Recherche sur l'effet de la lumière supplémentaire LED sur l'effet d'augmentation du rendement de la laitue hydroponique et du pakchoi en serre en hiver
[Résumé] L'hiver à Shanghai est souvent caractérisé par des températures basses et un faible ensoleillement, et la croissance des légumes à feuilles hydroponiques dans la serre est lente et le cycle de production est long, ce qui ne peut pas répondre à la demande d'approvisionnement du marché. Ces dernières années, les lampes LED supplémentaires pour plantes ont commencé à être utilisées dans la culture et la production en serre, dans une certaine mesure, pour compenser le défaut selon lequel la lumière accumulée quotidiennement dans la serre ne peut pas répondre aux besoins de croissance des cultures lorsque la lumière naturelle est faible. insuffisant. Dans l'expérience, deux types de lumières supplémentaires à LED avec une qualité de lumière différente ont été installés dans la serre pour mener à bien l'expérience d'exploration visant à augmenter la production de laitue hydroponique et de tige verte en hiver. Les résultats ont montré que les deux types de lumières LED peuvent augmenter considérablement le poids frais par plante de pakchoi et de laitue. L'effet d'augmentation du rendement du pakchoi se reflète principalement dans l'amélioration de la qualité sensorielle globale telle que l'agrandissement et l'épaississement des feuilles, et l'effet d'augmentation du rendement de la laitue se reflète principalement dans l'augmentation du nombre de feuilles et de la teneur en matière sèche.

La lumière est un élément indispensable à la croissance des plantes. Ces dernières années, les lumières LED ont été largement utilisées dans la culture et la production dans un environnement de serre en raison de leur taux de conversion photoélectrique élevé, de leur spectre personnalisable et de leur longue durée de vie [1]. Dans les pays étrangers, en raison du démarrage précoce de la recherche connexe et de la maturité du système de soutien, de nombreuses productions de fleurs, de fruits et de légumes à grande échelle ont des stratégies de supplémentation légère relativement complètes. L’accumulation d’une grande quantité de données réelles sur la production permet également aux producteurs de prédire clairement l’effet d’une augmentation de la production. Dans le même temps, le rendement après l'utilisation du système d'éclairage supplémentaire à LED est évalué [2]. Cependant, la plupart des recherches nationales actuelles sur la lumière supplémentaire sont orientées vers la qualité de la lumière et l’optimisation spectrale à petite échelle, et manquent de stratégies d’éclairage supplémentaire pouvant être utilisées dans la production réelle[3]. De nombreux producteurs nationaux utiliseront directement les solutions d'éclairage supplémentaire étrangères existantes lorsqu'ils appliqueront la technologie d'éclairage supplémentaire à la production, quelles que soient les conditions climatiques de la zone de production, les types de légumes produits et l'état des installations et des équipements. En outre, le coût élevé des équipements d’éclairage supplémentaires et la forte consommation d’énergie entraînent souvent un écart énorme entre le rendement réel des cultures, le rendement économique et l’effet attendu. Une telle situation actuelle n’est pas propice au développement et à la promotion de technologies permettant de compléter l’éclairage et d’augmenter la production dans le pays. Par conséquent, il est urgent d’intégrer raisonnablement des produits d’éclairage supplémentaire à LED matures dans des environnements de production nationaux réels, d’optimiser les stratégies d’utilisation et d’accumuler des données pertinentes.

L’hiver est la saison où les légumes à feuilles frais sont très demandés. Les serres peuvent fournir un environnement plus approprié à la croissance des légumes à feuilles en hiver que les champs agricoles en plein air. Cependant, un article a souligné que certaines serres vieillissantes ou mal propres ont une transmission lumineuse inférieure à 50 % en hiver. De plus, des pluies prolongées sont également susceptibles de se produire en hiver, ce qui rend la serre dans un environnement à faible température et environnement faiblement éclairé, ce qui affecte la croissance normale des plantes. La lumière est devenue un facteur limitant pour la croissance des légumes en hiver [4]. Le Green Cube qui a été mis en production réelle est utilisé dans l’expérience. Le système de plantation de légumes à feuilles à débit liquide peu profond est associé aux deux modules d'éclairage supérieur à LED de Signify (China) Investment Co., Ltd. avec différents rapports de lumière bleue. La plantation de laitue et de pakchoi, qui sont deux légumes à feuilles très demandés sur le marché, vise à étudier l'augmentation réelle de la production de légumes à feuilles hydroponiques grâce à l'éclairage LED dans la serre d'hiver.

Matériels et méthodes
Matériel utilisé pour le test

Les matériaux de test utilisés dans l'expérience étaient de la laitue et des légumes packchoi. La variété de laitue, Green Leaf Lettuce, vient de Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., et la variété pakchoi, Brilliant Green, vient de l'Institut d'horticulture de l'Académie des sciences agricoles de Shanghai.

Méthode expérimentale

L'expérience a été menée dans la serre en verre de type Wenluo de la base Sunqiao de Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd. de novembre 2019 à février 2020. Au total, deux séries d'expériences répétées ont été menées. Le premier cycle de l'expérience a eu lieu fin 2019 et le deuxième cycle début 2020. Après le semis, le matériel expérimental a été placé dans une salle climatique à lumière artificielle pour la culture des semis et l'irrigation par marée a été utilisée. Pendant la période de croissance des semis, la solution nutritive générale de légumes hydroponiques avec une EC de 1,5 et un pH de 5,5 a été utilisée pour l'irrigation. Une fois que les plants ont atteint 3 feuilles et 1 stade de cœur, ils ont été plantés sur un lit de plantation de légumes à feuilles à écoulement peu profond de type cube vert. Après la plantation, le système de circulation de solution nutritive à faible débit utilisait une solution nutritive EC 2 et pH 6 pour l'irrigation quotidienne. La fréquence d'irrigation était de 10 minutes avec l'alimentation en eau et de 20 minutes avec l'alimentation en eau arrêtée. Le groupe témoin (pas de supplément de lumière) et le groupe de traitement (supplément de lumière LED) ont été définis dans l'expérience. CK a été planté sous serre vitrée sans apport de lumière. LB : drw-lb Ho (200 W) a été utilisé pour compléter la lumière après la plantation dans une serre en verre. La densité du flux lumineux (PPFD) à la surface du couvert végétal hydroponique était d'environ 140 μmol/(㎡·S). MB : après la plantation dans la serre en verre, le drw-lb (200W) a été utilisé pour compléter la lumière, et le PPFD était d'environ 140 μmol/(㎡·S).

La date du premier cycle de plantation expérimentale est le 8 novembre 2019 et la date de plantation est le 25 novembre 2019. L'heure de supplément de lumière du groupe test est de 6h30 à 17h00 ; la date du deuxième tour de plantation expérimentale est le 30 décembre 2019, la date de plantation est le 17 janvier 2020 et l'heure supplémentaire du groupe expérimental est de 4h00 à 17h00
Par temps ensoleillé en hiver, la serre ouvrira le toit ouvrant, le film latéral et le ventilateur pour une ventilation quotidienne de 6h00 à 17h00. Lorsque la température est basse la nuit, la serre ferme la lucarne, le film en rouleau latéral et le ventilateur entre 17h00 et 18h00 (le lendemain) et ouvre le rideau d'isolation thermique dans la serre pour conserver la chaleur nocturne.

Collecte de données

La hauteur de la plante, le nombre de feuilles et le poids frais par plante ont été obtenus après récolte des parties aériennes du Qingjingcai et de la laitue. Après avoir mesuré le poids frais, il a été placé dans une étuve et séché à 75 ℃ pendant 72 h. Après la fin, le poids sec a été déterminé. La température dans la serre et la densité du flux photonique photosynthétique (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) sont collectées et enregistrées toutes les 5 minutes par le capteur de température (RS-GZ-N01-2) et le capteur de rayonnement photosynthétiquement actif (GLZ-CG).

Analyse des données

Calculez l’efficacité d’utilisation de la lumière (LUE, Light Use Efficiency) selon la formule suivante :
LUE (g/mol) = rendement des légumes par unité de surface/quantité cumulée totale de lumière obtenue par les légumes par unité de surface, de la plantation à la récolte
Calculer la teneur en matière sèche selon la formule suivante :
Teneur en matière sèche (%) = poids sec par plante/poids frais par plante x 100 %
Utilisez Excel2016 et IBM SPSS Statistics 20 pour analyser les données de l'expérience et analyser l'importance de la différence.

Matériels et méthodes
Lumière et température

La première série d’expériences a duré 46 jours entre la plantation et la récolte, et la deuxième, 42 jours entre la plantation et la récolte. Au cours de la première série d'expériences, la température moyenne quotidienne dans la serre était généralement comprise entre 10 et 18 ℃ ; Au cours de la deuxième série d'expériences, la fluctuation de la température moyenne quotidienne dans la serre a été plus sévère que celle de la première série d'expériences, avec la température moyenne quotidienne la plus basse de 8,39 ℃ et la température moyenne quotidienne la plus élevée de 20,23 ℃. La température moyenne quotidienne a montré une tendance globale à la hausse au cours du processus de croissance (Fig. 1).

Au cours de la première série d'expériences, l'intégrale de lumière quotidienne (DLI) dans la serre a fluctué à moins de 14 mol/(㎡·D). Au cours de la deuxième série d'expériences, la quantité cumulée quotidienne de lumière naturelle dans la serre a montré une tendance globale à la hausse, supérieure à 8 mol/(㎡·D), et la valeur maximale est apparue le 27 février 2020, qui était de 26,1 mol. /(㎡·D). Le changement de la quantité cumulée quotidienne de lumière naturelle dans la serre au cours de la deuxième série d'expériences était plus important que celui de la première série d'expériences (Fig. 2). Au cours de la première série d'expériences, la quantité totale de lumière cumulée quotidienne (la somme de la lumière naturelle DLI et de la lumière supplémentaire LED DLI) du groupe de lumière supplémentaire était supérieure à 8 mol/(㎡·D) la plupart du temps. Au cours du deuxième cycle de l'expérience, la quantité quotidienne totale de lumière accumulée du groupe de lumière supplémentaire était supérieure à 10 mol/(㎡·D) la plupart du temps. La quantité totale accumulée de lumière supplémentaire au deuxième tour était de 31,75 mol/㎡ de plus que celle du premier tour.

Rendement des légumes-feuilles et efficacité de l’utilisation de l’énergie légère

●Première série de résultats de tests
La figure 3 montre que le pakchoi supplémenté en LED pousse mieux, que la forme de la plante est plus compacte et que les feuilles sont plus grandes et plus épaisses que celles du CK non supplémenté. Les feuilles du pakchoi LB et MB sont d'un vert plus clair et plus foncé que celles du CK. La figure 4 montre que la laitue avec un supplément de lumière LED pousse mieux que la CK sans supplément de lumière, que le nombre de feuilles est plus élevé et que la forme de la plante est plus pleine.

Il ressort du tableau 1 qu'il n'y a pas de différence significative dans la hauteur des plantes, le nombre de feuilles, la teneur en matière sèche et l'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse du pakchoi traité avec CK, LB et MB, mais le poids frais du pakchoi traité avec LB et MB est significativement supérieur à celui de CK ; Il n'y avait pas de différence significative en termes de poids frais par plante entre les deux lampes de culture à LED avec des rapports de lumière bleue différents dans le traitement du LB et du MB.

Il ressort du tableau 2 que la hauteur de la plante de la laitue dans le traitement LB était significativement plus élevée que celle dans le traitement CK, mais il n'y avait pas de différence significative entre le traitement LB et le traitement MB. Il y avait des différences significatives dans le nombre de feuilles entre les trois traitements, et le nombre de feuilles dans le traitement MB était le plus élevé, soit 27. Le poids frais par plante du traitement LB était le plus élevé, soit 101 g. Il y avait également une différence significative entre les deux groupes. Il n’y avait pas de différence significative dans la teneur en matière sèche entre les traitements CK et LB. La teneur en MB était 4,24 % supérieure à celle des traitements CK et LB. Il y avait des différences significatives dans l’efficacité de l’utilisation de la lumière entre les trois traitements. L’efficacité d’utilisation de la lumière la plus élevée a été observée dans le traitement LB, qui était de 13,23 g/mol, et la plus faible a été enregistrée dans le traitement CK, qui était de 10,72 g/mol.

●Deuxième série de résultats de tests

Il ressort du tableau 3 que la hauteur de la plante du Pakchoi traité avec du MB était significativement supérieure à celle du CK et qu'il n'y avait pas de différence significative entre celle-ci et le traitement au LB. Le nombre de feuilles de Pakchoi traitées avec LB et MB était significativement plus élevé que celui avec CK, mais il n'y avait pas de différence significative entre les deux groupes de traitements lumineux supplémentaires. Il y avait des différences significatives dans le poids frais par plante entre les trois traitements. Le poids frais par plante en CK était le plus faible avec 47 g, et le traitement MB était le plus élevé avec 116 g. Il n’y a pas de différence significative dans la teneur en matière sèche entre les trois traitements. Il existe des différences significatives dans l’efficacité de l’utilisation de l’énergie lumineuse. La CK est faible à 8,74 g/mol et le traitement MB est le plus élevé à 13,64 g/mol.

Il ressort du tableau 4 qu’il n’y avait pas de différence significative dans la hauteur des plants de laitue entre les trois traitements. Le nombre de feuilles dans les traitements LB et MB était significativement plus élevé que celui dans les traitements CK. Parmi eux, le nombre de feuilles MB était le plus élevé, soit 26. Il n'y avait pas de différence significative dans le nombre de feuilles entre les traitements LB et MB. Le poids frais par plante des deux groupes de traitements lumineux supplémentaires était significativement supérieur à celui du CK, et le poids frais par plante était le plus élevé dans le traitement MB, qui était de 133 g. Il existe également des différences significatives entre les traitements LB et MB. Il y avait des différences significatives dans la teneur en matière sèche entre les trois traitements, et la teneur en matière sèche du traitement LB était la plus élevée, soit 4,05 %. L’efficacité d’utilisation de l’énergie lumineuse du traitement MB est nettement supérieure à celle du traitement CK et LB, qui est de 12,67 g/mol.

Au cours de la deuxième série d'expériences, le DLI total du groupe de lumière supplémentaire était beaucoup plus élevé que le DLI pendant le même nombre de jours de colonisation au cours de la première série d'expériences (Figure 1-2), et la durée d'éclairage supplémentaire de la lumière supplémentaire groupe de traitement lors du deuxième cycle d'expérience (4h00-00-17h00). Par rapport au premier cycle d'expérimentation (6h30-17h00), la durée a augmenté de 2,5 heures. La période de récolte des deux séries de Pakchoi était de 35 jours après la plantation. Le poids frais des plantes individuelles CK dans les deux cycles était similaire. La différence de poids frais par plante dans les traitements LB et MB par rapport au CK lors de la deuxième série d'expériences était bien supérieure à la différence de poids frais par plante par rapport au CK lors de la première série d'expériences (Tableau 1, Tableau 3). Le moment de la récolte de la deuxième série de laitue expérimentale était de 42 jours après la plantation, et le moment de la récolte de la première série de laitue expérimentale était de 46 jours après la plantation. Le nombre de jours de colonisation lors de la récolte du deuxième cycle de laitue expérimentale CK était inférieur de 4 jours à celui du premier cycle, mais le poids frais par plante est 1,57 fois supérieur à celui du premier cycle d'expériences (Tableau 2 et Tableau 4). et l'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse est similaire. On peut constater qu'à mesure que la température se réchauffe et que la lumière naturelle dans la serre augmente progressivement, le cycle de production de laitue se raccourcit.

Matériels et méthodes
Les deux séries de tests ont couvert essentiellement tout l'hiver à Shanghai, et le groupe témoin (CK) a pu restaurer relativement l'état de production réel de tiges vertes hydroponiques et de laitue dans la serre à basse température et faible ensoleillement en hiver. Le groupe expérimental de supplément léger a eu un effet promotionnel significatif sur l'indice de données le plus intuitif (poids frais par plante) au cours des deux séries d'expériences. Parmi eux, l’effet d’augmentation du rendement du Pakchoi se reflétait à la fois dans la taille, la couleur et l’épaisseur des feuilles. Mais la laitue a tendance à augmenter le nombre de feuilles et la forme de la plante semble plus pleine. Les résultats des tests montrent qu'une supplémentation légère peut améliorer le poids frais et la qualité des produits dans la plantation des deux catégories de légumes, augmentant ainsi la commercialisation des produits végétaux. Pakchoi complété par Les modules d'éclairage supérieur à LED rouge-blanc, bleu bas et rouge-blanc, bleu moyen sont d'un vert plus foncé et d'apparence brillante que les feuilles sans lumière supplémentaire, les feuilles sont plus grandes et plus épaisses, et la tendance de croissance de le type de plante entière est plus compact et vigoureux. Cependant, la « laitue mosaïque » appartient aux légumes à feuilles vert clair et il n'y a pas de processus de changement de couleur évident au cours du processus de croissance. Le changement de couleur des feuilles n’est pas évident à l’œil humain. La proportion appropriée de lumière bleue peut favoriser le développement des feuilles et la synthèse des pigments photosynthétiques, et inhiber l'allongement des entre-nœuds. Par conséquent, les légumes du groupe des suppléments légers sont plus appréciés par les consommateurs en termes de qualité d'apparence.

Au cours du deuxième cycle de test, la quantité de lumière cumulée quotidienne totale du groupe de lumière supplémentaire était beaucoup plus élevée que le DLI pendant le même nombre de jours de colonisation au cours du premier cycle de l'expérience (Figure 1-2), et la lumière supplémentaire L'heure du deuxième tour du groupe de traitement par la lumière supplémentaire (4h00-17h00), par rapport au premier tour d'expérience (6h30-17h00), a augmenté de 2,5 heures. La période de récolte des deux séries de Pakchoi était de 35 jours après la plantation. Le poids frais de CK dans les deux tours était similaire. La différence de poids frais par plante entre les traitements LB et MB et CK lors de la deuxième série d'expériences était beaucoup plus grande que la différence de poids frais par plante avec CK lors de la première série d'expériences (Tableau 1 et Tableau 3). Par conséquent, prolonger la durée du supplément de lumière peut favoriser l’augmentation de la production de Pakchoi hydroponique cultivé en intérieur en hiver. Le moment de la récolte de la deuxième série de laitue expérimentale était de 42 jours après la plantation, et le moment de la récolte de la première série de laitue expérimentale était de 46 jours après la plantation. Lors de la récolte du deuxième cycle de laitue expérimentale, le nombre de jours de colonisation du groupe CK était inférieur de 4 jours à celui du premier cycle. Cependant, le poids frais d'une seule plante était 1,57 fois supérieur à celui de la première série d'expériences (Tableau 2 et Tableau 4). L’efficacité d’utilisation de l’énergie lumineuse était similaire. On peut constater qu’à mesure que la température augmente lentement et que la lumière naturelle dans la serre augmente progressivement (Figure 1-2), le cycle de production de laitue peut être raccourci en conséquence. Par conséquent, l'ajout d'équipements d'éclairage supplémentaires à la serre en hiver avec des températures basses et un faible ensoleillement peut améliorer efficacement l'efficacité de la production de laitue, puis augmenter la production. Dans la première série d'expériences, la consommation d'énergie lumineuse complétée par l'usine de menu à feuilles était de 0,95 kWh, et dans la deuxième série d'expériences, la consommation d'énergie lumineuse complétée par l'usine de menu à feuilles était de 1,15 kWh. Comparée entre les deux séries d'expériences, la consommation de lumière des trois traitements de Pakchoi, l'efficacité d'utilisation de l'énergie dans la deuxième expérience était inférieure à celle de la première expérience. L'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse des groupes de traitement lumineux supplémentaire de laitue CK et LB dans la deuxième expérience était légèrement inférieure à celle de la première expérience. On en déduit que la raison possible est que la faible température moyenne quotidienne dans la semaine suivant la plantation allonge la période de semis lente, et bien que la température ait légèrement rebondi au cours de l'expérience, la plage était limitée et la température moyenne quotidienne globale était toujours à un faible niveau, ce qui limitait l'efficacité de l'utilisation de l'énergie lumineuse pendant le cycle de croissance global pour la culture hydroponique des légumes à feuilles. (Figure 1).

Au cours de l'expérience, la piscine de solution nutritive n'était pas équipée d'un équipement de réchauffement, de sorte que l'environnement racinaire des légumes à feuilles hydroponiques était toujours à un niveau de température bas et que la température moyenne quotidienne était limitée, ce qui empêchait les légumes de les utiliser pleinement. de la lumière cumulée quotidienne augmentée en prolongeant la lumière supplémentaire LED. Par conséquent, lors de l’ajout de lumière dans la serre en hiver, il est nécessaire d’envisager des mesures appropriées de conservation de la chaleur et de chauffage pour garantir l’effet de l’ajout de lumière pour augmenter la production. Par conséquent, il est nécessaire d’envisager des mesures appropriées de conservation de la chaleur et d’augmentation de la température pour garantir l’effet de l’apport de lumière et l’augmentation du rendement dans la serre d’hiver. L'utilisation d'un éclairage supplémentaire à LED augmentera le coût de production dans une certaine mesure, et la production agricole elle-même n'est pas une industrie à haut rendement. Par conséquent, concernant la façon d'optimiser la stratégie d'éclairage supplémentaire et de coopérer avec d'autres mesures dans la production réelle de légumes à feuilles hydroponiques dans une serre d'hiver, et comment utiliser l'équipement d'éclairage supplémentaire pour obtenir une production efficace et améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'énergie lumineuse et les avantages économiques. , il lui faut encore des expériences de production supplémentaires.

Auteurs : Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Source de l'article : Technologie du génie agricole (horticulture en serre).

Références :
[1] Jianfeng Dai, pratique d'application des LED horticoles Philips dans la production en serre [J]. Technologie du génie agricole, 2017, 37 (13) : 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin et al. Statut de l'application et perspectives de la technologie des suppléments légers pour les fruits et légumes protégés [J]. Horticulture nordique, 2018 (17) : 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao et al. État de la recherche et de l'application et stratégie de développement de l'éclairage des plantes [J]. Journal d'ingénierie de l'éclairage, 013, 24 (4) : 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi et al. Application de la source lumineuse et du contrôle de la qualité de la lumière dans la production de légumes en serre [J]. Légume chinois, 2012 (2) : 1-7