Uuring LED-lisavalgustuse mõjust hüdropoonilise salati ja paksoi saagikuse suurendamisele kasvuhoones talvel
[Kokkuvõte] Talvel on Shanghais sageli madal temperatuur ja vähe päikesepaistet ning hüdropooniliste lehtköögiviljade kasv kasvuhoones on aeglane ja tootmistsükkel pikk, mis ei suuda rahuldada turu nõudlust. Viimastel aastatel on kasvuhoonetes kasvatamisel ja tootmisel teatud määral hakatud kasutama LED-taimede lisavalgustusi, et kompenseerida puudust, mille kohaselt kasvuhoone päevane akumuleeritud valgus ei suuda ebapiisava loomuliku valguse korral põllukultuuride kasvu vajadusi rahuldada. Katses paigaldati kasvuhoonesse kahte tüüpi erineva valguskvaliteediga LED-lisavalgustusi, et viia läbi uurimiskatse hüdropoonilise salati ja rohelise varre tootmise suurendamiseks talvel. Tulemused näitasid, et kahte tüüpi LED-valgustid võivad oluliselt suurendada paksoi ja salati taime värsket kaalu. Paksoi saagikust suurendav mõju avaldub peamiselt üldise sensoorse kvaliteedi paranemises, nagu lehtede suurenemine ja paksenemine, ning salati saagikust suurendav mõju avaldub peamiselt lehtede arvu ja kuivainesisalduse suurenemises.

Valgus on taimede kasvu lahutamatu osa. Viimastel aastatel on LED-valgusteid laialdaselt kasutatud kasvuhoonekeskkonnas kasvatamisel ja tootmisel tänu nende kõrgele fotoelektrilise muundamise määrale, kohandatavale spektrile ja pikale kasutuseale [1]. Välisriikides on paljudel suuremahulistel lille-, puu- ja köögiviljakasvatustel tänu varasele uurimistöö algusele ja küpsele tugisüsteemile suhteliselt täielikud valgustusstrateegiad. Suure hulga tegelike tootmisandmete kogumine võimaldab tootjatel selgelt ennustada ka tootmise suurendamise mõju. Samal ajal hinnatakse LED-lisavalgustussüsteemi kasutamise järgset tulu [2]. Siiski on suurem osa praegustest kodumaistest lisavalgustusuuringutest kallutatud väikesemahulise valguse kvaliteedi ja spektraalse optimeerimise poole ning puuduvad lisavalgustusstrateegiad, mida saaks tegelikus tootmises kasutada [3]. Paljud kodumaised tootjad kasutavad lisavalgustustehnoloogia rakendamisel tootmises otse olemasolevaid välismaiseid lisavalgustuslahendusi, olenemata tootmispiirkonna kliimatingimustest, toodetud köögiviljade liikidest ning rajatiste ja seadmete seisukorrast. Lisaks põhjustavad lisavalgustusseadmete kõrge hind ja suur energiatarbimine sageli tohutu lõhe tegeliku saagikuse ja majandusliku tasuvuse ning oodatava mõju vahel. Praegune olukord ei soodusta täiendava valguse tehnoloogia arendamist ja edendamist ning tootmise suurendamist riigis. Seetõttu on hädavajalik viia küpsed LED-lisavalgustid mõistlikult tegelikku kodumaist tootmiskeskkonda, optimeerida kasutusstrateegiaid ja koguda asjakohaseid andmeid.

Talv on aastaaeg, mil värskete lehtköögiviljade järele on suur nõudlus. Kasvuhooned võivad pakkuda talvel lehtköögiviljade kasvuks sobivamat keskkonda kui välikasvatuspõllud. Ühes artiklis toodi aga välja, et mõnedel vananevatel või halvasti puhastatud kasvuhoonetel on talvel valguse läbilaskvus alla 50%. Lisaks on talvel kalduvus pikaajalisele vihmasele ilmale, mis viib kasvuhoone madala temperatuuri ja vähese valguse keskkonda, mis mõjutab taimede normaalset kasvu. Valgusest on saanud talvel köögiviljade kasvu piirav tegur [4]. Eksperimendis kasutatakse juba tootmisesse võetud rohelist kuupi. Madala vedelikuvooluga lehtköögiviljade istutussüsteem sobitatakse Signify (China) Investment Co., Ltd. kahe erineva sinise valguse suhtega LED-ülavalgusmooduliga. Salati ja paksoi, mis on kaks suurema turunõudlusega lehtköögivilja, istutamise eesmärk on uurida hüdropooniliste lehtköögiviljade tootmise tegelikku suurenemist talvises kasvuhoones LED-valgustuse abil.

Materjalid ja meetodid
Testimiseks kasutatud materjalid

Katses kasutatud materjalid olid salat ja pakchoi köögiviljad. Salatisort Green Leaf Lettuce pärineb ettevõttelt Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd. ja pakchoi sort Brilliant Green pärineb Shanghai Põllumajandusteaduste Akadeemia Aianduse Instituudist.

Eksperimentaalne meetod

Katse viidi läbi Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. Sunqiao baasi Wenluo tüüpi klaaskasvuhoones novembrist 2019 kuni veebruarini 2020. Kokku viidi läbi kaks korduskatsete vooru. Esimene katsevoor toimus 2019. aasta lõpus ja teine ​​2020. aasta alguses. Pärast külvi paigutati katsematerjalid seemikute kasvatamiseks kunstliku valgusega kliimaruumi ja kasutati loodete kastmist. Seemikute kasvatamise perioodil kasutati kastmiseks hüdropooniliste köögiviljade üldist toitainelahust, mille EC oli 1,5 ja pH 5,5. Pärast seda, kui seemikud olid kasvanud 3 leheni ja 1 südamestaadiumini, istutati need Green Cube Track tüüpi madala vooluga lehtköögiviljade istutuspeenrasse. Pärast istutamist kasutati madala vooluga toitainelahuse ringlussüsteemis igapäevaseks kastmiseks EC 2 ja pH 6 toitainelahust. Kastmissagedus oli 10 minutit veevarustusega ja 20 minutit veevarustuse peatamisega. Katses osalesid kontrollrühm (ilma valguse lisandita) ja katserühm (LED-valguse lisand). CK istutati klaaskasvuhoonesse ilma valguse lisamiseta. LB: pärast klaaskasvuhoonesse istutamist kasutati valguse lisamiseks drw-lb Ho (200W). Valgusvoo tihedus (PPFD) hüdropoonilise köögiviljavõra pinnal oli umbes 140 μmol/(㎡·S). MB: pärast klaaskasvuhoonesse istutamist kasutati valguse lisamiseks drw-lb (200W) ja PPFD oli umbes 140 μmol/(㎡·S).

Katselise istutusvooru esimene kuupäev on 8. november 2019 ja istutuskuupäev on 25. november 2019. Katserühma valguse lisamise aeg on 6:30-17:00; katselise istutusvooru teine ​​kuupäev on 30. detsember 2019, istutuskuupäev on 17. jaanuar 2020 ja katserühma valguse lisamise aeg on 4:00-17:00.
Talvisel ajal, päikesepaistelise ilmaga, avab kasvuhoone igapäevaseks tuulutamiseks kella 6.00-17.00 vahel katuseluugi, külgkile ja ventilaatori. Kui öösel on temperatuur madal, sulgeb kasvuhoone katuseluugi, külgkile ja ventilaatori kella 17.00-6.00 (järgmisel päeval) ning avab öiseks soojuse säilitamiseks kasvuhoone soojusisolatsioonikardina.

Andmete kogumine

Taime kõrgus, lehtede arv ja taime värske kaal mõõdeti pärast Qingjingcai ja salati maapealsete osade koristamist. Pärast värske kaalu mõõtmist pandi taim ahju ja kuivatati temperatuuril 75 ℃ 72 tundi. Seejärel määrati kuivkaal. Kasvuhoone temperatuuri ja fotosünteetilise footonivoo tihedust (PPFD, fotosünteetilise footonivoo tihedus) kogutakse ning registreeritakse iga 5 minuti järel temperatuurianduri (RS-GZ-N01-2) ja fotosünteetiliselt aktiivse kiirguse anduri (GLZ-CG) abil.

Andmete analüüs

Arvutage valgustõhusus (LUE, Light Use Efficiency) järgmise valemi abil:
LUE (g/mol) = köögiviljade saagikus pindalaühiku kohta / köögiviljade poolt istutamisest saagikoristuseni saadud valguse koguhulk pindalaühiku kohta
Kuivainesisaldus arvutatakse järgmise valemi abil:
Kuivainesisaldus (%) = taime kuivkaal / taime värske kaal x 100%
Kasutage eksperimendi andmete analüüsimiseks ja erinevuse olulisuse hindamiseks Excel 20 ja IBM SPSS Statistics 20.

Materjalid ja meetodid
Valgus ja temperatuur

Esimene katsevoor kestis istutamisest saagikoristuseni 46 päeva ja teine ​​katsevoor 42 päeva. Esimese katsevooru jooksul oli kasvuhoone keskmine päevane temperatuur enamasti vahemikus 10–18 ℃; teise katsevooru jooksul oli päevase keskmise temperatuuri kõikumine kasvuhoones suurem kui esimeses katsevoorus, madalaim päevane keskmine temperatuur oli 8,39 ℃ ja kõrgeim päevane keskmine temperatuur 20,23 ℃. Päevane keskmine temperatuur näitas kasvuprotsessi käigus üldist tõusutrendi (joonis 1).

Katse esimese vooru jooksul kõikus kasvuhoone päevane valgusintegraal (DLI) alla 14 mol/(㎡·D). Katse teise vooru jooksul näitas kasvuhoone päevane kumulatiivne loomuliku valguse hulk üldist tõusutrendi, olles üle 8 mol/(㎡·D) ja maksimaalne väärtus ilmnes 27. veebruaril 2020, olles 26,1 mol/(㎡·D). Kasvuhoone päevase kumulatiivse loomuliku valguse hulga muutus teises katsevoorus oli suurem kui esimeses katsevoorus (joonis 2). Katse esimese vooru jooksul oli lisavalgustusrühma päevane kumulatiivne valguse hulk (loomuliku valguse DLI ja LED-lisavalgustuse DLI summa) enamasti üle 8 mol/(㎡·D). Katse teise vooru jooksul oli lisavalgustusrühma päevane kumulatiivne valguse hulk enamasti üle 10 mol/(㎡·D). Teises voorus kogunenud lisavalguse koguhulk oli 31,75 mol/㎡ suurem kui esimeses voorus.

Lehtköögiviljade saagikus ja valguse energia kasutamise efektiivsus

●Esimese vooru testi tulemused
Jooniselt 3 on näha, et LED-valgusega töödeldud paksoi kasvab paremini, taime kuju on kompaktsem ning lehed on suuremad ja paksemad kui toidulisandita CK-l. LB ja MB paksoi lehed on eredamad ja tumedamad rohelised kui CK-l. Jooniselt 4 on näha, et LED-valgusega töödeldud salat kasvab paremini kui ilma lisavalguseta töödeldud CK-l, lehtede arv on suurem ja taime kuju on täidlasem.

Tabelist 1 on näha, et CK, LB ja MB-ga töödeldud paksoi taimede kõrguses, lehtede arvus, kuivainesisalduses ja valgusenergia kasutamise efektiivsuses ei ole olulist erinevust, kuid LB ja MB-ga töödeldud paksoi värske kaal on oluliselt suurem kui CK-l; LB ja MB töötlemisel ei olnud kahe erineva sinise valguse suhtega LED-kasvulambi vahel taime värske kaalu osas olulist erinevust.

Tabelist 2 on näha, et salatitaime kõrgus LB-töötluses oli oluliselt suurem kui CK-töötluses, kuid LB- ja MB-töötluste vahel olulist erinevust ei täheldatud. Kolme töötluse vahel oli lehtede arvus olulisi erinevusi ning MB-töötluses oli lehtede arv kõige suurem, 27. LB-töötluse taime värske kaal oli kõige suurem, 101 g. Kahe rühma vahel oli samuti oluline erinevus. CK ja LB-töötluste vahel ei olnud kuivainesisalduse osas olulist erinevust. MB sisaldus oli 4,24% suurem kui CK ja LB-töötlustes. Kolme töötluse vahel oli valguse kasutamise efektiivsuses olulisi erinevusi. Kõrgeim valguse kasutamise efektiivsus oli LB-töötluses, mis oli 13,23 g/mol, ja madalaim CK-töötluses, mis oli 10,72 g/mol.

●Teise vooru testi tulemused

Tabelist 3 on näha, et MB-ga töödeldud Pakchoi taime kõrgus oli oluliselt kõrgem kui CK-ga töödeldud taimedel ning LB-töötluse ja LB-töötluse vahel ei olnud olulist erinevust. LB ja MB-ga töödeldud Pakchoi lehtede arv oli oluliselt suurem kui CK-ga töödeldud taimedel, kuid kahe täiendava valgustöötluse rühma vahel ei olnud olulist erinevust. Taime värske kaalu osas olid kolme töötluse vahel olulised erinevused. Taime värske kaal CK-s oli madalaim, 47 g, ja MB-töötluses oli kõrgeim, 116 g. Kuivainesisalduses ei olnud kolme töötluse vahel olulist erinevust. Valgusenergia kasutamise efektiivsuses on olulisi erinevusi. CK on madal, 8,74 g/mol, ja MB-töötluses on kõrgeim, 13,64 g/mol.

Tabelist 4 on näha, et salatitaimede kõrguses ei olnud kolme töötlusviisi vahel olulist erinevust. Lehtede arv LB ja MB töötlusviisides oli oluliselt suurem kui CK töötlusviisis. Nende hulgas oli MB lehtede arv kõige suurem, 26. Lehtede arvus LB ja MB töötlusviiside vahel olulist erinevust ei olnud. Kahe täiendava valgustöötlusviisi rühma taime värske kaal oli oluliselt suurem kui CK töötlusviisis ning taime värske kaal oli kõige suurem MB töötlusviisis, mis oli 133 g. Samuti olid LB ja MB töötlusviiside vahel olulised erinevused. Kolme töötlusviisi vahel olid olulised erinevused kuivainesisalduses ning LB töötlusviisi kuivainesisaldus oli kõige suurem, mis oli 4,05%. MB töötlusviisi valgusenergia kasutamise efektiivsus on oluliselt suurem kui CK ja LB töötlusviisidel, mis on 12,67 g/mol.

Teise katsevooru jooksul oli lisavalgustusega grupi DLI palju kõrgem kui sama arvu koloniseerimispäevade jooksul esimeses katsevoorus (joonis 1-2) ja lisavalgustusega töötlemise grupi lisavalgustuse aeg teises katsevoorus (4:00-00-17:00). Võrreldes esimese katsevooruga (6:30-17:00) suurenes see 2,5 tunni võrra. Pakchoi kahe vooru koristusaeg oli 35 päeva pärast istutamist. CK üksiktaime värske kaal kahes voorus oli sarnane. Värske kaalu erinevus taime kohta LB ja MB töötlemisel võrreldes CK-ga teises katsevoorus oli palju suurem kui värske kaalu erinevus taime kohta võrreldes CK-ga esimeses katsevoorus (tabel 1, tabel 3). Teise katsevooru salati koristusaeg oli 42 päeva pärast istutamist ja esimese katsevooru salati koristusaeg oli 46 päeva pärast istutamist. Teise katsevooru salati CK koristamise ajal oli koloniseerimispäevade arv 4 päeva vähem kui esimeses voorus, kuid taime värske kaal on 1,57 korda suurem kui esimeses katsevoorus (tabel 2 ja tabel 4) ning valgusenergia kasutamise efektiivsus on sarnane. On näha, et temperatuuri järkjärgulise tõusu ja kasvuhoone loomuliku valguse järkjärgulise suurenemisega lüheneb salati tootmistsükkel.

Materjalid ja meetodid
Kaks katsevooru hõlmasid põhimõtteliselt kogu talve Shanghais ning kontrollrühm (CK) suutis suhteliselt taastada hüdropoonilise rohelise varre ja salati tegeliku tootmisseisundi kasvuhoones madala temperatuuri ja vähese päikesevalguse käes talvel. Valguslisa katserühmal oli kahes katsevoorus oluline soodustav mõju kõige intuitiivsemale andmeindeksile (taime värske kaal). Nende hulgas kajastus paksoi saagikuse suurenemise mõju samal ajal lehtede suuruses, värvuses ja paksuses. Kuid salatil on kalduvus lehtede arvu suurendada ja taime kuju näeb täidlasem välja. Katsetulemused näitavad, et valguse lisamine võib parandada värske kaalu ja toote kvaliteeti kahe köögiviljakategooria istutamisel, suurendades seeläbi köögiviljatoodete kaubanduslikkust. Paksoi, millele on lisatud punavalgeid, madala sinise ja punavalge, keskmise sinise LED-ülavalgusega mooduleid, on tumedama rohelise ja läikiva välimusega kui lehed ilma lisavalguseta, lehed on suuremad ja paksemad ning kogu taimetüübi kasvutrend on kompaktsem ja jõulisem. Siiski kuulub „mosaiiksalat” heleroheliste lehtköögiviljade hulka ja kasvuprotsessis ei ole ilmseid värvimuutusi. Lehtede värvi muutus ei ole inimese silmale märgatav. Sobiv sinise valguse suhe võib soodustada lehtede arengut ja fotosünteetilise pigmendi sünteesi ning pärssida sõlmevahede pikenemist. Seetõttu on valguse lisandite rühma köögiviljad tarbijate seas välimuse kvaliteedi poolest eelistatumad.

Teises katsevoorus oli lisavalgustusega töödeldud rühma päevane kumulatiivne valguse hulk palju suurem kui sama arvu koloniseerimispäevade jooksul esimeses katsevoorus saadud DLI (joonis 1-2) ning teise katsevooru (kell 4:00–17:00) lisavalgustuse aeg pikenes 2,5 tunni võrra võrreldes esimese katsevooruga (kell 6:30–17:00). Pakchoi kahe koristusvooru koristusaeg oli 35 päeva pärast istutamist. CK värske mass kahes katsevoorus oli sarnane. Värske kaalu erinevus taime kohta LB ja MB töötlemise ning CK teise katsevooru vahel oli palju suurem kui värske kaalu erinevus taime kohta CK esimese katsevooru puhul (tabel 1 ja tabel 3). Seega võib lisavalgustusega töödeldud rühma teise katsevooru pikendamine soodustada talvel siseruumides kasvatatava hüdropoonilise pakchoi saagikuse suurenemist. Teise katsesalati koristusaeg oli 42 päeva pärast istutamist ja esimese katsesalati koristusaeg oli 46 päeva pärast istutamist. Teise katsesalati koristamise ajal oli CK-rühma koloniseerimispäevade arv 4 päeva vähem kui esimeses katses. Ühe taime värske kaal oli aga 1,57 korda suurem kui esimeses katses (tabel 2 ja tabel 4). Valgusenergia kasutamise efektiivsus oli sarnane. On näha, et temperatuuri aeglase tõusu ja kasvuhoone loomuliku valguse järkjärgulise suurenemisega (joonis 1-2) saab salati tootmistsüklit vastavalt lühendada. Seega saab kasvuhoonesse talvel madala temperatuuri ja vähese päikesevalguse korral täiendavate valgustusseadmete lisamisega tõhusalt parandada salati tootmistõhusust ja seejärel suurendada saagikust. Esimeses katses oli lehtmenüütaimedega täiendatud valguse energiatarve 0,95 kWh ja teises katses oli lehtmenüütaimedega täiendatud valguse energiatarve 1,15 kWh. Võrreldes kahte katsevooru, oli Pakchoi kolme töötlusviisi valgustarbimine ja energia kasutamise efektiivsus teises katses madalam kui esimeses katses. Salati CK ja LB täiendava valgusega töödeldud rühmade valgusenergia kasutamise efektiivsus teises katses oli veidi madalam kui esimeses katses. Võimalikuks põhjuseks võib pidada seda, et madal päevane keskmine temperatuur nädala jooksul pärast istutamist pikendab aeglast seemikute kasvuperioodi ning kuigi temperatuur katse ajal veidi tõusis, oli vahemik piiratud ja üldine päevane keskmine temperatuur oli endiselt madal, mis piiras valgusenergia kasutamise efektiivsust lehtköögiviljade hüdropoonika kogu kasvutsükli jooksul (joonis 1).

Katse ajal ei olnud toitainelahuse bassein varustatud soojendusseadmetega, mistõttu hüdropooniliste lehtköögiviljade juurestiku temperatuur oli pidevalt madal ja päevane keskmine temperatuur oli piiratud, mistõttu köögiviljad ei suutnud LED-lisavalgustusega suurendatud päevast kumulatiivset valgust täielikult ära kasutada. Seetõttu on talvel kasvuhoones lisavalguse lisamisel vaja kaaluda sobivaid soojuse säilitamise ja kütmise meetmeid, et tagada lisavalguse mõju saagikuse suurendamiseks. Seetõttu on vaja kaaluda sobivaid soojuse säilitamise ja temperatuuri tõstmise meetmeid, et tagada lisavalguse mõju ja saagikuse suurenemine talvises kasvuhoones. LED-lisavalguse kasutamine suurendab teatud määral tootmiskulusid ja põllumajandustootmine iseenesest ei ole suure saagikusega tööstusharu. Seetõttu vajab talvises kasvuhoones hüdropooniliste lehtköögiviljade tegeliku tootmise optimeerimise ja teiste meetmetega koostöö tegemise osas täiendavaid tootmiskatseid ning seda, kuidas kasutada lisavalgustusseadmeid tõhusa tootmise saavutamiseks, valgusenergia kasutamise efektiivsuse ja majandusliku kasu parandamiseks.

Autorid: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai roheline kuubik Agricultural Development Co., Ltd.).
Artikli allikas: Põllumajandustehnika (kasvuhooneaiandus).

Viited:
[1] Jianfeng Dai, Philipsi aianduslike LED-valgustite rakenduspraktika kasvuhoonetootmises [J]. Põllumajandustehnika, 2017, 37 (13): 28–32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin jt. Valguslisandite tehnoloogia rakenduste staatus ja väljavaated kaitstud puu- ja köögiviljade kasvatamiseks [J]. Northern horticulture, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao jt. Taimevalgustuse uurimis- ja rakendusstaatus ning arendusstrateegia [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi jt. Valgusallika ja valguse kvaliteedi kontrolli rakendamine kasvuhooneköögiviljade tootmises [J]. Hiina köögivili, 2012 (2): 1-7