Investigación sobre el efecto de la luz LED suplementaria en el efecto de aumento del rendimiento de la lechuga hidropónica y el pakchoi en invernadero en invierno
[Resumen] El invierno en Shanghai a menudo se encuentra con bajas temperaturas y poca luz solar, y el crecimiento de hortalizas de hojas hidropónicas en el invernadero es lento y el ciclo de producción es largo, lo que no puede satisfacer la demanda de oferta del mercado. En los últimos años, las luces LED suplementarias para plantas han comenzado a utilizarse en el cultivo y la producción en invernaderos, hasta cierto punto, para compensar el defecto de que la luz acumulada diariamente en el invernadero no puede satisfacer las necesidades de crecimiento de los cultivos cuando la luz natural es insuficiente. insuficiente. En el experimento, se instalaron en el invernadero dos tipos de luces LED suplementarias con diferente calidad de luz para llevar a cabo el experimento de exploración de aumentar la producción de lechuga hidropónica y tallo verde en invierno. Los resultados mostraron que los dos 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 agrandamiento 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 del contenido de materia seca.

La luz es una parte indispensable del crecimiento de las plantas. En los últimos años, las luces LED se han utilizado ampliamente en el cultivo y la producción en invernaderos debido a su alta tasa de conversión fotoeléctrica, espectro personalizable y larga vida útil [1]. En países extranjeros, debido al inicio temprano de investigaciones relacionadas y al sistema de apoyo maduro, muchas producciones de flores, frutas y verduras a gran escala tienen estrategias de suplementos ligeros relativamente completas. La acumulación de una gran cantidad de datos de producción real también permite a los productores predecir claramente el efecto del aumento de la producción. Al mismo tiempo, se evalúa el rendimiento después de utilizar el sistema de iluminación suplementaria LED [2]. Sin embargo, la mayor parte de la investigación nacional actual sobre luz suplementaria está sesgada hacia la calidad de la luz y la optimización espectral a pequeña escala, y carece de estrategias de luz suplementaria que puedan usarse en la producción real[3]. Muchos productores nacionales utilizarán directamente soluciones de iluminación complementaria extranjeras existentes al aplicar tecnología de iluminación complementaria a la producción, independientemente de las condiciones climáticas del área de producción, los tipos de hortalizas producidas y las condiciones de las instalaciones y equipos. Además, el alto costo de los equipos de iluminación suplementarios y el alto consumo de energía a menudo resultan en una enorme brecha entre el rendimiento real de los cultivos y el retorno económico y el efecto esperado. La situación actual no favorece el desarrollo y promoción de la tecnología de complementación de la luz y el aumento de la producción en el país. Por lo tanto, es una necesidad urgente colocar razonablemente productos de luz suplementaria LED maduros en entornos de producción nacionales reales, optimizar las estrategias de uso y acumular datos relevantes.

El invierno es la estación en la que las hortalizas de hojas frescas tienen una gran demanda. Los invernaderos pueden proporcionar un entorno más adecuado para el crecimiento de hortalizas de hoja en invierno que los campos agrícolas al aire libre. Sin embargo, un artículo señaló que algunos invernaderos viejos o mal limpios tienen una transmitancia de luz de menos del 50% en invierno. Además, el clima lluvioso a largo plazo también es propenso a ocurrir en invierno, lo que hace que el invernadero esté en un nivel bajo. Temperatura y ambiente con poca luz, 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]. En el experimento se utiliza el Cubo Verde que se ha puesto en producción real. El sistema de plantación de hortalizas de hojas de flujo de líquido poco profundo se combina con los dos módulos de luz 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 iluminación LED en invernaderos de invierno.

Materiales y métodos
Materiales utilizados para la prueba.

Los materiales de prueba utilizados en el experimento fueron lechuga y verduras packchoi. La variedad de lechuga, Green Leaf Lettuce, proviene de Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., y la variedad pakchoi, Brilliant Green, proviene del Instituto de Horticultura de la Academia de Ciencias Agrícolas de Shanghai.

Método experimental

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

La fecha de siembra experimental de la primera ronda es el 8 de noviembre de 2019 y la fecha de siembra es el 25 de noviembre de 2019. El horario de suplemento de luz del grupo de prueba es de 6:30 a 17:00; la fecha de siembra de la segunda ronda experimental es el día 30 de diciembre de 2019, la fecha de siembra es el 17 de enero de 2020 y el horario complementario del grupo experimental es de 4:00 a 17:00
En el clima soleado del invierno, el invernadero abrirá el techo corredizo, la película lateral y el ventilador para ventilación diaria de 6:00 a 17:00. Cuando la temperatura es baja por la noche, el invernadero cerrará el tragaluz, la película lateral y el ventilador entre las 17:00 y las 6:00 (al día siguiente) y abrirá la cortina de aislamiento térmico en el invernadero para preservar el calor nocturno.

Recopilación de datos

La altura de la planta, el número de hojas y el peso fresco por planta se obtuvieron después de cosechar las partes aéreas de Qingjingcai y lechuga. Después de medir el peso fresco, se colocó en una estufa y se secó a 75 ℃ durante 72 h. Al finalizar se determinó el peso seco. La temperatura en el invernadero y la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD, densidad de flujo de fotones fotosintéticos) se recopilan y registran cada 5 minutos mediante el sensor de temperatura (RS-GZ-N01-2) y el sensor de radiación fotosintéticamente activa (GLZ-CG).

Análisis de datos

Calcule la eficiencia de uso de la luz (LUE, Light Use Efficiency) según la siguiente fórmula:
LUE (g/mol) = rendimiento de hortalizas por unidad de superficie/cantidad total acumulada de luz obtenida por las hortalizas por unidad de superficie desde la siembra hasta la cosecha
Calcule 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 importancia de la diferencia.

Materiales y métodos
Luz y temperatura

La primera ronda del experimento tomó 46 días desde la siembra hasta la cosecha, y la segunda ronda tomó 42 días desde la siembra hasta la cosecha. Durante la primera ronda del experimento, la temperatura promedio diaria en el invernadero estuvo mayormente en el rango de 10-18 ℃; Durante la segunda ronda del experimento, la fluctuación de la temperatura promedio diaria en el invernadero fue más severa que durante la primera ronda del experimento, con la temperatura promedio diaria más baja de 8,39 ℃ y la temperatura promedio diaria más alta de 20,23 ℃. La temperatura promedio diaria mostró una tendencia general ascendente durante el proceso de 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 acumulada diaria de luz natural en el invernadero mostró una tendencia general ascendente, 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 en la cantidad acumulada diaria 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 de luz acumulada diaria total (la suma de la luz natural DLI y la luz LED suplementaria DLI) del grupo de luz suplementaria fue superior a 8 mol/(㎡·D) la mayor parte del tiempo. Durante la segunda ronda del experimento, la cantidad de luz diaria total acumulada 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 en la utilización de energía luminosa

●Primera ronda de resultados de las pruebas.
Se puede ver en la Fig. 3 que el pakchoi suplementado con LED crece mejor, la forma de la planta es más compacta y las hojas son más grandes y gruesas que el CK no suplementado. Las hojas de pakchoi LB y MB son de un verde más brillante y oscuro que las de CK. Se puede ver en la Fig. 4 que la lechuga con luz suplementaria LED crece mejor que la CK sin luz suplementaria, el número de hojas es mayor y la forma de la planta es más completa.

Puede verse en la Tabla 1 que no hay diferencias significativas en la altura de la planta, el número de hojas, el contenido de materia seca y la eficiencia de utilización de la energía lumínica 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 diferencias significativas 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 diferencias significativas 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 mayor, que fue 27. El peso fresco por planta del tratamiento LB fue el mayor, que fue 101g. También hubo diferencias significativas entre los dos grupos. No hubo diferencias significativas en el contenido de materia seca entre los tratamientos CK y LB. El contenido de MB fue 4,24% mayor que los tratamientos CK y LB. Hubo diferencias significativas en la eficiencia del uso de la luz entre los tres tratamientos. La mayor eficiencia en el uso de la luz fue en el tratamiento con LB, que fue de 13,23 g/mol, y la más baja fue en el tratamiento con CK, que fue de 10,72 g/mol.

●Segunda ronda de resultados de las 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 diferencias significativas entre este y el tratamiento con LB. El número de hojas de Pakchoi tratadas con LB y MB fue significativamente mayor que con CK, pero no hubo diferencias significativas entre los dos grupos de tratamientos con 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. Existen diferencias significativas en la eficiencia de utilización de la energía luminosa. La CK es baja con 8,74 g/mol y el tratamiento con MB es la más alta con 13,64 g/mol.

Puede verse en la Tabla 4 que no hubo diferencias significativas en la altura de las plantas 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 de MB fue el más alto con 26. No hubo diferencias significativas 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, siendo el contenido de materia seca del tratamiento LB el mayor, el cual fue de 4.05%. La eficiencia de utilización de la energía lumínica del tratamiento con MB es significativamente mayor que la del tratamiento con 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 luz suplementaria grupo de tratamiento 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 35 días después de la siembra. El peso fresco de las plantas individuales de CK en las dos rondas fue similar. La diferencia en el peso fresco por planta en los tratamientos 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 42 días después de la siembra, y el tiempo de cosecha de la primera ronda de lechuga experimental fue 46 días después de la siembra. El número de días de colonización cuando se cosechó la segunda ronda de lechuga experimental CK fue 4 días menor que el de la primera ronda, pero el peso fresco por planta es 1,57 veces el de la primera ronda de experimentos (Cuadro 2 y Cuadro 4), y la eficiencia de utilización de la energía luminosa es similar. Se puede observar que a medida que la temperatura aumenta gradualmente y la luz natural en el invernadero aumenta gradualmente, el ciclo de producción de la lechuga se acorta.

Materiales y métodos
Las dos rondas de pruebas cubrieron básicamente todo el invierno en Shanghai, y el grupo de control (CK) pudo restaurar relativamente el estado de producción real de lechuga y tallo verde hidropónico en invernadero a baja temperatura y poca luz solar en invierno. El grupo experimental de suplementos ligeros 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 del rendimiento del Pakchoi se reflejó en el tamaño, color y grosor de las hojas al mismo tiempo. Pero la lechuga tiende a aumentar el número de hojas y la forma de la planta parece más llena. Los resultados de las pruebas muestran que una suplementación ligera puede mejorar el peso fresco y la calidad del producto en la siembra de las dos categorías de hortalizas, aumentando así la comercialidad de los productos vegetales. Pakchoi complementado con Los módulos de luz superior LED rojo-blanco, azul bajo y rojo-blanco, azul medio son de un verde más oscuro y de apariencia 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 compacto y vigoroso. Sin embargo, la "lechuga mosaico" pertenece a vegetales de hojas de color verde claro y no existe un proceso de cambio de color obvio durante el proceso de 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 de las hojas y la síntesis de pigmentos fotosintéticos e inhibir el alargamiento de los entrenudos. Por lo tanto, las verduras del grupo de suplementos ligeros son las más preferidas por los consumidores en cuanto a su calidad de apariencia.

Durante la segunda ronda de la prueba, la cantidad de luz diaria acumulada 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 la luz suplementaria El tiempo de la segunda ronda del grupo de tratamiento con 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 35 días después de la siembra. El peso fresco de CK en las dos rondas fue similar. La diferencia en peso fresco por planta entre los tratamientos LB y MB y CK en la segunda ronda de experimentos fue mucho mayor que la diferencia en peso fresco por planta con CK en la primera ronda de experimentos (Tabla 1 y Tabla 3). Por lo tanto, ampliar el tiempo de suplemento de luz puede promover el aumento de la producción de Pakchoi hidropónico cultivado en interior en invierno. El tiempo de cosecha de la segunda ronda de lechuga experimental fue 42 días después de la siembra, y el tiempo de cosecha de la primera ronda de lechuga experimental fue 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 luminosa 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 se puede acortar en consecuencia. Por lo tanto, agregar equipos de iluminación suplementarios al invernadero en 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 la 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 la luz suplementada de la planta del menú de hojas fue de 1,15 kw-h. En comparación 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 la energía lumínica de los grupos de tratamiento de luz suplementaria de lechuga CK y LB en el segundo experimento fue ligeramente menor que la del 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 lento de plántula sea más largo, y aunque la temperatura se recuperó un poco durante el experimento, el rango fue limitado y la temperatura promedio diaria general aún se mantuvo. a un nivel bajo, lo que restringió la eficiencia de utilización de la energía lumínica durante el ciclo de crecimiento general de la hidroponía de hortalizas de hoja. (Figura 1).

Durante el experimento, la piscina de solución nutritiva no estaba equipada con equipo de calentamiento, por lo que el entorno de las raíces de las hortalizas de hojas hidropónicas siempre estuvo a un nivel de temperatura bajo y la temperatura promedio diaria era limitada, lo que provocó que las hortalizas no pudieran aprovecharse al máximo. de la luz acumulada diaria aumentada mediante la ampliación de la luz suplementaria LED. Por lo tanto, al complementar la luz en el invernadero en invierno, es necesario considerar medidas adecuadas de preservación del calor y calefacción para garantizar el efecto de complementar la luz para aumentar la producción. Por lo tanto, es necesario considerar medidas apropiadas de preservación del calor y aumento de la temperatura para garantizar el efecto del suplemento de luz y el aumento del rendimiento en el invernadero de invierno. El uso de luz LED suplementaria aumentará el costo de producción hasta cierto punto y la producción agrícola en sí no es una industria de alto rendimiento. Por lo tanto, con respecto a cómo optimizar la estrategia de iluminación suplementaria y cooperar con otras medidas en la producción real de hortalizas de hojas hidropónicas en invernaderos de invierno, y cómo utilizar el equipo de iluminación suplementaria para lograr una producción eficiente y mejorar la eficiencia de la utilización de la energía lumínica y los beneficios económicos. , todavía necesita más experimentos de producción.

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

Referencias:
[1] Jianfeng Dai, práctica de aplicación de LED hortícolas de Philips en producción en invernaderos [J]. Tecnología de ingeniería agrícola, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin, et al. Estado de la solicitud y perspectivas de la tecnología de suplementos luminosos para frutas y verduras protegidas [J]. Horticultura del norte, 2018 (17): 166-170
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[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi, et al. Aplicación de fuentes de luz y control de calidad de la luz en la producción de hortalizas en invernadero [J]. Verdura china, 2012 (2): 1-7