Wie beeinflusst Licht das Pflanzenwachstum? Verschiedene Spektren beeinflussen das Wachstum von Nutzpflanzen

Pflanzen benötigen Licht während ihrer gesamten Lebensdauer, von der Keimung bis zur Blüten- und Samenproduktion. Während des Wachstumsprozesses absorbieren sie nicht alle Wellenlängen des Lichts (Sonnenstrahlung), sondern absorbieren selektiv die für ihre Bedürfnisse geeignete Wellenlänge.

Chlorophylle (Chlorophyll a und b) spielen eine wichtige Rolle bei der Photosynthese, aber sie sind nicht die einzigen Chromophore. Pflanzen verfügen über weitere photosynthetische Pigmente, so genannte Antennenpigmente (wie die Carotinoide β-Carotin, Zeaxanthin, Lycopin und Lutein usw.), die an der Lichtabsorption beteiligt sind und eine wichtige Rolle bei der Photosynthese spielen.

Eine LED ist eine Art Halbleiterdiode, die es dem Züchter ermöglicht, die spektrale Zusammensetzung zu kontrollieren und die Lichtintensität an die Photorezeptoren der Pflanze anzupassen, um ein besseres Wachstum zu fördern und die Pflanzenmorphologie sowie verschiedene physiologische Prozesse wie die Blütenbildung und photosynthetische Effizienz zu beeinflussen. Mehrere Berichte haben das erfolgreiche Wachstum von Pflanzen unter LED-Beleuchtung bestätigt. 

Zum Beispiel erhöhte sich der Biomasseertrag von Salat, wenn die Wellenlänge des von roten LEDs ausgestrahlten Lichts von 660 auf 690 nm anstieg. Blaue LEDs (440 und 476 nm), die in Kombination mit roten LEDs verwendet wurden, verursachten ein höheres Chlorophyllverhältnis in Chinakohlpflanzen. Die positiven Auswirkungen von blauem (400-500 nm) LED-Licht in Kombination mit rotem LED-Licht, auf das Wachstum und den Nährwert von grünem Gemüse, wurden in mehreren Experimenten gezeigt. Rotes LED-Licht (640 nm) führte als einzige Quelle zu einer Erhöhung des Anthocyan-Gehalts im roten Blattkohl. Grünes (495-566 nm) und gelbes (566-589 nm) Licht trägt zur Photosynthese bei, orangefarbenes Licht (589-627 nm) optimiert die maximale Photosynthese, und rotes Licht (627-770 nm) fördert die Blütebildung und die Verlängerung des Stängels. Mehrere gartenbauliche Experimente mit Kartoffeln, Radieschen und Salat haben die Menge an blauem Licht (400-500 nm) ermittelt, die für eine höhere Biomasse und Blattfläche erforderlich ist.

Der wichtigste Teil des Lichtspektrums liegt bei 400 bis 700 nm, der als photosynthetisch aktive Strahlung (photosynthetically active radiation=PAR) bezeichnet wird. Dieser Spektralbereich entspricht mehr oder weniger dem sichtbaren Spektrum des menschlichen Auges. 

Fernrotes Licht ist auch während des Wachstumsprozesses wichtig. Die Anwendung von fernrotem (730 nm) mit rotem (640 nm) Licht bewirkte eine Zunahme der Gesamtbiomasse und der Blattlänge, während das Anthocyane (Anthocyan-) und antioxidative Potenzial unterdrückt wurde. Die Zugabe von fernrotem (735 nm) zum roten (660 nm) LED-Licht bei Gemüsepaprika führte zu höheren Pflanzen mit höherer Stammbiomasse als mit den roten LEDs allein. 

Sonneneinstrahlung

Die Sonnenstrahlung kann in drei Wellenbereiche unterteilt werden:

Ultraviolett (UV) hat eine Wellenlänge von weniger als 400 nm und kann aufgrund seiner hohen Energie Hautschäden verursachen.

Sichtbares Licht ist Licht innerhalb des Wellenbereichs von 380-770 nm und enthält den PAR-Wellenbereich (400-700 nm). Die verschiedenen Farben des sichtbaren Lichts, die den verschiedenen Wellenbändern entsprechen, haben möglicherweise nicht die gleiche Wirkung auf die Pflanzenentwicklung. 

Infrarot (IR)-Licht ist größer als 770 nm und hat einen Erwärmungseffekt. Das Rot: Fernrot (R:FR) -Verhältnis ist für Pflanzen sehr wichtig, da es die Wachstumsreaktion der Pflanzen beeinflusst.

Rot

Rotes Licht (630-720 nm) wird für die Entwicklung des Photosyntheseapparates und für die Photosynthese benötigt. Es ist für das Wachstum des Stammes sowie für die Ausdehnung der Blätter unerlässlich. Diese Wellenlänge reguliert auch die Blüte, die Ruhephasen und die Keimung der Samen.

Blau

Blaues Licht (400-520 nm) ist wichtig für die Synthese von Chlorophyll, die Entwicklung von Chloroplasten, die Öffnung der Stomata und die Photomorphogenese. Blaues Licht muss sorgfältig mit Licht aus anderen Spektren gemischt werden, da eine Überbelichtung mit Licht dieser Wellenlänge das Wachstum bestimmter Pflanzenarten hemmen kann. Licht im blauen Bereich beeinflusst auch den Chlorophyllgehalt der Pflanze sowie die Blattdicke.

Grün

Grünes Licht (500 – 600 nm) dringt durch dicke obere Baumkronen, um die Blätter in der unteren Baumkrone zu unterstützen. Grünes Licht allein reicht jedoch nicht aus, um das Pflanzenwachstum zu unterstützen, da es das Licht ist, das von den Pflanzen am wenigsten absorbiert wird. Aber wenn es in Kombination mit rotem, blauem und fernrotem Licht verwendet wird, wird grünes Licht sicherlich einige wichtige physiologische Wirkungen zeigen. Zusätzliches grünes Licht verstärkte das Wachstum von Salat unter roter und blauer LED-Beleuchtung. Grüne LEDs mit hohem PPF (300 µmol/m-2/S-1) sind am effektivsten, um das Wachstum von Salat zu fördern.

Fernrotes LED-Licht

Es hat sich herausgestellt, dass fernrotes LED-Licht (700-725 nm), welches über den PAR hinausgeht, das Pflanzenwachstum und die Photosynthese unterstützt. Fernrotes Licht durchdringt auch dichte obere Kronen, um das Wachstum von Blättern zu unterstützen, die sich weiter unten an den Pflanzen befinden. Darüber hinaus verkürzt die Einwirkung von IR-Licht die Zeit, die eine Pflanze zur Blüte benötigt. Ein weiterer Vorteil des fernroten LED-Lichts besteht darin, dass Pflanzen, die dieser Wellenlänge ausgesetzt sind, dazu neigen, größere Blätter zu produzieren als diejenigen, die keinem Licht in diesem Spektrum ausgesetzt sind.

Rot+Blau

Unterschiedliche Wellenlängen von rotem (660, 670, 680 und 690 nm) und blauem (430, 440, 460 und 475 nm) Licht können je nach Pflanzenart ungleiche Auswirkungen auf Pflanzen haben.

 

Grün+Rot+Blau

Die Wirkung von grünem (525 nm) LED-Licht auf die Keimung von Arabidopsis-Keimlingen zeigte, dass Keimlinge, die unter grünem, rotem und blauem LED-Licht aufgezogen werden, länger sind als Keimlinge, die nur unter rotem (630 nm) und blauem (470 nm) Licht aufgezogen werden.

Grün+Rot+Blau+Fernrot

Es hat sich gezeigt, dass rotes und fernrotes Licht die Photomorphogenese beeinflusst. So spielt das Verhältnis von rotem und fernrotem Licht auch eine wichtige Rolle bei der Regulation der Blüte. Experimente mit verschiedenen Wellenlängen von grünem, rotem, blauem und fernrotem Licht (die von LEDs geliefert werden), wären bei der Bestimmung der artspezifischen optimalen Wellenlänge für das Pflanzenwachstum von Vorteil. Die Ergebnisse der Untersuchungen des Lichtreaktionsspektrums könnten genutzt werden, um ein energieeffizientes, maßgeschneidertes Lichtreaktionsspektrum für bestimmte Pflanzenarten zu entwerfen.

Wenn Pflanzen reifen und ihren Wachstumszyklus, vom Samen bis zum Keimling und dann bis zur Blüte und Fruchtbildung durchlaufen, verwenden sie unterschiedliche Farbspektren, so dass das ideale LED-Licht für jedes Wachstumsstadium unterschiedlich ist. Das beste Farbspektrum hängt auch von der Art der Pflanze ab, die Sie anbauen möchten. Dies kann sehr kompliziert werden, und es ist wichtig, dass kommerzielle Züchter die richtigen Kombinationen anwenden, wenn sie maximale Ergebnisse erzielen wollen.

Es deutet auch darauf hin, dass Licht den Nährwert und den Gehalt an Antioxidantien in grünem Gemüse erhöhen kann: ein erhöhter Gehalt an Carotinoiden, Vitamin C, Anthocyanen und Polyphenolen ist möglich. In Zukunft wird uns weitere Forschung helfen, besser zu verstehen, wie Licht das Pflanzenwachstum beeinflusst.

Gewächshausbeleuchtungssysteme und welche Beleuchtungen Ihren Bedürfnissen entsprechen

Intelligente Gewächshäuser sind die Zukunft der Landwirtschaft.

In den nächsten 30 Jahren wird die Weltbevölkerung voraussichtlich um bis zu 34% wachsen und die Urbanisierung wird um etwa 20% zunehmen. Um diese größere und wohlhabendere Bevölkerung zu ernähren muss die Nahrungsmittelproduktion um schätzungsweise 70% steigen.

Pflanzen sind die einzigen Organismen, die zu der erstaunlichen Leistung der Photosynthese fähig sind, bei der Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe von Licht in Kohlenhydrate umgewandelt werden. Das Licht der Sonne oder anderen Quellen versorgt das Gewächshaus. Das Gewächshaus sollte einen Raum mit optimalen Bedingungen (Licht, Temperatur, Ernährung, Schädlingsbekämpfung usw.) für die Pflanzen bieten, damit sie Photosynthese betreiben können. 

Hier erfahren Sie, was Sie über zusätzliches Licht im Gewächshaus wissen müssen.

Wie beeinflusst zusätzliches Licht das Pflanzenwachstum?

Einer der Schlüsselfaktoren für ein optimales Pflanzenwachstum ist die Bereitstellung von ausreichend Licht für die Photosynthese. Das Blatt ist so konzipiert, dass es fast 95% des Lichts der Wellenlängen zwischen 400 und 700 nm absorbiert, aber nur 5% des Wellenbereichs 700-850 nm werden absorbiert. Von den restlichen 95% des 700-850-nm-Wellenbereichs werden 45 % reflektiert und 45 % transmittiert. Zahlreiche Strukturen im Gewächshaus können das Licht daran hindern auch die Pflanzen im Inneren zu erreichen.

So gelangt ein großer Teil der Sonnenstrahlung (30-50%) nicht zu den Pflanzen. Die Abdeckung des Gewächshauses, Plastik oder Glas, hat ebenfalls einen wichtigen Einfluss auf die Lichtdurchlässigkeit. Deshalb sind Zusatzleuchten für die Pflanzen notwendig.

Für Gewächshausbeleuchtungen, die im Gewächshaus eingesetzt werden, sind drei Parameter relevant: Qualität, Quantität und Dauer. Alle drei Parameter haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Pflanzenleistung. 

Lichtmenge (Intensität): Die Lichtmenge oder -intensität ist der Hauptparameter, der die Photosynthese beeinflusst, eine photochemische Reaktion innerhalb der Chloroplasten der Pflanzenzellen bei der Lichtenergie zur Umwandlung von atmosphärischem CO2 in Kohlenhydrate verwendet wird. 

Lichtqualität (spektrale Verteilung): Die Lichtqualität bezieht sich auf die spektrale Verteilung der Strahlung, d.h. welcher Anteil der Emission in den blauen, grünen, roten oder anderen sichtbaren oder unsichtbaren Wellenlängenbereichen liegt. Bei der Photosynthese reagieren Pflanzen am stärksten auf rotes und blaues Licht. Die spektrale Verteilung des Lichts beeinflusst auch die Pflanzenform, Entwicklung und Blüte (Photomorphogenese). 

Lichtdauer (Photoperiode): Die Photoperiode beeinflusst hauptsächlich die Blüte. Die Blütezeit bei Pflanzen kann durch Regulierung der Photoperiode gesteuert werden.

Nützliche Konzepte:

DLI: Das Tageslicht-Integral (Daily Light Integral=DLI) wurde von Wissenschaftlern entwickelt, um ein Maß für die kumulative photosynthetisch aktive Strahlung (photosynthetically active radiation=PAR) zu liefern, die von Pflanzen im Laufe eines Tages empfangen wird. Das Konzept ähnelt der Messung des täglichen Niederschlags in Zentimetern pro Tag.

Das DLI integriert die Lichtintensität in Mikromol pro Quadratmeter pro Sekunde (μmol/m2/s) und summiert diese über 24 Stunden. Das gesamte Tagesintegral wird als Mol pro Quadratmeter pro Tag ausgedrückt (Mol/m2/Tag).

Der gesamte tägliche Lichtbedarf variiert beträchtlich zwischen verschiedenen Pflanzenarten. Wenn der verfügbare DLI-Wert unter dem empfohlenen Wert liegt, kann die Differenz durch zusätzliches Licht ausgeglichen werden.

Pflanzenphysiologie

Pflanzen wachsen durch die Umwandlung von Photonen (Sonnenschein oder zusätzliche Beleuchtung), Wasser und CO2 in Zucker und Sauerstoff. Die Umweltbedingungen und die Physiologie jeder Pflanze bestimmen die Geschwindigkeit der Photosynthese. Bei den Lichtreaktionen der Photosynthese werden Photonen von photosynthetischen Pigmenten absorbiert, und die Energie wird zum Transport von Elektronen verwendet. Dieser Elektronentransport führt dann zur Produktion von Chemikalien, die für die Synthese von Zucker benötigt werden. Die Elektronentransportrate (ETR) ist ein direktes Maß für die Lichtreaktionen der Photosynthese als Reaktion auf den photosynthetischen Photonenfluss (PPF). Die ETR ist die treibende Kraft für die Photosynthese und letztlich für das Pflanzenwachstum.

Wie kann die DLI für bessere Ernteerträge erhöht werden?

Die Erhöhung der DLI ist ein wirksames Mittel zur Ertragssteigerung. Entweder gibt man den Pflanzen intensiveres Licht, oder man gibt ihnen mehr Lichtstunden pro Tag, was sie dazu bringen kann, mehr zu produzieren. Zu viel Licht kann jedoch den Erträgen schaden und Energie verschwenden. Deshalb müssen die Landwirte entscheiden wie viele Stunden sie ihre Zusatzlichter verwenden und wie viel PPFD die Zusatzlichter liefern, je nachdem, welche Pflanzen sie anbauen. 

Um optimale Ergebnisse zu erzielen, müssen die Landwirte wissen, dass der DLI-Wert im Freien je nach Breitengrad, Jahreszeit und Bewölkungsgrad variiert. Wenn der DLI-Wert niedrig ist, wäre es ratsam, die Menge an natürlichem Licht zu maximieren, die die Pflanze erreichen kann.

Gewächshausstrukturen stellen ein Hindernis für die Sonneneinstrahlung dar: Rahmen, Glasleisten, Schmutz und Dachrinnen, weil sie undurchsichtig sind und das gesamte Licht, das sie erreicht, absorbieren oder reflektieren. Während des Sommers mit langen Tagen und hohen Sonneneinstrahlungswinkeln ist dies kein Problem; im Herbst, Winter und Frühling ist die Lichtmenge jedoch in der Regel marginal. Das ganze Jahr über liegt der DLI-Wert im Freien zwischen 5 und 60 mol/m2/Tag. Im Gewächshaus überschreiten die Werte jedoch nur selten 25 mol/m2/Tag. Hinzu kommt der Lichtverlust durch die Verglasung des Gewächshauses und die Obstruktionen im Gewächshaus. Das Licht, das letztendlich zu den Pflanzen gelangt, ist in der Regel geringer als für ein optimales Pflanzenwachstum erforderlich ist.

Im Wesentlichen sind niedrige Beleuchtungsniveaus für lange Zeiträume energieeffizienter als hohe Niveaus für kurze Zeiträume. Darüber hinaus wird zusätzliches Licht, das bei niedrigem Sonnenlichtniveau zur Verfügung gestellt wird, effizienter genutzt als zusätzliches Licht, das bei hohem Sonnenlichtniveau zur Verfügung gestellt wird.

Die Formel zur Berechnung des DLI lautet: μmol m-2s-1 (oder PPFD) x (3600 x Photoperiode) / 1.000.000 = DLI (oder mol/m2/Tag)

PPFD ist die Anzahl der Photonen, die jede Sekunde auf einer bestimmten Fläche (m2) eintreffen, gemessen in Mikromol (µmol m-2 s-1)

1.000.000 Mikromol = 1 Mol

3600 Sekunden = 1 Stunde

Wenn Sie zum Beispiel wissen, dass eine Tomatenpflanze 30 DLI pro Tag benötigt und normales Sonnenlicht 20 DLI pro Tag liefert, dann benötigen Sie 10 weitere DLI. Wenn Sie Ihre Tomatenpflanzen 18 Stunden lang mit Zusatzlicht beleuchten wollen, welche Art von PPFD müssen Sie für das Zusatzlicht in Betracht ziehen?

PPFD=(10*1,000,000)/(3600*18)=154.32

Wenn Sie die Lichter in einem Abstand von 80 cm über die Pflanzen hängen möchten, müssen Sie nach einem Wachstumslicht suchen, welches einen PPFD-Wert von 154,32 µmol m-2 s-1 @80cm hat.