Výzkum vlivu doplňkového LED osvětlení na zvýšení výnosu hydroponického salátu a pakchoi ve skleníku v zimě
[Abstrakt] Zima v Šanghaji se často potýká s nízkými teplotami a nedostatkem slunečního svitu, což vede k pomalému růstu hydroponické listové zeleniny ve skleníku a dlouhému produkčnímu cyklu, což nedokáže uspokojit poptávku trhu. V posledních letech se v pěstování a produkci ve sklenících do určité míry začalo používat LED doplňkové osvětlení rostlin, které má kompenzovat nedostatek denního akumulovaného světla ve skleníku, které nedokáže uspokojit potřeby růstu plodin při nedostatečném přirozeném osvětlení. V experimentu byly ve skleníku instalovány dva druhy LED doplňkových světel s různou kvalitou světla, aby se provedl výzkumný experiment zaměřený na zvýšení produkce hydroponického salátu a zelených stonků v zimě. Výsledky ukázaly, že tyto dva druhy LED světel mohou výrazně zvýšit čerstvou hmotnost pakchoi a salátu na rostlinu. Zvyšující výnos se u pakchoi projevuje především zlepšením celkové senzorické kvality, jako je zvětšení a zahušťování listů, a zvyšující výnos se u salátu projevuje především zvýšením počtu listů a obsahu sušiny.

Světlo je nepostradatelnou součástí růstu rostlin. V posledních letech se LED světla široce používají v pěstování a produkci ve skleníkovém prostředí díky vysokému poměru fotoelektrické konverze, přizpůsobitelnému spektru a dlouhé životnosti [1]. V zahraničí má mnoho velkovýrobců květin, ovoce a zeleniny díky včasnému zahájení souvisejícího výzkumu a vyspělému podpůrnému systému relativně kompletní strategie doplňkového osvětlení. Shromáždění velkého množství skutečných produkčních dat také umožňuje producentům jasně předvídat efekt zvýšení produkce. Zároveň se vyhodnocuje návratnost po použití systému doplňkového osvětlení LED [2]. Většina současného domácího výzkumu doplňkového osvětlení je však zaměřována na kvalitu světla v malém měřítku a spektrální optimalizaci a chybí jí strategie doplňkového osvětlení, které by bylo možné použít ve skutečné produkci [3]. Mnoho domácích producentů při aplikaci doplňkové osvětlovací technologie na produkci přímo využívá stávající zahraniční řešení doplňkového osvětlení, bez ohledu na klimatické podmínky produkční oblasti, druhy produkované zeleniny a stav zařízení a vybavení. Kromě toho vysoké náklady na doplňkové osvětlovací zařízení a vysoká spotřeba energie často vedou k obrovskému rozdílu mezi skutečným výnosem plodiny a ekonomickou návratností a očekávaným efektem. Taková současná situace nevede k rozvoji a propagaci technologií doplňkového osvětlení a ke zvýšení produkce v zemi. Proto je naléhavě nutné rozumně zavést vyspělé doplňkové LED osvětlení do reálného domácího výrobního prostředí, optimalizovat strategie použití a shromažďovat relevantní data.

Zima je obdobím, kdy je čerstvá listová zelenina velmi žádaná. Skleníky mohou v zimě poskytnout vhodnější prostředí pro růst listové zeleniny než venkovní zemědělská pole. Jeden článek však poukázal na to, že některé stárnoucí nebo špatně čištěné skleníky mají v zimě propustnost světla nižší než 50 %. Kromě toho se v zimě vyskytuje i dlouhodobé deštivé počasí, které způsobuje, že se skleník nachází v prostředí s nízkou teplotou a slabým osvětlením, což ovlivňuje normální růst rostlin. Světlo se stalo limitujícím faktorem pro růst zeleniny v zimě [4]. V experimentu se používá Green Cube, který byl uveden do skutečné výroby. Systém pěstování listové zeleniny s mělkým tokem kapaliny je kombinován se dvěma LED moduly horního osvětlení od společnosti Signify (China) Investment Co., Ltd. s různými poměry modrého světla. Výsadba salátu a pakchoi, což jsou dvě listové zeleniny s větší poptávkou na trhu, si klade za cíl studovat skutečný nárůst produkce hydroponické listové zeleniny pomocí LED osvětlení v zimním skleníku.

Materiály a metody
Materiály použité pro test

Testovacími materiály použitými v experimentu byly hlávkový salát a zelenina pakčchoj. Odrůda hlávkového salátu Green Leaf Lettuce pochází od společnosti Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd. a odrůda pakčchoj Brilliant Green pochází ze Zahradnického institutu Šanghajské akademie zemědělských věd.

Experimentální metoda

Experiment byl proveden ve skleníku typu Wenluo v Sunqiao, který patří společnosti Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd., od listopadu 2019 do února 2020. Celkem byly provedeny dvě kola opakovaných experimentů. První kolo experimentu proběhlo na konci roku 2019 a druhé kolo na začátku roku 2020. Po zasetí byl experimentální materiál umístěn do místnosti s umělým světlem pro pěstování sazenic a byla použita závlaha přílivem a odlivem. Během období pěstování sazenic byl k zavlažování použit běžný živný roztok hydroponické zeleniny s EC 1,5 a pH 5,5. Poté, co sazenice dorostly do 3 listů a 1 srdce, byly vysazeny na záhon listové zeleniny typu Green Cube Track s mělkým průtokem. Po výsadbě byl systém s cirkulací živného roztoku s mělkým průtokem použit k denní závlaze živný roztok EC 2 a pH 6. Frekvence zavlažování byla 10 minut s přívodem vody a 20 minut bez přívodu vody. V experimentu byla stanovena kontrolní skupina (bez doplňkového osvětlení) a exponovaná skupina (s doplňkovým osvětlením LED). CK byla vysazena do skleněného skleníku bez doplňkového osvětlení. LB: po výsadbě do skleněného skleníku bylo k doplnění světla použito drw-lb Ho (200 W). Hustota světelného toku (PPFD) na povrchu hydroponického zeleninového porostu byla přibližně 140 μmol/(㎡·S). MB: po výsadbě do skleněného skleníku bylo k doplnění světla použito drw-lb (200 W) a PPFD byla přibližně 140 μmol/(㎡·S).

První kolo experimentální výsadby je 8. listopadu 2019 a datum výsadby je 25. listopadu 2019. Doba doplňkového osvětlení pro testovací skupinu je 6:30-17:00; druhé kolo experimentální výsadby je 30. prosince 2019, datum výsadby je 17. ledna 2020 a doba doplňkového osvětlení pro experimentální skupinu je 4:00-17:00.
Za slunečného zimního počasí se ve skleníku otevře střešní okno, boční fólie a ventilátor pro denní větrání od 6:00 do 17:00. Při nízkých nočních teplotách se ve skleníku v čase od 17:00 do 6:00 (následující den) zavře střešní okno, boční fólie a ventilátor a otevře se tepelná izolační clona ve skleníku pro udržení tepla v noci.

Sběr dat

Výška rostliny, počet listů a čerstvá hmotnost na rostlinu byly získány po sklizni nadzemních částí hlávkového salátu Qingjingcai a salátu. Po změření čerstvé hmotnosti byly rostliny umístěny do pece a sušeny při teplotě 75 °C po dobu 72 hodin. Po skončení byla stanovena suchá hmotnost. Teplota ve skleníku a hustota fotosyntetického fotonového toku (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) byly shromažďovány a zaznamenávány každých 5 minut teplotním senzorem (RS-GZ-N01-2) a senzorem fotosynteticky aktivního záření (GLZ-CG).

Analýza dat

Vypočítejte účinnost využití světla (LUE, Light Use Efficiency) podle následujícího vzorce:
LUE (g/mol) = výnos zeleniny na jednotku plochy / celkové kumulativní množství světla, které zelenina získá na jednotku plochy od výsadby do sklizně
Obsah sušiny vypočítejte podle následujícího vzorce:
Obsah sušiny (%) = suchá hmotnost na rostlinu / čerstvá hmotnost na rostlinu x 100 %
K analýze dat v experimentu a analýze významnosti rozdílu použijte program Excel 2016 a IBM SPSS Statistics 20.

Materiály a metody
Světlo a teplota

První kolo experimentu trvalo 46 dní od výsadby do sklizně a druhé kolo 42 dní. Během prvního kola experimentu se průměrná denní teplota ve skleníku pohybovala převážně v rozmezí 10–18 °C; během druhého kola experimentu bylo kolísání průměrné denní teploty ve skleníku výraznější než během prvního kola experimentu, s nejnižší průměrnou denní teplotou 8,39 °C a nejvyšší průměrnou denní teplotou 20,23 °C. Průměrná denní teplota vykazovala během růstu celkově vzestupný trend (obr. 1).

Během prvního kola experimentu kolísal denní světelný integrál (DLI) ve skleníku o méně než 14 mol/(㎡·D). Během druhého kola experimentu vykazovalo denní kumulativní množství přirozeného světla ve skleníku celkově vzestupný trend, který byl vyšší než 8 mol/(㎡·D), a maximální hodnota se objevila 27. února 2020, kdy činila 26,1 mol/(㎡·D). Změna denního kumulativního množství přirozeného světla ve skleníku během druhého kola experimentu byla větší než během prvního kola experimentu (obr. 2). Během prvního kola experimentu bylo celkové denní kumulativní množství světla (součet DLI přirozeného světla a DLI doplňkového LED světla) skupiny doplňkového světla po většinu času vyšší než 8 mol/(㎡·D). Během druhého kola experimentu bylo celkové denní kumulativní množství světla skupiny doplňkového světla po většinu času vyšší než 10 mol/(㎡·D). Celkové akumulované množství doplňkového světla ve druhém kole bylo o 31,75 mol/㎡ více než v prvním kole.

Výnos listové zeleniny a účinnost využití světelné energie

●Výsledky prvního kola testů
Z obr. 3 je patrné, že pakchoi s doplňkovým osvětlením LED roste lépe, tvar rostliny je kompaktnější a listy jsou větší a silnější než u neaplikovaného CK. Listy pakchoi LB a MB jsou jasnější a tmavší zelené než u CK. Z obr. 4 je patrné, že salát s doplňkovým osvětlením LED roste lépe než CK bez doplňkového osvětlení, počet listů je vyšší a tvar rostliny je plnější.

Z tabulky 1 je patrné, že u pakchoi ošetřených CK, LB a MB není žádný významný rozdíl ve výšce rostlin, počtu listů, obsahu sušiny a účinnosti využití světelné energie, ale čerstvá hmotnost pakchoi ošetřené LB a MB je výrazně vyšší než u CK; Mezi dvěma LED pěstebními světly s různým poměrem modrého světla nebyl při ošetření LB a MB zjištěn žádný významný rozdíl v čerstvé hmotnosti na rostlinu.

Z tabulky 2 je patrné, že výška rostlin salátu v ošetření LB byla významně vyšší než v ošetření CK, ale mezi ošetřením LB a ošetřením MB nebyl zjištěn žádný významný rozdíl. Mezi třemi ošetřeními byly zjištěny významné rozdíly v počtu listů a počet listů v ošetření MB byl nejvyšší, a to 27. Čerstvá hmotnost na rostlinu v ošetření LB byla nejvyšší, a to 101 g. Mezi oběma skupinami byl také zjištěn významný rozdíl. Mezi ošetřeními CK a LB nebyl zjištěn žádný významný rozdíl v obsahu sušiny. Obsah MB byl o 4,24 % vyšší než v ošetřeních CK a LB. Mezi třemi ošetřeními byly zjištěny významné rozdíly v účinnosti využití světla. Nejvyšší účinnost využití světla byla v ošetření LB, která činila 13,23 g/mol, a nejnižší v ošetření CK, která činila 10,72 g/mol.

●Výsledky druhého kola testů

Z tabulky 3 je patrné, že výška rostliny Pakchoi ošetřené MB byla významně vyšší než u CK a mezi ním a ošetřením LB nebyl zjištěn žádný významný rozdíl. Počet listů Pakchoi ošetřených LB a MB byl významně vyšší než u CK, ale mezi oběma skupinami doplňkového světelného ošetření nebyl zjištěn žádný významný rozdíl. Mezi třemi ošetřeními byly zjištěny významné rozdíly v čerstvé hmotnosti na rostlinu. Čerstvá hmotnost na rostlinu u CK byla nejnižší a to 47 g, a u ošetření MB nejvyšší a to 116 g. Mezi třemi ošetřeními nebyl zjištěn žádný významný rozdíl v obsahu sušiny. Existují významné rozdíly v účinnosti využití světelné energie. CK je nízký a to 8,74 g/mol, a ošetření MB je nejvyšší a to 13,64 g/mol.

Z tabulky 4 je patrné, že mezi třemi ošetřeními nebyl zjištěn žádný významný rozdíl ve výšce rostlin salátu. Počet listů u ošetření LB a MB byl významně vyšší než u ošetření CK. Z nich byl počet listů MB nejvyšší, a to 26. Mezi ošetřeními LB a MB nebyl zjištěn žádný významný rozdíl v počtu listů. Čerstvá hmotnost na rostlinu u dvou skupin s doplňkovým světelným ošetřením byla významně vyšší než u CK a čerstvá hmotnost na rostlinu byla nejvyšší u ošetření MB, a to 133 g. Mezi ošetřeními LB a MB byly také zjištěny významné rozdíly. Mezi třemi ošetřeními byly zjištěny významné rozdíly v obsahu sušiny a obsah sušiny u ošetření LB byl nejvyšší, a to 4,05 %. Účinnost využití světelné energie u ošetření MB je významně vyšší než u ošetření CK a LB, která činí 12,67 g/mol.

Během druhého kola experimentu byl celkový DLI skupiny s doplňkovým světlem mnohem vyšší než DLI během stejného počtu kolonizačních dnů během prvního kola experimentu (obrázek 1-2) a doba doplňkového světla skupiny ošetřené doplňkovým světlem ve druhém kole experimentu (4:00-00-17:00). Ve srovnání s prvním kolem experimentu (6:30-17:00) se zvýšil o 2,5 hodiny. Doba sklizně ve dvou kolech Pakchoi byla 35 dní po výsadbě. Čerstvá hmotnost jednotlivých rostlin CK v obou kolech byla podobná. Rozdíl v čerstvé hmotnosti na rostlinu při ošetření LB a MB ve srovnání s CK ve druhém kole experimentů byl mnohem větší než rozdíl v čerstvé hmotnosti na rostlinu ve srovnání s CK v prvním kole experimentů (tabulka 1, tabulka 3). Doba sklizně druhého kola experimentálního salátu byla 42 dní po výsadbě a doba sklizně prvního kola experimentálního salátu byla 46 dní po výsadbě. Počet kolonizačních dnů při sklizni druhého kola experimentálního salátu CK byl o 4 dny nižší než v prvním kole, ale čerstvá hmotnost na rostlinu je 1,57krát vyšší než v prvním kole experimentů (tabulka 2 a tabulka 4) a účinnost využití světelné energie je podobná. Je vidět, že s postupným zvyšováním teploty a postupným zvyšováním přirozeného světla ve skleníku se produkční cyklus salátu zkracuje.

Materiály a metody
Dvě kola testování v podstatě pokryla celou zimu v Šanghaji a kontrolní skupině (CK) se podařilo relativně obnovit skutečný produkční stav hydroponického zeleného stonku a salátu ve skleníku za nízkých teplot a slabého slunečního záření v zimě. Experimentální skupina s doplňkovým osvětlením měla ve dvou kolech experimentů významný propagační vliv na nejintuitivnější datový index (čerstvá hmotnost na rostlinu). Zvýšení výnosu se u odrůdy Pakchoi projevilo ve velikosti, barvě a tloušťce listů současně. Salát však má tendenci zvyšovat počet listů a tvar rostliny vypadá plnější. Výsledky testů ukazují, že doplňkové osvětlení může zlepšit čerstvou hmotnost a kvalitu produktu u výsadby obou kategorií zeleniny, čímž se zvyšuje komercialita zeleninových produktů. Pakchoi s doplňkovým osvětlením červeno-bílými, nízkomodrými a červeno-bílými a středně modrými LED moduly má tmavší zelený a lesklý vzhled než listy bez doplňkového osvětlení, listy jsou větší a silnější a růstový trend celého typu rostliny je kompaktnější a energičtější. „Mozaikový salát“ však patří mezi světle zelenou listovou zeleninu a během růstu nedochází k žádné zjevné změně barvy. Změna barvy listů není pro lidské oko zřejmá. Vhodný podíl modrého světla může podpořit vývoj listů a syntézu fotosyntetických pigmentů a inhibovat prodlužování internodií. Zelenina ve skupině s doplňkem světla je proto spotřebiteli z hlediska vzhledu preferována.

Během druhého kola testu bylo celkové denní kumulativní množství světla u skupiny s doplňkovým světlem mnohem vyšší než DLI během stejného počtu kolonizačních dnů během prvního kola experimentu (obrázek 1-2) a doba doplňkového světla ve druhém kole skupiny s doplňkovým světlem (4:00-17:00) se ve srovnání s prvním kolem experimentu (6:30-17:00) zvýšila o 2,5 hodiny. Doba sklizně ve dvou kolech Pakchoi byla 35 dní po výsadbě. Čerstvá hmotnost CK ve dvou kolech byla podobná. Rozdíl v čerstvé hmotnosti na rostlinu mezi ošetřením LB a MB a CK ve druhém kole experimentů byl mnohem větší než rozdíl v čerstvé hmotnosti na rostlinu s CK v prvním kole experimentů (tabulka 1 a tabulka 3). Prodloužení doby doplňkového světla proto může podpořit zvýšení produkce hydroponické Pakchoi pěstované v interiéru v zimě. Doba sklizně druhého kola experimentálního salátu byla 42 dní po výsadbě a doba sklizně prvního kola experimentálního salátu byla 46 dní po výsadbě. Po sklizni druhého kola experimentálního salátu byl počet dnů kolonizace skupiny CK o 4 dny nižší než v prvním kole. Čerstvá hmotnost jedné rostliny však byla 1,57krát vyšší než v prvním kole experimentů (tabulka 2 a tabulka 4). Účinnost využití světelné energie byla podobná. Je vidět, že s pomalým stoupáním teploty a postupným zvyšováním přirozeného světla ve skleníku (obrázek 1-2) lze produkční cyklus salátu odpovídajícím způsobem zkrátit. Proto přidání doplňkového osvětlení do skleníku v zimě s nízkou teplotou a nízkým slunečním zářením může účinně zlepšit produkční účinnost salátu a následně zvýšit produkci. V prvním kole experimentu byla spotřeba energie rostliny s doplňkovým osvětlením listového menu 0,95 kWh a ve druhém kole experimentu byla spotřeba energie rostliny s doplňkovým osvětlením listového menu 1,15 kWh. Ve srovnání s oběma koly experimentů byla spotřeba světla u tří ošetření Pakchoi a účinnost využití energie ve druhém experimentu nižší než v prvním experimentu. Účinnost využití světelné energie u skupin ošetřených doplňkovým světlem salátu CK a LB ve druhém experimentu byla o něco nižší než v prvním experimentu. Lze usoudit, že možným důvodem je, že nízká průměrná denní teplota během týdne po výsadbě prodlužuje období pomalého růstu sazenic, a přestože se teplota během experimentu mírně zvýšila, rozsah byl omezený a celková průměrná denní teplota byla stále na nízké úrovni, což omezovalo účinnost využití světelné energie během celého růstového cyklu hydroponie listové zeleniny (obrázek 1).

Během experimentu nebyla nádrž s živným roztokem vybavena ohřívacím zařízením, takže kořenové prostředí hydroponické listové zeleniny bylo vždy na nízké teplotě a průměrná denní teplota byla omezená, což způsobovalo, že zelenina nemohla plně využít denní kumulativní světlo zvýšené prodloužením doplňkového LED osvětlení. Proto je při zimním doplňkovém osvětlení skleníku nutné zvážit vhodná opatření k uchování tepla a vytápění, aby se zajistil účinek doplňkového osvětlení na zvýšení produkce. Proto je nutné zvážit vhodná opatření k uchování tepla a zvýšení teploty, aby se zajistil účinek doplňkového osvětlení a zvýšení výnosu v zimním skleníku. Použití doplňkového LED osvětlení do určité míry zvýší výrobní náklady a samotná zemědělská produkce není odvětvím s vysokými výnosy. Proto je třeba provést další výrobní experimenty, pokud jde o to, jak optimalizovat strategii doplňkového osvětlení a spolupracovat s dalšími opatřeními při samotné produkci hydroponické listové zeleniny v zimním skleníku a jak používat doplňkové osvětlovací zařízení k dosažení efektivní produkce a zlepšení účinnosti využití světelné energie a ekonomických výhod.

Autoři: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Zdroj článku: Zemědělská technika (Skleníkové zahradnictví).

Reference:
[1] Jianfeng Dai, Praxe aplikace zahradnických LED osvětlení Philips ve skleníkové produkci [J]. Zemědělská inženýrská technologie, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin a kol. Stav aplikace a perspektivy technologie doplňkového osvětlení pro chráněné ovoce a zeleninu [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao a kol. Stav výzkumu a aplikací a strategie vývoje osvětlení rostlin [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi a kol. Aplikace světelného zdroje a řízení kvality světla ve skleníkové produkci zeleniny [J]. Čínská zelenina, 2012 (2): 1-7