Investigación sobre el efecto de la luz suplementaria LED en el aumento del rendimiento de lechuga hidropónica y 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 las verduras de hoja hidropónicas en el invernadero es lento y el ciclo de producción es largo, lo que no puede satisfacer la demanda de suministro del mercado.En los últimos años, las luces suplementarias de plantas LED han comenzado a usarse en el cultivo y la producción de 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.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 el 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 un entorno de invernadero debido a su alta tasa de conversión fotoeléctrica, espectro personalizable y larga vida útil [1].En países extranjeros, debido al comienzo temprano de la investigación relacionada y al sistema de apoyo maduro, muchas plantas de producción 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 retorno después de usar el sistema de luces LED adicionales [2].Sin embargo, la mayor parte de la investigación nacional actual sobre luz suplementaria está sesgada hacia la optimización espectral y la calidad de la luz a pequeña escala, y carece de estrategias de luz suplementaria que puedan utilizarse en la producción real[3].Muchos productores nacionales utilizarán directamente soluciones de iluminación complementarias extranjeras existentes cuando apliquen tecnología de iluminación complementaria a la producción, independientemente de las condiciones climáticas del área de producción, los tipos de vegetales producidos y las condiciones de las instalaciones y equipos.Además, el alto costo del equipo de luz suplementario y el alto consumo de energía a menudo dan como resultado una gran brecha entre el rendimiento real del cultivo y el rendimiento económico y el efecto esperado.Tal situación actual no es propicia para el desarrollo y promoción de la tecnología de suplementación de luz y aumento de la producción en el país.Por lo tanto, es una necesidad urgente colocar razonablemente productos de luz LED complementarios maduros en entornos de producción domésticos reales, optimizar las estrategias de uso y acumular datos relevantes.

El invierno es la estación en la que las verduras 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 de cultivo al aire libre.Sin embargo, un artículo señaló que algunos invernaderos envejecidos o mal limpios tienen una transmisión 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 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 las hortalizas en invierno [4].El Green Cube que se ha puesto en producción real se utiliza en el experimento.El sistema de plantación de vegetales de hojas de flujo 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 siembra de lechuga y pakchoi, que son dos hortalizas de hoja con mayor demanda en el mercado, tiene como objetivo estudiar el aumento real de la producción de hortalizas de hoja hidropónica mediante 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 vegetales 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 realizó 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 realizaron un total de dos rondas de experimentos repetidos.La primera ronda del experimento fue a fines de 2019 y la segunda ronda fue 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 de marea.Durante el período de crianza de plántulas se utilizó para riego la solución nutritiva general de hortalizas hidropónicas con EC de 1.5 y pH de 5.5.Después de que las plántulas crecieran hasta 3 hojas y 1 etapa de corazón, se plantaron en el lecho de plantación de vegetales 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 superficial utilizó una 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 detenido.El grupo de control (sin suplemento de luz) y el grupo de tratamiento (suplemento de luz LED) se establecieron en el experimento.CK se plantó en un invernadero de vidrio sin suplemento de luz.LB: se utilizó drw-lb Ho (200 W) 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 utilizó drw-lb (200 W) para complementar la luz, y la PPFD fue de aproximadamente 140 μmol/(㎡·S).

La fecha de la primera ronda de plantación experimental es el 8 de noviembre de 2019 y la fecha de plantación es el 25 de noviembre de 2019. El tiempo de suplemento de luz del grupo de prueba es de 6:30 a 17:00;la segunda ronda de fecha de siembra experimental es el día 30 de diciembre de 2019, la fecha de siembra es el 17 de enero de 2020 y el tiempo adicional del grupo experimental es de 4:00 a 17:00
En el clima soleado de invierno, el invernadero abrirá el techo corredizo, la película lateral y el ventilador para la ventilación diaria de 6:00 a 17:00.Cuando la temperatura es baja por la noche, el invernadero cerrará la claraboya, la película lateral y el ventilador entre las 17:00 y las 6:00 (del 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 un horno y se secó a 75 ℃ durante 72 h.Después del final, se determinó el peso seco.La temperatura en el invernadero y la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) 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 los datos

Calcule la eficiencia de uso de la luz (LUE, Light Use Efficiency) de acuerdo con la siguiente fórmula:
LUE (g/mol) = rendimiento vegetal por unidad de superficie/la cantidad acumulada total de luz obtenida por las hortalizas por unidad de superficie desde la siembra hasta la cosecha
Calcular 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 de experimentos 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 ascendente general 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 ascendente general, que superó los 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 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 total de luz acumulada diaria (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 acumulada diaria total 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 el uso de la energía lumínica

●Primera ronda de resultados de la prueba
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 LB y MB pakchoi son de un verde más brillante y más oscuro que las de CK.Se puede ver en la Fig. 4 que la lechuga con luz LED adicional crece mejor que la CK sin luz adicional, la cantidad de hojas es mayor y la forma de la planta es más completa.

En la Tabla 1 se puede ver que no hay una diferencia significativa en la altura de la planta, el número de hojas, el contenido de materia seca y la eficiencia de utilización de la energía de la luz del pakchoi tratado con CK, LB y MB, pero el peso fresco del pakchoi tratado con LB y MB es significativamente más alto que el de CK;No hubo una 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.

Puede verse 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 una 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 de 27. El peso fresco por planta del tratamiento LB fue el más alto, que fue de 101 g.También hubo una 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% superior a los tratamientos CK y LB.Hubo diferencias significativas en la eficiencia del uso de la luz entre los tres tratamientos.La eficiencia de uso de luz más alta 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.

●Segunda ronda de resultados de pruebas

Se puede ver en la Tabla 3 que la altura de la planta de Pakchoi tratado con MB fue significativamente mayor que la de CK, y no hubo diferencia significativa 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 de luz suplementarios.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 el más alto con 13,64 g/mol.

Puede verse 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 con 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 con luz suplementaria fue significativamente mayor que el de CK, y el peso fresco por planta fue el más alto en el tratamiento con 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 la energía luminosa 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 más alto que el DLI durante la misma cantidad 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 de 35 días después de la siembra.El peso fresco de la planta individual CK en las dos rondas fue similar.La diferencia de 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 cuando se cosechó la segunda ronda de lechuga experimental CK fue 4 días menos que la primera ronda, pero el peso fresco por planta es 1,57 veces mayor que el de la primera ronda de experimentos (Cuadro 2 y Cuadro 4), y la eficiencia de utilización de la energía de la luz es similar.Se puede observar que a medida que la temperatura sube 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 el invernadero a baja temperatura y poca luz solar en invierno.El grupo del experimento con el 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 del rendimiento de Pakchoi se reflejó en el tamaño, el color y el grosor de las hojas al mismo tiempo.Pero la lechuga tiende a aumentar el número de hojas y la forma de la planta se ve más llena.Los resultados de las pruebas muestran que la suplementación liviana 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 complementado por 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 adicional, 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 las verduras de hoja verde claro, y no hay un proceso de cambio de color evidente en el proceso de crecimiento.El cambio de color de la hoja no es evidente para los ojos humanos.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 en el grupo de suplementos ligeros son más favorecidas por los consumidores en calidad de apariencia.

Durante la segunda ronda de la prueba, la cantidad de luz acumulada diaria 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 tiempo de la segunda ronda del grupo de tratamiento de luz suplementario (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 con 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 invierno en interiores.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 lechugas experimentales, el número de días de colonización del grupo CK fue 4 días menos 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 (Cuadro 2 y Cuadro 4).La eficiencia de utilización de la energía luminosa fue similar.Se puede ver 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 equipo de iluminación adicional 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 la luz complementada con la planta del menú hoja fue de 0,95 kw-h, y en la segunda ronda del experimento, el consumo de energía de la luz complementada con la planta del menú hoja 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 lumínica de los grupos de tratamiento con 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 temperatura promedio diaria baja dentro de una semana después de la siembra hace que el período de plántula lenta 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 era en un nivel bajo, lo que restringió la eficiencia de utilización de la energía de la luz durante el ciclo de crecimiento general para la hidroponía de hortalizas de hoja.(Figura 1).

Durante el experimento, la piscina de solución nutritiva no estaba equipada con un equipo de calentamiento, por lo que el entorno de la raíz de los vegetales de hojas hidropónicas siempre estaba a un nivel de temperatura bajo, y la temperatura promedio diaria era limitada, lo que provocó que los vegetales no se aprovecharan por completo. de la luz acumulada diaria incrementada al extender la luz suplementaria LED.Por lo tanto, al complementar la luz en el invernadero en invierno, es necesario considerar medidas adecuadas de conservación 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 adicional LED aumentará el costo de producción hasta cierto punto, y la producción agrícola en sí misma no es una industria de alto rendimiento.Por lo tanto, con respecto a cómo optimizar la estrategia de luz suplementaria y cooperar con otras medidas en la producción real de hortalizas de hojas hidropónicas en invernadero de invierno, y cómo utilizar el equipo de luz suplementaria para lograr una producción eficiente y mejorar la eficiencia de la utilización de la energía de la luz y los beneficios económicos , todavía necesita más experimentos de producción.

Autores: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural 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 la producción de invernaderos [J].Tecnología de ingeniería agrícola, 2017, 37 (13): 28-32
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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