Дослідження впливу додаткового світлодіодного освітлення на збільшення врожайності гідропонного салату та пакчої в теплицях взимку
[Анотація] Взимку в Шанхаї часто спостерігаються низькі температури та низька кількість сонячного світла, через що ріст гідропонних листових овочів у теплицях відбувається повільно, а виробничий цикл довгий, що не може задовольнити ринковий попит. В останні роки у вирощуванні та виробництві теплиць почали використовувати додаткове світлодіодне освітлення рослин, яке певною мірою компенсує недолік, за яким щоденне накопичене світло в теплиці не може задовольнити потреби росту сільськогосподарських культур, коли природного освітлення недостатньо. В експерименті в теплиці було встановлено два види додаткових світлодіодних світильників з різною якістю світла для проведення дослідницького експерименту зі збільшення виробництва гідропонного салату та зелених стебел взимку. Результати показали, що два види світлодіодних світильників можуть значно збільшити свіжу масу на рослину пакчой та салату-латуку. Підвищення врожайності пакчой головним чином відображається в покращенні загальних сенсорних якостей, таких як збільшення та потовщення листя, а підвищення врожайності салату головним чином відображається у збільшенні кількості листя та вмісту сухої речовини.

Світло є невід'ємною частиною росту рослин. В останні роки світлодіодні лампи широко використовуються у вирощуванні та виробництві в тепличному середовищі завдяки високому коефіцієнту фотоелектричного перетворення, настроюваному спектру та тривалому терміну служби [1]. У зарубіжних країнах, завдяки ранньому початку відповідних досліджень та зрілій системі підтримки, багато великих вирощувань квітів, фруктів та овочів мають відносно повні стратегії додаткового освітлення. Накопичення великої кількості фактичних даних про виробництво також дозволяє виробникам чітко прогнозувати ефект від збільшення виробництва. Водночас оцінюється віддача від використання системи додаткового світлодіодного освітлення [2]. Однак більшість сучасних вітчизняних досліджень додаткового освітлення зосереджені на якості світла та спектральній оптимізації дрібномасштабного виробництва, і не мають стратегій додаткового освітлення, які можна використовувати у реальному виробництві [3]. Багато вітчизняних виробників безпосередньо використовують існуючі іноземні рішення щодо додаткового освітлення під час застосування технології додаткового освітлення у виробництві, незалежно від кліматичних умов виробничої зони, видів вирощених овочів та стану приміщень та обладнання. Крім того, висока вартість обладнання для додаткового освітлення та високе споживання енергії часто призводять до величезного розриву між фактичною врожайністю та економічною віддачею від очікуваного ефекту. Така поточна ситуація не сприяє розвитку та просуванню технології додаткового освітлення та збільшенню виробництва в країні. Тому існує нагальна потреба розумно впроваджувати зрілі світлодіодні додаткові світильники у реальні умови вітчизняного виробництва, оптимізувати стратегії використання та накопичувати відповідні дані.

Зима – це пора року, коли свіжі листові овочі користуються великим попитом. Теплиці можуть забезпечити більш сприятливе середовище для росту листових овочів взимку, ніж поля для сільського господарства на відкритому повітрі. Однак у статті зазначалося, що деякі старі або погано очищені теплиці мають коефіцієнт пропускання світла менше 50% взимку. Крім того, взимку також схильна тривала дощова погода, через що теплиця перебуває в середовищі з низькою температурою та низьким рівнем освітлення, що впливає на нормальний ріст рослин. Освітлення стало обмежувальним фактором для росту овочів взимку [4]. В експерименті використовується Green Cube, який було впроваджено у виробництво. Система посадки листових овочів з поверхневим потоком рідини поєднується з двома світлодіодними модулями верхнього освітлення Signify (China) Investment Co., Ltd. з різним співвідношенням синього світла. Посадка салату та пакчой, які є двома листовими овочами з більшим ринковим попитом, має на меті вивчити фактичне збільшення виробництва гідропонних листових овочів за допомогою світлодіодного освітлення в зимовій теплиці.

Матеріали та методи
Матеріали, що використовуються для тестування

Досліджуваними матеріалами в експерименті були салат-латук та овочі пакчой. Сорт салату Green Leaf Lettuce походить від Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., а сорт пакчой Brilliant Green — від Інституту садівництва Шанхайської академії сільськогосподарських наук.

Експериментальний метод

Експеримент проводився у скляній теплиці типу Веньлуо на базі Суньцяо компанії Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. з листопада 2019 року по лютий 2020 року. Загалом було проведено два раунди повторних експериментів. Перший раунд експерименту відбувся наприкінці 2019 року, а другий – на початку 2020 року. Після посіву експериментальні матеріали помістили в кімнату зі штучним освітленням для вирощування розсади та використовували припливно-відпливне зрошення. Протягом періоду вирощування розсади для поливу використовували загальний поживний розчин гідропонних овочів з електропровідністю 1,5 та pH 5,5. Після того, як розсада виросла до 3 листків та 1 серця, її висаджували на грядку для листових овочів типу Green Cube Track з мілководдям. Після посадки система циркуляції поживного розчину з мілководдям використовувала поживний розчин з електропровідністю 2 та pH 6 для щоденного поливу. Частота поливу становила 10 хвилин з подачею води та 20 хвилин з припиненням подачі води. В експерименті було сформовано контрольну групу (без додаткового освітлення) та групу лікування (додаткове освітлення світлодіодами). CK висаджували у скляну теплицю без додаткового освітлення. LB: drw-lb Ho (200 Вт) використовували для доповнення освітлення після висаджування у скляну теплицю. Щільність світлового потоку (PPFD) на поверхні гідропонного овочевого пологу становила близько 140 мкмоль/(㎡·S). MB: після висаджування у скляну теплицю для доповнення освітлення використовували drw-lb (200 Вт), а PPFD становила близько 140 мкмоль/(㎡·S).

Перший раунд експериментальної сівби – 8 листопада 2019 року, а дата посадки – 25 листопада 2019 року. Час додаткового освітлення для тестової групи – з 6:30 до 17:00; другий раунд експериментальної сівби – 30 грудня 2019 року, дата посадки – 17 січня 2020 року, а час додаткового освітлення для експериментальної групи – з 4:00 до 17:00.
У сонячну зимову погоду теплиця щодня відкриватиме люк на даху, бічну плівку та вентилятор для провітрювання з 6:00 до 17:00. Коли температура вночі низька, теплиця закриватиме мансардний люк, бічну рулонну плівку та вентилятор з 17:00 до 6:00 (наступного дня), а також відкриватиме теплоізоляційну завісу в теплиці для збереження тепла вночі.

Збір даних

Висота рослини, кількість листків та свіжа маса кожної рослини були отримані після збору врожаю надземної частини Цінцзінцай та салату. Після вимірювання свіжої ваги, рослину помістили в сушильну шафу та сушили при температурі 75℃ протягом 72 годин. Після закінчення сушіння визначили суху масу. Температура в теплиці та густина фотосинтетичного потоку фотонів (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) збиралися та реєструвалися кожні 5 хвилин за допомогою датчика температури (RS-GZ-N01-2) та датчика фотосинтетично активного випромінювання (GLZ-CG).

Аналіз даних

Розрахуйте ефективність використання світла (LUE, Light Use Efficiency) за такою формулою:
Урожайність овочів з одиниці площі / загальна сукупна кількість світла, отриманого овочами на одиницю площі від посадки до збору врожаю
Вміст сухої речовини розраховують за такою формулою:
Вміст сухої речовини (%) = суха маса на рослину/свіжа маса на рослину x 100%
Використайте Excel2016 та IBM SPSS Statistics 20 для аналізу даних експерименту та аналізу значущості різниці.

Матеріали та методи
Світло та температура

Перший раунд експерименту тривав 46 днів від посадки до збору врожаю, а другий раунд – 42 дні. Під час першого раунду експерименту середньодобова температура в теплиці переважно коливалася в діапазоні 10-18 ℃; під час другого раунду експерименту коливання середньодобової температури в теплиці були більш сильними, ніж під час першого раунду експерименту, з найнижчою середньодобовою температурою 8,39 ℃ та найвищою середньодобовою температурою 20,23 ℃. Середньодобова температура демонструвала загальну тенденцію до зростання протягом процесу росту (рис. 1).

Протягом першого раунду експерименту добовий інтеграл світла (DLI) у теплиці коливався менше ніж на 14 моль/(㎡·D). Під час другого раунду експерименту добова кумулятивна кількість природного світла в теплиці демонструвала загальну тенденцію до зростання, перевищуючи 8 моль/(㎡·D), а максимальне значення з'явилося 27 лютого 2020 року, коли воно становило 26,1 моль/(㎡·D). Зміна добової кумулятивної кількості природного світла в теплиці під час другого раунду експерименту була більшою, ніж під час першого раунду експерименту (рис. 2). Під час першого раунду експерименту загальна добова кумулятивна кількість світла (сума DLI природного світла та DLI додаткового світлодіодного світла) групи додаткового освітлення більшу частину часу перевищувала 8 моль/(㎡·D). Під час другого раунду експерименту загальна добова накопичена кількість світла групи додаткового освітлення більшу частину часу перевищувала 10 моль/(㎡·D). Загальна накопичена кількість додаткового світла у другому раунді була на 31,75 моль/㎡ більше, ніж у першому раунді.

Врожайність листових овочів та ефективність використання світлової енергії

●Результати першого раунду тестування
З рис. 3 видно, що пакчой з додаванням світлодіодного освітлення росте краще, форма рослини компактніша, а листя більше та товстіше, ніж у пакчой без додавання світлодіодного освітлення. Листя пакчой LB та MB яскравіше та темніше зелене, ніж у пакчой CK. З рис. 4 видно, що салат з додатковим світлодіодним освітленням росте краще, ніж пакчой без додавання світлодіодного освітлення, кількість листя більша, а форма рослини повніша.

З таблиці 1 видно, що немає суттєвої різниці у висоті рослин, кількості листя, вмісті сухої речовини та ефективності використання світлової енергії пакчої, обробленої CK, LB та MB, але вага свіжої маси пакчої, обробленої LB та MB, значно вища, ніж у CK; Не було виявлено суттєвої різниці у вазі свіжої маси на рослину між двома світлодіодними лампами для вирощування з різним співвідношенням синього світла при обробці LB та MB.

З таблиці 2 видно, що висота рослин салату при обробці LB була значно вищою, ніж при обробці CK, але суттєвої різниці між обробкою LB та обробкою MB не було. Спостерігалися значні відмінності в кількості листя між трьома варіантами, а кількість листя при обробці MB була найвищою - 27. Свіжа маса на рослину при обробці LB була найвищою і становила 101 г. Також спостерігалася значна різниця між двома групами. Не було суттєвої різниці у вмісті сухої речовини між варіантами CK та LB. Вміст MB був на 4,24% вищим, ніж при обробці CK та LB. Спостерігалися значні відмінності в ефективності використання світла між трьома варіантами. Найвища ефективність використання світла була при обробці LB - 13,23 г/моль, а найнижча - при обробці CK - 10,72 г/моль.

●Результати другого раунду тестування

З таблиці 3 видно, що висота рослин пакчой, обробленої MB, була значно вищою, ніж у CK, і не було суттєвої різниці між нею та обробкою LB. Кількість листків пакчой, оброблених LB та MB, була значно вищою, ніж у CK, але суттєвої різниці між двома групами додаткової світлової обробки не було. Спостерігалися значні відмінності у сирій масі на рослину між трьома варіантами обробки. Сира маса на рослину в CK була найнижчою - 47 г, а в обробці MB - найвищою - 116 г. Не було суттєвої різниці у вмісті сухої речовини між трьома варіантами обробки. Існують значні відмінності в ефективності використання світлової енергії. CK низький - 8,74 г/моль, а обробка MB - найвища - 13,64 г/моль.

З таблиці 4 видно, що суттєвої різниці у висоті рослин салату між трьома варіантами обробки не було. Кількість листків у варіантах LB та MB була значно вищою, ніж у CK. Серед них кількість листків MB була найбільшою - 26. Не було суттєвої різниці в кількості листків між варіантами LB та MB. Свіжа маса на рослину двох груп додаткового світлового оброблення була значно вищою, ніж у CK, а свіжа маса на рослину була найвищою у варіанті MB і становила 133 г. Також були значні відмінності між варіантами обробки LB та MB. Спостерігалися значні відмінності у вмісті сухої речовини між трьома варіантами обробки, а вміст сухої речовини у варіанті LB був найвищим і становив 4,05%. Ефективність використання світлової енергії при обробці MB значно вища, ніж у CK та LB, і становить 12,67 г/моль.

Під час другого раунду експерименту загальний показник DLI групи з додатковим освітленням був значно вищим, ніж DLI протягом тієї ж кількості днів колонізації під час першого раунду експерименту (Рис. 1-2), а також час додаткового освітлення групи обробки додатковим освітленням у другому раунді експерименту (4:00-00-17:00). Порівняно з першим раундом експерименту (6:30-17:00) він збільшився на 2,5 години. Час збору врожаю у двох раундах пакчой склав 35 днів після посадки. Свіжа маса окремої рослини CK у двох раундах була подібною. Різниця у свіжій масі на рослину при обробці LB та MB порівняно з CK у другому раунді експериментів була значно більшою, ніж різниця у свіжій масі на рослину порівняно з CK у першому раунді експериментів (Таблиця 1, Таблиця 3). Час збору врожаю другого раунду експериментального салату склав 42 дні після посадки, а час збору врожаю першого раунду експериментального салату – 46 днів після посадки. Кількість днів колонізації під час збору другого раунду експериментального салату CK була на 4 дні меншою, ніж під час першого раунду, але свіжа вага на рослину в 1,57 раза більша, ніж під час першого раунду експериментів (Таблиця 2 та Таблиця 4), а ефективність використання світлової енергії подібна. Видно, що з поступовим підвищенням температури та поступовим збільшенням природного освітлення в теплиці виробничий цикл салату скорочується.

Матеріали та методи
Два раунди випробувань охопили фактично всю зиму в Шанхаї, і контрольна група (КГ) змогла відносно відновити фактичний стан виробництва гідропонного зеленого стебла та салату в теплиці за низької температури та низького сонячного освітлення взимку. Експериментальна група з додаванням світла мала значний стимулюючий вплив на найбільш інтуїтивний показник даних (свіжа вага на рослину) у двох раундах експериментів. Серед них ефект збільшення врожайності пакчой відображався на розмірі, кольорі та товщині листя одночасно. Але салат має тенденцію до збільшення кількості листя, а форма рослини виглядає повнішою. ​​Результати випробувань показують, що додавання світла може покращити свіжу вагу та якість продукції при посадці двох категорій овочів, тим самим підвищуючи комерційну привабливість овочевої продукції. пакчой з додаванням червоно-білих, слабко-синіх та червоно-білих, середньо-синіх світлодіодних модулів верхнього освітлення мають темніший зелений колір та блискучий вигляд, ніж листя без додаткового освітлення, листя більше та товстіше, а тенденція росту всього типу рослин є більш компактною та енергійною. Однак, «мозаїчний салат» належить до світло-зелених листових овочів, і в процесі росту немає помітної зміни кольору. Зміна кольору листя не є помітною для людського ока. Відповідна пропорція синього світла може сприяти розвитку листя та синтезу фотосинтетичного пігменту, а також пригнічувати подовження міжвузлів. Тому овочі з групи світлових добавок більш популярні серед споживачів за зовнішнім виглядом.

Під час другого раунду випробування загальна добова сукупна кількість світла в групі додаткового освітлення була значно вищою, ніж DLI протягом тієї ж кількості днів колонізації під час першого раунду експерименту (Рис. 1-2), а час додаткового освітлення в другому раунді групи обробки додатковим світлом (4:00-17:00), порівняно з першим раундом експерименту (6:30-17:00), збільшився на 2,5 години. Час збору врожаю в двох раундах пакчой склав 35 днів після посадки. Свіжа вага CK в двох раундах була подібною. Різниця у свіжій вазі на рослину між обробкою LB та MB та CK у другому раунді експериментів була набагато більшою, ніж різниця у свіжій вазі на рослину з CK у першому раунді експериментів (Таблиця 1 та Таблиця 3). Отже, збільшення часу додаткового освітлення може сприяти збільшенню виробництва гідропонного пакчой, вирощеного в приміщенні взимку. Час збору врожаю другого раунду експериментального салату становив 42 дні після посадки, а час збору врожаю першого раунду експериментального салату – 46 днів після посадки. Коли було зібрано другий раунд експериментального салату, кількість днів колонізації групи CK була на 4 дні меншою, ніж у першому раунді. Однак, вага свіжої рослини була в 1,57 раза більшою, ніж у першому раунді експериментів (Таблиця 2 та Таблиця 4). Ефективність використання світлової енергії була подібною. Видно, що з поступовим підвищенням температури та поступовим збільшенням природного освітлення в теплиці (Рис. 1-2), виробничий цикл салату може бути відповідно скорочений. Тому додавання додаткового освітлювального обладнання до теплиці взимку з низькою температурою та низьким рівнем сонячного світла може ефективно підвищити ефективність виробництва салату, а отже, збільшити врожайність. У першому раунді експерименту споживання енергії доповненого освітлення рослинами листового меню становило 0,95 кВт·год, а в другому раунді експерименту споживання енергії доповненого освітлення рослинами листового меню становило 1,15 кВт·год. Порівняно з двома раундами експериментів, споживання світла трьома способами обробки пакчой, ефективність використання енергії у другому експерименті була нижчою, ніж у першому експерименті. Ефективність використання світлової енергії групами обробки салату CK та LB додатковим світлом у другому експерименті була дещо нижчою, ніж у першому експерименті. Зроблено висновок, що можливою причиною є те, що низька середньодобова температура протягом тижня після посадки подовжує період повільного проростання розсади, і хоча температура дещо відновлювалася під час експерименту, діапазон був обмеженим, а загальна середньодобова температура все ще була на низькому рівні, що обмежувало ефективність використання світлової енергії протягом загального циклу росту для гідропоніки листових овочів (Рисунок 1).

Під час експерименту басейн з поживним розчином не був оснащений нагрівальним обладнанням, тому температура кореневого середовища гідропонних листових овочів завжди була низькою, а середньодобова температура була обмеженою, що призводило до того, що овочі не могли повною мірою використовувати щоденне кумулятивне світло, збільшене шляхом подовження додаткового світлодіодного освітлення. Тому, під час додаткового освітлення в теплиці взимку необхідно враховувати відповідні заходи щодо збереження тепла та обігріву, щоб забезпечити ефект додаткового освітлення для збільшення виробництва. Тому необхідно враховувати відповідні заходи щодо збереження тепла та підвищення температури, щоб забезпечити ефект додаткового освітлення та збільшення врожайності в зимовій теплиці. Використання додаткового світлодіодного освітлення певною мірою збільшить собівартість виробництва, а саме сільськогосподарське виробництво не є високопродуктивною галуззю. Тому, щодо того, як оптимізувати стратегію додаткового освітлення та співпрацювати з іншими заходами у фактичному виробництві гідропонних листових овочів у зимовій теплиці, а також як використовувати додаткове освітлювальне обладнання для досягнення ефективного виробництва та підвищення ефективності використання світлової енергії та економічних вигод, все ще потрібні подальші виробничі експерименти.

Автори: Імін Цзі, Кан Лю, Сяньпін Чжан, Хунлей Мао (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Джерело статті: Технологія сільськогосподарської техніки (тепличне садівництво).

Список літератури:
[1] Цзяньфен Дай, Практика застосування садівничих світлодіодів Philips у тепличному виробництві [J]. Технології сільськогосподарського машинобудування, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Сяолін Ян, Ланьфан Сун, Чженлі Цзінь та ін. Стан застосування та перспективи технології світлових добавок для захищених фруктів та овочів [J]. Північне садівництво, 2018 (17): 166-170
[3] Сяоїн Лю, Чжиган Сюй, Сюелей Цзяо та ін. Стан досліджень та застосувань і стратегія розвитку освітлення рослин [J]. Журнал світлотехніки, 013, 24 (4): 1-7
[4] Цзін Сє, Хоу Чен Лю, Вей Сун Ши та ін. Застосування джерела світла та контролю якості світла у виробництві овочів у теплицях [J]. Китайські овочі, 2012 (2): 1-7