Istraživanje utjecaja LED dodatne rasvjete na povećanje prinosa hidroponske salate i pakchoija u staklenicima zimi
[Sažetak] Zima u Šangaju često se susreće s niskim temperaturama i slabom količinom sunca, a rast hidroponskog lisnatog povrća u staklenicima je spor, a proizvodni ciklus dug, što ne može zadovoljiti potražnju na tržištu. Posljednjih godina, LED dodatna rasvjeta za biljke počela se koristiti u uzgoju i proizvodnji u staklenicima, do određene mjere, kako bi se nadoknadio nedostatak da dnevno akumulirana svjetlost u stakleniku ne može zadovoljiti potrebe rasta usjeva kada je prirodno svjetlo nedovoljno. U eksperimentu su u staklenik ugrađene dvije vrste LED dodatnih svjetala različite kvalitete svjetlosti kako bi se proveo istraživački eksperiment povećanja proizvodnje hidroponske salate i zelene stabljike zimi. Rezultati su pokazali da dvije vrste LED svjetala mogu značajno povećati svježu težinu pakchoija i salate po biljci. Učinak pakchoija na povećanje prinosa uglavnom se ogleda u poboljšanju ukupne senzorne kvalitete kao što su povećanje i zadebljanje listova, a učinak salate na povećanje prinosa uglavnom se ogleda u povećanju broja listova i sadržaja suhe tvari.

Svjetlost je neizostavan dio rasta biljaka. Posljednjih godina LED svjetla se široko koriste u uzgoju i proizvodnji u stakleničkom okruženju zbog visoke stope fotoelektrične konverzije, prilagodljivog spektra i dugog vijeka trajanja [1]. U stranim zemljama, zbog ranog početka srodnih istraživanja i zrelog sustava podrške, mnogi veliki proizvođači cvijeća, voća i povrća imaju relativno potpune strategije dopunske rasvjete. Akumulacija velike količine stvarnih podataka o proizvodnji također omogućuje proizvođačima da jasno predvide učinak povećanja proizvodnje. Istovremeno, procjenjuje se povrat nakon korištenja LED sustava dopunske rasvjete [2]. Međutim, većina trenutnih domaćih istraživanja o dopunskoj rasvjeti pristrana je prema kvaliteti svjetlosti malih razmjera i spektralnoj optimizaciji te nedostaju strategije dopunske rasvjete koje se mogu koristiti u stvarnoj proizvodnji [3]. Mnogi domaći proizvođači izravno će koristiti postojeća strana rješenja dopunske rasvjete prilikom primjene tehnologije dopunske rasvjete u proizvodnji, bez obzira na klimatske uvjete proizvodnog područja, vrste proizvedenog povrća te uvjete objekata i opreme. Osim toga, visoki troškovi opreme za dopunsku rasvjetu i visoka potrošnja energije često rezultiraju ogromnim jazom između stvarnog prinosa usjeva i ekonomskog povrata te očekivanog učinka. Takva trenutna situacija ne pogoduje razvoju i promociji tehnologije dopunske rasvjete i povećanju proizvodnje u zemlji. Stoga je hitno potrebno razumno uvesti zrele LED dopunske svjetlosne proizvode u stvarna domaća proizvodna okruženja, optimizirati strategije korištenja i prikupiti relevantne podatke.

Zima je godišnje doba kada je svježe lisnato povrće u velikoj potražnji. Staklenici mogu pružiti prikladnije okruženje za rast lisnatog povrća zimi nego polja za uzgoj na otvorenom. Međutim, jedan je članak istaknuo da neki stari ili loše očišćeni staklenici imaju propusnost svjetlosti manju od 50% zimi. Osim toga, dugotrajno kišovito vrijeme također je sklono zimi, što staklenik dovodi u okruženje niske temperature i slabog osvjetljenja, što utječe na normalan rast biljaka. Svjetlost je postala ograničavajući faktor za rast povrća zimi [4]. U eksperimentu se koristi Zelena kocka koja je puštena u stvarnu proizvodnju. Sustav sadnje lisnatog povrća s plitkim protokom tekućine usklađen je s dva LED gornja svjetlosna modula tvrtke Signify (China) Investment Co., Ltd. s različitim omjerima plavog svjetla. Sadnja salate i pakchoija, koji su dva lisnata povrća s većom tržišnom potražnjom, ima za cilj proučiti stvarno povećanje proizvodnje hidroponskog lisnatog povrća LED rasvjetom u zimskom stakleniku.

Materijali i metode
Materijali korišteni za ispitivanje

Ispitni materijali korišteni u eksperimentu bili su zelena salata i pakchoi povrće. Sorta zelene salate, Green Leaf Lettuce, dolazi od tvrtke Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., a sorta pakchoi, Brilliant Green, dolazi od Instituta za hortikulturu Šangajske akademije poljoprivrednih znanosti.

Eksperimentalna metoda

Pokus je proveden u stakleniku tipa Wenluo u sklopu Sunqiao baze tvrtke Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd. od studenog 2019. do veljače 2020. Provedena su ukupno dva kruga ponovljenih pokusa. Prvi krug pokusa bio je krajem 2019., a drugi krug početkom 2020. Nakon sjetve, pokusni materijal je smješten u prostoriju s umjetnom svjetlošću za uzgoj sadnica, a korišteno je navodnjavanje plimom i osekom. Tijekom razdoblja uzgoja sadnica, za navodnjavanje je korištena opća hranjiva otopina hidroponskog povrća s EC od 1,5 i pH 5,5. Nakon što su sadnice narasle do 3 lista i 1 stadija srca, posađene su na gredicu lisnatog povrća s plitkim protokom tipa Green Cube Track. Nakon sadnje, sustav cirkulacije hranjive otopine s plitkim protokom koristio je hranjivu otopinu EC 2 i pH 6 za dnevno navodnjavanje. Učestalost navodnjavanja bila je 10 minuta s dovodom vode i 20 minuta s prekidom dovoda vode. U eksperimentu su određene kontrolna skupina (bez dodatka svjetla) i tretmanska skupina (dodatak LED svjetla). CK je posađen u stakleni staklenik bez dodatka svjetla. LB: drw-lb Ho (200 W) korišten je za dopunu svjetla nakon sadnje u stakleni staklenik. Gustoća svjetlosnog toka (PPFD) na površini hidroponskog povrtnog krošnje bila je oko 140 μmol/(㎡·S). MB: nakon sadnje u stakleni staklenik, drw-lb (200 W) korišten je za dopunu svjetla, a PPFD je bio oko 140 μmol/(㎡·S).

Prvi krug eksperimentalne sadnje je 8. studenog 2019., a datum sadnje je 25. studenog 2019. Vrijeme dodatka svjetla za testnu skupinu je od 6:30 do 17:00; drugi krug eksperimentalne sadnje je 30. prosinca 2019., datum sadnje je 17. siječnja 2020., a vrijeme dodatka za eksperimentalnu skupinu je od 4:00 do 17:00.
Za sunčanog zimskog vremena, staklenik će otvoriti krovni prozor, bočnu foliju i ventilator za dnevnu ventilaciju od 6:00 do 17:00 sati. Kada je temperatura niska noću, staklenik će zatvoriti krovni prozor, bočnu foliju i ventilator od 17:00 do 6:00 sati (sljedećeg dana) te otvoriti toplinsku izolacijsku zavjesu u stakleniku za očuvanje topline noću.

Prikupljanje podataka

Visina biljke, broj listova i svježa težina po biljci dobiveni su nakon berbe nadzemnih dijelova Qingjingcai i salate. Nakon mjerenja svježe težine, stavljena je u pećnicu i sušena na 75 ℃ tijekom 72 sata. Nakon toga određena je suha težina. Temperatura u stakleniku i gustoća fotosintetskog fotonskog toka (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) prikupljaju se i bilježe svakih 5 minuta pomoću temperaturnog senzora (RS-GZ-N01-2) i fotosintetski aktivnog senzora zračenja (GLZ-CG).

Analiza podataka

Izračunajte učinkovitost korištenja svjetlosti (LUE, Light Use Efficiency) prema sljedećoj formuli:
LUE (g/mol) = prinos povrća po jedinici površine/ukupna kumulativna količina svjetlosti koju povrće primi po jedinici površine od sadnje do berbe
Sadržaj suhe tvari izračunajte prema sljedećoj formuli:
Sadržaj suhe tvari (%) = suha težina po biljci/svježa težina po biljci x 100%
Za analizu podataka u eksperimentu i analizu značajnosti razlike koristite Excel2016 i IBM SPSS Statistics 20.

Materijali i metode
Svjetlost i temperatura

Prvi krug eksperimenta trajao je 46 dana od sadnje do berbe, a drugi krug 42 dana od sadnje do berbe. Tijekom prvog kruga eksperimenta, prosječna dnevna temperatura u stakleniku uglavnom se kretala u rasponu od 10-18 ℃; tijekom drugog kruga eksperimenta, fluktuacija prosječne dnevne temperature u stakleniku bila je veća nego tijekom prvog kruga eksperimenta, s najnižom prosječnom dnevnom temperaturom od 8,39 ℃ i najvišom prosječnom dnevnom temperaturom od 20,23 ℃. Prosječna dnevna temperatura pokazala je opći uzlazni trend tijekom procesa rasta (slika 1).

Tijekom prvog kruga eksperimenta, dnevni svjetlosni integral (DLI) u stakleniku fluktuirao je manje od 14 mol/(㎡·D). Tijekom drugog kruga eksperimenta, dnevna kumulativna količina prirodnog svjetla u stakleniku pokazala je ukupni uzlazni trend, koji je bio veći od 8 mol/(㎡·D), a maksimalna vrijednost pojavila se 27. veljače 2020., koja je iznosila 26,1 mol/(㎡·D). Promjena dnevne kumulativne količine prirodnog svjetla u stakleniku tijekom drugog kruga eksperimenta bila je veća nego tijekom prvog kruga eksperimenta (slika 2). Tijekom prvog kruga eksperimenta, ukupna dnevna kumulativna količina svjetla (zbroj DLI prirodnog svjetla i DLI dopunskog LED svjetla) dopunske svjetlosne skupine bila je većinom vremena veća od 8 mol/(㎡·D). Tijekom drugog kruga eksperimenta, ukupna dnevna akumulirana količina svjetla dopunske svjetlosne skupine bila je većinom vremena veća od 10 mol/(㎡·D). Ukupna akumulirana količina dodatnog svjetla u drugom krugu bila je 31,75 mol/㎡ veća nego u prvom krugu.

Prinos lisnatog povrća i učinkovitost korištenja svjetlosne energije

●Rezultati prvog kruga testiranja
Iz slike 3 može se vidjeti da pakchoi s dodatkom LED rasvjete bolje raste, oblik biljke je kompaktniji, a listovi su veći i deblji od pakchoija bez dodatka rasvjete. Listovi pakchoija LB i MB su svjetliji i tamnije zeleni od CK. Iz slike 4 može se vidjeti da salata s dodatnim LED svjetlom bolje raste od CK bez dodatnog svjetla, broj listova je veći, a oblik biljke je puniji.

Iz Tablice 1 može se vidjeti da nema značajne razlike u visini biljke, broju listova, sadržaju suhe tvari i učinkovitosti iskorištenja svjetlosne energije pakchoija tretiranog s CK, LB i MB, ali svježa težina pakchoija tretiranog s LB i MB je značajno veća od one s CK; Nije bilo značajne razlike u svježoj težini po biljci između dva LED svjetla za uzgoj s različitim omjerima plavog svjetla u tretmanu s LB i MB.

Iz tablice 2 može se vidjeti da je visina biljke salate u LB tretmanu bila značajno veća nego u CK tretmanu, ali nije bilo značajne razlike između LB tretmana i MB tretmana. Postojale su značajne razlike u broju listova između tri tretmana, a broj listova u MB tretmanu bio je najveći, koji je iznosio 27. Svježa težina po biljci LB tretmana bila je najveća, koja je iznosila 101 g. Također je postojala značajna razlika između dvije skupine. Nije bilo značajne razlike u sadržaju suhe tvari između CK i LB tretmana. Sadržaj MB bio je 4,24% veći od CK i LB tretmana. Postojale su značajne razlike u učinkovitosti korištenja svjetlosti između tri tretmana. Najveća učinkovitost korištenja svjetlosti bila je u LB tretmanu, koja je iznosila 13,23 g/mol, a najniža u CK tretmanu, koja je iznosila 10,72 g/mol.

●Rezultati drugog kruga testiranja

Iz Tablice 3 može se vidjeti da je visina biljke Pakchoia tretiranog s MB bila značajno veća od visine CK-a, te da nije bilo značajne razlike između njega i LB tretmana. Broj listova Pakchoia tretiranog s LB i MB bio je značajno veći od onog s CK, ali nije bilo značajne razlike između dvije skupine dodatnih svjetlosnih tretmana. Postojale su značajne razlike u svježoj težini po biljci između tri tretmana. Svježa težina po biljci u CK bila je najniža i iznosila je 47 g, a u MB tretmanu najveća i iznosila je 116 g. Nije bilo značajne razlike u sadržaju suhe tvari između tri tretmana. Postoje značajne razlike u učinkovitosti iskorištenja svjetlosne energije. CK je nizak i iznosi 8,74 g/mol, a tretman MB najveći i iznosi 13,64 g/mol.

Iz Tablice 4 može se vidjeti da nije bilo značajne razlike u visini biljke salate između tri tretmana. Broj listova u LB i MB tretmanima bio je značajno veći nego u CK. Među njima, broj MB listova bio je najveći i iznosio je 26. Nije bilo značajne razlike u broju listova između LB i MB tretmana. Svježa težina po biljci dviju skupina dopunskih svjetlosnih tretmana bila je značajno veća od one kod CK, a svježa težina po biljci bila je najveća u MB tretmanu, koja je iznosila 133 g. Također su postojale značajne razlike između LB i MB tretmana. Postojale su značajne razlike u sadržaju suhe tvari između tri tretmana, a sadržaj suhe tvari LB tretmana bio je najveći i iznosio je 4,05%. Učinkovitost iskorištenja svjetlosne energije MB tretmana značajno je veća od one kod CK i LB tretmana, koja iznosi 12,67 g/mol.

Tijekom drugog kruga eksperimenta, ukupni DLI skupine s dodatnim svjetlom bio je znatno veći od DLI-a tijekom istog broja dana kolonizacije tijekom prvog kruga eksperimenta (Slika 1-2), a vrijeme dodatnog svjetla skupine tretirane dodatnim svjetlom u drugom krugu eksperimenta (4:00-00-17:00). U usporedbi s prvim krugom eksperimenta (6:30-17:00), povećao se za 2,5 sata. Vrijeme berbe u dva kruga Pakchoija bilo je 35 dana nakon sadnje. Svježa težina pojedinačne biljke CK u dva kruga bila je slična. Razlika u svježoj težini po biljci u LB i MB tretmanu u usporedbi s CK u drugom krugu eksperimenta bila je znatno veća od razlike u svježoj težini po biljci u usporedbi s CK u prvom krugu eksperimenta (Tablica 1, Tablica 3). Vrijeme berbe drugog kruga eksperimentalne salate bilo je 42 dana nakon sadnje, a vrijeme berbe prvog kruga eksperimentalne salate bilo je 46 dana nakon sadnje. Broj dana kolonizacije kada je ubrana druga runda eksperimentalne salate CK bio je 4 dana manji nego u prvoj rundi, ali je svježa težina po biljci 1,57 puta veća od one u prvoj rundi pokusa (Tablica 2 i Tablica 4), a učinkovitost korištenja svjetlosne energije je slična. Može se vidjeti da se, kako temperatura postupno raste, a prirodno svjetlo u stakleniku postupno raste, proizvodni ciklus salate skraćuje.

Materijali i metode
Dva kruga testiranja u osnovi su obuhvatila cijelu zimu u Šangaju, a kontrolna skupina (CK) uspjela je relativno obnoviti stvarni status proizvodnje hidroponske zelene stabljike i salate u stakleniku pod niskim temperaturama i slabom sunčevom svjetlošću zimi. Eksperimentalna skupina s dodatkom svjetla imala je značajan promotivni učinak na najintuitivniji indeks podataka (svježa težina po biljci) u dva kruga eksperimenata. Među njima, učinak povećanja prinosa Pakchoija odrazio se na veličinu, boju i debljinu listova istovremeno. No, salata ima tendenciju povećanja broja listova, a oblik biljke izgleda punije. Rezultati ispitivanja pokazuju da dodatak svjetla može poboljšati svježu težinu i kvalitetu proizvoda u sadnji dviju kategorija povrća, čime se povećava komercijalnost povrtnih proizvoda. Pakchoi s dodatkom svjetla crveno-bijeli, niskoplavi i crveno-bijeli, srednje plavi LED moduli gornjeg osvjetljenja tamnije su zeleni i sjajnijeg izgleda od listova bez dodatnog svjetla, listovi su veći i deblji, a trend rasta cijele biljke je kompaktniji i snažniji. Međutim, „mozaična salata“ pripada svijetlozelenom lisnatom povrću i nema očite promjene boje tijekom rasta. Promjena boje lista nije očita ljudskom oku. Odgovarajući udio plavog svjetla može potaknuti razvoj lista i sintezu fotosintetskih pigmenata te spriječiti izduživanje internodija. Stoga je povrće u skupini dodataka svjetlosti popularnije kod potrošača zbog izgleda i kvalitete.

Tijekom drugog kruga ispitivanja, ukupna dnevna kumulativna količina svjetlosti skupine s dopunskim svjetlom bila je znatno veća od DLI tijekom istog broja dana kolonizacije tijekom prvog kruga eksperimenta (Slika 1-2), a vrijeme dodatnog svjetla drugog kruga skupine s tretmanom dodatnim svjetlom (4:00-17:00), u usporedbi s prvim krugom eksperimenta (6:30-17:00), povećalo se za 2,5 sata. Vrijeme berbe dva kruga Pakchoija bilo je 35 dana nakon sadnje. Svježa težina CK u dva kruga bila je slična. Razlika u svježoj težini po biljci između LB i MB tretmana i CK u drugom krugu pokusa bila je znatno veća od razlike u svježoj težini po biljci s CK u prvom krugu pokusa (Tablica 1 i Tablica 3). Stoga, produljenje vremena dodatnog svjetla može potaknuti povećanje proizvodnje hidroponskog Pakchoija uzgojenog u zatvorenom prostoru zimi. Vrijeme berbe drugog kruga eksperimentalne salate bilo je 42 dana nakon sadnje, a vrijeme berbe prvog kruga eksperimentalne salate bilo je 46 dana nakon sadnje. Kada je ubran drugi krug eksperimentalne salate, broj dana kolonizacije CK skupine bio je 4 dana manji nego u prvom krugu. Međutim, svježa težina jedne biljke bila je 1,57 puta veća od one u prvom krugu pokusa (Tablica 2 i Tablica 4). Učinkovitost korištenja svjetlosne energije bila je slična. Može se vidjeti da kako temperatura polako raste, a prirodno svjetlo u stakleniku postupno se povećava (Slika 1-2), proizvodni ciklus salate može se shodno tome skratiti. Stoga, dodavanje dodatne svjetlosne opreme u staklenik zimi s niskim temperaturama i slabom sunčevom svjetlošću može učinkovito poboljšati učinkovitost proizvodnje salate, a zatim povećati proizvodnju. U prvom krugu pokusa, potrošnja energije dopunjene svjetlošću biljke lisnog menija bila je 0,95 kW-h, a u drugom krugu pokusa, potrošnja energije dopunjene svjetlošću biljke lisnog menija bila je 1,15 kW-h. U usporedbi između dva kruga eksperimenata, potrošnja svjetlosti triju tretmana Pakchoija, učinkovitost iskorištenja energije u drugom eksperimentu bila je niža nego u prvom eksperimentu. Učinkovitost iskorištenja svjetlosne energije skupina salate CK i LB s dodatnim tretmanom svjetlošću u drugom eksperimentu bila je nešto niža nego u prvom eksperimentu. Zaključuje se da je mogući razlog to što niska prosječna dnevna temperatura unutar tjedan dana nakon sadnje produžuje razdoblje sporog rasta sadnica, i iako se temperatura malo oporavila tijekom eksperimenta, raspon je bio ograničen, a ukupna prosječna dnevna temperatura i dalje je bila na niskoj razini, što je ograničilo učinkovitost iskorištenja svjetlosne energije tijekom ukupnog ciklusa rasta za hidroponsko lisnatog povrća. (Slika 1).

Tijekom eksperimenta, bazen s hranjivom otopinom nije bio opremljen opremom za zagrijavanje, tako da je korijenski okoliš hidroponskog lisnatog povrća uvijek bio na niskoj temperaturi, a prosječna dnevna temperatura bila je ograničena, što je uzrokovalo da povrće nije u potpunosti iskoristilo dnevnu kumulativu svjetlost povećanu produljenjem LED dopunske rasvjete. Stoga je prilikom dopunske rasvjete u stakleniku zimi potrebno razmotriti odgovarajuće mjere očuvanja topline i grijanja kako bi se osigurao učinak dopunske rasvjete za povećanje proizvodnje. Stoga je potrebno razmotriti odgovarajuće mjere očuvanja topline i povećanja temperature kako bi se osigurao učinak dopunske rasvjete i povećanje prinosa u zimskom stakleniku. Korištenje LED dopunske rasvjete do određene mjere povećat će troškove proizvodnje, a sama poljoprivredna proizvodnja nije industrija s visokim prinosima. Stoga, u pogledu optimizacije strategije dopunske rasvjete i suradnje s drugim mjerama u stvarnoj proizvodnji hidroponskog lisnatog povrća u zimskom stakleniku te korištenja dodatne rasvjetne opreme za postizanje učinkovite proizvodnje i poboljšanje učinkovitosti korištenja svjetlosne energije i ekonomskih koristi, i dalje su potrebni daljnji proizvodni eksperimenti.

Autori: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Izvor članka: Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva (Stakleničko hortikulturno gospodarstvo).

Reference:
[1] Jianfeng Dai, Primjena Philipsovih hortikulturnih LED rasvjetnih tijela u proizvodnji u staklenicima [J]. Poljoprivredna inženjerska tehnologija, 2017., 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin i dr. Status primjene i izgledi tehnologije svjetlosnih dodataka za zaštićeno voće i povrće [J]. Sjeverna hortikultura, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao i dr. Status istraživanja i primjene te strategija razvoja rasvjete postrojenja [J]. Časopis za rasvjetno inženjerstvo, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi i dr. Primjena izvora svjetlosti i kontrole kvalitete svjetlosti u proizvodnji povrća u staklenicima [J]. Kinesko povrće, 2012 (2): 1-7