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Gewächshausbeleuchtungssysteme und welche Beleuchtungen Ihren Bedürfnissen entsprechen

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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.

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