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 rencontre souvent des températures basses et un faible ensoleillement, et la croissance des légumes-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 éclairages supplémentaires pour plantes à LED ont commencé à être utilisés 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 insuffisant.Dans l'expérience, deux types de lampes supplémentaires à LED avec une qualité de lumière différente ont été installées 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 lampes à LED peuvent augmenter de manière significative 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'élargissement 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 lampes à 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 du système de soutien mature, de nombreuses productions de fleurs, de fruits et de légumes à grande échelle ont des stratégies de compléments légers relativement complètes.L'accumulation d'une grande quantité de données sur la production réelle permet également aux producteurs de prévoir clairement l'effet de l'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 à petite échelle et l'optimisation spectrale, et manquent de stratégies de lumière supplémentaires pouvant être utilisées dans la production réelle[3].De nombreux producteurs nationaux utiliseront directement les solutions d'éclairage supplémentaires étrangères existantes lors de l'application de 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 les conditions des installations et des équipements.De plus, 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 et le rendement économique et l'effet attendu.Une telle situation actuelle n'est pas propice au développement et à la promotion de la technologie d'appoint léger et à l'augmentation de la production dans le pays.Par conséquent, il est urgent d'installer raisonnablement des produits d'éclairage supplémentaires 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-feuilles frais sont très demandés.Les serres peuvent fournir un environnement plus propice à la croissance des légumes à feuilles en hiver que les champs agricoles extérieurs.Cependant, un article a souligné que certaines serres vieillissantes ou mal propres ont une transmission de la lumière inférieure à 50 % en hiver. De plus, un temps pluvieux à long terme est également susceptible de se produire en hiver, ce qui rend la serre dans un température et environnement peu 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 faible débit de liquide est associé aux deux modules d'éclairage supérieur à LED de Signify (Chine) Investment Co., Ltd. avec différents ratios de lumière bleue.La plantation de laitue et de pakchoi, qui sont deux légumes-feuilles plus demandés sur le marché, vise à étudier l'augmentation réelle de la production de légumes-feuilles hydroponiques par éclairage LED dans la serre d'hiver.

Matériels et méthodes
Matériaux utilisés pour le test

Les matériaux de test utilisés dans l'expérience étaient la laitue et les légumes packchoi.La variété de laitue, Green Leaf Lettuce, provient de Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., et la variété pakchoi, Brilliant Green, provient 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 du cube vert de Shanghai Agricultural Development Co., Ltd. de novembre 2019 à février 2020. Au total, deux séries d'expériences répétées ont été menées.Le premier tour de l'expérience a eu lieu à la fin de 2019 et le deuxième au début de 2020. Après le semis, les matériaux expérimentaux ont été placés dans la salle de climat à lumière artificielle pour la culture des semis, et l'irrigation par marée a été utilisée.Pendant la période de culture des semis, la solution nutritive générale de légumes hydroponiques avec une CE de 1,5 et un pH de 5,5 a été utilisée pour l'irrigation.Une fois que les semis ont atteint 3 feuilles et 1 stade cardiaque, ils ont été plantés sur le lit de plantation de légumes à feuilles à faible écoulement 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 min avec alimentation en eau et de 20 min avec 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 dans une serre en verre sans supplément de lumière.LB: drw-lb Ho (200W) a été utilisé pour compléter la lumière après la plantation dans une serre en verre.La densité de 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 (200 W) a été utilisé pour compléter la lumière, et le PPFD était d'environ 140 μmol/(㎡·S).

La première série de dates 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 de test est de 6h30 à 17h00;le deuxième tour de la date 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 fermera la lucarne, le film en rouleau latéral et le ventilateur entre 17h00 et 6h00 (le lendemain) et ouvrira le rideau d'isolation thermique dans la serre pour préserver 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 la récolte des parties aériennes du Qingjingcai et de la laitue.Après avoir mesuré le poids frais, il a été placé dans un four et séché à 75℃ pendant 72 h.Après la fin, le poids sec a été déterminé.La température dans la serre et la densité de flux de photons photosynthétiques (PPFD, Photosynthetic Photon Flux Density) sont collectées et enregistrées toutes les 5 min par le capteur de température (RS-GZ-N01-2) et le capteur de rayonnement photosynthétiquement actif (GLZ-CG).

L'analyse des données

Calculez l'efficacité d'utilisation de la lumière (LUE, Light Use Efficiency) selon la formule suivante :
LUE (g/mol) = rendement végétal par unité de surface/la quantité totale cumulée 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 la signification de la différence.

Matériels et méthodes
Lumière et température

Le premier tour d'expérience a pris 46 jours de la plantation à la récolte, et le second tour a pris 42 jours de la plantation à la récolte.Au cours de la première série d'expériences, la température moyenne quotidienne dans la serre était principalement comprise entre 10 et 18 ℃ ;lors du deuxième tour d'expérience, la fluctuation de la température moyenne quotidienne dans la serre était plus sévère que celle du premier tour d'expérience, 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 générale 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 du deuxième cycle 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 du deuxième cycle d'expérience était plus important que celui du premier cycle d'expérience (Fig. 2).Au cours de la première série d'expériences, la quantité de lumière cumulée quotidienne totale (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 tour de l'expérience, la quantité totale de lumière accumulée quotidiennement 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 supérieure de 31,75 mol/㎡ à celle du premier tour.

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

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

On peut voir dans le 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 des pakchoi traités avec CK, LB et MB, mais le poids frais des pakchoi traités avec LB et MB est significativement supérieur à celui de la CK ;Il n'y avait pas de différence significative de poids frais par plante entre les deux lampes de culture à LED avec des ratios de lumière bleue différents dans le traitement de LB et MB.

On peut voir dans le 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 aussi 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 de 4,24 % supérieure à celle des traitements CK et LB.Il y avait des différences significatives dans l'efficacité d'utilisation de la lumière entre les trois traitements.L'efficacité d'utilisation de la lumière la plus élevée était dans le traitement LB, qui était de 13,23 g/mol, et la plus faible était dans le traitement CK, qui était de 10,72 g/mol.

●Deuxième série de résultats de test

On peut voir dans le tableau 3 que la hauteur des plantes de Pakchoi traité avec MB était significativement plus élevée que celle de CK, et qu'il n'y avait pas de différence significative entre celui-ci et le traitement 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 dans CK était le plus bas à 47 g, et le traitement MB était le plus élevé à 116 g.Il n'y avait 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.

On peut voir d'après le 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 des traitements CK.Parmi eux, le nombre de feuilles MB était le plus élevé à 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 légers supplémentaires était significativement plus élevé que celui de CK, et le poids frais par plante était le plus élevé dans le traitement MB, qui était de 133 g.Il y avait 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 du deuxième tour d'expérience, le DLI total du groupe de lumière supplémentaire était beaucoup plus élevé que le DLI pendant le même nombre de jours de colonisation lors du premier tour d'expérience (Figure 1-2), et le temps de lumière supplémentaire du groupe de lumière supplémentaire groupe de traitement au deuxième tour de l'expérience (4:00-00- 17:00).Par rapport au premier tour d'expérience (6h30-17h00), il a augmenté de 2,5 heures.Le temps de récolte des deux séries de Pakchoi était de 35 jours après la plantation.Le poids frais de la plante individuelle CK dans les deux cycles était similaire.La différence de poids frais par plante dans les traitements LB et MB par rapport à CK lors de la deuxième série d'expériences était bien supérieure à la différence de poids frais par plante par rapport à CK lors de la première série d'expériences (tableau 1, tableau 3).Le temps de récolte du deuxième cycle de laitue expérimentale était de 42 jours après la plantation, et le temps de récolte du premier cycle 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 de 4 jours inférieur à celui du premier cycle, mais le poids frais par plant est de 1,57 fois celui du premier cycle d'expérimentations (tableau 2 et tableau 4), et l'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse est similaire.On peut voir qu'à mesure que la température se réchauffe progressivement et que la lumière naturelle dans la serre augmente progressivement, le cycle de production de la laitue est raccourci.

Matériels et méthodes
Les deux séries de tests ont essentiellement couvert tout l'hiver à Shanghai, et le groupe témoin (CK) a été en mesure de restaurer relativement l'état de production réel de la tige verte hydroponique et de la laitue dans la serre à basse température et à faible ensoleillement en hiver.Le groupe d'expérience de supplément léger a eu un effet de promotion significatif sur l'indice de données le plus intuitif (poids frais par plante) dans les deux séries d'expériences.Parmi eux, l'effet d'augmentation du rendement de Pakchoi s'est reflété dans la taille, la couleur et l'épaisseur des feuilles en même temps.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 du produit dans la plantation des deux catégories de légumes, augmentant ainsi la commercialité des produits végétaux.Pakchoi complété par Les modules d'éclairage supérieur à LED rouge-blanc, bas-bleu et rouge-blanc, bleu moyen sont d'un vert plus foncé et brillant 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 dans le processus de croissance.Le changement de couleur des feuilles n'est pas évident pour les yeux humains.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 tour de l'essai, 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 tour de l'expérience (Figure 1-2), et la lumière supplémentaire l'heure du deuxième tour du groupe de traitement à la lumière supplémentaire (4h00-17h00), par rapport au premier tour d'expérience (6h30-17h00), il a augmenté de 2,5 heures.Le temps de récolte des deux séries de Pakchoi était de 35 jours après la plantation.Le poids frais de CK dans les deux cycles était similaire.La différence de poids frais par plante entre le traitement LB et MB et CK dans le deuxième cycle d'expériences était beaucoup plus grande que la différence de poids frais par plante avec CK dans le premier cycle d'expériences (tableau 1 et tableau 3).Par conséquent, prolonger le temps de supplément de lumière peut favoriser l'augmentation de la production de Pakchoi hydroponique cultivé en intérieur en hiver.Le temps de récolte du deuxième cycle de laitue expérimentale était de 42 jours après la plantation, et le temps de récolte du premier cycle de laitue expérimentale était de 46 jours après la plantation.Lors de la récolte du deuxième tour de laitue expérimentale, le nombre de jours de colonisation du groupe CK était inférieur de 4 jours à celui du premier tour.Cependant, le poids frais d'une seule plante était de 1,57 fois celui de la première série d'expériences (tableau 2 et tableau 4).L'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse était similaire.On peut voir 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 la laitue peut être raccourci en conséquence.Par conséquent, l'ajout d'un équipement d'éclairage supplémentaire à la serre en hiver à basse température et à faible ensoleillement peut améliorer efficacement l'efficacité de la production de laitue, puis augmenter la production.Dans le premier cycle d'expériences, la consommation d'énergie lumineuse complétée par l'usine de menu de feuilles était de 0,95 kw-h, et dans le deuxième cycle d'expériences, la consommation d'énergie lumineuse complétée par l'usine de menu de feuilles était de 1,15 kw-h.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 à la lumière supplémentaire CK et LB de la laitue 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 lent, et bien que la température ait un peu rebondi pendant l'expérience, la plage était limitée et la température moyenne quotidienne globale était encore à un faible niveau, ce qui a limité 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, le bassin de solution nutritive n'était pas équipé d'un équipement de réchauffement, de sorte que l'environnement racinaire des légumes feuillus hydroponiques était toujours à un niveau de température bas et que la température moyenne quotidienne était limitée, ce qui empêchait les légumes de tirer pleinement parti. de la lumière cumulée quotidienne augmentée en prolongeant la lumière supplémentaire à LED.Par conséquent, lors de l'apport 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'apport 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 assurer l'effet du supplément de lumière et l'augmentation du rendement dans la serre d'hiver.L'utilisation de la lumière 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 manière d'optimiser la stratégie d'éclairage supplémentaire et de coopérer avec d'autres mesures dans la production réelle de légumes à feuilles hydroponiques en 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 a encore besoin d'autres expériences de production.

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).

Les références:
[1] Jianfeng Dai, pratique d'application LED horticole 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 la demande 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 d'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 sous serre [J].Légume chinois, 2012 (2): 1-7