd 1).

Í fyrstu umferð tilraunarinnar sveiflaðist daglegt ljósmagn (DLI) í gróðurhúsinu minna en 14 mól/(㎡·D). Í annarri umferð tilraunarinnar sýndi daglegt uppsafnað magn náttúrulegs ljóss í gróðurhúsinu almennt hækkandi þróun, sem var hærra en 8 mól/(㎡·D), og hámarksgildið kom fram 27. febrúar 2020, sem var 26,1 mól/(㎡·D). Breytingin á daglegu uppsafnaðri daglegu ljósmagni í gróðurhúsinu í annarri umferð tilraunarinnar var meiri en í fyrstu umferð tilraunarinnar (Mynd 2). Í fyrstu umferð tilraunarinnar var heildar daglegt uppsafnað ljósmagn (summa af náttúrulegu ljósi DLI og LED viðbótarljósi DLI) viðbótarljóshópsins hærra en 8 mól/(㎡·D) mestallan tímann. Í annarri umferð tilraunarinnar var heildar daglegt uppsafnað ljósmagn viðbótarljóshópsins meira en 10 mól/(㎡·D) mestallan tímann. Heildaruppsafnað magn viðbótarljóss í annarri umferðinni var 31,75 mól/㎡ meira en í fyrstu umferðinni.

Uppskera laufgrænmetis og skilvirkni ljósorkunýtingar

●Fyrsta umferð prófniðurstaðna
Á mynd 3 má sjá að pakchoi með LED-ljósi vex betur, lögun plantunnar er þéttari og blöðin eru stærri og þykkari en á CK án viðbótarljóss. Blöð LB og MB pakchoi eru bjartari og dekkri græn en CK. Á mynd 4 má sjá að salat með LED-ljósi vex betur en CK án viðbótarljóss, fjöldi blaða er hærri og lögun plantunnar er þykkari.

Af töflu 1 má sjá að enginn marktækur munur er á hæð plantna, fjölda blaða, þurrefnisinnihaldi og nýtingu ljósorku pakchoi sem meðhöndlað er með CK, LB og MB, en ferskþyngd pakchoi sem meðhöndlað er með LB og MB er marktækt hærri en CK; Það var enginn marktækur munur á ferskþyngd á plöntu milli LED ræktunarljósanna tveggja með mismunandi bláu ljóshlutföllum við meðhöndlun LB og MB.

Í töflu 2 má sjá að hæð plantna salats í LB meðferð var marktækt hærri en í CK meðferð, en enginn marktækur munur var á LB meðferð og MB meðferð. Marktækur munur var á fjölda blaða milli meðferðanna þriggja, og fjöldi blaða í MB meðferð var hæstur, sem var 27. Ferskþyngd á plöntu í LB meðferð var hæst, sem var 101 g. Einnig var marktækur munur á milli hópanna tveggja. Enginn marktækur munur var á þurrefnisinnihaldi milli CK og LB meðferða. MB innihald var 4,24% hærra en í CK og LB meðferðum. Marktækur munur var á ljósnýtni milli meðferðanna þriggja. Mesta ljósnýtnin var í LB meðferð, sem var 13,23 g/mól, og lægst var í CK meðferð, sem var 10,72 g/mól.

● Önnur umferð prófniðurstaðna

Af töflu 3 má sjá að hæð plantna í pakchoi sem meðhöndlað var með MB var marktækt hærri en í CK og enginn marktækur munur var á milli þess og LB meðferðar. Fjöldi blaða í pakchoi sem meðhöndlað var með LB og MB var marktækt hærri en í CK, en enginn marktækur munur var á milli hópanna tveggja sem fengu viðbótarljósmeðferð. Marktækur munur var á ferskþyngd á hverja plöntu milli meðferðanna þriggja. Ferskþyngd á hverja plöntu í CK var lægst, 47 g, og MB meðferðin var hæst, 116 g. Enginn marktækur munur var á þurrefnisinnihaldi milli meðferðanna þriggja. Marktækur munur er á nýtingu ljósorku. CK er lágt, 8,74 g/mól, og MB meðferðin er hæst, 13,64 g/mól.

Af töflu 4 má sjá að enginn marktækur munur var á hæð plantna í salati milli meðferðanna þriggja. Fjöldi blaða í LB og MB meðferðum var marktækt hærri en í CK. Meðal þeirra var fjöldi MB blaða hæstur, 26. Enginn marktækur munur var á fjölda blaða milli LB og MB meðferða. Ferskþyngd á plöntu í báðum hópunum sem fengu viðbótarljósmeðferð var marktækt hærri en í CK, og ferskþyngd á plöntu var hæst í MB meðferðinni, sem var 133 g. Einnig var marktækur munur á LB og MB meðferðum. Marktækur munur var á þurrefnisinnihaldi milli meðferðanna þriggja, og þurrefnisinnihald LB meðferðarinnar var hæst, sem var 4,05%. Ljósorkunýting MB meðferðarinnar er marktækt hærri en í CK og LB meðferðinni, sem er 12,67 g/mól.

Í annarri tilraunarlotu var heildar-DLI hópsins sem fékk viðbótarljós mun hærri en DLI á sama fjölda landnámsdaga og í fyrstu tilraunarlotu (Mynd 1-2) og viðbótarljóstíminn hjá hópnum sem fékk viðbótarljósmeðferð í annarri tilraunarlotu (4:00-00-17:00). Í samanburði við fyrstu tilraunarlotu (6:30-17:00) jókst hann um 2,5 klukkustundir. Uppskerutími pakchoi-lotanna tveggja var 35 dagar eftir gróðursetningu. Ferskþyngd CK-plantna í lotunum tveimur var svipuð. Munurinn á ferskri þyngd á plöntu í LB- og MB-meðferð samanborið við CK í annarri tilraunarlotu var mun meiri en munurinn á ferskri þyngd á plöntu samanborið við CK í fyrstu tilraunarlotu (Tafla 1, Tafla 3). Uppskerutími annarrar umferðar tilraunasalats var 42 dagar eftir gróðursetningu og uppskerutími fyrstu umferðar tilraunasalats var 46 dagar eftir gróðursetningu. Fjöldi nýlendudaga þegar önnur lota tilraunasalats CK var uppskorin var 4 dögum minni en í fyrstu lotunni, en ferskþyngd á plöntu er 1,57 sinnum meiri en í fyrstu lotunni (Tafla 2 og Tafla 4) og skilvirkni ljósorku er svipuð. Það má sjá að þegar hitastigið hlýnar smám saman og náttúrulegt ljós í gróðurhúsinu eykst smám saman, styttist framleiðsluferill salats.

Efni og aðferðir
Tvær tilraunaloturnar náðu í grundvallaratriðum yfir allan veturinn í Shanghai og samanburðarhópurinn (CK) gat tiltölulega endurheimt raunverulega framleiðslustöðu vatnsræktaðs græns stilks og salats í gróðurhúsi við lágt hitastig og lítið sólarljós á veturna. Tilraunahópurinn sem fékk ljósbætandi áhrif hafði marktæk áhrif á innsæisríkustu gagnavísitöluna (ferskþyngd á plöntu) í tveimur tilraunalotunum. Meðal þeirra endurspegluðust áhrif pakchoi á uppskeru í stærð, lit og þykkt laufanna á sama tíma. En salat hefur tilhneigingu til að auka fjölda laufblaða og lögun plantnanna lítur fyllri út. Niðurstöður prófunarinnar sýna að ljósbætandi áhrif geta bætt ferskþyngd og gæði vörunnar við gróðursetningu tveggja grænmetisflokka og þar með aukið sölu á grænmetisafurðum. Pakchoi bætt við með rauðhvítum, lágbláum og rauðhvítum, miðbláum LED-ljóseiningum eru dekkri grænar og glansandi í útliti en lauf án viðbótarljóss, laufin eru stærri og þykkari og vaxtarþróun allrar plöntutegundarinnar er þéttari og kröftugri. Hins vegar tilheyrir „mósaíksalat“ ljósgrænu laufgrænmeti og engin augljós litabreyting er í vaxtarferlinu. Breytingin á lit laufblaðanna er ekki augljós fyrir mannsauganu. Viðeigandi hlutfall af bláu ljósi getur stuðlað að laufþroska og ljóstillífun litarefna og hamlað lengingu millihnúta. Þess vegna eru grænmeti í ljósbætiefnahópnum vinsælli hjá neytendum hvað varðar útlit.

Í annarri lotu tilraunarinnar var heildar daglegt uppsafnað ljósmagn viðbótarljóss mun hærra en daglegt ljósmagn (DLI) á sama fjölda nýlendutíma og í fyrstu lotu tilraunarinnar (Mynd 1-2) og viðbótarljóstíminn í annarri lotu viðbótarljósmeðferðarhópsins (4:00-17:00) jókst um 2,5 klukkustundir samanborið við fyrstu lotu tilraunarinnar (6:30-17:00). Uppskerutími tveggja lota af pakchoi var 35 dögum eftir gróðursetningu. Ferskþyngd CK í lotunum tveimur var svipuð. Munurinn á ferskþyngd á plöntu milli LB og MB meðferðar og CK í annarri lotu tilraunanna var mun meiri en munurinn á ferskþyngd á plöntu með CK í fyrstu lotu tilraunanna (Tafla 1 og Tafla 3). Því getur lenging á viðbótarljóstíma stuðlað að aukinni framleiðslu á vatnsræktuðum pakchoi sem ræktað er innandyra á veturna. Uppskerutími annarrar lotu tilraunasalats var 42 dögum eftir gróðursetningu og uppskerutími fyrstu lotu tilraunasalats var 46 dögum eftir gróðursetningu. Þegar önnur lota tilraunasalats var uppskorin var fjöldi nýlendudaga CK hópsins 4 dögum færri en í fyrstu lotunni. Hins vegar var ferskþyngd einnar plöntu 1,57 sinnum meiri en í fyrstu lotunni (Tafla 2 og Tafla 4). Nýting ljósorku var svipuð. Það má sjá að þegar hitastigið hækkar hægt og náttúrulegt ljós í gróðurhúsinu eykst smám saman (Mynd 1-2) er hægt að stytta framleiðsluferil salats í samræmi við það. Því er hægt að bæta við viðbótarljósabúnaði í gróðurhúsið á veturna við lágt hitastig og lítið sólarljós til að bæta framleiðsluhagkvæmni salats á áhrifaríkan hátt og síðan auka framleiðsluna. Í fyrstu lotu tilraunarinnar var orkunotkun viðbótarljósa laufplöntunnar 0,95 kWh og í annarri lotu tilraunarinnar var orkunotkun viðbótarljósa laufplöntunnar 1,15 kWh. Í samanburði við tvær tilraunarloturnar var ljósnotkun þriggja meðferða með pakchoi plöntum og orkunýting í annarri tilrauninni lægri en í fyrstu tilrauninni. Ljósnýting hópanna sem fengu viðbótarljósmeðferð með salati CK og LB var örlítið lægri en í fyrstu tilrauninni. Álykta má að möguleg ástæða sé sú að lágt meðalhitastig á dag innan viku eftir gróðursetningu lengir hæga plöntutímabilið. Þó að hitastigið hafi hækkað lítillega á meðan tilrauninni stóð, var sviðið takmarkað og heildarmeðalhitastigið á dag var enn lágt, sem takmarkaði orkunýtingu á heildarvaxtarferlinu fyrir vatnsræktun laufgrænmetis. (Mynd 1).

Í tilrauninni var næringarlausnarlaugin ekki búin hitunarbúnaði, þannig að rótarumhverfi vatnsræktaðs laufgrænmetis var alltaf lágt og meðalhiti dagsins var takmarkaður, sem olli því að grænmetið nýtti ekki til fulls uppsafnaða birtu sem jókst með því að auka LED viðbótarljósið. Þess vegna, þegar viðbótarljós eru notuð í gróðurhúsi á veturna, er nauðsynlegt að huga að viðeigandi hitavarna- og hitunarráðstöfunum til að tryggja áhrif viðbótarljóss til að auka framleiðslu. Þess vegna er nauðsynlegt að huga að viðeigandi ráðstöfunum til hitavarna og hitahækkunar til að tryggja áhrif viðbótarljóss og auka uppskeru í vetrargróðurhúsi. Notkun LED viðbótarljóss mun auka framleiðslukostnað að vissu marki og landbúnaðarframleiðsla í sjálfu sér er ekki afkastamikill atvinnugrein. Þess vegna, varðandi hvernig á að hámarka viðbótarljósastefnu og vinna með öðrum ráðstöfunum í raunverulegri framleiðslu á vatnsræktuðu laufgrænmeti í vetrargróðurhúsi, og hvernig á að nota viðbótarljósabúnað til að ná fram skilvirkri framleiðslu og bæta skilvirkni ljósorkunýtingar og efnahagslegan ávinning, þarf enn frekari framleiðslutilraunir.

Höfundar: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Heimild greinar: Landbúnaðarverkfræðitækni (gróðurhúsarækt).

Heimildir:
[1] Jianfeng Dai, notkun LED-ljósa í garðyrkjuhúsaframleiðslu frá Philips [J]. Landbúnaðarverkfræðitækni, 2017, 37 (13): 28-32.
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin o.fl. Notkunarstaða og horfur ljósabætiefnistækni fyrir verndaða ávexti og grænmeti [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao o.fl. Rannsóknir og notkunarstaða og þróunarstefna fyrir lýsingu í plöntum [J]. Tímarit um lýsingarverkfræði, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi o.fl. Notkun ljósgjafa og ljósgæðaeftirlits í gróðurhúsaræktun grænmetis [J]. Kínverskt grænmeti, 2012 (2): 1-7