Penelitian tentang Pengaruh Pencahayaan Tambahan LED terhadap Peningkatan Hasil Panen Selada dan Pakchoi Hidroponik di Rumah Kaca pada Musim Dingin
[Abstrak] Musim dingin di Shanghai seringkali mengalami suhu rendah dan sinar matahari yang sedikit, sehingga pertumbuhan sayuran berdaun hidroponik di rumah kaca lambat dan siklus produksinya panjang, yang tidak dapat memenuhi permintaan pasar. Dalam beberapa tahun terakhir, lampu tambahan LED untuk tanaman mulai digunakan dalam budidaya dan produksi rumah kaca, sampai batas tertentu, untuk menutupi kekurangan bahwa akumulasi cahaya harian di rumah kaca tidak dapat memenuhi kebutuhan pertumbuhan tanaman ketika cahaya alami tidak mencukupi. Dalam percobaan ini, dua jenis lampu tambahan LED dengan kualitas cahaya yang berbeda dipasang di rumah kaca untuk melakukan percobaan eksplorasi peningkatan produksi selada hidroponik dan selada batang hijau di musim dingin. Hasil menunjukkan bahwa kedua jenis lampu LED dapat secara signifikan meningkatkan berat segar per tanaman pakcoy dan selada. Efek peningkatan hasil panen pakcoy terutama tercermin dalam peningkatan kualitas sensorik secara keseluruhan seperti pembesaran dan penebalan daun, dan efek peningkatan hasil panen selada terutama tercermin dalam peningkatan jumlah daun dan kandungan bahan kering.

Cahaya merupakan bagian yang tak terpisahkan dari pertumbuhan tanaman. Dalam beberapa tahun terakhir, lampu LED telah banyak digunakan dalam budidaya dan produksi di lingkungan rumah kaca karena tingkat konversi fotolistriknya yang tinggi, spektrum yang dapat disesuaikan, dan masa pakai yang lama [1]. Di luar negeri, karena dimulainya penelitian terkait lebih awal dan sistem pendukung yang matang, banyak produksi bunga, buah, dan sayuran skala besar memiliki strategi suplementasi cahaya yang relatif lengkap. Akumulasi sejumlah besar data produksi aktual juga memungkinkan produsen untuk memprediksi dengan jelas efek peningkatan produksi. Pada saat yang sama, pengembalian setelah menggunakan sistem lampu suplementasi LED dievaluasi [2]. Namun, sebagian besar penelitian domestik saat ini tentang lampu suplementasi cenderung bias terhadap kualitas cahaya skala kecil dan optimasi spektrum, dan kurang memiliki strategi lampu suplementasi yang dapat digunakan dalam produksi aktual [3]. Banyak produsen domestik akan langsung menggunakan solusi pencahayaan tambahan asing yang ada ketika menerapkan teknologi pencahayaan tambahan untuk produksi, terlepas dari kondisi iklim daerah produksi, jenis sayuran yang diproduksi, dan kondisi fasilitas dan peralatan. Selain itu, tingginya biaya peralatan penerangan tambahan dan konsumsi energi yang tinggi seringkali mengakibatkan kesenjangan besar antara hasil panen aktual dan keuntungan ekonomi dengan efek yang diharapkan. Situasi saat ini tidak kondusif untuk pengembangan dan promosi teknologi penerangan tambahan dan peningkatan produksi di negara ini. Oleh karena itu, sangat dibutuhkan untuk secara rasional menerapkan produk penerangan tambahan LED yang sudah matang ke lingkungan produksi domestik yang sebenarnya, mengoptimalkan strategi penggunaan, dan mengumpulkan data yang relevan.

Musim dingin adalah musim di mana sayuran berdaun segar sangat diminati. Rumah kaca dapat menyediakan lingkungan yang lebih sesuai untuk pertumbuhan sayuran berdaun di musim dingin daripada lahan pertanian di luar ruangan. Namun, sebuah artikel menunjukkan bahwa beberapa rumah kaca yang sudah tua atau kurang bersih memiliki transmisi cahaya kurang dari 50% di musim dingin. Selain itu, cuaca hujan jangka panjang juga cenderung terjadi di musim dingin, yang membuat rumah kaca berada dalam lingkungan suhu rendah dan cahaya rendah, yang memengaruhi pertumbuhan normal tanaman. Cahaya telah menjadi faktor pembatas untuk pertumbuhan sayuran di musim dingin [4]. Green Cube yang telah diproduksi secara aktual digunakan dalam percobaan ini. Sistem penanaman sayuran berdaun aliran cairan dangkal dipadukan dengan dua modul lampu atas LED dari Signify (China) Investment Co., Ltd. dengan rasio cahaya biru yang berbeda. Penanaman selada dan pakcoy, yang merupakan dua sayuran berdaun dengan permintaan pasar yang lebih besar, bertujuan untuk mempelajari peningkatan aktual produksi sayuran berdaun hidroponik dengan pencahayaan LED di rumah kaca musim dingin.

Bahan dan Metode
Bahan yang digunakan untuk pengujian

Bahan uji yang digunakan dalam percobaan ini adalah selada dan pakcoy. Varietas selada, Green Leaf Lettuce, berasal dari Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., dan varietas pakcoy, Brilliant Green, berasal dari Institut Hortikultura Akademi Ilmu Pertanian Shanghai.

Metode eksperimental

Percobaan dilakukan di rumah kaca tipe Wenluo di pangkalan Sunqiao milik Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd. dari November 2019 hingga Februari 2020. Sebanyak dua putaran percobaan berulang dilakukan. Putaran pertama percobaan dilakukan pada akhir tahun 2019, dan putaran kedua pada awal tahun 2020. Setelah penyemaian, bahan percobaan ditempatkan di ruang iklim cahaya buatan untuk pembibitan, dan irigasi pasang surut digunakan. Selama periode pembibitan, larutan nutrisi umum untuk sayuran hidroponik dengan EC 1,5 dan pH 5,5 digunakan untuk irigasi. Setelah bibit tumbuh hingga tahap 3 daun dan 1 jantung, bibit ditanam di bedengan tanam sayuran berdaun tipe jalur Green Cube dengan aliran dangkal. Setelah penanaman, sistem sirkulasi larutan nutrisi aliran dangkal menggunakan larutan nutrisi EC 2 dan pH 6 untuk irigasi harian. Frekuensi irigasi adalah 10 menit dengan pasokan air dan 20 menit dengan pasokan air dihentikan. Kelompok kontrol (tanpa suplementasi cahaya) dan kelompok perlakuan (suplemen cahaya LED) ditetapkan dalam percobaan. CK ditanam di rumah kaca tanpa tambahan cahaya. LB: drw-lb Ho (200W) digunakan untuk menambah cahaya setelah penanaman di rumah kaca. Kepadatan fluks cahaya (PPFD) pada permukaan kanopi sayuran hidroponik sekitar 140 μmol/(㎡·S). MB: setelah penanaman di rumah kaca, drw-lb (200W) digunakan untuk menambah cahaya, dan PPFD sekitar 140 μmol/(㎡·S).

Putaran pertama penanaman percobaan adalah tanggal 8 November 2019, dan penanaman dilakukan pada tanggal 25 November 2019. Waktu penambahan cahaya untuk kelompok uji adalah pukul 6:30-17:00; putaran kedua penanaman percobaan adalah tanggal 30 Desember 2019, dan penanaman dilakukan pada tanggal 17 Januari 2020, dengan waktu penambahan cahaya untuk kelompok percobaan adalah pukul 4:00-17:00.
Saat cuaca cerah di musim dingin, rumah kaca akan membuka atap kaca, penutup samping, dan kipas angin untuk ventilasi harian dari pukul 6:00-17:00. Saat suhu rendah di malam hari, rumah kaca akan menutup jendela atap, penutup samping, dan kipas angin pada pukul 17:00-6:00 (hari berikutnya), dan membuka tirai isolasi termal di dalam rumah kaca untuk menjaga kehangatan di malam hari.

Pengumpulan Data

Tinggi tanaman, jumlah daun, dan berat segar per tanaman diperoleh setelah memanen bagian atas tanah dari Qingjingcai dan selada. Setelah mengukur berat segar, tanaman ditempatkan dalam oven dan dikeringkan pada suhu 75℃ selama 72 jam. Setelah itu, berat kering ditentukan. Suhu di rumah kaca dan Kepadatan Fluks Foton Fotosintetik (PPFD) dikumpulkan dan dicatat setiap 5 menit oleh sensor suhu (RS-GZ-N01-2) dan sensor radiasi aktif fotosintetik (GLZ-CG).

Analisis Data

Hitung efisiensi penggunaan cahaya (LUE, Light Use Efficiency) sesuai dengan rumus berikut:
LUE (g/mol) = hasil panen sayuran per satuan luas/jumlah kumulatif cahaya yang diterima sayuran per satuan luas dari penanaman hingga panen
Hitung kadar bahan kering sesuai dengan rumus berikut:
Kandungan bahan kering (%) = berat kering per tanaman/berat segar per tanaman x 100%
Gunakan Excel 2016 dan IBM SPSS Statistics 20 untuk menganalisis data dalam percobaan dan menganalisis signifikansi perbedaan tersebut.

Bahan dan Metode
Cahaya dan Suhu

Percobaan putaran pertama berlangsung selama 46 hari dari penanaman hingga panen, dan putaran kedua berlangsung selama 42 hari dari penanaman hingga panen. Selama percobaan putaran pertama, suhu rata-rata harian di rumah kaca sebagian besar berada dalam kisaran 10-18 ℃; selama percobaan putaran kedua, fluktuasi suhu rata-rata harian di rumah kaca lebih parah daripada selama percobaan putaran pertama, dengan suhu rata-rata harian terendah 8,39 ℃ dan suhu rata-rata harian tertinggi 20,23 ℃. Suhu rata-rata harian menunjukkan tren peningkatan secara keseluruhan selama proses pertumbuhan (Gambar 1).

Selama putaran pertama percobaan, integral cahaya harian (DLI) di rumah kaca berfluktuasi kurang dari 14 mol/(㎡·D). Selama putaran kedua percobaan, jumlah kumulatif cahaya alami harian di rumah kaca menunjukkan tren peningkatan secara keseluruhan, yang lebih tinggi dari 8 mol/(㎡·D), dan nilai maksimum muncul pada 27 Februari 2020, yaitu 26,1 mol/(㎡·D). Perubahan jumlah kumulatif cahaya alami harian di rumah kaca selama putaran kedua percobaan lebih besar daripada selama putaran pertama percobaan (Gambar 2). Selama putaran pertama percobaan, total jumlah kumulatif cahaya harian (jumlah DLI cahaya alami dan DLI cahaya tambahan LED) dari kelompok cahaya tambahan lebih tinggi dari 8 mol/(㎡·D) hampir sepanjang waktu. Selama putaran kedua percobaan, total jumlah kumulatif cahaya harian dari kelompok cahaya tambahan lebih dari 10 mol/(㎡·D) hampir sepanjang waktu. Jumlah total cahaya tambahan yang terakumulasi pada putaran kedua adalah 31,75 mol/㎡ lebih banyak daripada pada putaran pertama.

Hasil Panen Sayuran Daun dan Efisiensi Pemanfaatan Energi Cahaya

●Hasil tes putaran pertama
Dari Gambar 3 terlihat bahwa pakcoy yang diberi tambahan LED tumbuh lebih baik, bentuk tanamannya lebih kompak, dan daunnya lebih besar dan lebih tebal dibandingkan dengan kontrol (CK) tanpa tambahan. Daun pakcoy LB dan MB lebih cerah dan lebih hijau gelap dibandingkan dengan CK. Dari Gambar 4 terlihat bahwa selada dengan tambahan cahaya LED tumbuh lebih baik dibandingkan dengan CK tanpa tambahan cahaya, jumlah daunnya lebih banyak, dan bentuk tanamannya lebih rimbun.

Dari Tabel 1 dapat dilihat bahwa tidak ada perbedaan signifikan pada tinggi tanaman, jumlah daun, kandungan bahan kering, dan efisiensi pemanfaatan energi cahaya pada pakcoy yang diberi perlakuan CK, LB, dan MB, tetapi berat segar pakcoy yang diberi perlakuan LB dan MB secara signifikan lebih tinggi daripada CK; Tidak ada perbedaan signifikan pada berat segar per tanaman antara dua lampu LED pertumbuhan dengan rasio cahaya biru yang berbeda pada perlakuan LB dan MB.

Dari tabel 2 terlihat bahwa tinggi tanaman selada pada perlakuan LB secara signifikan lebih tinggi dibandingkan dengan perlakuan CK, namun tidak ada perbedaan signifikan antara perlakuan LB dan perlakuan MB. Terdapat perbedaan signifikan pada jumlah daun di antara ketiga perlakuan, dan jumlah daun pada perlakuan MB adalah yang tertinggi, yaitu 27. Berat segar per tanaman pada perlakuan LB adalah yang tertinggi, yaitu 101 g. Terdapat juga perbedaan signifikan antara kedua kelompok. Tidak ada perbedaan signifikan pada kandungan bahan kering antara perlakuan CK dan LB. Kandungan bahan kering pada perlakuan MB 4,24% lebih tinggi dibandingkan dengan perlakuan CK dan LB. Terdapat perbedaan signifikan pada efisiensi penggunaan cahaya di antara ketiga perlakuan. Efisiensi penggunaan cahaya tertinggi terdapat pada perlakuan LB, yaitu 13,23 g/mol, dan terendah pada perlakuan CK, yaitu 10,72 g/mol.

●Hasil tes putaran kedua

Dari Tabel 3 terlihat bahwa tinggi tanaman Pakchoi yang diberi perlakuan MB secara signifikan lebih tinggi dibandingkan dengan CK, dan tidak ada perbedaan signifikan antara perlakuan MB dan LB. Jumlah daun Pakchoi yang diberi perlakuan LB dan MB secara signifikan lebih tinggi dibandingkan dengan CK, tetapi tidak ada perbedaan signifikan antara kedua kelompok perlakuan cahaya tambahan tersebut. Terdapat perbedaan signifikan pada berat segar per tanaman di antara ketiga perlakuan. Berat segar per tanaman pada CK paling rendah yaitu 47 g, dan perlakuan MB paling tinggi yaitu 116 g. Tidak ada perbedaan signifikan pada kandungan bahan kering di antara ketiga perlakuan. Terdapat perbedaan signifikan pada efisiensi pemanfaatan energi cahaya. CK rendah yaitu 8,74 g/mol, dan perlakuan MB paling tinggi yaitu 13,64 g/mol.

Dari Tabel 4 terlihat bahwa tidak ada perbedaan signifikan pada tinggi tanaman selada di antara ketiga perlakuan. Jumlah daun pada perlakuan LB dan MB secara signifikan lebih tinggi daripada pada CK. Di antara keduanya, jumlah daun MB adalah yang tertinggi yaitu 26. Tidak ada perbedaan signifikan pada jumlah daun antara perlakuan LB dan MB. Berat segar per tanaman dari dua kelompok perlakuan cahaya tambahan secara signifikan lebih tinggi daripada CK, dan berat segar per tanaman tertinggi terdapat pada perlakuan MB, yaitu 133 g. Terdapat juga perbedaan signifikan antara perlakuan LB dan MB. Terdapat perbedaan signifikan pada kandungan bahan kering di antara ketiga perlakuan, dan kandungan bahan kering pada perlakuan LB adalah yang tertinggi, yaitu 4,05%. Efisiensi pemanfaatan energi cahaya pada perlakuan MB secara signifikan lebih tinggi daripada perlakuan CK dan LB, yaitu 12,67 g/mol.

Selama putaran kedua percobaan, total DLI kelompok cahaya tambahan jauh lebih tinggi daripada DLI selama jumlah hari kolonisasi yang sama pada putaran pertama percobaan (Gambar 1-2), dan waktu cahaya tambahan kelompok perlakuan cahaya tambahan pada putaran kedua percobaan (4:00-00-17:00). Dibandingkan dengan putaran pertama percobaan (6:30-17:00), waktu cahaya tambahan meningkat sebesar 2,5 jam. Waktu panen Pakchoi pada kedua putaran percobaan adalah 35 hari setelah tanam. Berat segar tanaman individu CK pada kedua putaran percobaan serupa. Perbedaan berat segar per tanaman pada perlakuan LB dan MB dibandingkan dengan CK pada putaran kedua percobaan jauh lebih besar daripada perbedaan berat segar per tanaman dibandingkan dengan CK pada putaran pertama percobaan (Tabel 1, Tabel 3). Waktu panen selada percobaan putaran kedua adalah 42 hari setelah tanam, dan waktu panen selada percobaan putaran pertama adalah 46 hari setelah tanam. Jumlah hari kolonisasi saat panen selada percobaan putaran kedua CK adalah 4 hari lebih sedikit daripada putaran pertama, tetapi berat segar per tanaman 1,57 kali lipat dari putaran pertama percobaan (Tabel 2 dan Tabel 4), dan efisiensi pemanfaatan energi cahaya serupa. Dapat dilihat bahwa seiring dengan peningkatan suhu dan peningkatan cahaya alami di rumah kaca, siklus produksi selada menjadi lebih pendek.

Bahan dan Metode
Dua putaran pengujian pada dasarnya mencakup seluruh musim dingin di Shanghai, dan kelompok kontrol (CK) mampu secara relatif memulihkan status produksi aktual sawi hijau dan selada hidroponik di rumah kaca di bawah suhu rendah dan sinar matahari rendah di musim dingin. Kelompok eksperimen suplementasi cahaya memiliki efek peningkatan yang signifikan pada indeks data yang paling intuitif (berat segar per tanaman) dalam dua putaran eksperimen. Di antaranya, efek peningkatan hasil panen pakcoy tercermin dalam ukuran, warna, dan ketebalan daun secara bersamaan. Namun selada cenderung meningkatkan jumlah daun, dan bentuk tanaman terlihat lebih penuh. Hasil pengujian menunjukkan bahwa suplementasi cahaya dapat meningkatkan berat segar dan kualitas produk dalam penanaman dua kategori sayuran, sehingga meningkatkan komersialitas produk sayuran. Pakcoy yang diberi suplementasi modul lampu LED atas merah-putih, biru rendah dan merah-putih, biru sedang memiliki warna hijau lebih gelap dan lebih mengkilap dibandingkan daun tanpa suplementasi cahaya, daunnya lebih besar dan lebih tebal, dan tren pertumbuhan seluruh tanaman lebih kompak dan kuat. Namun, "selada mosaik" termasuk dalam sayuran berdaun hijau muda, dan tidak ada proses perubahan warna yang jelas dalam proses pertumbuhannya. Perubahan warna daun tidak begitu terlihat oleh mata manusia. Proporsi cahaya biru yang tepat dapat mendorong perkembangan daun dan sintesis pigmen fotosintesis, serta menghambat pemanjangan ruas batang. Oleh karena itu, sayuran dalam kelompok suplemen cahaya lebih disukai konsumen dari segi kualitas penampilan.

Selama putaran kedua pengujian, jumlah kumulatif cahaya harian total pada kelompok cahaya tambahan jauh lebih tinggi daripada DLI selama jumlah hari kolonisasi yang sama pada putaran pertama percobaan (Gambar 1-2), dan waktu cahaya tambahan pada putaran kedua kelompok perlakuan cahaya tambahan (4:00-17:00), dibandingkan dengan putaran pertama percobaan (6:30-17:00), meningkat sebesar 2,5 jam. Waktu panen Pakchoi pada kedua putaran adalah 35 hari setelah tanam. Berat segar CK pada kedua putaran serupa. Perbedaan berat segar per tanaman antara perlakuan LB dan MB dan CK pada putaran kedua percobaan jauh lebih besar daripada perbedaan berat segar per tanaman dengan CK pada putaran pertama percobaan (Tabel 1 dan Tabel 3). Oleh karena itu, memperpanjang waktu suplementasi cahaya dapat mendorong peningkatan produksi Pakchoi hidroponik yang dibudidayakan di dalam ruangan pada musim dingin. Waktu panen selada percobaan putaran kedua adalah 42 hari setelah tanam, dan waktu panen selada percobaan putaran pertama adalah 46 hari setelah tanam. Saat selada percobaan putaran kedua dipanen, jumlah hari kolonisasi kelompok CK lebih sedikit 4 hari dibandingkan putaran pertama. Namun, berat segar satu tanaman adalah 1,57 kali lipat dari putaran pertama percobaan (Tabel 2 dan Tabel 4). Efisiensi pemanfaatan energi cahaya serupa. Dapat dilihat bahwa seiring dengan kenaikan suhu secara perlahan dan peningkatan cahaya alami di rumah kaca secara bertahap (Gambar 1-2), siklus produksi selada dapat dipersingkat. Oleh karena itu, penambahan peralatan pencahayaan tambahan ke rumah kaca di musim dingin dengan suhu rendah dan sinar matahari rendah dapat secara efektif meningkatkan efisiensi produksi selada, dan kemudian meningkatkan produksi. Pada putaran pertama percobaan, konsumsi daya pencahayaan tambahan tanaman daun adalah 0,95 kw-h, dan pada putaran kedua percobaan, konsumsi daya pencahayaan tambahan tanaman daun adalah 1,15 kw-h. Dibandingkan antara dua putaran percobaan, konsumsi cahaya dari tiga perlakuan Pakchoi, efisiensi pemanfaatan energi pada percobaan kedua lebih rendah daripada pada percobaan pertama. Efisiensi pemanfaatan energi cahaya dari kelompok perlakuan cahaya tambahan selada CK dan LB pada percobaan kedua sedikit lebih rendah daripada pada percobaan pertama. Dapat disimpulkan bahwa kemungkinan alasannya adalah suhu rata-rata harian yang rendah dalam seminggu setelah tanam membuat periode perkecambahan yang lambat menjadi lebih lama, dan meskipun suhu sedikit pulih selama percobaan, kisarannya terbatas, dan suhu rata-rata harian secara keseluruhan masih pada tingkat rendah, yang membatasi efisiensi pemanfaatan energi cahaya selama siklus pertumbuhan keseluruhan untuk hidroponik sayuran berdaun. (Gambar 1).

Selama percobaan, kolam larutan nutrisi tidak dilengkapi dengan peralatan pemanas, sehingga lingkungan akar sayuran berdaun hidroponik selalu berada pada suhu rendah, dan suhu rata-rata harian terbatas, yang menyebabkan sayuran gagal memanfaatkan sepenuhnya peningkatan cahaya kumulatif harian yang diperoleh dengan memperpanjang pencahayaan tambahan LED. Oleh karena itu, ketika menambahkan cahaya di rumah kaca pada musim dingin, perlu mempertimbangkan tindakan pengawetan panas dan pemanasan yang tepat untuk memastikan efek penambahan cahaya dalam meningkatkan produksi. Oleh karena itu, perlu mempertimbangkan tindakan pengawetan panas dan peningkatan suhu yang tepat untuk memastikan efek penambahan cahaya dan peningkatan hasil panen di rumah kaca musim dingin. Penggunaan pencahayaan tambahan LED akan meningkatkan biaya produksi sampai batas tertentu, dan produksi pertanian itu sendiri bukanlah industri dengan hasil tinggi. Oleh karena itu, mengenai bagaimana mengoptimalkan strategi pencahayaan tambahan dan bekerja sama dengan tindakan lain dalam produksi aktual sayuran berdaun hidroponik di rumah kaca musim dingin, dan bagaimana menggunakan peralatan pencahayaan tambahan untuk mencapai produksi yang efisien dan meningkatkan efisiensi pemanfaatan energi cahaya dan manfaat ekonomi, masih diperlukan eksperimen produksi lebih lanjut.

Penulis: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (kubus hijau Shanghai Agricultural Development Co., Ltd.).
Sumber artikel: Teknologi Rekayasa Pertanian (Hortikultura Rumah Kaca).

Referensi:
[1] Jianfeng Dai, Praktik aplikasi LED hortikultura Philips dalam produksi rumah kaca [J]. Teknologi rekayasa pertanian, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin, dkk. Status aplikasi dan prospek teknologi suplemen cahaya untuk buah dan sayuran yang dilindungi [J]. Hortikultura Utara, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao, dkk. Status penelitian dan aplikasi serta strategi pengembangan pencahayaan tanaman [J]. Jurnal teknik pencahayaan, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi, dkk. Penerapan sumber cahaya dan kontrol kualitas cahaya dalam produksi sayuran rumah kaca [J]. Sayuran Cina, 2012 (2): 1-7