Kış Mevsiminde Sera Ortamında Hidroponik Marul ve Pakchoi Yetiştiriciliğinde LED Ek Aydınlatmanın Verim Artışına Etkisi Üzerine Araştırma
[Özet] Şanghay'da kış aylarında genellikle düşük sıcaklık ve düşük güneş ışığı görülür ve sera ortamında hidroponik yapraklı sebzelerin büyümesi yavaş ve üretim döngüsü uzundur, bu da piyasa arz talebini karşılayamaz. Son yıllarda, sera yetiştiriciliğinde ve üretiminde LED bitki destek ışıkları kullanılmaya başlanmıştır ve bu ışıklar, doğal ışığın yetersiz olduğu durumlarda serada günlük olarak biriken ışığın bitki büyüme ihtiyaçlarını karşılayamaması dezavantajını bir ölçüde telafi etmektedir. Deneyde, kış aylarında hidroponik marul ve yeşil saplı sebzelerin üretimini artırmak amacıyla seraya farklı ışık kalitesine sahip iki çeşit LED destek ışığı monte edilmiştir. Sonuçlar, iki çeşit LED ışığının da pakchoi ve marulun bitki başına taze ağırlığını önemli ölçüde artırabileceğini göstermiştir. Pakchoi'nin verim artırıcı etkisi esas olarak yaprak büyümesi ve kalınlaşması gibi genel duyusal kalitenin iyileştirilmesinde, marulun verim artırıcı etkisi ise esas olarak yaprak sayısının ve kuru madde içeriğinin artmasında kendini göstermiştir.

Işık, bitki büyümesinin vazgeçilmez bir parçasıdır. Son yıllarda, yüksek fotoelektrik dönüşüm oranı, özelleştirilebilir spektrumu ve uzun hizmet ömrü nedeniyle LED ışıklar, sera ortamında yetiştirme ve üretimde yaygın olarak kullanılmaktadır [1]. Yabancı ülkelerde, ilgili araştırmaların erken başlaması ve olgun destek sistemi sayesinde, birçok büyük ölçekli çiçek, meyve ve sebze üretiminde nispeten eksiksiz ışık takviyesi stratejileri mevcuttur. Büyük miktarda gerçek üretim verisinin birikmesi, üreticilerin üretim artışının etkisini net bir şekilde tahmin etmelerini de sağlamaktadır. Aynı zamanda, LED takviye ışık sisteminin kullanımından sonraki getiri de değerlendirilmektedir [2]. Bununla birlikte, takviye ışığı üzerine yapılan mevcut yerli araştırmaların çoğu, küçük ölçekli ışık kalitesi ve spektral optimizasyona yöneliktir ve gerçek üretimde kullanılabilecek takviye ışık stratejilerinden yoksundur [3]. Birçok yerli üretici, üretim alanının iklim koşullarından, üretilen sebze türlerinden ve tesis ve ekipman koşullarından bağımsız olarak, takviye ışık teknolojisini üretime uygularken mevcut yabancı takviye ışık çözümlerini doğrudan kullanmaktadır. Ayrıca, ek aydınlatma ekipmanlarının yüksek maliyeti ve yüksek enerji tüketimi, gerçek ürün verimi ve ekonomik getiri ile beklenen etki arasında büyük bir uçuruma yol açmaktadır. Bu mevcut durum, ülkede ek aydınlatma teknolojisinin geliştirilmesi ve yaygınlaştırılmasına ve üretimin artırılmasına elverişli değildir. Bu nedenle, olgunlaşmış LED ek aydınlatma ürünlerinin yerli üretim ortamlarına makul bir şekilde entegre edilmesi, kullanım stratejilerinin optimize edilmesi ve ilgili verilerin toplanması acil bir ihtiyaçtır.

Kış, taze yapraklı sebzelere olan talebin yüksek olduğu mevsimdir. Seralar, kışın yapraklı sebzelerin büyümesi için açık tarım alanlarına göre daha uygun bir ortam sağlayabilir. Bununla birlikte, bir makalede, bazı eski veya yetersiz temizlenmiş seraların kışın ışık geçirgenliğinin %50'nin altında olduğu belirtilmiştir. Ayrıca, kışın uzun süreli yağışlı havaların da meydana gelmesi, serayı düşük sıcaklık ve düşük ışıklı bir ortamda bırakarak bitkilerin normal büyümesini etkiler. Işık, kışın sebze büyümesi için sınırlayıcı bir faktör haline gelmiştir [4]. Deneyde, fiili üretime alınmış olan Green Cube kullanılmıştır. Sığ sıvı akışlı yapraklı sebze ekim sistemi, Signify (Çin) Yatırım Şirketi'nin farklı mavi ışık oranlarına sahip iki LED üst ışık modülü ile eşleştirilmiştir. Piyasa talebi yüksek olan iki yapraklı sebze olan marul ve pakchoi ekimi, kış serasında LED aydınlatma ile hidroponik yapraklı sebze üretimindeki gerçek artışı incelemeyi amaçlamaktadır.

Malzemeler ve Yöntemler
Test için kullanılan malzemeler

Deneyde kullanılan test materyalleri marul ve pakchoi sebzeleriydi. Yeşil yapraklı marul çeşidi Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd.'den, parlak yeşil pakchoi çeşidi ise Şanghay Tarım Bilimleri Akademisi Bahçe Bitkileri Enstitüsü'nden temin edilmiştir.

Deneysel yöntem

Deney, Kasım 2019 ile Şubat 2020 tarihleri ​​arasında Şanghay Yeşil Küp Tarım Geliştirme Şirketi'nin Sunqiao üssündeki Wenluo tipi cam serada gerçekleştirilmiştir. Toplam iki tur tekrarlı deney yapılmıştır. Deneyin ilk turu 2019 yılının sonunda, ikinci turu ise 2020 yılının başında gerçekleştirilmiştir. Ekimden sonra, deney malzemeleri fide yetiştirme için yapay ışık iklim odasına yerleştirilmiş ve gelgitli sulama kullanılmıştır. Fide yetiştirme döneminde, EC değeri 1,5 ve pH değeri 5,5 olan hidroponik sebzeler için genel besin çözeltisi sulama için kullanılmıştır. Fideler 3 yaprak ve 1 gövde aşamasına ulaştıktan sonra, Yeşil Küp raylı tip sığ akışlı yapraklı sebze ekim yatağına dikilmiştir. Dikimden sonra, sığ akışlı besin çözeltisi sirkülasyon sistemi, günlük sulama için EC 2 ve pH 6 besin çözeltisi kullanmıştır. Sulama sıklığı, 10 dakika su verilmesi ve 20 dakika su verilmesinin durdurulması şeklinde olmuştur. Deneyde kontrol grubu (ışık takviyesi yok) ve tedavi grubu (LED ışık takviyesi) oluşturuldu. CK grubu, ışık takviyesi yapılmadan cam serada yetiştirildi. LB grubu: Cam serada dikimden sonra ışık takviyesi için drw-lb Ho (200W) kullanıldı. Hidroponik sebze örtüsünün yüzeyindeki ışık akı yoğunluğu (PPFD) yaklaşık 140 μmol/(㎡·S) idi. MB grubu: Cam serada dikimden sonra ışık takviyesi için drw-lb (200W) kullanıldı ve PPFD yaklaşık 140 μmol/(㎡·S) idi.

Birinci deneme ekim tarihi 8 Kasım 2019, ekim tarihi ise 25 Kasım 2019'dur. Deney grubunun ışık takviyesi saatleri 06:30-17:00'dir. İkinci deneme ekim tarihi 30 Aralık 2019, ekim tarihi ise 17 Ocak 2020'dir ve deney grubunun ışık takviyesi saatleri 04:00-17:00'dir.
Kışın güneşli havalarda, sera 06:00-17:00 saatleri arasında günlük havalandırma için tavan penceresini, yan perdeleri ve fanı açacaktır. Gece sıcaklık düşük olduğunda ise, sera 17:00-06:00 (ertesi gün) saatleri arasında tavan penceresini, yan perdeleri ve fanı kapatacak ve gece ısı yalıtımı için seranın içindeki ısı yalıtım perdesini açacaktır.

Veri Toplama

Qingjingcai ve marulun toprak üstü kısımları hasat edildikten sonra bitki boyu, yaprak sayısı ve bitki başına taze ağırlık elde edildi. Taze ağırlık ölçüldükten sonra, fırına yerleştirilerek 75℃'de 72 saat kurutuldu. Sonunda kuru ağırlık belirlendi. Sera içindeki sıcaklık ve Fotosentetik Foton Akı Yoğunluğu (PPFD, Fotosentetik Foton Akı Yoğunluğu) sıcaklık sensörü (RS-GZ-N01-2) ve fotosentetik olarak aktif radyasyon sensörü (GLZ-CG) tarafından her 5 dakikada bir toplanıp kaydedildi.

Veri Analizi

Aşağıdaki formüle göre ışık kullanım verimliliğini (LUE, Işık Kullanım Verimliliği) hesaplayın:
LUE (g/mol) = birim alan başına sebze verimi / ekimden hasada kadar birim alan başına sebzelerin aldığı toplam kümülatif ışık miktarı
Aşağıdaki formüle göre kuru madde içeriğini hesaplayın:
Kuru madde içeriği (%) = bitki başına kuru ağırlık / bitki başına taze ağırlık x 100%
Deneydeki verileri analiz etmek ve farkın önemini belirlemek için Excel 2016 ve IBM SPSS Statistics 20'yi kullanın.

Malzemeler ve Yöntemler
Işık ve Sıcaklık

Birinci deney turu ekimden hasada kadar 46 gün, ikinci deney turu ise 42 gün sürdü. Birinci deney turunda seradaki günlük ortalama sıcaklık çoğunlukla 10-18 ℃ aralığındaydı; ikinci deney turunda ise seradaki günlük ortalama sıcaklığın dalgalanması birinci deney turuna göre daha şiddetliydi ve en düşük günlük ortalama sıcaklık 8,39 ℃, en yüksek günlük ortalama sıcaklık ise 20,23 ℃ olarak kaydedildi. Günlük ortalama sıcaklık, büyüme süreci boyunca genel olarak yukarı yönlü bir eğilim gösterdi (Şekil 1).

Deneyin ilk turunda, seradaki günlük ışık entegrali (DLI) 14 mol/(㎡·D)'den daha az dalgalandı. Deneyin ikinci turunda, seradaki günlük kümülatif doğal ışık miktarı genel olarak yukarı yönlü bir eğilim gösterdi ve 8 mol/(㎡·D)'den yüksek değerlere ulaştı; maksimum değer ise 27 Şubat 2020'de 26,1 mol/(㎡·D) olarak kaydedildi. Deneyin ikinci turunda seradaki günlük kümülatif doğal ışık miktarındaki değişim, deneyin ilk turundaki değişimden daha büyüktü (Şekil 2). Deneyin ilk turunda, ek ışık grubunun toplam günlük kümülatif ışık miktarı (doğal ışık DLI ve LED ek ışık DLI'nin toplamı) çoğu zaman 8 mol/(㎡·D)'den yüksekti. Deneyin ikinci turunda ise ek ışık grubunun toplam günlük kümülatif ışık miktarı çoğu zaman 10 mol/(㎡·D)'den yüksekti. İkinci turda biriken toplam ek ışık miktarı, birinci turdakinden 31,75 mol/㎡ daha fazlaydı.

Yapraklı Sebze Verimi ve Işık Enerjisi Kullanım Verimliliği

●İlk test sonuçları
Şekil 3'ten görülebileceği gibi, LED destekli pakchoi daha iyi büyüyor, bitki şekli daha kompakt ve yaprakları desteklenmemiş kontrol grubuna göre daha büyük ve kalın. LB ve MB pakchoi yaprakları kontrol grubuna göre daha parlak ve daha koyu yeşil renkte. Şekil 4'ten görülebileceği gibi, LED destekli ışık verilen marul, desteksiz kontrol grubuna göre daha iyi büyüyor, yaprak sayısı daha fazla ve bitki şekli daha dolgun.

Tablo 1'den görülebileceği üzere, CK, LB ve MB ile işlem görmüş pakchoi bitkilerinin boy uzunluğu, yaprak sayısı, kuru madde içeriği ve ışık enerjisi kullanım verimliliğinde anlamlı bir fark bulunmamaktadır; ancak LB ve MB ile işlem görmüş pakchoi bitkilerinin taze ağırlığı CK'ye göre anlamlı derecede daha yüksektir. LB ve MB uygulamalarında, farklı mavi ışık oranlarına sahip iki LED yetiştirme lambası arasında bitki başına taze ağırlıkta anlamlı bir fark bulunmamıştır.

Tablo 2'den görülebileceği gibi, LB uygulamasındaki marul bitkisinin boyu CK uygulamasına göre önemli ölçüde daha yüksekti, ancak LB uygulaması ile MB uygulaması arasında anlamlı bir fark yoktu. Üç uygulama arasında yaprak sayısında anlamlı farklılıklar vardı ve MB uygulamasındaki yaprak sayısı en yüksekti (27). Bitki başına taze ağırlık en yüksekti (101 g). İki grup arasında da anlamlı bir fark vardı. Kuru madde içeriğinde CK ve LB uygulamaları arasında anlamlı bir fark yoktu. MB'nin içeriği CK ve LB uygulamalarına göre %4,24 daha yüksekti. Üç uygulama arasında ışık kullanım verimliliğinde anlamlı farklılıklar vardı. En yüksek ışık kullanım verimliliği LB uygulamasında (13,23 g/mol), en düşük ise CK uygulamasında (10,72 g/mol) idi.

●İkinci tur test sonuçları

Tablo 3'ten görülebileceği gibi, MB ile işlem görmüş Pakchoi bitkisinin boyu, CK'ya göre önemli ölçüde daha yüksekti ve LB işlemiyle arasında anlamlı bir fark yoktu. LB ve MB ile işlem görmüş Pakchoi'nin yaprak sayısı, CK'ya göre önemli ölçüde daha yüksekti, ancak iki ek ışık işlemi grubu arasında anlamlı bir fark yoktu. Üç işlem arasında bitki başına taze ağırlıkta önemli farklılıklar vardı. CK'da bitki başına taze ağırlık 47 g ile en düşük, MB işleminde ise 116 g ile en yüksekti. Üç işlem arasında kuru madde içeriğinde anlamlı bir fark yoktu. Işık enerjisi kullanım verimliliğinde önemli farklılıklar vardı. CK 8,74 g/mol ile en düşük, MB işlemi ise 13,64 g/mol ile en yüksekti.

Tablo 4'ten görülebileceği gibi, üç uygulama arasında marul bitkisinin boyunda anlamlı bir fark yoktu. LB ve MB uygulamalarındaki yaprak sayısı, CK'ya göre anlamlı derecede daha yüksekti. Bunlar arasında, MB uygulamasındaki yaprak sayısı 26 ile en yüksekti. LB ve MB uygulamaları arasında yaprak sayısında anlamlı bir fark yoktu. İki ek ışıklandırma grubunun bitki başına taze ağırlığı, CK'ya göre anlamlı derecede daha yüksekti ve bitki başına taze ağırlık en yüksek MB uygulamasında olup 133 g idi. LB ve MB uygulamaları arasında da anlamlı farklılıklar vardı. Üç uygulama arasında kuru madde içeriğinde anlamlı farklılıklar vardı ve LB uygulamasının kuru madde içeriği %4,05 ile en yüksekti. MB uygulamasının ışık enerjisi kullanım verimliliği, CK ve LB uygulamalarına göre anlamlı derecede daha yüksek olup 12,67 g/mol'dür.

İkinci deney turunda, ek ışık grubunun toplam DLI değeri, birinci deney turundaki aynı kolonizasyon gün sayısına göre çok daha yüksekti (Şekil 1-2) ve ikinci deney turunda ek ışık uygulama grubunun ek ışık süresi (4:00-00-17:00), birinci deney turuna (6:30-17:00) kıyasla 2,5 saat artmıştı. İki turdaki pakço hasat zamanı, ekimden 35 gün sonraydı. İki turdaki kontrol grubu (CK) bitkilerinin taze ağırlığı benzerdi. İkinci deney turunda LB ve MB uygulamalarındaki bitki başına taze ağırlık farkı, birinci deney turundaki bitki başına taze ağırlık farkından çok daha büyüktü (Tablo 1, Tablo 3). İkinci deney turundaki marul hasat zamanı, ekimden 42 gün sonraydı ve birinci deney turundaki marul hasat zamanı, ekimden 46 gün sonraydı. Deneysel marul kontrol grubunun ikinci tur hasadında kolonizasyon gün sayısı birinci tura göre 4 gün daha az olmasına rağmen, bitki başına taze ağırlık birinci tur deneylere göre 1,57 kat daha fazladır (Tablo 2 ve Tablo 4) ve ışık enerjisi kullanım verimliliği benzerdir. Görüldüğü gibi, serada sıcaklık kademeli olarak arttıkça ve doğal ışık kademeli olarak arttıkça, marulun üretim döngüsü kısalmaktadır.

Malzemeler ve Yöntemler
İki aşamalı testler temelde Şanghay'daki tüm kış mevsimini kapsadı ve kontrol grubu (CK), kışın düşük sıcaklık ve düşük güneş ışığı altında serada hidroponik yeşil sap ve marulun gerçek üretim durumunu nispeten geri kazandırabildi. Işık takviyesi deney grubu, iki aşamalı deneylerde en sezgisel veri indeksi (bitki başına taze ağırlık) üzerinde önemli bir iyileştirme etkisi gösterdi. Bunlar arasında, pakçoi'nin verim artışı etkisi, yaprakların büyüklüğü, rengi ve kalınlığında aynı anda kendini gösterdi. Ancak marulda yaprak sayısı artma eğiliminde olup, bitki şekli daha dolgun görünmektedir. Test sonuçları, ışık takviyesinin iki sebze kategorisinin ekiminde taze ağırlığı ve ürün kalitesini iyileştirebileceğini ve böylece sebze ürünlerinin ticari değerini artırabileceğini göstermektedir. Kırmızı-beyaz, düşük mavi ve kırmızı-beyaz, orta mavi LED üst ışık modülleriyle desteklenen pakço, ışık takviyesi yapılmayan yapraklara göre daha koyu yeşil ve parlak görünüme sahip olup, yapraklar daha büyük ve daha kalındır ve tüm bitki tipinin büyüme eğilimi daha kompakt ve güçlüdür. Ancak, "mozaik marul" açık yeşil yapraklı sebzeler grubuna aittir ve büyüme sürecinde belirgin bir renk değişimi gözlenmez. Yaprak rengindeki değişim insan gözüyle fark edilmez. Uygun oranda mavi ışık, yaprak gelişimini ve fotosentetik pigment sentezini teşvik edebilir ve boğum arası uzamasını engelleyebilir. Bu nedenle, ışık takviyesi grubundaki sebzeler, görünüm kalitesi açısından tüketiciler tarafından daha çok tercih edilmektedir.

Testin ikinci turunda, ek ışık grubunun toplam günlük kümülatif ışık miktarı, deneyin ilk turundaki aynı sayıda kolonizasyon günü boyunca DLI'den çok daha yüksekti (Şekil 1-2) ve ek ışık uygulama grubunun ikinci turundaki ek ışık süresi (4:00-17:00), deneyin ilk turuna (6:30-17:00) kıyasla 2,5 saat artmıştı. İki turdaki Pakchoi hasat zamanı, ekimden 35 gün sonraydı. İki turdaki CK'nın taze ağırlığı benzerdi. İkinci tur deneylerde LB ve MB uygulaması ile CK arasındaki bitki başına taze ağırlık farkı, ilk tur deneylerdeki CK ile olan bitki başına taze ağırlık farkından çok daha büyüktü (Tablo 1 ve Tablo 3). Bu nedenle, ışık takviye süresinin uzatılması, kışın iç mekanda yetiştirilen hidroponik Pakchoi üretiminde artışı teşvik edebilir. İkinci tur deneysel marulun hasat zamanı ekimden 42 gün sonra, birinci tur deneysel marulun hasat zamanı ise ekimden 46 gün sonraydı. İkinci tur deneysel marul hasat edildiğinde, kontrol grubunun kolonizasyon gün sayısı birinci tura göre 4 gün daha azdı. Bununla birlikte, tek bir bitkinin taze ağırlığı, birinci tur deneylere göre 1,57 kat daha fazlaydı (Tablo 2 ve Tablo 4). Işık enerjisi kullanım verimliliği benzerdi. Görüldüğü gibi, sıcaklık yavaşça yükseldikçe ve seradaki doğal ışık kademeli olarak arttıkça (Şekil 1-2), marulun üretim döngüsü buna göre kısaltılabilir. Bu nedenle, düşük sıcaklık ve düşük güneş ışığı olan kış aylarında seraya ek ışık ekipmanı eklemek, marulun üretim verimliliğini etkili bir şekilde artırabilir ve böylece üretimi artırabilir. Birinci tur deneyde, yaprak menü bitkisinin ek ışık güç tüketimi 0,95 kw-h iken, ikinci tur deneyde yaprak menü bitkisinin ek ışık güç tüketimi 1,15 kw-h idi. İki deney turu karşılaştırıldığında, üç farklı Pakchoi uygulamasının ışık tüketimi ve enerji kullanım verimliliği, ikinci deneyde birinci deneye göre daha düşüktü. Marul CK ve LB ek ışık uygulama gruplarının ikinci deneydeki ışık enerjisi kullanım verimliliği de birinci deneye göre biraz daha düşüktü. Bunun olası nedeninin, ekimden sonraki bir hafta içinde düşük günlük ortalama sıcaklığın, yavaş fide büyüme dönemini uzatması ve deney süresince sıcaklıkta hafif bir toparlanma olmasına rağmen, bu toparlanmanın sınırlı olması ve genel günlük ortalama sıcaklığın hala düşük seviyede kalması olduğu tahmin edilmektedir. Bu durum, yapraklı sebzelerin hidroponik yetiştiriciliğinde genel büyüme döngüsü boyunca ışık enerjisi kullanım verimliliğini kısıtlamıştır (Şekil 1).

Deney sırasında, besin çözeltisi havuzuna ısıtma ekipmanı yerleştirilmediği için, hidroponik yapraklı sebzelerin kök ortamı her zaman düşük sıcaklık seviyesinde kaldı ve günlük ortalama sıcaklık sınırlı kaldı. Bu durum, sebzelerin LED ek ışıklandırma ile artırılan günlük kümülatif ışıktan tam olarak yararlanamamasına neden oldu. Bu nedenle, kış aylarında serada ışık takviyesi yapılırken, ışık takviyesinin verimi artırma etkisini sağlamak için uygun ısı koruma ve ısıtma önlemlerinin dikkate alınması gerekmektedir. Dolayısıyla, kış serasında ışık takviyesinin ve verim artışının etkisini sağlamak için uygun ısı koruma ve sıcaklık artırma önlemlerinin dikkate alınması gerekmektedir. LED ek ışıklandırmanın kullanımı üretim maliyetini belirli ölçüde artıracaktır ve tarımsal üretim zaten yüksek verimli bir sektör değildir. Bu nedenle, kış serasında hidroponik yapraklı sebzelerin gerçek üretiminde ek ışıklandırma stratejisinin nasıl optimize edileceği ve diğer önlemlerle nasıl işbirliği yapılacağı, ek ışıklandırma ekipmanının verimli üretim sağlamak ve ışık enerjisi kullanım verimliliğini ve ekonomik faydaları artırmak için nasıl kullanılacağı konusunda daha fazla üretim deneyi gerekmektedir.

Yazarlar: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Şanghay yeşil küp Tarımsal Kalkınma Co., Ltd.).
Makale kaynağı: Tarım Mühendisliği Teknolojisi (Sera Bitkileri).

Referanslar:
[1] Jianfeng Dai, Sera üretiminde Philips bahçe bitkileri LED uygulaması [J]. Tarım mühendisliği teknolojisi, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin ve diğerleri. Korunan meyve ve sebzeler için ışık takviyesi teknolojisinin uygulama durumu ve geleceği [J]. Kuzey bahçeciliği, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao ve diğerleri. Bitki aydınlatmasının araştırma ve uygulama durumu ve geliştirme stratejisi [J]. Aydınlatma mühendisliği dergisi, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi ve diğerleri. Sera sebze üretiminde ışık kaynağı ve ışık kalitesi kontrolünün uygulanması [J]. Çin sebzeleri, 2012 (2): 1-7