成長速度を超えたレタスの照明

レタスは、米国で最も広く栽培されている葉物野菜です。 ほとんどのレタスは畑で栽培されていますが、環境管理農業 (CEA) の温室や垂直農場での生産が増加しています。 実際、2019年のUSDA園芸特産品センサスによると、レタスは現在、米国でトマトに次ぐ2番目に大きな温室野菜作物となっている。 米国北半分の冬の温室生産は、収量を高めるための補助照明に依存しています。 光量（毎日の光の積分）と品質（光のスペクトルまたは色）は、収量（一般に販売可能な生重量）、葉の色/色素沈着、栄養含有量など、レタス作物のいくつかの側面に影響を与えます。 栄養の面では、レタスはビタミン K、キサントフィル (目の健康に重要なカロテノイドの一種)、アントシアニン、葉酸、鉄の重要な供給源です。

温室の暖房と照明のためのエネルギーは、通常、2 番目に大きな生産コストです。 伝統的に、高輝度放電（HID）ライトは、曇りや光量の少ない冬の日に光を補うためにレタス温室で使用されています。 高圧ナトリウム (HPS) とセラミックメタルハライド (CMH) の 2 種類の HID です。 これらのライトは比較的寿命が長く、初期費用も安価ですが、エネルギーの大部分が熱に変換されるため、エネルギー効率が低く、余分な熱を相殺するために追加の冷却が必要になる場合があります。 HID 器具のもう 1 つの欠点は、光の強度と光のスペクトルを調整できないことです。 発光ダイオード (LED) の採用が増加しているのは、主にエネルギーコストの削減だけでなく、強度とスペクトルの柔軟性が高いためでもあります。 レッドリーフレタスの場合、赤色に発色するには青色光が必要であることはよく知られています（これは重要な色素および抗酸化物質であるアントシアニンに由来します）。 HPS 光は青色スペクトルで低いため、自然光 (青色を含む) が少ない冬には、赤いレタスは深い色合いに欠けることがよくあります。 光スペクトルは、レタスの色素と栄養成分を調整するために使用される場合があります。 しかし、さまざまな補助照明源がレタスの栄養成分と収量に及ぼす影響に関する情報は不足しています。 補助照明は植物の水の使用にも影響を与える可能性があり、灌漑スケジュールに影響を与え、栽培スペースの除湿が必要になります。 私たちは、従来の照明 (HPS および CMH) と 2 種類の LED (広スペクトルの白および赤:青) を比較する温室研究を実施しました。

実験は12月から3月中旬までニューヨーク中心部の温室で実施された。 この研究には、2 つのレタス品種、「レックス」（水耕栽培に一般的なバターヘッドの種類）と「ルーサイ」（レッドオークリーフの品種）が使用されました。 種子はロックウールキューブで 1 週間栽培を開始し、その後、照明処理下でミニ深層水栽培 (DWC) 水耕栽培システムに 4 週間移植されました。 根域に酸素を供給するために、空気を養液にポンプで送り込んだ。 同じ温室に 4 つの照明処理を設定しました: HPS、CMH、赤:青 LED (赤 70%、青 30%)、および白色 LED (赤 36%、青 27%、緑 45%)。 すべての処理は 150 μmol・m-2・s-1 の同じ強度になるように調整され、毎日の補助光の時間数は 17 mol・m-2・s-1 の日次光積分値 (DLI) を達成するためにコンピューター制御によって調整されました。各処理の下で 2・d-1。 各照明処理は、温室内にランダムに配置された 2 つのベンチで実行され、実験は 3 つの作物サイクルにわたって行われ、新しいサイクルの前に照明処理がランダム化されました。 温室の昼夜温度設定値は 77/68°F でした。 苗木は一般的な環境で 1 週間生育し、その後移植され、照明処理下で 4 週間生育しました。 水の使用量は週に 3 回記録されました。 4週間の照明処理の後、処理エリアごとに各品種から9本の植物を破壊的に収穫し、植物の高さ、幅、新鮮な重量に関するデータを収集しました。 9 つの植物のうち 3 つを凍結し、色素と栄養素 (クロロフィル、キサントフィル、アントシアニン、ミネラル元素の含有量) を分析しました。 残りのサンプルは、葉の表面積と乾燥重量に関するデータ収集に使用されました。

植物には同じ光強度と DLI が供給されましたが、その成長は光のスペクトルに大きく影響されました。 HPS および CMH の下で生育した植物は、LED の下で生育した植物よりもサイズと葉の表面積が大きくなりました。 HPS 処理と CMH 処理は両方とも、LED 処理よりも生重量と乾燥重量が大きくなりました。 例えば、HPS下で生育した植物は、赤色:青色LED下で生育した植物よりも、「レックス」と「ルーサイ」でそれぞれ生重が24%、39%多かった。 「Rex」の生重量は、HPS では 150 g でしたが、赤:青 LED では 120 g でした。 「Rouxai」の生重量は、HPS では 100 g であったのに対し、赤:青 LED では 70 g でした。 HPS下で生育した植物はCMH下で生育した植物より生鮮重量が大きかったが、乾燥重量の差は統計的に有意ではなかった。 言い換えれば、HPS下で生育した植物は、CMH下で生育した植物よりもジューシーであった（すなわち、より多くの水を保持していた）。 2 つの LED 処理では同様の生重量と乾燥重量が得られましたが、白色 LED の方が赤色と青色の LED よりもサイズと葉の表面積が大きくなりました。 HPS および CMH 設備は、植物の樹冠を暖める赤外線熱を生成します。私たちは、植物の温度上昇が、冬の温室条件下で成長を促進する 1 つの理由である可能性があると考えています。 これは、LED を採用する栽培者が、HID で栽培した植物の発育速度を同等にするには、温室の気温を数度上昇させる必要がある可能性があることを示唆しています。 HPS 器具には、葉の拡大を促進する遠赤色放射も含まれ​​ているため、光の捕捉と収量が増加します。

サイズと重量が小さいにもかかわらず、赤色:青色 LED で栽培された植物は、HPS で栽培された植物と比較してキサントフィル (ルテインとビオラキサンチン) の濃度が高く、「Rouxai」の場合はアントシアニン (赤色色素) が高かったため、より栄養価が高くなりました。 たとえば、赤色:青色 LED の下で栽培された植物には、HPS の下で栽培された植物よりも 17 ～ 22% 多くのビオラキサンチンが含まれていました。 レタスは鉄や亜鉛などのミネラル栄養素の重要な供給源ですが、すべての処理間でミネラル栄養素の含有量に差はありませんでした。 水の使用に関しては、LED で栽培された植物は、HPS および CMH で栽培された植物よりも総水量が少なくなります (1 植物当たり 25 ～ 29% 少ない)。 しかし、水利用効率（植物の生重1グラムあたりに使用される水の量）を計算すると、HPSとCMHで栽培した植物の方が水利用効率が高かった。 具体的には、「Rex」では、HPS と赤:青 LED のそれぞれの下で、生重量グラムあたり 11.9 ml と 14.3 ml の水を使用しました。 「Rouxai」植物については、HPS 対赤:青 LED の下で、それぞれ新鮮重量 1 グラムあたり 17.9 ml および 20.4 ml を使用しました。 したがって、この実験で使用された LED では、HID ライトよりも収穫された新鮮な塊ごとに多くの水が必要になります。

HPS は温室内で伝統的に使用されている補助光として、植物の大きさと重量の点で優れたレタスをもたらしてくれました。 しかし、LED により植物の栄養含有量が増加しました。 この結果は、栄養素と健康を気にする人々をターゲット顧客とする生産者にとって重要です。 将来的には、生産者は健康志向の顧客のために成長と栄養のバランスを取る方法として光スペクトルを使用する可能性があります。 私たちの実験は日光が比較的少ない冬の条件で行われたため、補助照明の必要性が低い他の季節には当てはまらない可能性があることに注意してください。 温度、施肥、品種など、照明以外の多くの要素が作物の成績に大きな影響を与える可能性があるため、新しい照明の導入に関心のある生産者には、独自の栽培条件下で自社の作物を使用して小規模な試験を実施することをお勧めします。

著者について: Jiaqi Xia ([email protected]) は博士号候補者で、Neil Mattson ([email protected]) はコーネル大学統合植物科学部の教授兼温室拡張専門家です。 ジェイク・ホーリー ([email protected]) は、コロラド州立大学の研究者です。

この研究は、賞番号 1739163 で米国科学財団によって提供され、USDA-NIFA-SCRI 賞番号 # 2018-51181-28365 によって支援されました。 温室照明の詳細については、www.hortlamp.org をご覧ください。

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