Исследование влияния дополнительного светодиодного освещения на повышение урожайности гидропонного салата и пакчоя в теплице в зимний период.
[Аннотация] Зимой в Шанхае часто наблюдаются низкие температуры и мало солнечного света, что замедляет рост гидропонных листовых овощей в теплицах и увеличивает цикл выращивания, не удовлетворяя спрос рынка. В последние годы в тепличном выращивании и производстве начали использовать светодиодные дополнительные светильники для растений, которые в определенной степени компенсируют недостаток естественного освещения, когда суточная норма света в теплице недостаточна для роста культур. В эксперименте в теплице были установлены два вида светодиодных дополнительных светильников с разным качеством света для проведения исследования по увеличению урожайности гидропонного салата и зелени в зимний период. Результаты показали, что оба вида светодиодных светильников могут значительно увеличить свежую массу одного растения пакчоя и салата. Эффект увеличения урожайности пакчоя в основном проявляется в улучшении общего сенсорного качества, такого как увеличение и утолщение листьев, а эффект увеличения урожайности салата в основном проявляется в увеличении количества листьев и содержания сухого вещества.

Свет является неотъемлемой частью роста растений. В последние годы светодиодные лампы широко используются в выращивании и производстве в тепличных условиях благодаря высокой эффективности фотоэлектрического преобразования, настраиваемому спектру и длительному сроку службы [1]. За рубежом, благодаря раннему началу соответствующих исследований и развитой системе поддержки, многие крупные предприятия по выращиванию цветов, фруктов и овощей имеют относительно полные стратегии дополнительного освещения. Накопление большого объема данных о реальном производстве также позволяет производителям четко прогнозировать эффект увеличения производства. В то же время оценивается отдача от использования системы дополнительного светодиодного освещения [2]. Однако большая часть современных отечественных исследований в области дополнительного освещения ориентирована на оптимизацию качества и спектра света в малых масштабах и не содержит стратегий дополнительного освещения, которые можно было бы использовать в реальном производстве [3]. Многие отечественные производители напрямую используют существующие зарубежные решения по дополнительному освещению при применении технологии дополнительного освещения в производстве, независимо от климатических условий района производства, видов выращиваемых овощей и состояния помещений и оборудования. Кроме того, высокая стоимость оборудования для дополнительного освещения и высокое энергопотребление часто приводят к огромному разрыву между фактической урожайностью и экономической отдачей от ожидаемого эффекта. Нынешняя ситуация не способствует развитию и продвижению технологий дополнительного освещения и увеличению производства в стране. Поэтому крайне необходимо рационально внедрять отработанные светодиодные продукты дополнительного освещения в реальные условия отечественного производства, оптимизировать стратегии их использования и накапливать соответствующие данные.

Зима – это сезон, когда свежие листовые овощи пользуются большим спросом. Теплицы могут обеспечить более подходящие условия для выращивания листовых овощей зимой, чем открытые поля. Однако в одной статье отмечалось, что в некоторых старых или плохо чистых теплицах светопропускание зимой составляет менее 50%. Кроме того, зимой также часто случаются длительные дожди, что приводит к низкой температуре и недостатку света в теплице, влияя на нормальный рост растений. Свет становится ограничивающим фактором для роста овощей зимой [4]. В эксперименте используется Green Cube, запущенный в реальное производство. Система выращивания листовых овощей методом неглубокого жидкостного потока сочетается с двумя верхними светодиодными модулями освещения Signify (China) Investment Co., Ltd. с различным соотношением синего света. Выращивание салата и пакчоя, двух листовых овощей с высоким рыночным спросом, направлено на изучение фактического увеличения производства листовых овощей гидропонным методом с использованием светодиодного освещения в зимней теплице.

Материалы и методы
Материалы, использованные для тестирования

В качестве тестовых материалов в эксперименте использовались салат-латук и пакчой. Салат-латук сорта «Зеленый листовой салат» был предоставлен компанией Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., а пакчой сорта «Ярко-зеленый» — Институтом садоводства Шанхайской академии сельскохозяйственных наук.

Экспериментальный метод

Эксперимент проводился в стеклянной теплице типа Вэньлуо на базе Суньцяо компании Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. с ноября 2019 года по февраль 2020 года. Всего было проведено два повторных эксперимента. Первый этап эксперимента состоялся в конце 2019 года, а второй — в начале 2020 года. После посева экспериментальный материал помещали в камеру с искусственным освещением для выращивания рассады, и использовали приливное орошение. В период выращивания рассады использовали общий питательный раствор для гидропонных овощей с EC 1,5 и pH 5,5. После того, как рассада достигала стадии 3 листьев и 1 сердцевины, ее высаживали на грядки для выращивания листовых овощей с неглубоким проточным режимом в системе Green Cube Track. После посадки ежедневно использовали систему циркуляции питательного раствора с EC 2 и pH 6. Частота полива составляла 10 минут при подаче воды и 20 минут при прекращении подачи воды. В эксперименте были созданы контрольная группа (без дополнительного освещения) и экспериментальная группа (с дополнительным светодиодным освещением). CK выращивали в стеклянной теплице без дополнительного освещения. LB: после посадки в стеклянной теплице для дополнительного освещения использовали drw-lb Ho (200 Вт). Плотность светового потока (PPFD) на поверхности гидропонного овощного покрова составляла около 140 мкмоль/(м²·с). MB: после посадки в стеклянной теплице для дополнительного освещения использовали drw-lb (200 Вт), а PPFD составляла около 140 мкмоль/(м²·с).

Первый этап экспериментальной посадки запланирован на 8 ноября 2019 года, а посадка — на 25 ноября 2019 года. Время дополнительного освещения для экспериментальной группы — с 6:30 до 17:00; второй этап экспериментальной посадки запланирован на 30 декабря 2019 года, а посадка — на 17 января 2020 года, время дополнительного освещения для экспериментальной группы — с 4:00 до 17:00.
В солнечную зимнюю погоду с 6:00 до 17:00 в теплице ежедневно открывают люк, боковую пленку и вентилятор для вентиляции. Когда ночью температура низкая, с 17:00 до 6:00 следующего дня в теплице закрывают световой люк, боковую рулонную пленку и вентилятор, а также открывают теплоизоляционную штору для сохранения тепла в течение ночи.

Сбор данных

После сбора надземной части цинцзинцайского салата и салата были определены высота растения, количество листьев и свежая масса каждого растения. После измерения свежей массы растения помещали в сушильный шкаф и сушили при температуре 75℃ в течение 72 часов. По окончании процесса определяли сухую массу. Температуру в теплице и плотность фотосинтетического потока фотонов (PPFD, плотность фотосинтетического потока фотонов) измеряли и регистрировали каждые 5 минут с помощью датчика температуры (RS-GZ-N01-2) и датчика фотосинтетически активного излучения (GLZ-CG).

Анализ данных

Рассчитайте коэффициент использования света (LUE, Light Use Efficiency) по следующей формуле:
LUE (г/моль) = урожайность овощей на единицу площади / общее суммарное количество света, получаемое овощами на единицу площади от посадки до сбора урожая.
Содержание сухого вещества рассчитывается по следующей формуле:
Содержание сухого вещества (%) = сухая масса растения / свежая масса растения × 100%
Для анализа данных эксперимента и оценки значимости различий используйте Excel 2016 и IBM SPSS Statistics 20.

Материалы и методы
Свет и температура

Первый этап эксперимента длился 46 дней от посадки до сбора урожая, а второй — 42 дня. В течение первого этапа эксперимента среднесуточная температура в теплице в основном колебалась в диапазоне 10-18 ℃; во время второго этапа эксперимента колебания среднесуточной температуры в теплице были более выраженными, чем в первом, с минимальной среднесуточной температурой 8,39 ℃ и максимальной среднесуточной температурой 20,23 ℃. В целом, среднесуточная температура демонстрировала тенденцию к повышению в процессе роста (рис. 1).

В ходе первого этапа эксперимента суточная интегральная освещенность (СИО) в теплице колебалась менее чем на 14 моль/(м·сут). Во время второго этапа эксперимента суточное суммарное количество естественного света в теплице показало общую тенденцию к росту, превысив 8 моль/(м·сут), а максимальное значение было зафиксировано 27 февраля 2020 года и составило 26,1 моль/(м·сут). Изменение суточного суммарного количества естественного света в теплице во втором этапе эксперимента было больше, чем в первом (рис. 2). В ходе первого этапа эксперимента общее суточное суммарное количество света (сумма СИО естественного света и СИО дополнительного светодиодного освещения) в группе дополнительного освещения большую часть времени превышало 8 моль/(м·сут). Во время второго этапа эксперимента общее суточное накопленное количество света в группе с дополнительным освещением большую часть времени превышало 10 моль/(м²·сут). Общее накопленное количество дополнительного света во втором этапе было на 31,75 моль/м² больше, чем в первом этапе.

Урожайность листовых овощей и эффективность использования световой энергии

●Результаты первого раунда тестирования
Как видно из рис. 3, пакчой, выращенный с использованием светодиодного освещения, растет лучше, форма растения более компактная, а листья крупнее и толще, чем у контрольного растения без дополнительного освещения. Листья пакчой сортов LB и MB имеют более яркий и темно-зеленый цвет, чем у контрольного растения. На рис. 4 видно, что салат с дополнительным светодиодным освещением растет лучше, чем контрольное растение без дополнительного освещения, количество листьев выше, а форма растения более пышная.

Из таблицы 1 видно, что нет существенной разницы в высоте растений, количестве листьев, содержании сухого вещества и эффективности использования световой энергии у пакчоя, обработанного контрольным раствором (CK), световым раствором LB и световым раствором MB, однако свежая масса пакчоя, обработанного световым раствором LB и световым раствором MB, значительно выше, чем у контрольного раствора (CK); существенной разницы в свежей массе одного растения между двумя светодиодными фитолампами с различным содержанием синего света при обработке световым раствором LB и световым раствором MB не наблюдалось.

Из таблицы 2 видно, что высота растений салата в варианте обработки LB была значительно выше, чем в варианте обработки CK, но существенной разницы между вариантами обработки LB и MB не наблюдалось. Значительные различия наблюдались в количестве листьев между тремя вариантами обработки, причем наибольшее количество листьев было в варианте обработки MB – 27. Наибольшая масса свежего растения в варианте обработки LB составила 101 г. Также наблюдалась значительная разница между двумя группами. Существенной разницы в содержании сухого вещества между вариантами обработки CK и LB не было. Содержание сухого вещества в варианте обработки MB было на 4,24% выше, чем в вариантах обработки CK и LB. Значительные различия наблюдались в эффективности использования света между тремя вариантами обработки. Наибольшая эффективность использования света была в варианте обработки LB – 13,23 г/моль, а наименьшая – в варианте обработки CK – 10,72 г/моль.

●Результаты второго раунда тестирования

Из таблицы 3 видно, что высота растений пакчоя, обработанных МБ, была значительно выше, чем у контрольной группы (КГ), и не было существенной разницы между ними и обработкой ЛБ. Количество листьев пакчоя, обработанного ЛБ и МБ, было значительно выше, чем у контрольной группы (КГ), но не было существенной разницы между двумя группами дополнительной световой обработки. Были обнаружены существенные различия в свежей массе одного растения между тремя вариантами обработки. Свежая масса одного растения в контрольной группе была самой низкой — 47 г, а в группе, обработанной МБ, — самой высокой — 116 г. Существенных различий в содержании сухого вещества между тремя вариантами обработки не было. Были обнаружены существенные различия в эффективности использования световой энергии. В контрольной группе она была низкой — 8,74 г/моль, а в группе, обработанной МБ, — самой высокой — 13,64 г/моль.

Как видно из таблицы 4, существенной разницы в высоте растений салата между тремя вариантами обработки не наблюдалось. Количество листьев в вариантах обработки LB и MB было значительно выше, чем в контрольном варианте (CK). Среди них наибольшее количество листьев было в варианте MB — 26. Существенной разницы в количестве листьев между вариантами обработки LB и MB не было. Свежая масса одного растения в двух группах с дополнительным освещением была значительно выше, чем в контрольном варианте (CK), при этом наибольшая свежая масса одного растения была в варианте MB — 133 г. Также наблюдались существенные различия между вариантами обработки LB и MB. Существенные различия в содержании сухого вещества наблюдались между тремя вариантами обработки, при этом содержание сухого вещества было самым высоким в варианте LB — 4,05%. Эффективность использования световой энергии в варианте обработки MB значительно выше, чем в контрольном варианте (CK) и варианте LB, и составляет 12,67 г/моль.

Во втором раунде эксперимента общее время до цветения (DLI) в группе с дополнительным освещением было значительно выше, чем DLI за то же количество дней колонизации в первом раунде эксперимента (рис. 1-2), а время дополнительного освещения в группе с дополнительным освещением во втором раунде эксперимента (4:00-17:00) увеличилось на 2,5 часа по сравнению с первым раундом эксперимента (6:30-17:00). Время сбора урожая пакчоя в двух раундах составило 35 дней после посадки. Свежая масса отдельных растений контрольной группы (CK) в двух раундах была схожей. Разница в свежей массе одного растения в группах с LB и MB по сравнению с контрольной группой (CK) во втором раунде эксперимента была значительно больше, чем разница в свежей массе одного растения по сравнению с контрольной группой (CK) в первом раунде эксперимента (табл. 1, табл. 3). Время сбора урожая экспериментального салата во втором раунде составило 42 дня после посадки, а время сбора урожая экспериментального салата в первом раунде — 46 дней после посадки. Количество дней колонизации при сборе урожая второго экспериментального салата CK было на 4 дня меньше, чем в первом раунде, но масса свежего растения была в 1,57 раза больше, чем в первом раунде экспериментов (таблица 2 и таблица 4), а эффективность использования световой энергии была аналогичной. Видно, что по мере постепенного повышения температуры и увеличения естественного освещения в теплице производственный цикл салата сокращается.

Материалы и методы
Два этапа тестирования охватывали практически всю зиму в Шанхае, и контрольная группа (КГ) смогла относительно восстановить фактическое состояние производства гидропонных зеленых стеблей и салата в теплице при низких температурах и малом солнечном свете зимой. Экспериментальная группа с дополнительным освещением показала значительный эффект на наиболее наглядный показатель (свежая масса растения) в обоих этапах эксперимента. Среди них эффект увеличения урожайности пакчоя отразился одновременно на размере, цвете и толщине листьев. Однако у салата наблюдалась тенденция к увеличению количества листьев, а форма растения выглядела более пышной. Результаты испытаний показывают, что дополнительное освещение может улучшить свежую массу и качество продукции при выращивании двух категорий овощей, тем самым повышая товарность овощной продукции. Пакчой, подсвеченный красно-белыми, низко-синими и красно-белыми, средне-синими светодиодными верхними светильниками, имеет более темный зеленый цвет и блестящий вид, чем листья без дополнительного освещения, листья крупнее и толще, а тенденция роста всего типа растения более компактная и энергичная. Однако «мозаичный салат» относится к светло-зеленым листовым овощам, и в процессе роста у него не наблюдается явного изменения цвета. Изменение цвета листьев не бросается в глаза. Правильное соотношение синего света способствует развитию листьев и синтезу фотосинтетических пигментов, а также подавляет удлинение междоузлий. Поэтому овощи из группы с повышенным освещением пользуются большей популярностью у потребителей благодаря своему внешнему виду.

Во втором раунде эксперимента общее суточное суммарное количество света в группе с дополнительным освещением было значительно выше, чем в группе с тем же количеством дней колонизации в первом раунде эксперимента (рис. 1-2), а время дополнительного освещения во втором раунде группы с дополнительным освещением (4:00-17:00) увеличилось на 2,5 часа по сравнению с первым раундом эксперимента (6:30-17:00). Время сбора урожая пакчоя в обоих раундах составило 35 дней после посадки. Свежая масса контрольной группы (CK) в обоих раундах была схожей. Разница в свежей массе одного растения между группами с обработкой LB и MB и контрольной группой (CK) во втором раунде эксперимента была значительно больше, чем разница в свежей массе одного растения с контрольной группой (CK) в первом раунде эксперимента (табл. 1 и табл. 3). Таким образом, увеличение времени дополнительного освещения может способствовать увеличению урожайности гидропонного пакчоя, выращиваемого в помещении зимой. Время сбора урожая второго урожая экспериментального салата составило 42 дня после посадки, а первого урожая — 46 дней после посадки. При сборе урожая второго урожая экспериментального салата количество дней колонизации в контрольной группе (CK) было на 4 дня меньше, чем в первой группе. Однако свежая масса одного растения была в 1,57 раза больше, чем в первой группе экспериментов (таблица 2 и таблица 4). Эффективность использования световой энергии была схожей. Видно, что по мере постепенного повышения температуры и увеличения естественного освещения в теплице (рисунок 1-2) цикл выращивания салата может соответственно сократиться. Следовательно, добавление дополнительного осветительного оборудования в теплицу зимой при низкой температуре и малом количестве солнечного света может эффективно повысить эффективность выращивания салата и, следовательно, увеличить его урожайность. В первом раунде эксперимента потребление электроэнергии при дополнительном освещении для листовых овощей составило 0,95 кВт·ч, а во втором раунде — 1,15 кВт·ч. При сравнении результатов двух раундов эксперимента, потребление электроэнергии при трех вариантах обработки пакчоя во втором эксперименте оказалось ниже, чем в первом. Эффективность использования световой энергии в группах салата CK и LB при дополнительном освещении во втором эксперименте была немного ниже, чем в первом. Предполагается, что возможной причиной является то, что низкая среднесуточная температура в течение недели после посадки продлевает период медленного роста рассады, и хотя температура немного повысилась в течение эксперимента, диапазон колебаний был ограничен, а общая среднесуточная температура оставалась на низком уровне, что ограничивало эффективность использования световой энергии в течение всего цикла роста листовых овощей в гидропонике (Рисунок 1).

В ходе эксперимента бассейн с питательным раствором не был оборудован подогревающим оборудованием, поэтому корневая среда гидропонных листовых овощей постоянно находилась на низком уровне температуры, а среднесуточная температура была ограничена, что привело к тому, что овощи не смогли в полной мере использовать накопленный за сутки световой поток, увеличенный за счет дополнительного светодиодного освещения. Поэтому при дополнительном освещении в теплице зимой необходимо учитывать соответствующие меры по сохранению тепла и обогреву, чтобы обеспечить эффект дополнительного освещения и увеличить урожайность. Таким образом, необходимо учитывать соответствующие меры по сохранению тепла и повышению температуры, чтобы обеспечить эффект дополнительного освещения и увеличение урожайности в зимней теплице. Использование дополнительного светодиодного освещения в определенной степени увеличивает себестоимость производства, а само сельскохозяйственное производство не является высокоурожайной отраслью. Поэтому, что касается оптимизации стратегии дополнительного освещения и ее сочетания с другими мерами в реальном производстве гидропонных листовых овощей в зимней теплице, а также того, как использовать оборудование для дополнительного освещения для достижения эффективного производства и повышения эффективности использования световой энергии и экономической выгоды, необходимы дальнейшие эксперименты.

Авторы: Имин Цзи, Кан Лю, Сяньпин Чжан, Хунлей Мао (Шанхайская компания по развитию сельского хозяйства «Зеленый куб», ООО).
Источник статьи: Технология сельскохозяйственного производства (тепличное садоводство).

Ссылки:
[1] Цзяньфэн Дай, Практика применения светодиодов Philips в тепличном производстве [J]. Технология сельскохозяйственной техники, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Сяолин Ян, Ланьфан Сун, Чжэнли Цзинь и др. Состояние применения и перспективы технологии дополнительного освещения для защищенных фруктов и овощей [J]. Северное садоводство, 2018 (17): 166-170
[3] Сяоин Лю, Чжиганг Сюй, Сюэлэй Цзяо и др. Состояние исследований и применения и стратегия развития освещения растений [J]. Журнал светотехники, 013, 24 (4): 1-7
[4] Цзин Се, Хоу Чэн Лю, Вэй Сун Ши и др. Применение источника света и контроля качества света в тепличном овощеводстве [J]. Китайские овощи, 2012 (2): 1-7