DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36171-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41549099
تاريخ النشر: 2026-01-18
المؤلف: Mi Young Lim وآخرون
الموضوع الرئيسي: الابتكارات في أنظمة الأكوابونيك والهيدروبونيك
نظرة عامة
في هذه الدراسة، بحثنا في التوازنات بين تعظيم العائد وجودة الفاكهة في إنتاج البطيخ الهيدروبوني من خلال تقييم ثلاثة أصناف (‘دالغونا’، ‘هيرو’، و ‘كينغستار’) تحت أحجام مختلفة من الركيزة (10 ل vs. 20 ل) وكثافات زراعة (3 vs. 4 نباتات/لوح). باستخدام تحليل حدود باريتو، حددنا ثلاث استراتيجيات زراعية مثالية مصممة لتناسب شرائح السوق المختلفة: نهج تعظيم الأرباح مع ‘هيرو’ (10 ل، 4 نباتات/لوح، محققًا عائدًا على الاستثمار بنسبة 268%)، وتركيز على الجودة الممتازة مع ‘دالغونا’ (10 ل، 3 نباتات/لوح، محققًا 100% من الفاكهة من الدرجة الممتازة)، واستراتيجية فعالة من حيث الموارد مع ‘كينغستار’ (10 ل، 3 نباتات/لوح، مظهرة إنتاجية مائية قدرها 5.7 كجم م⁻³).
أشارت النتائج إلى أنه بينما زادت كثافة الزراعة من إجمالي العائد بنسبة 20.7%، إلا أنها أثرت سلبًا على جودة الفاكهة الداخلية. ومن الجدير بالذكر أن حجم الركيزة 10 ل تفوق باستمرار على المعيار 20 ل في الأداء الاقتصادي (عائد الاستثمار يتراوح بين 42.9% إلى 268.0%) بسبب التأثيرات المفيدة لتقييد الجذور على محتوى السكر وإنتاجية المياه. تدعو نتائجنا إلى التحول بعيدًا عن الممارسات التقليدية التي تفضل أحجام الركيزة الأكبر، مع التأكيد على أهمية تحسين المعلمات الخاصة بالصنف لتعزيز كل من الجدوى الاقتصادية والاستدامة البيئية في الأنظمة الهيدروبونية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم زراعة أصناف البطيخ (‘كينغستار إيرل’، ‘هيرو’، و ‘PMR دالغونا’) في بيئة دفيئة محكومة في معهد أبحاث البستنة المحمية في هامن، كوريا الجنوبية. تم زراعة البذور في صواني مشاتل ونمت تحت ظروف محددة من الحرارة والرطوبة قبل أن يتم نقلها إلى الدفيئة. تم تدريب النباتات عموديًا، وتم إدارة البراعم الجانبية وفقًا لمواقع العقد. تم تسهيل التلقيح من خلال إدخال النحل، وتم الالتزام بممارسات إدارة الآفات المتكاملة. تم التحكم بدقة في ظروف الدفيئة، مع مراقبة درجة الحرارة والرطوبة وشدة الضوء باستخدام مسجل بيانات. تم تخصيص حلول المغذيات لزراعة البطيخ، وتم تعديل أحجام الري بناءً على مراحل نمو النباتات.
استخدم التصميم التجريبي ترتيبًا ثلاثي الاتجاهات في تصميم كتلة كاملة عشوائية (RCBD) مع ثلاث تكرارات، مع التركيز على الصنف، حجم الركيزة (10 ل و 20 ل)، وكثافة الزراعة (3 و 4 نباتات/لوح). تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام بايثون، مع إجراء اختبارات طبيعية واختبارات تجانس التباين قبل إجراء تحليل التباين الثلاثي لتقييم التأثيرات الرئيسية والتفاعلية للعوامل. تم تحديد الفروق الهامة باستخدام اختبار الفرق الهام الصادق لتوكاي، مما يضمن تقييمًا إحصائيًا قويًا لطرق الزراعة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد البحث، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في المتغير التابع، مع حساب أحجام التأثير لتحديد حجم هذه التغييرات. تمثل التمثيلات البيانية، مثل الرسوم البيانية أو المخططات، هذه النتائج بشكل أكبر، مما يوفر سياقًا بصريًا للبيانات العددية. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضيات المطروحة في بداية البحث، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على تأثيرات كثافة الزراعة، حجم الركيزة، والصنف على العائد، إنتاجية المياه، وجودة فاكهة البطيخ المنقوش. لوحظ زيادة كبيرة في إجمالي عائد الفاكهة مع زيادة كثافة الزراعة، خاصة مع أصناف ‘هيرو’ و ‘كينغستار’، حيث حققت عوائد قدرها 4,339 كجم/10a و 4,161 كجم/10a، على التوالي، تحت ظروف مثالية. ومع ذلك، كانت هذه الزيادة في العائد مصحوبة بانخفاض في وزن الفاكهة الفردية، خاصة في ‘كينغستار’، التي أظهرت انخفاضًا بنسبة 17% عندما زادت الكثافة من 3 إلى 4 نباتات/لوح. كما وجدت الدراسة أن حجم الركيزة 10 ل عزز بشكل كبير إنتاجية المياه وجودة الفاكهة، خاصة محتوى السكر (بريكس)، مقارنةً بـ 20 ل، مما يشير إلى أن تقليل حجم الركيزة يمكن أن يحسن كفاءة استخدام المياه دون التأثير على العائد.
كشفت التحليلات الشاملة للأداء عن مسارات تحسين متميزة لكل صنف، مع التأكيد على التوازنات بين العائد، الجودة، والقيمة الاقتصادية. أظهر صنف ‘هيرو’ أفضل أداء اقتصادي مع أقصى ربح صافي قدره 21,213 دولار/10a تحت ظروف محددة، بينما تفوق ‘دالغونا’ في الجودة، محققًا درجة ممتازة لجميع الفواكه في حجم الركيزة 10 ل. تشير النتائج إلى أنه لا توجد استراتيجية زراعية مثالية واحدة؛ بل يجب على المنتجين تخصيص أساليبهم بناءً على متطلبات السوق، سواء كانت تفضل العائد، الجودة، أو كفاءة الموارد. تؤكد الدراسة على أهمية حجم الركيزة وكثافة الزراعة في إنتاج البطيخ الهيدروبوني، مما يوفر رؤى قابلة للتنفيذ للمزارعين لتعزيز الربحية وجودة المنتج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36171-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41549099
Publication Date: 2026-01-18
Author(s): Mi Young Lim et al.
Primary Topic: Innovations in Aquaponics and Hydroponics Systems
Overview
In this study, we investigated the trade-offs between yield maximization and fruit quality in hydroponic melon production by evaluating three cultivars (‘Dalgona’, ‘Hero’, and ‘Kingstar’) under varying substrate volumes (10 L vs. 20 L) and planting densities (3 vs. 4 plants/slab). Utilizing Pareto frontier analysis, we identified three optimal cultivation strategies tailored to different market segments: a profit-maximization approach with ‘Hero’ (10 L, 4 plants/slab, achieving a 268% return on investment), a premium-quality focus with ‘Dalgona’ (10 L, 3 plants/slab, yielding 100% premium-grade fruit), and a resource-efficient strategy with ‘Kingstar’ (10 L, 3 plants/slab, demonstrating a water productivity of 5.7 kg m⁻³).
The results indicated that while increasing planting density improved total yield by 20.7%, it negatively impacted internal fruit quality. Notably, the 10 L substrate volume consistently outperformed the 20 L standard in economic performance (ROI ranging from 42.9% to 268.0%) due to the beneficial effects of root restriction on sugar content and water productivity. Our findings advocate for a shift away from conventional practices favoring larger substrate volumes, emphasizing the importance of cultivar-specific parameter optimization to enhance both economic viability and environmental sustainability in hydroponic systems.
Methods
In this study, muskmelon cultivars (‘Earl’s Kingstar’, ‘Hero’, and ‘PMR Dalgona’) were cultivated in a controlled greenhouse environment at the Protected Horticulture Research Institute in Haman, South Korea. Seeds were sown in nursery trays and grown under specific temperature and humidity conditions before being transplanted into the greenhouse. The plants were vertically trained, with lateral shoots managed according to their node positions. Pollination was facilitated by introducing bees, and pest management adhered to integrated pest management practices. The greenhouse conditions were meticulously controlled, with temperature, humidity, and light intensity monitored using a data logger. Nutrient solutions were tailored for melon cultivation, and irrigation volumes were adjusted based on plant growth stages.
The experimental design employed a three-way factorial arrangement in a randomized complete block design (RCBD) with three replicates, focusing on cultivar, substrate volume (10 L and 20 L), and planting density (3 and 4 plants/slab). Statistical analyses were conducted using Python, with normality and variance homogeneity tests preceding a three-way ANOVA to assess the main and interaction effects of the factors. Significant differences were determined using Tukey’s Honest Significant Difference test, ensuring robust statistical evaluation of the cultivation methods.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to measurable improvements in the dependent variable, with effect sizes calculated to quantify the magnitude of these changes. Graphical representations, such as plots or charts, further illustrate these findings, providing a visual context to the numerical data. Overall, the results substantiate the hypotheses posited at the outset of the research, contributing valuable insights to the field.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the effects of planting density, substrate volume, and cultivar on the yield, water productivity, and fruit quality of netted melons. A significant increase in total fruit yield was observed with higher planting density, particularly with the ‘Hero’ and ‘Kingstar’ cultivars, achieving yields of 4,339 kg/10a and 4,161 kg/10a, respectively, under optimal conditions. However, this yield increase was accompanied by a reduction in individual fruit weight, particularly in ‘Kingstar’, which exhibited a 17% decrease when density increased from 3 to 4 plants/slab. The study also found that a substrate volume of 10 L significantly enhanced water productivity and fruit quality, particularly sugar content (Brix), compared to 20 L, indicating that reduced substrate volume can improve water-use efficiency without compromising yield.
The comprehensive performance analysis revealed distinct optimization pathways for each cultivar, emphasizing the trade-offs between yield, quality, and economic value. The ‘Hero’ cultivar demonstrated the best economic performance with a maximum net profit of $21,213/10a under specific conditions, while ‘Dalgona’ excelled in quality, achieving a premium grade for all fruits in the 10 L substrate volume. The findings suggest that no single optimal cultivation strategy exists; rather, producers should tailor their approaches based on market demands, whether prioritizing yield, quality, or resource efficiency. The study underscores the importance of substrate volume and planting density in hydroponic melon production, providing actionable insights for growers to enhance profitability and product quality.