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Grundlagen der Horticulture Beleuchtung

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Grundlagen der Pflanzenanbau Beleuchtung

Pflanzen wachsen und gedeihen normalerweise sehr gut unter natürlichem Sonnenlicht. Aus geographischen und meterologischen Gründen ist Sonnenlicht jedoch häufig nicht immer in ausreichender Menge pro Zeiteinheit verfügbar. Nicht nur im traditionellen Gewächshausanbau nehmen moderne Beleuchtungssystemoptionen heutzutage eine bedeutende Rolle ein. Insbesondere beim Cannabisanbau spielen LED-Beleuchtungssysteme eine zentrale Rolle, um die für das Pflanzenwachstum erforderliche Photosynthese und Photomorphogenese zu unterstützen. Mittels einer zusätzlichen künstlichen LED Beleuchtung kann damit der Pflanzenertrag erhöht werden.

Die Pflanzenbeleuchtung hat im Grunde nur rudimentäre Entwicklungen seit den letzten 60 Jahren vollzogen. In den späten 1950iger bzw. frühen 1960iger Jahren wurden Natriumdampf-Hochdrucklampen, auch bekannt als „High Pressure Sodium“ (abgekürzt HPS) Lampen, entwickelt. Zu jener Zeit stellte deren hohe elektrische Effizienz, lange Nutzungsdauer sowie deren relativ breites Einsatzspektrum den Produzentem bzw. Farmern die beste Beleuchtungsoption dar.

Leuchtdioden (von englisch „light-emitting diode“ oder abgkürzt LED) stellen die neueste Beleuchtungstechnologie im Pflanzenanbau dar. Die erste LED, die sichtbares Licht emittierte, kam in den frühen 1960iger Jahren auf den Markt. In den vergangenen 50 Jahren wurden zahlreiche technologische Fortschritte innerhalb der LED Beleuchtung errungen. LEDs, die anfänglich kaum sichtbares Licht in einem dunklen Raum ausstrahlten, emittieren heutzutage Licht wie alle anderen auf dem Pflanzenanbaubeleuchtungsmarkt verfügbaren Technologien. Genau wie HPS Lampen, die anfänglich die effizienteste und langlebigste Beleuchtungsoption darstellten, erfüllen nun LEDs diese Eigenschaften, jedoch mit weitaus besserer Effizienz und zusätzlicher Funktionalität.

Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum umfasst die Gesamtheit der in der Natur vorkommenden elektromagnetischen Strahlungsarten. Elektromagnetische Strahlungen – mit Ausnahme der „sichtbaren Strahlung“ – sind mittels des menschlichen Auges nicht wahrnehmbar.

Insbesondere Energie in Form von Licht ist neben Wasser und mineralischen Nährstoffen für das Pflanzenwachstum erforderlich. Die Auswahl des richtigen Lichts ist daher für die Pflanzenentwicklung von hoher Bedeutung. Als Energiequelle übt Licht letzten Endes einen unmittelbaren Einfluss auf das Wachstum und die Erträge von Pflanzen aus.

Die Sonne strahlt hierbei die erforderliche Energie in Form von Sonnenstrahlung ab. Sonnenlicht besteht aus einem Spektrum verschiedener Strahlenarten mit unterschiedlichen Wellenlängen, die von den Pflanzen aufgenommen werden.

Die Zusammensetzung der Sonnenstrahlung ist in der folgenden Übersicht wiedergegeben:

Strahlungsart
Anteil an der Gesamtstrahlung der Sonne
Sichtbare Strahlung / Licht
48%
Infrarote Strahlung
38%
Ultraviolette Strahlung
7%
Langwellige Strahlung
6%
Kurzwellige Strahlung
1%

Neben der sichtbaren Strahlung und der Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) sendet die Sonne somit auch Ultraviolette (UV) Strahlung aus. Der Anteil der sichtbaren Strahlung an der Gesamtstrahlung der Sonne ist mit ca. 48 % der höchste Anteil unter den oben aufgeführten Strahlungsarten.

Die Wellenlänge der Strahlungen bestimmt dabei die Eigenschaft der Strahlung. Generell gilt, je kleiner die Wellenlänge, desto energiereicher ist die Strahlung. Folgende Tabelle gibt die Wellenlängenbereiche der Hauptstrahlungsarten wider:

Strahlungsart
Wellenlängenbereich
Ultraviolette Strahlung
280 nm – 380 nm
Sichtbare Strahlung / Licht
380 nm – 750 nm
Infrarote Strahlung
750 nm – 1000 nm

Auf die Erde treffen damit Lichtwellenlängen zwischen 280 nm und 1000 nm, die einen unmittelbaren Einfluß auf das Pflanzenwachstum haben. Im folgenden Abschnitt werden die 3 oben aufgeführten Strahlungsarten hinsichtlich ihres Einflußes auf das Pflanzenwachstum und die Pflanzenmorphologie näher erläutert.

Infrarotstrahlung

Die Infrarotstrahlung – auch als Wärmestrahlung bezeichnet – ist Teil der optischen Strahlung und damit Teil des elektromagnetischen Spektrums.

Infrarotstrahlung wird weiterhin unterteilt in

  • Nahes Infrarot („near infrared“ oder abgekürzt NIR)
  • Mittleres Infrarot („mid infrared“ oder abgekürzt MID)
  • Fernes Infrarot („far infrared“ oder abgekürzt FIR)

Der Bereich des Nahinfrarots spielt eine bedeutende Rolle bei der Versorgung von Pflanzen. Die nachfolgenden langwelligeren Infrarotstrahlen spielen für die Photosynthese kaum noch eine Rolle. Mit ihren Wärmestrahlen erwärmt sie jedoch die Pflanzen und regt damit die Pflanzentranspiration an. Eine gesteigerte Transpiration sorgt auch für eine schnellere Wasseraufnahme. So wird der Wasserhaushalt und damit ein gesunder Stoffwechsel innerhalb der Pflanzen erzeugt. Durch das Infrarot-Licht kann die Pflanze damit mehr Kohlenstoffdioxid und Wasser innerhalb der Photosynthese aufnehmen. Damit wird indirekt die Photosynthese-Leistung gesteigert. Allerdings muß die Pflanzentemperatur regelmäßig kontrolliert werden und eine Überhitzung der Pflanzen vermieden werden. Ebenso muß die Luftfeuchtigkeit reguliert werden. Eine Kombination aus zu starker Pflanzenbeleuchtung, einer zu hohen Pflanzentemperatur und zu niedriger Luftfeuchtigkeit führt zu einem Abbruch der Photosynthese und kann dadurch das Pflanzenwachstum negativ beeinträchtigen.

Sichtbare Strahlung / Licht

Dem Infrarot folgt der für das menschliche Auge sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung, das sogenannte „sichtbare Licht“. Es wird oft als das „Lichtspektrum“, „Farbspektrum“ oder auch als das „sichtbare Spektrum“ bezeichnet.

Die verschiedenen Wellenlängen des Lichts nehmen wir als Farben wahr. Folgende Tabelle listet die unterschiedlichen Farben des Lichtspektrums und ihr zugehöriger Wellenlängenbereich auf:

Farbton
Wellenlängenbereich
Violett
380 nm – 420 nm
Blau
420 nm – 490 nm
Grün
490 nm – 575 nm
Gelb
575 nm – 585 nm
Orange
585 nm – 650 nm
Rot
650 nm – 750 nm

Ultraviolette Strahlung

Dem sichtbaren Licht folgt die Ultraviolette Strahlung. UV-Strahlung ist für den Menschen nicht sichtbar und kann auch nicht mit anderen Sinnesorganen wahrgenommen werden. Die UV-Strahlung ist der energiereichste Teil der optischen Strahlung.

Die Stärke der UV-Strahlung auf der Erdoberfläche hängt vom Breitengrad, von der Jahreszeit und von der Tageszeit ab. Je näher man dem Äquator kommt, desto intensiver wird sie. Im Sommer ist die UV-Strahlung stärker als im Winter – und mittags ist sie intensiver als morgens oder abends.

Man untergliedert die UV Strahlung entsprechend der Wellenlänge in die 3 Bereiche UV-A, UV-B und UV-C:

UV-C: 100 nm bis 280 nm

UV-C Strahlen sind sehr kurzwellig und schädlich, werden aber von der Erdatmosphäre absorbiert und gelangen nicht auf die Erdoberfläche.

UV-B: 280 nm bis 315 nm

Die kurzwellige und energiereiche UV-B-Strahlung wird abhängig vom Zustand der Ozonschicht ebenfalls durch die Erdatmosphäre ausgefiltert. Es erfolgt jedoch keine vollständige Absorption: Etwa bis zu 5 % der UV-B-Strahlung erreichen noch die Erdoberfläche.

UV-A: 315 nm bis 400 nm

Die langwelligen UV-A Strahlen repräsentieren 95% der UV-Strahlen, die weitgehend unbehindert auf die Erde gelangen. Sie werden nicht von der Atmosphäre absorbiert und werden auch als „Schwarzlicht“ bezeichnet.

Zusammenfassung des elektromagnetischen Spektrums

Folgende Übersicht faßt das Spektrum der 3 Strahlenarten (UV Licht, Sichtbares Licht, Infrarot) mit Wellenlängenbereichsangabe zusammen:

Lichteigenschaften

In diesem Abschnitt werden nun die 3 Lichteigenschaften „Lichtintensität“, „Lichtqualität“ und „Photoperiode“ erläutert. Mit modernen LED Beleuchtungssystemen haben Produzenten gänzlich Kontrolle über die Lichtintensität, Lichtqualität und Photoperiode. Diese 3 Lichteigenschaften haben einen unmittelbaren Einfluß auf das Pflanzenwachstum und die Pflanzenmorphologie. Es kann sich schädlich auf die Pflanzenentwicklung auswirken, wenn nur eine dieser 3 Eigenschaften vernachlässigt oder gar ignoriert wird. Es müssen daher stets alle 3 Lichteigenschaften während der Anbauflächenoptimierung berücksichtigt werden.

Lassen Sie uns diese 3 Lichteigenschaften nun näher betrachten.

Lichtintensität

Die Lichtintensität stellt die Menge an Licht dar, die der Pflanze zur Verfügung gestellt wird. Es gibt zwei Methoden, um die Lichtintensität zu messen:

  • Photosynthetische Photonenflussdichte („Photosynthetic Photon Flux Density“, PPFD) und
  • Tägliches Lichtintegral („Daily Light Integral“, DLI)

Photosynthetische Photonenflussdichte

PPFD wird durch eine gegenwärtige Messung der Anzahl der Photonen bestimmt, die von der Pflanze empfangen wird und für die Photosynthese verwendet werden kann.

PPFD wird in Mikromol pro Quadratmeter und Sekunde (μmol·m-2·s-1) notiert.

PPFD wird benutzt, um herauszufinden, wieviel Licht eine Pflanze zu einem bestimmten Zeitpunkt und Fläche erhält. PPFD wird häufig für Innenanbaupflanzen ermittelt, wo Beleuchtungslampen die einzige Lichtquelle darstellen.

Tägliches Lichtintegral

DLI ist eine bedeutende Kennzahl, die in jedem Gewächshaus erhoben werden sollte, da sie das Pflanzenwachstum, die Pflanzenentwicklung, den Pflanzenertrag sowie Pflanzenqualität direkt beeinflußt.

Vergleichbar mit einer Regentonne, in der PPFD die einzelnen Regentropfen darstellen, stellt DLI eine tägliche Messung der Anzahl der Photonen dar, die von einer Anbaufläche erhalten wurde und für Photosynthesezwecke verwendet werden kann.

DLI wird berechnet, indem PPFD in einer 24 Stundenperiode erhoben wird. PPFD wird in Mol pro Quadratmeter und Tag (mol-m-2-d-1) notiert. Es gilt folgende Formel:

Es ist ebenfalls von Bedeutung DLI zu berücksichtigen, insbesondere dann, wenn Pflanzen in einem Gewächshaus angebaut werden und neben dem natürlichen Sonnenlicht auch eine Assimilationsbeleuchtung erhalten.

Lichtqualität

Lichtqualität bezieht sich auf das Lichtspektrum oder die Lichtwellenlänge, die Pflanzen erhalten. Mithilfe des erhaltenen Lichtes und des absorbierten Wassers und Kohlenstoffdioxids wird die pflanzliche Photosynthese in Gang gesetzt, die letztlich die Energie generiert, welche Pflanzen für das Wachstum benötigen.

Pflanzen können Lichtwellenlängen aufnehmen, die von Ultraviolett (UV) bis Dunkelrot bzw. von 280 nm bis 800 nm reichen. Dies wird auch „Photobiologisch aktive Strahlung“ (oder „Photo-Biologically Active Radiation“ bzw. abgekürzt PBAR) genannt.

Die Lichtwellenlängen, die von 380 nm bis 750 nm reichen, werden für Photosynthesezwecke von der Pflanze benutzt. Dies wird auch als ‚Photosynthetisch aktive Strahlung“ (oder „Photosynthetically Active Radiation“ bzw. abgekürzt PAR) bezeichnet. Das sichtbare Licht ist damit der „Motor“ der Photosynthese.

Innerhalb der PAR wird Blaulicht normalerweise mit einer Wellenlänge von 400 nm bis 500 nm definiert, Grünlicht von 500 nm bis 600 nm und Rotlicht von 600 nm bis 700 nm.

Allerdings wirkt sich nicht jede Wellenlänge im PAR-Spektrum gleich stark auf die Photosynthese einer Pflanze aus. Die Effizienz der jeweiligen Wellenlänge wird anhand der „McCree Kurve“ dargestellt:

Die Spitzen der „McCree Kurve“ liegen im orange-roten und violett-blauen Spektralbereich. Im grünen und gelben Spektralbereich ist ein Minimum zu erkennen, es handelt sich also nicht – wie lange Zeit angenommen – um eine Nullstelle. Dieses Minimum hat zu dem Mißverständnis geführt, daß grünes Licht innerhalb der Pflanzenbeleuchtung eine untergeordnete Bedeutung spielt. Dabei zeigt die Kurve, dass die Photosynthese im grünen Spektralbereich zwar weniger stark verläuft, aber nicht auf Null abfällt. Da die Kurve anhand von Messungen an einzelnen Blättern erstellt wurde, wurde nicht die Reaktion der ganzen Pflanze auf grünes Licht betrachtet. Für eine ganze Pflanze ist bei grünem Licht kaum eine Abnahme in der Photosyntheserate festzustellen. Das erklärt sich wie folgt: Der grüne Anteil des Lichts, das auf das erste Blatt fällt, wird nur teilweise genutzt. Der nicht genutzte Teil fällt durch das Blatt hindurch und wird von jedem darunter liegenden Blatt ebenfalls wieder teilweise genutzt. Insgesamt ist der genutzte Anteil also durchaus hoch. Daher sollte grünes Licht innerhalb der Pflanzenbeleuchtung keineswegs vernachlässigt werden.

Selbst innerhalb des PAR Lichtspektrumbereiches treten Unterschiede in der Absorption des Lichtes von Pflanzen auf. Ähnlich den Menschen, die Kohlenhydrate, Fette und Proteine auf unterschiedliche Weise verarbeiten, nutzen auch Pflanzen Lichtwellenlängen andersartig wie folgende Abbildung zeigt:

Die Photosynthese hängt hierbei von der Lichtabsorptionsfähigkeit der pflanzlichen Blattpigmente ab. Es handelt sich um das Chlorophyll A und Chlorophyll B. Wie in obiger Abbildung dargestellt wird, absorbieren nicht alle Lichtwellenlängen im PAR Bereich Licht einheitlich.

Zusätzlich zur Förderung der Photosynthese ist die Lichtqualität verantwortlich für andere Pflanzenentwicklungen, wie z.B. Reduzierung des Internodienabstandes, Einstellung der zirkadianen Uhr, Blütenbildung, Pflanzenmorphologie als auch Cannabinoid- und Terpengehalt.

Mit modernen LED Beleuchtungstechnologien kann die Lichtqualität während aller Pflanzenwachstumsstadien eingestellt werden, um das Pflanzenwachstum genau zu kontrollieren und zu beeinflussen. Es ist auch von Bedeutung zu erwähnen, daß Lichtwellenlängen außerhalb des PAR Bereiches zur Entwicklung von sekundären Pflanzenstoffen benutzt werden.

Photoperiode

Die Photoperiode ist die Lichtdauer, die eine Pflanze pro Tag erhält.

Pflanzen können sehr gut die Lichtperiode und Dunkelperiode wahrnehmen. Das Pflanzenverhalten zu diesem Licht- und Dunkelkreislauf wird auch als Photoperiodismus bezeichnet. Eine Beeinflussung der Photoperiode wird oft dazu benutzt, um Pflanzen von der vegetativen zur reproduktiven Wachstumsphase zu steuern.

Lichtspektrum von LED Beleuchtungssystemen

Moderne LED Beleuchtungssysteme sind zum einen zur Förderung der Photosyntheseleistung entwickelt worden und zum anderen bieten sie dynamische Lichtspektrumanpassungsoptionen, um das Pflanzenwachstum als auch eine gesunde Pflanzenentwicklung zu ermöglichen.

Diese LED Beleuchtungssysteme können sowohl im reinen Innenbetrieb als auch im Gewächshausbetrieb eingesetzt werden. In beiden Fällen wird Licht im PAR Bereich bereitgestellt, welches für Photosynthesezwecke von den Pflanzen benötigt wird.

Für den Innenbetrieb von LED Beleuchtungssystemen ist auch Weißlicht in das Standardlichtspektrum mit aufgenommen worden, so daß der Pflanzenstoffwechsel unterstützt werden kann, während Rot- und Blaulicht die Photosynthese fördern.

Außerdem sind diese LED Beleuchtungssysteme im Hinblick auf einen bedeutsam geringeren Energieverbrauch und damit verbundene Elektrizitätskosten entwickelt worden.

Unterstützung der Photosyntheseleistung mittels LEDs

Sämtliche auf dem Markt angebotenen LED Beleuchtungssysteme sind mit dem Ziel entwickelt worden, eine optimale Photosyntheseleistung der Pflanzen zu unterstützen. Von zahlreichen LED Herstellern wird oft behauptet, dass ein „komplettes Lichtspektrum“ – ähnlich dem Lichtspektrum der Sonne – angeboten wird. In der Realität ist dies jedoch nicht zutreffend, die meisten LED Leuchten bieten kein „komplettes Solarlichtspektrum“ an, häufig sind UV-A, UV-B, Dunkelrot und Infrarot Wellenlängen nicht enthalten. Außerdem ist momentan die Herstellung solcher „komplett Solarlichtspektrum“ LED Lampen aus Kostengründen unerschwinglich bzw. nicht rentabel.

Es ist ebenso von Bedeutung zu wissen, daß Pflanzen ein zur Verfügung gestelltes komplettes Lichtspektrum gar nicht nutzen und nur spezifische Lichtwellenlängen benötigen. Die meisten LED Lampen sind daher auf den PAR Bereich ausgelegt; dies ist der Lichtwellenlängenbereich, der für die Photosynthese benötigt wird.

Da moderne LED Lampen in erster Linie Licht nur in roten und blauen Wellenlängen für Photosynthesezwecke anbieten, werden Anschaffungs- als auch Energiekosten der Produzenten reduziert.

Wichtige Umweltbedingungen

Neben dem Verständnis der Lichtwellenlängenoptimierung von modernen LED Beleuchtungssystemen, ist es ebenso von Bedeutung zu wissen, wie andere Umweltfaktoren die Lichtperformance beeinflussen. Hierzu zählen beispielsweise die Luftfeuchtigkeit und Temperatur.

Relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur

Vereinfacht ausgedrückt, beeinflussen relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur die Pflanzentranspiration. Relative Luftfeuchtigkeit bezieht sich auf die in der Luft tatsächlich enthaltene Wasserdampfmenge im Verhältnis zur maximalen Wasserdampfmenge, die bei dieser Temperatur in der Luft enthalten sein kann. Die in der Luft enthaltene Wassermenge steht in einem direkten Verhältnis zur Umgebungstemperatur; wärmere Luft kann mehr Wasser aufnehmen als kältere Luft.

Eine geeignete Kennzahl zum Messen dieser beiden Umweltfaktoren ist das „Sättigungsdefizit“ („Vapor Pressure Deficit“ bzw. abgekürzt VPD). VPD ist die Differenz zwischen der in der Luft enthaltene Wasserdampfmenge und der maximalen Menge an Wasserdampf, die die Luft aufnehmen kann – dies wird auch als Sättigungsdampfdruck bezeichnet. Die VPD Kennzahl wird eingesetzt, um die Pflanzentranspiration zu prognostizieren. Außerdem unterstützt VPD die Produzenten bei der Pflanzenwachstumsoptimierung innerhalb ihrer Kultivierung.

Ein hoher VPD Wert, gemessen in Kilo Pascals (größer als 1,0 kPa), gibt an, daß die Luft mehr Wasser aufnehmen kann, was auf einen geringen Feuchtigkeitsanteil in der Luft hinweist. Damit neigen die Pflanzen zu einer stärkeren Transpiration.

Ein geringer VPD Wert bedeutet, daß die Luft einen hohen Feuchtigkeitsanteil aufweist, was die Pflanzentranspiration reduziert und die Nährstoffaufnahme beeinflußt. Wenn der VPD Wert zu niedrig ist, dann bildet sich zusätzlich zur Pflanzentranspirationsreduktion ein Wasserfilm auf der Blattoberfläche, was Pflanzen zu Krankheiten anfällig machen kann.#

Wenn der VPD Wert gut gemessen und angepaßt wird, dann erfolgt eine eigenständige Pflanzentranspiration bei bereitwilliger Nährstoff- und Kohlenstoffdioxidaufnahme der Zellen.

Optimierung von Kohlenstoffdioxid für einen Anbau mittels LED

Eine Anreicherung von Kohlenstoffdioxid wird von vielen Produzenten eingesetzt, um Photosynthese und Pflanzenwachstum zu steigern. Es wird eine Kohlenstoffdioxidkonzentration von 1200 bis 1500 ppm empfohlen. Die Kohlenstoffdioxidaufnahme wird erhöht, wenn sowohl die Temperatur als auch Lichtintensität zunimmt. Forschungen haben erwiesen, dass eine Kohlenstoffdioxidkonzentration über 1200 bis 1500 ppm nicht förderlich für die Pflanzen ist.

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