Investigación sobre el efecto de la iluminación suplementaria LED en el aumento del rendimiento de lechuga y pakchoi hidropónicos en invernadero en invierno
[Resumen] El invierno en Shanghái suele presentar bajas temperaturas y escasa insolación, lo que provoca que el crecimiento de las hortalizas de hoja hidropónicas en invernadero sea lento y el ciclo de producción largo, lo que impide satisfacer la demanda del mercado. En los últimos años, se han comenzado a utilizar luces LED suplementarias para plantas en el cultivo y la producción en invernadero, en cierta medida, para compensar la deficiencia de la luz acumulada diariamente en el invernadero, que no satisface las necesidades de crecimiento del cultivo cuando la luz natural es insuficiente. En el experimento, se instalaron dos tipos de luces LED suplementarias con diferente calidad de luz en el invernadero para llevar a cabo un experimento exploratorio sobre el aumento de la producción de lechuga hidropónica y tallo verde en invierno. Los resultados mostraron que ambos tipos de luces LED pueden aumentar significativamente el peso fresco por planta de pakchoi y lechuga. El efecto de aumento del rendimiento del pakchoi se refleja principalmente en la mejora de la calidad sensorial general, como el engrosamiento y el engrosamiento de las hojas, y el efecto de aumento del rendimiento de la lechuga se refleja principalmente en el aumento del número de hojas y el contenido de materia seca.

La luz es indispensable para el crecimiento de las plantas. En los últimos años, las luces LED se han utilizado ampliamente en el cultivo y la producción en invernaderos gracias a su alta tasa de conversión fotoeléctrica, espectro personalizable y larga vida útil [1]. En el extranjero, gracias al inicio temprano de la investigación y a la madurez de los sistemas de soporte, muchas producciones a gran escala de flores, frutas y hortalizas cuentan con estrategias de suplementación lumínica relativamente completas. La acumulación de una gran cantidad de datos reales de producción también permite a los productores predecir con precisión el efecto del aumento de la producción. Al mismo tiempo, se evalúa la rentabilidad tras el uso del sistema de iluminación suplementaria LED [2]. Sin embargo, la mayor parte de la investigación nacional actual sobre iluminación suplementaria se centra en la calidad de la luz a pequeña escala y la optimización espectral, y carece de estrategias de iluminación suplementaria aplicables a la producción real [3]. Muchos productores nacionales utilizan directamente soluciones de iluminación suplementaria extranjeras existentes al aplicar tecnología de iluminación suplementaria a la producción, independientemente de las condiciones climáticas de la zona de producción, los tipos de hortalizas producidas y las condiciones de las instalaciones y los equipos. Además, el alto coste de los equipos de iluminación suplementaria y el alto consumo energético suelen generar una gran diferencia entre el rendimiento real del cultivo y la rentabilidad económica, y el efecto esperado. Esta situación actual no favorece el desarrollo ni la promoción de la tecnología de iluminación complementaria ni el aumento de la producción en el país. Por lo tanto, es urgente introducir productos de iluminación complementaria LED maduros en entornos de producción nacionales, optimizar las estrategias de uso y recopilar datos relevantes.

El invierno es la temporada de mayor demanda de hortalizas de hoja frescas. Los invernaderos pueden proporcionar un entorno más adecuado para el crecimiento de hortalizas de hoja en invierno que los campos de cultivo al aire libre. Sin embargo, un artículo señaló que algunos invernaderos antiguos o mal limpios tienen una transmitancia de luz inferior al 50 % en invierno. Además, la propensión a las lluvias prolongadas en invierno también es propensa a la ocurrencia de climas lluviosos prolongados, lo que convierte al invernadero en un entorno de baja temperatura y baja iluminación, lo que afecta el crecimiento normal de las plantas. La luz se ha convertido en un factor limitante para el crecimiento de hortalizas en invierno [4]. El Green Cube, que se ha puesto en producción real, se utiliza en el experimento. El sistema de plantación de hortalizas de hoja con flujo de líquido superficial se combina con dos módulos de iluminación superior LED de Signify (China) Investment Co., Ltd. con diferentes proporciones de luz azul. La plantación de lechuga y pakchoi, dos hortalizas de hoja con mayor demanda en el mercado, tiene como objetivo estudiar el aumento real de la producción de hortalizas de hoja hidropónicas mediante la iluminación LED en el invernadero de invierno.

Materiales y métodos
Materiales utilizados para la prueba

Los materiales de prueba utilizados en el experimento fueron lechuga y pakchoi. La variedad de lechuga, Lechuga de Hoja Verde, proviene de Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., y la variedad de pakchoi, Verde Brillante, proviene del Instituto de Horticultura de la Academia de Ciencias Agrícolas de Shanghái.

Método experimental

El experimento se llevó a cabo en el invernadero de vidrio tipo Wenluo de la base Sunqiao de Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd. desde noviembre de 2019 hasta febrero de 2020. Se llevaron a cabo un total de dos rondas de experimentos repetidos. La primera ronda del experimento fue a finales de 2019 y la segunda ronda a principios de 2020. Después de la siembra, los materiales experimentales se colocaron en la sala de clima de luz artificial para la crianza de plántulas y se utilizó el riego por mareas. Durante el período de crianza de plántulas, se utilizó la solución nutritiva general de vegetales hidropónicos con CE de 1,5 y pH de 5,5 para el riego. Después de que las plántulas crecieron a 3 hojas y 1 etapa de corazón, se plantaron en la cama de siembra de vegetales de hoja de flujo poco profundo tipo pista de cubo verde. Después de la siembra, el sistema de circulación de solución nutritiva de flujo poco profundo utilizó una solución nutritiva de CE 2 y pH 6 para el riego diario. La frecuencia de riego fue de 10 min con suministro de agua y 20 min con el suministro de agua detenido. El grupo de control (sin luz suplementaria) y el grupo de tratamiento (luz LED suplementaria) se incluyeron en el experimento. CK se plantó en un invernadero de vidrio sin luz suplementaria. LB: se utilizó drw-lb Ho (200W) para suplementar la luz después de la plantación en el invernadero de vidrio. La densidad de flujo luminoso (PPFD) en la superficie del dosel vegetal hidropónico fue de aproximadamente 140 μmol/(㎡·S). MB: después de la plantación en el invernadero de vidrio, se utilizó drw-lb (200W) para suplementar la luz, y la PPFD fue de aproximadamente 140 μmol/(㎡·S).

La primera ronda de siembra experimental se realizó el 8 de noviembre de 2019 y la segunda ronda de siembra experimental se realizó el 25 de noviembre de 2019. El grupo de prueba recibió luz suplementaria de 6:30 a 17:00. La segunda ronda de siembra experimental se realizó el 30 de diciembre de 2019 y la segunda ronda de siembra experimental se realizó el 17 de enero de 2020. El grupo experimental recibió luz suplementaria de 4:00 a 17:00.
En invierno, con buen tiempo, el invernadero abre el techo corredizo, la película lateral y el ventilador para la ventilación diaria de 6:00 a 17:00. Cuando la temperatura baja por la noche, el invernadero cierra la claraboya, la película lateral y el ventilador entre las 17:00 y las 6:00 (del día siguiente) y abre la cortina de aislamiento térmico para conservar el calor nocturno.

Recopilación de datos

La altura, el número de hojas y el peso fresco por planta se obtuvieron tras la cosecha de las partes aéreas de Qingjingcai y lechuga. Tras medir el peso fresco, se colocó en un horno y se secó a 75 °C durante 72 h. Posteriormente, se determinó el peso seco. La temperatura en el invernadero y la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) se registran cada 5 min mediante el sensor de temperatura (RS-GZ-N01-2) y el sensor de radiación fotosintéticamente activa (GLZ-CG).

Análisis de datos

Calcular la eficiencia de uso de la luz (LUE, Light Use Efficiency) según la siguiente fórmula:
LUE (g/mol) = rendimiento de los vegetales por unidad de área/cantidad total acumulada de luz obtenida por los vegetales por unidad de área desde la siembra hasta la cosecha
Calcula el contenido de materia seca según la siguiente fórmula:
Contenido de materia seca (%) = peso seco por planta/peso fresco por planta x 100%
Utilice Excel2016 e IBM SPSS Statistics 20 para analizar los datos del experimento y analizar la significancia de la diferencia.

Materiales y métodos
Luz y temperatura

La primera ronda del experimento duró 46 días desde la siembra hasta la cosecha, y la segunda, 42 días. Durante la primera ronda, la temperatura media diaria en el invernadero se mantuvo entre 10 y 18 °C; en la segunda, la fluctuación de la temperatura media diaria en el invernadero fue más pronunciada que en la primera, con una temperatura media diaria mínima de 8,39 °C y una máxima de 20,23 °C. La temperatura media diaria mostró una tendencia general al alza durante el crecimiento (Fig. 1).

Durante la primera ronda del experimento, la integral de luz diaria (DLI) en el invernadero fluctuó menos de 14 mol/(㎡·D). Durante la segunda ronda del experimento, la cantidad diaria acumulada de luz natural en el invernadero mostró una tendencia general al alza, que fue superior a 8 mol/(㎡·D), y el valor máximo apareció el 27 de febrero de 2020, que fue de 26,1 mol/(㎡·D). El cambio de la cantidad diaria acumulada de luz natural en el invernadero durante la segunda ronda del experimento fue mayor que durante la primera ronda del experimento (Fig. 2). Durante la primera ronda del experimento, la cantidad total diaria acumulada de luz (la suma de la DLI de luz natural y la DLI de luz suplementaria LED) del grupo de luz suplementaria fue superior a 8 mol/(㎡·D) la mayor parte del tiempo. Durante la segunda ronda del experimento, la cantidad total diaria acumulada de luz del grupo de luz suplementaria fue más de 10 mol/(㎡·D) la mayor parte del tiempo. La cantidad total acumulada de luz suplementaria en la segunda ronda fue 31,75 mol/㎡ más que en la primera ronda.

Rendimiento de hortalizas de hoja y eficiencia de utilización de energía lumínica

●Resultados de la primera ronda de pruebas
La Fig. 3 muestra que el pakchoi suplementado con LED crece mejor, la planta tiene una forma más compacta y las hojas son más grandes y gruesas que las del pakchoi CK sin suplementación. Las hojas del pakchoi LB y MB tienen un verde más brillante y oscuro que las del pakchoi CK. La Fig. 4 muestra que la lechuga con LED crece mejor que la CK sin suplementación, tiene mayor número de hojas y la planta tiene una forma más densa.

Se puede ver en la Tabla 1 que no hay diferencia significativa en la altura de la planta, el número de hojas, el contenido de materia seca y la eficiencia de utilización de energía luminosa del pakchoi tratado con CK, LB y MB, pero el peso fresco del pakchoi tratado con LB y MB es significativamente mayor que el de CK; No hubo diferencia significativa en el peso fresco por planta entre las dos luces de cultivo LED con diferentes proporciones de luz azul en el tratamiento de LB y MB.

Se puede ver en la tabla 2 que la altura de la planta de lechuga en el tratamiento LB fue significativamente mayor que en el tratamiento CK, pero no hubo diferencia significativa entre el tratamiento LB y el tratamiento MB. Hubo diferencias significativas en el número de hojas entre los tres tratamientos, y el número de hojas en el tratamiento MB fue el más alto, que fue 27. El peso fresco por planta del tratamiento LB fue el más alto, que fue 101 g. También hubo diferencia significativa entre los dos grupos. No hubo diferencia significativa en el contenido de materia seca entre los tratamientos CK y LB. El contenido de MB fue 4,24% más alto que los tratamientos CK y LB. Hubo diferencias significativas en la eficiencia de uso de la luz entre los tres tratamientos. La mayor eficiencia de uso de la luz fue en el tratamiento LB, que fue de 13,23 g/mol, y la más baja fue en el tratamiento CK, que fue de 10,72 g/mol.

●Resultados de la segunda ronda de pruebas

Se puede ver en la Tabla 3 que la altura de la planta de Pakchoi tratada con MB fue significativamente mayor que la de CK, y no hubo diferencia significativa entre este y el tratamiento LB. El número de hojas de Pakchoi tratado con LB y MB fue significativamente mayor que con CK, pero no hubo diferencia significativa entre los dos grupos de tratamientos de luz suplementaria. Hubo diferencias significativas en el peso fresco por planta entre los tres tratamientos. El peso fresco por planta en CK fue el más bajo con 47 g, y el tratamiento MB fue el más alto con 116 g. No hubo diferencia significativa en el contenido de materia seca entre los tres tratamientos. Hay diferencias significativas en la eficiencia de utilización de energía de la luz. CK es bajo con 8,74 g/mol, y el tratamiento MB es el más alto con 13,64 g/mol.

Se puede ver en la Tabla 4 que no hubo diferencia significativa en la altura de la planta de lechuga entre los tres tratamientos. El número de hojas en los tratamientos LB y MB fue significativamente mayor que en CK. Entre ellos, el número de hojas MB fue el más alto en 26. No hubo diferencia significativa en el número de hojas entre los tratamientos LB y MB. El peso fresco por planta de los dos grupos de tratamientos de luz suplementaria fue significativamente mayor que el de CK, y el peso fresco por planta fue el más alto en el tratamiento MB, que fue de 133 g. También hubo diferencias significativas entre los tratamientos LB y MB. Hubo diferencias significativas en el contenido de materia seca entre los tres tratamientos, y el contenido de materia seca del tratamiento LB fue el más alto, que fue de 4.05%. La eficiencia de utilización de energía de la luz del tratamiento MB es significativamente mayor que la del tratamiento CK y LB, que es de 12.67 g/mol.

Durante la segunda ronda del experimento, el DLI total del grupo de luz suplementaria fue mucho mayor que el DLI durante el mismo número de días de colonización durante la primera ronda del experimento (Figura 1-2), y el tiempo de luz suplementaria del grupo de tratamiento de luz suplementaria en la segunda ronda del experimento (4:00-00-17:00). En comparación con la primera ronda del experimento (6:30-17:00), aumentó en 2,5 horas. El tiempo de cosecha de las dos rondas de Pakchoi fue de 35 días después de la siembra. El peso fresco de la planta individual de CK en las dos rondas fue similar. La diferencia en el peso fresco por planta en el tratamiento LB y MB en comparación con CK en la segunda ronda de experimentos fue mucho mayor que la diferencia en el peso fresco por planta en comparación con CK en la primera ronda de experimentos (Tabla 1, Tabla 3). El tiempo de cosecha de la segunda ronda de lechuga experimental fue de 42 días después de la siembra, y el tiempo de cosecha de la primera ronda de lechuga experimental fue de 46 días después de la siembra. El número de días de colonización en la segunda ronda de lechuga experimental CK fue 4 días menor que en la primera, pero el peso fresco por planta es 1,57 veces mayor que el de la primera ronda de experimentos (Tablas 2 y 4), y la eficiencia de utilización de la energía lumínica es similar. Se puede observar que, a medida que la temperatura y la luz natural en el invernadero aumentan gradualmente, el ciclo de producción de lechuga se acorta.

Materiales y métodos
Las dos rondas de pruebas cubrieron básicamente todo el invierno en Shanghái, y el grupo de control (CK) logró restaurar relativamente el estado de producción real de lechuga y tallo verde hidropónico en invernadero bajo bajas temperaturas y escasa luz solar en invierno. El grupo experimental con suplemento de luz tuvo un efecto de promoción significativo en el índice de datos más intuitivo (peso fresco por planta) en las dos rondas de experimentos. Entre ellos, el efecto de aumento de rendimiento de Pakchoi se reflejó simultáneamente en el tamaño, color y grosor de las hojas. Pero la lechuga tiende a aumentar el número de hojas y la forma de la planta parece más llena. Los resultados de la prueba muestran que la suplementación de luz puede mejorar el peso fresco y la calidad del producto en la siembra de las dos categorías de vegetales, aumentando así la comercialidad de los productos vegetales. Pakchoi suplementado por Los módulos de luz superior LED rojo-blanco, azul bajo y rojo-blanco, azul medio tienen un verde más oscuro y un aspecto brillante que las hojas sin luz suplementaria, las hojas son más grandes y gruesas, y la tendencia de crecimiento de todo el tipo de planta es más compacta y vigorosa. Sin embargo, la lechuga mosaico pertenece a las hortalizas de hoja verde claro, y no presenta un cambio de color evidente durante su crecimiento. El cambio de color de las hojas no es evidente para el ojo humano. La proporción adecuada de luz azul puede promover el desarrollo foliar y la síntesis de pigmentos fotosintéticos, e inhibir la elongación de los entrenudos. Por lo tanto, las hortalizas del grupo de suplementos de luz son las más apreciadas por los consumidores por su aspecto.

Durante la segunda ronda de la prueba, la cantidad total diaria acumulada de luz del grupo de luz suplementaria fue mucho mayor que el DLI durante el mismo número de días de colonización durante la primera ronda del experimento (Figura 1-2), y el tiempo de luz suplementaria de la segunda ronda del grupo de tratamiento de luz suplementaria (4: 00-17: 00), en comparación con la primera ronda del experimento (6:30-17: 00), aumentó en 2,5 horas. El tiempo de cosecha de las dos rondas de Pakchoi fue de 35 días después de la siembra. El peso fresco de CK en las dos rondas fue similar. La diferencia en el peso fresco por planta entre el tratamiento LB y MB y CK en la segunda ronda de experimentos fue mucho mayor que la diferencia en el peso fresco por planta con CK en la primera ronda de experimentos (Tabla 1 y Tabla 3). Por lo tanto, extender el tiempo de suplemento de luz puede promover el aumento de la producción de Pakchoi hidropónico cultivado en interiores en invierno. El tiempo de cosecha de la segunda ronda de lechuga experimental fue de 42 días después de la siembra, y el tiempo de cosecha de la primera ronda de lechuga experimental fue de 46 días después de la siembra. Cuando se cosechó la segunda ronda de lechuga experimental, el número de días de colonización del grupo CK fue 4 días menor que el de la primera ronda. Sin embargo, el peso fresco de una sola planta fue 1,57 veces mayor que el de la primera ronda de experimentos (Tabla 2 y Tabla 4). La eficiencia de utilización de la energía lumínica fue similar. Se puede observar que a medida que la temperatura aumenta lentamente y la luz natural en el invernadero aumenta gradualmente (Figura 1-2), el ciclo de producción de lechuga puede acortarse en consecuencia. Por lo tanto, agregar equipo de luz suplementario al invernadero en el invierno con baja temperatura y poca luz solar puede mejorar efectivamente la eficiencia de producción de lechuga y luego aumentar la producción. En la primera ronda del experimento, el consumo de energía de luz suplementada de la planta del menú de hojas fue de 0,95 kw-h, y en la segunda ronda del experimento, el consumo de energía de luz suplementada de la planta del menú de hojas fue de 1,15 kw-h. Comparado entre las dos rondas de experimentos, el consumo de luz de los tres tratamientos de Pakchoi, la eficiencia de utilización de energía en el segundo experimento fue menor que en el primer experimento. La eficiencia de utilización de energía de luz de los grupos de tratamiento de luz suplementaria CK y LB de lechuga en el segundo experimento fue ligeramente menor que en el primer experimento. Se infiere que la posible razón es que la baja temperatura promedio diaria dentro de una semana después de la siembra hace que el período de plántula lenta sea más largo, y aunque la temperatura rebotó un poco durante el experimento, el rango fue limitado y la temperatura promedio diaria general todavía estaba en un nivel bajo, lo que restringió la eficiencia de utilización de energía de luz durante el ciclo de crecimiento general para hidroponía de vegetales de hoja. (Figura 1).

Durante el experimento, la piscina de solución nutritiva no contaba con equipo de calentamiento, por lo que el entorno radicular de las hortalizas de hoja hidropónicas se mantuvo siempre a baja temperatura y la temperatura media diaria fue limitada. Esto impidió que las hortalizas aprovecharan al máximo la luz acumulada diaria, incrementada con la ampliación de la luz LED suplementaria. Por lo tanto, al complementar la luz en el invernadero en invierno, es necesario considerar medidas adecuadas de conservación del calor y calentamiento para asegurar el efecto de la luz suplementaria y aumentar la producción. Por lo tanto, es necesario considerar medidas adecuadas de conservación del calor y aumento de la temperatura para asegurar el efecto de la luz suplementaria y el aumento del rendimiento en el invernadero de invierno. El uso de luz LED suplementaria aumentará en cierta medida el coste de producción, y la producción agrícola en sí no es un sector de alto rendimiento. Por lo tanto, aún se requieren más experimentos de producción para optimizar la estrategia de luz suplementaria y combinarla con otras medidas en la producción real de hortalizas de hoja hidropónicas en invernaderos de invierno, y para utilizar los equipos de luz suplementaria para lograr una producción eficiente, mejorar la eficiencia del uso de la energía lumínica y los beneficios económicos.

Autores: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agriculture Development Co., Ltd.).
Fuente del artículo: Tecnología de ingeniería agrícola (horticultura en invernadero).

Referencias:
[1] Jianfeng Dai, Práctica de aplicación de LED hortícolas de Philips en la producción de invernaderos [J]. Tecnología de ingeniería agrícola, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin, et al. Estado de aplicación y perspectivas de la tecnología de suplementos de luz para frutas y hortalizas protegidas [J]. Horticultura del Norte, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao, et al. Estado de la investigación y aplicación, y estrategia de desarrollo de la iluminación de plantas [J]. Revista de ingeniería de iluminación, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi, et al. Aplicación de la fuente de luz y el control de la calidad de la luz en la producción de hortalizas en invernadero [J]. Chinese Vegetable, 2012 (2): 1-7