Pesquisa sobre o efeito da iluminação suplementar de LED no aumento da produtividade de alface e pak choi hidropônicos em estufa durante o inverno.
[Resumo] O inverno em Xangai costuma apresentar baixas temperaturas e pouca luz solar, o que resulta em um crescimento lento de hortaliças folhosas hidropônicas em estufas e um ciclo de produção longo, incapaz de atender à demanda do mercado. Nos últimos anos, a iluminação suplementar de plantas por LED tem sido utilizada no cultivo e produção em estufas, compensando, em certa medida, a insuficiência da luz natural, que não é suficiente para suprir as necessidades de crescimento das culturas. Neste experimento, dois tipos de iluminação suplementar por LED com diferentes qualidades luminosas foram instalados em uma estufa para explorar o aumento da produção de alface e brotos hidropônicos no inverno. Os resultados mostraram que ambos os tipos de iluminação por LED aumentaram significativamente a massa fresca por planta de pak choi e alface. O aumento na produtividade do pak choi se refletiu principalmente na melhoria da qualidade sensorial geral, como o aumento e espessamento das folhas, enquanto o aumento na produtividade da alface se refletiu principalmente no aumento do número de folhas e do teor de matéria seca.

A luz é um componente indispensável para o crescimento das plantas. Nos últimos anos, as luzes LED têm sido amplamente utilizadas no cultivo e na produção em estufas devido à sua alta taxa de conversão fotoelétrica, espectro personalizável e longa vida útil [1]. Em outros países, devido ao início precoce das pesquisas relacionadas e ao sistema de suporte consolidado, muitas produções em larga escala de flores, frutas e hortaliças possuem estratégias de suplementação luminosa relativamente completas. O acúmulo de uma grande quantidade de dados reais de produção também permite que os produtores prevejam com clareza o efeito do aumento da produção. Ao mesmo tempo, o retorno após o uso do sistema de iluminação suplementar LED é avaliado [2]. No entanto, a maioria das pesquisas nacionais atuais sobre iluminação suplementar concentra-se na qualidade da luz e na otimização espectral em pequena escala, e carece de estratégias de iluminação suplementar que possam ser utilizadas na produção real [3]. Muitos produtores nacionais utilizam diretamente soluções de iluminação suplementar estrangeiras existentes ao aplicar a tecnologia de iluminação suplementar à produção, independentemente das condições climáticas da área de produção, dos tipos de hortaliças produzidas e das condições das instalações e equipamentos. Além disso, o alto custo dos equipamentos de iluminação suplementar e o alto consumo de energia frequentemente resultam em uma grande discrepância entre a produtividade real da cultura e o retorno econômico e o efeito esperado. A situação atual não é favorável ao desenvolvimento e à promoção da tecnologia de iluminação suplementar e ao aumento da produção no país. Portanto, é urgente a necessidade de inserir de forma racional os produtos de iluminação suplementar LED já consolidados em ambientes de produção nacionais reais, otimizar as estratégias de uso e coletar dados relevantes.

O inverno é a estação em que há grande demanda por hortaliças folhosas frescas. Estufas podem proporcionar um ambiente mais adequado para o cultivo dessas hortaliças no inverno do que o cultivo a céu aberto. No entanto, um artigo apontou que algumas estufas antigas ou mal higienizadas apresentam uma transmitância luminosa inferior a 50% no inverno. Além disso, a ocorrência de períodos prolongados de chuva também é comum no inverno, o que cria um ambiente de baixa temperatura e pouca luz dentro da estufa, afetando o crescimento normal das plantas. A luz torna-se, portanto, um fator limitante para o cultivo de hortaliças no inverno [4]. O sistema Green Cube, já em produção, foi utilizado no experimento. O sistema de cultivo hidropônico de hortaliças folhosas com fluxo laminar foi combinado com dois módulos de iluminação LED superiores da Signify (China) Investment Co., Ltd., com diferentes proporções de luz azul. O plantio de alface e pak choi, duas hortaliças folhosas com grande demanda de mercado, teve como objetivo estudar o aumento real da produção de hortaliças folhosas hidropônicas com iluminação LED em estufas de inverno.

Materiais e métodos
Materiais utilizados para o teste

Os materiais de teste utilizados no experimento foram alface e pak choi. A variedade de alface, Green Leaf Lettuce, foi fornecida pela Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., e a variedade de pak choi, Brilliant Green, foi fornecida pelo Instituto de Horticultura da Academia de Ciências Agrícolas de Xangai.

Método experimental

O experimento foi conduzido na estufa de vidro tipo Wenluo da base Sunqiao da Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd., de novembro de 2019 a fevereiro de 2020. Foram realizadas duas rodadas de experimentos repetidos. A primeira rodada ocorreu no final de 2019 e a segunda no início de 2020. Após a semeadura, o material experimental foi colocado em uma câmara de crescimento com iluminação artificial para o desenvolvimento das mudas, utilizando irrigação por maré. Durante o período de desenvolvimento das mudas, foi utilizada uma solução nutritiva geral para hortaliças hidropônicas com CE 1,5 e pH 5,5 para irrigação. Após as mudas atingirem o estágio de 3 folhas e 1 coração, foram transplantadas para canteiros de hortaliças folhosas com sistema de circulação de fluxo raso tipo Green Cube. Após o transplante, o sistema de circulação de solução nutritiva com CE 2 e pH 6 foi utilizado para irrigação diária. A frequência de irrigação foi de 10 minutos com irrigação e 20 minutos sem irrigação. O experimento incluiu um grupo controle (sem suplementação de luz) e um grupo de tratamento (com suplementação de luz LED). O grupo controle (CK) foi cultivado em estufa de vidro sem suplementação de luz. No grupo LB, utilizou-se uma lâmpada LED drw-lb Ho (200W) para suplementar a luz após o plantio na estufa. A densidade de fluxo de luz fotossintética (PPFD) na superfície da cobertura vegetal hidropônica foi de aproximadamente 140 μmol/(㎡·S). No grupo MB, após o plantio na estufa de vidro, utilizou-se a lâmpada LED drw-lb (200W) para suplementar a luz, e a PPFD foi de aproximadamente 140 μmol/(㎡·S).

A primeira rodada de plantio experimental ocorreu em 8 de novembro de 2019, com o plantio previsto para 25 de novembro de 2019. O período de suplementação de luz para o grupo experimental foi das 6h30 às 17h. A segunda rodada de plantio experimental ocorreu em 30 de dezembro de 2019, com o plantio previsto para 17 de janeiro de 2020, e o período de suplementação de luz para o grupo experimental foi das 4h às 17h.
Em dias ensolarados de inverno, a estufa terá o teto solar, a película lateral e o ventilador abertos para ventilação diária das 6h às 17h. Quando a temperatura estiver baixa à noite, a estufa fechará a claraboia, a película lateral e o ventilador das 17h às 6h (do dia seguinte) e abrirá a cortina de isolamento térmico na estufa para conservação do calor noturno.

Coleta de dados

A altura da planta, o número de folhas e o peso fresco por planta foram obtidos após a colheita das partes aéreas do Qingjingcai e da alface. Após a medição do peso fresco, o material foi colocado em uma estufa e seco a 75 °C por 72 horas. Ao final desse período, o peso seco foi determinado. A temperatura na estufa e a Densidade de Fluxo de Fótons Fotossintéticos (DFFF) foram coletadas e registradas a cada 5 minutos pelo sensor de temperatura (RS-GZ-N01-2) e pelo sensor de radiação fotossinteticamente ativa (GLZ-CG).

Análise de dados

Calcule a eficiência de uso da luz (LUE, Light Use Efficiency) de acordo com a seguinte fórmula:
LUE (g/mol) = rendimento de vegetais por unidade de área/quantidade total cumulativa de luz recebida pelos vegetais por unidade de área, do plantio à colheita.
Calcule o teor de matéria seca de acordo com a seguinte fórmula:
Teor de matéria seca (%) = peso seco por planta/peso fresco por planta x 100%
Utilize o Excel 2016 e o ​​IBM SPSS Statistics 20 para analisar os dados do experimento e determinar a significância da diferença encontrada.

Materiais e métodos
Luz e temperatura

A primeira rodada do experimento durou 46 dias, do plantio à colheita, e a segunda, 42 dias. Durante a primeira rodada, a temperatura média diária na estufa ficou principalmente entre 10 e 18 °C; durante a segunda rodada, a flutuação da temperatura média diária na estufa foi mais acentuada do que na primeira, com a temperatura média diária mais baixa de 8,39 °C e a mais alta de 20,23 °C. A temperatura média diária apresentou uma tendência geral de aumento durante o processo de crescimento (Fig. 1).

Durante a primeira rodada do experimento, a integral diária de luz (DLI) na estufa flutuou menos de 14 mol/(m²·D). Durante a segunda rodada do experimento, a quantidade diária acumulada de luz natural na estufa apresentou uma tendência geral de aumento, sendo superior a 8 mol/(m²·D), e o valor máximo foi observado em 27 de fevereiro de 2020, atingindo 26,1 mol/(m²·D). A variação da quantidade diária acumulada de luz natural na estufa durante a segunda rodada do experimento foi maior do que durante a primeira rodada (Fig. 2). Durante a primeira rodada do experimento, a quantidade total diária acumulada de luz (soma da DLI da luz natural e da DLI da luz suplementar de LED) do grupo com luz suplementar foi superior a 8 mol/(m²·D) na maior parte do tempo. Durante a segunda rodada do experimento, a quantidade total diária acumulada de luz do grupo com luz suplementar foi superior a 10 mol/(m²·D) na maior parte do tempo. A quantidade total acumulada de luz suplementar na segunda rodada foi 31,75 mol/㎡ maior do que na primeira rodada.

Rendimento de hortaliças folhosas e eficiência de utilização de energia luminosa

●Resultados da primeira rodada de testes
Como pode ser observado na Figura 3, o pak choi com suplementação de LED apresenta melhor crescimento, com formato mais compacto e folhas maiores e mais espessas do que o controle (CK) sem suplementação. As folhas de pak choi cultivadas nos grupos LB e MB possuem coloração verde mais clara e escura do que as do grupo controle (CK). Já na Figura 4, observa-se que a alface com suplementação de luz LED apresenta melhor crescimento do que o grupo controle (CK) sem suplementação, com maior número de folhas e formato mais cheio.

Conforme pode ser observado na Tabela 1, não houve diferença significativa na altura da planta, número de folhas, teor de matéria seca e eficiência de utilização da energia luminosa do pak choi tratado com CK, LB e MB, mas o peso fresco do pak choi tratado com LB e MB foi significativamente maior do que o do CK; não houve diferença significativa no peso fresco por planta entre as duas lâmpadas de LED com diferentes proporções de luz azul no tratamento com LB e MB.

Conforme mostrado na tabela 2, a altura das plantas de alface no tratamento LB foi significativamente maior do que no tratamento CK, mas não houve diferença significativa entre os tratamentos LB e MB. Houve diferenças significativas no número de folhas entre os três tratamentos, sendo o tratamento MB o que apresentou o maior número de folhas, com 27. O peso fresco por planta no tratamento LB também foi o maior, com 101 g. Houve ainda diferença significativa entre os dois grupos. Não houve diferença significativa no teor de matéria seca entre os tratamentos CK e LB. O teor de matéria seca no tratamento MB foi 4,24% maior do que nos tratamentos CK e LB. Houve diferenças significativas na eficiência de uso da luz entre os três tratamentos. A maior eficiência de uso da luz foi observada no tratamento LB, com 13,23 g/mol, e a menor no tratamento CK, com 10,72 g/mol.

● Resultados da segunda rodada de testes

Conforme mostrado na Tabela 3, a altura das plantas de pak choi tratadas com MB foi significativamente maior do que a do grupo controle (CK), não havendo diferença significativa entre o tratamento com MB e o tratamento com LB. O número de folhas das plantas de pak choi tratadas com LB e MB foi significativamente maior do que o do grupo CK, mas não houve diferença significativa entre os dois grupos de tratamentos com luz suplementar. Houve diferenças significativas na massa fresca por planta entre os três tratamentos. A massa fresca por planta no grupo CK foi a menor, com 47 g, enquanto o tratamento com MB apresentou a maior massa fresca, com 116 g. Não houve diferença significativa no teor de matéria seca entre os três tratamentos. Houve diferenças significativas na eficiência de utilização da energia luminosa. O grupo CK apresentou a menor eficiência, com 8,74 g/mol, e o tratamento com MB apresentou a maior eficiência, com 13,64 g/mol.

Conforme mostrado na Tabela 4, não houve diferença significativa na altura das plantas de alface entre os três tratamentos. O número de folhas nos tratamentos LB e MB foi significativamente maior do que no tratamento controle (CK). Dentre eles, o tratamento MB apresentou o maior número de folhas, com 26. Não houve diferença significativa no número de folhas entre os tratamentos LB e MB. A massa fresca por planta nos dois grupos submetidos à suplementação luminosa foi significativamente maior do que no tratamento controle (CK), sendo o tratamento MB o que apresentou o maior valor, com 133 g. Também houve diferenças significativas entre os tratamentos LB e MB. O teor de matéria seca apresentou diferenças significativas entre os três tratamentos, sendo o tratamento LB o que apresentou o maior teor, de 4,05%. A eficiência de utilização da energia luminosa no tratamento MB foi significativamente maior do que nos tratamentos controle (CK) e LB, atingindo 12,67 g/mol.

Durante a segunda rodada do experimento, o DLI total do grupo com luz suplementar foi muito maior do que o DLI durante o mesmo número de dias de colonização na primeira rodada do experimento (Figuras 1 e 2), e o tempo de luz suplementar do grupo tratado com luz suplementar na segunda rodada do experimento (4:00-17:00) aumentou em 2,5 horas em comparação com a primeira rodada do experimento (6:30-17:00). O tempo de colheita das duas rodadas de pak choi foi de 35 dias após o plantio. O peso fresco individual das plantas do grupo controle (CK) nas duas rodadas foi semelhante. A diferença no peso fresco por planta nos tratamentos LB e MB em comparação com o grupo controle (CK) na segunda rodada de experimentos foi muito maior do que a diferença no peso fresco por planta em comparação com o grupo controle (CK) na primeira rodada de experimentos (Tabela 1, Tabela 3). O tempo de colheita da alface experimental da segunda rodada foi de 42 dias após o plantio, enquanto o tempo de colheita da alface experimental da primeira rodada foi de 46 dias após o plantio. O número de dias de colonização na segunda rodada de colheita da alface experimental (controle) foi 4 dias menor do que na primeira rodada, mas o peso fresco por planta foi 1,57 vezes maior do que na primeira rodada de experimentos (Tabela 2 e Tabela 4), e a eficiência de utilização da energia luminosa foi semelhante. Pode-se observar que, à medida que a temperatura aumenta gradualmente e a luz natural na estufa também aumenta, o ciclo de produção da alface se encurta.

Materiais e métodos
As duas rodadas de testes abrangeram basicamente todo o inverno em Xangai, e o grupo de controle (CK) conseguiu reproduzir relativamente bem o estado real de produção de couve-chinesa e alface cultivadas em estufa sob baixa temperatura e baixa luminosidade no inverno. O grupo experimental com suplementação de luz apresentou um efeito significativo no índice de dados mais relevante (peso fresco por planta) nas duas rodadas de experimentos. Entre os resultados, o aumento na produtividade da couve-chinesa refletiu-se no tamanho, na cor e na espessura das folhas. Já a alface apresentou maior número de folhas e uma forma mais densa. Os resultados dos testes mostram que a suplementação de luz pode melhorar o peso fresco e a qualidade do produto no cultivo das duas categorias de hortaliças, aumentando assim a comercialização dos produtos. A couve-chinesa suplementada com módulos de LED vermelho-branco, azul baixo e vermelho-branco, azul médio apresentou folhas de cor verde mais escura e brilhante do que as cultivadas sem suplementação de luz, com folhas maiores e mais espessas, e um crescimento mais compacto e vigoroso da planta como um todo. No entanto, a alface mosaico pertence à categoria de hortaliças folhosas verde-claras e não apresenta uma mudança de cor significativa durante o seu crescimento. A alteração na cor das folhas não é perceptível a olho nu. A proporção adequada de luz azul pode promover o desenvolvimento foliar e a síntese de pigmentos fotossintéticos, além de inibir o alongamento dos entrenós. Portanto, as hortaliças que recebem suplementação de luz são mais apreciadas pelos consumidores em termos de aparência.

Durante a segunda rodada do teste, a quantidade total diária cumulativa de luz no grupo com suplementação luminosa foi muito maior do que a DLI (Intensidade Diária de Luz) durante o mesmo número de dias de colonização na primeira rodada do experimento (Figuras 1 e 2). Além disso, o tempo de suplementação luminosa na segunda rodada (4h00-17h00), comparado ao da primeira rodada (6h30-17h00), aumentou em 2,5 horas. A colheita do pak choi nas duas rodadas ocorreu 35 dias após o plantio. O peso fresco do controle (CK) foi semelhante nas duas rodadas. A diferença no peso fresco por planta entre os tratamentos LB e MB e o CK na segunda rodada de experimentos foi muito maior do que a diferença no peso fresco por planta com o CK na primeira rodada (Tabelas 1 e 3). Portanto, estender o tempo de suplementação luminosa pode promover o aumento da produção de pak choi hidropônico cultivado em ambiente fechado durante o inverno. O tempo de colheita da segunda rodada de alface experimental foi de 42 dias após o plantio, enquanto na primeira rodada foi de 46 dias. Na segunda rodada, o grupo controle (CK) apresentou um período de colonização 4 dias menor que o da primeira rodada. No entanto, o peso fresco por planta foi 1,57 vezes maior que o da primeira rodada (Tabelas 2 e 4). A eficiência de utilização da energia luminosa foi semelhante. Observa-se que, com o aumento gradual da temperatura e da luminosidade natural na estufa (Figuras 1 e 2), o ciclo de produção da alface pode ser encurtado. Portanto, a adição de iluminação suplementar à estufa durante o inverno, com baixas temperaturas e baixa luminosidade, pode melhorar efetivamente a eficiência de produção da alface, aumentando assim a produtividade. Na primeira rodada do experimento, o consumo de energia da iluminação suplementar para as plantas foi de 0,95 kWh, enquanto na segunda rodada foi de 1,15 kWh. Comparando as duas rodadas de experimentos, o consumo de luz dos três tratamentos de pak choi apresentou uma eficiência de utilização de energia menor no segundo experimento do que no primeiro. A eficiência de utilização de energia luminosa dos grupos de alface CK e LB com suplementação de luz no segundo experimento foi ligeiramente inferior à do primeiro. Infere-se que a possível razão para isso seja a baixa temperatura média diária durante a primeira semana após o plantio, que prolonga o período de crescimento lento das mudas. Embora a temperatura tenha se recuperado um pouco durante o experimento, a variação foi limitada, e a temperatura média diária geral permaneceu baixa, o que restringiu a eficiência de utilização de energia luminosa durante todo o ciclo de crescimento hidropônico de hortaliças folhosas (Figura 1).

Durante o experimento, o tanque de solução nutritiva não possuía sistema de aquecimento, o que resultou em um ambiente radicular constantemente frio para as hortaliças folhosas cultivadas em hidroponia. Consequentemente, a temperatura média diária foi limitada, impedindo que as hortaliças aproveitassem ao máximo o aumento da luminosidade diária proporcionado pela iluminação suplementar de LED. Portanto, ao suplementar a luz em estufas no inverno, é fundamental considerar medidas adequadas de conservação e aquecimento térmico para garantir a eficácia da suplementação luminosa e o aumento da produtividade. O uso de iluminação suplementar de LED, por sua vez, eleva os custos de produção, e a agricultura em si não é uma atividade de alta produtividade. Assim, a otimização da estratégia de iluminação suplementar, sua integração com outras medidas na produção de hortaliças folhosas em hidroponia em estufas no inverno, e a utilização eficiente dos equipamentos de iluminação suplementar, visando otimizar o aproveitamento da energia luminosa e os benefícios econômicos, ainda requerem experimentos adicionais.

Autores: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Xangai cubo verde Agricultural Development Co., Ltd.).
Fonte do artigo: Tecnologia de Engenharia Agrícola (Horticultura em Estufa).

Referências:
[1] Jianfeng Dai, Prática de aplicação de LED hortícola da Philips na produção em estufa [J]. Tecnologia de engenharia agrícola, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin, et al. Situação atual e perspectivas da tecnologia de suplementação de luz para frutas e vegetais protegidos [J]. Horticultura do Norte, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao, et al. Estado da arte e estratégia de desenvolvimento da iluminação de plantas [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi, et al. Aplicação de fonte de luz e controle de qualidade da luz na produção de hortaliças em estufa [J]. Hortaliças chinesas, 2012 (2): 1-7