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Spektrale Einflüsse von LED Lampen auf das Wachstum von Zierpflanzen

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Verwendung von LED Lampen innerhalb der Zierpflanzenaufzucht

LED Lampen werden in jüngster Zeit auch vermehrt bei der Aufzucht von Zierpflanzen eingesetzt. So werden bspw. Orchideen, Zwiebelblumen oder Fuchsien in einer kontrollierten Umgebung – welche von Gewächshäusern bis Indoor Vertical Farmen reicht – mit LED Licht bestrahlt. Der Vorteil von LED Lampen liegt hierbei ganz klar auf der Hand: So kann das erforderliche Farbspektrum genau auf die Bedürfnisse bzw. gewünschten Pflanzenattribute eingestellt werden. Eine Bestrahlung mit Rotlicht setzt bei vielen Pflanzen auf sehr effiziente Weise die Photosynthese in Gang. Blaulicht wird oft eingesetzt, um die Entwicklung bestimmter Pflanzenmerkmale zu stimulieren. Blau- und Rotlicht zusammen weisen auch die höchste PPE („Photosynthetische Photoneneffizienz“ oder „Photosynthetic Photon Efficacy“) Effizienz auf. Aus diesem Grunde sind viele kommerzielle LED Leuchten für diverse Pflanzenapplikationen mit Blau- und Rotlicht ausgestattet. Verschiedene Blumenarten sind erfolgreich mit Blau- und Rotlicht aufgezogen worden, bspw. Petunien, Catharanthen, Geranien und Ringelblumen. Ein Nachteil dieser Blau- und Rotlichtbestrahlung ist die rechtzeitige, visuelle Identifizierung von Ernährungsmängeln, Krankheitssymptomen oder physiologischen Störungen, da die Blumen in einem „lilafarbenen“ Licht erscheinen und diese möglichen Symptome schwer mit dem menschlichen Auge erkannt werden können. Desweiteren empfinden es viele Menschen als nicht angenehm, in einem Raum mit „lilafarbener“ Beleuchtung zu arbeiten.

Einsatz von Grünlicht

Eine mögliche Lösung besteht darin, Grünlicht (500 bis 600 nm) zu dem Blau- und Rotspektrum hinzuzufügen. Blätter absorbieren Grünlicht weniger effizient als Blau- und Rotlicht und zwei Spitzen bzw. Hochpunkte der relativen Quanteneffizienz befinden sich in der Blau- und Rotlichtregion:
Aus diesem Grund ist Grünlicht zur Förderung der Photosynthese weniger effizient als Blau- und Rotlicht. Jedoch beträgt die durchschnittliche relative Quanteneffizienz des Grünlichtbereichs 0.87, welche etwas geringer als die Effizienz des Rotlichtbereichs von 0.91 und höher als die Effizienz des Blaulichtbereichs von 0.73 ist. Außerdem dringt Grünlicht stärker in das Blatt ein, während Blau- und Rotlicht vermehrt von den Chloroplasten in dem oberen Teil des Blatts absorbiert wird. Mit zunehmender PPFD stimulieren Blau- und / oder Rotphotonen die Photosynthese in den oberen Teilen der Blätter, während Grünphotonen von den Chloroplasten in den unteren Teilen der Blätter absorbiert werden und damit insgesamt die Photosyntheseleistung steigern. Im allgemeinen gilt daher, daß bei konstant gehaltener PPFD eine Substitution von Blau- oder Rotlicht mit Grünlicht das Pflanzenwachstum nicht mindert. Grünlicht kann daher mit Blau- und Rotlicht in ein Pflanzenbeleuchtungsspektrum einbezogen werden. Neben dem positiven Pflanzenwachstumseffekt wird es damit auch dem menschlichen Auge ermöglicht, das Pflanzenwachstum, mögliche Ernährungsmängel oder Krankheitssymptome besser zu erkennen.

„Green Gap“ oder die Verwendung von Weißlicht

Auf der anderen Seite sind Grünlicht LED’s im Vergleich mit Blau- und Rotlicht LED’s bei der Konvertierung von Elektrizität in Photonen ineffizient. Dies wird auch oft mit dem Ausdruck „green gap“ umschrieben. Da die heutigen phosphor-konvertierten LED’s sehr gute Lichqualitäten erreichen, kann man auch Weißlicht LED’s zusammen mit Blau- und Rotlicht LED’s verwenden, um ein breites Spektrum abzudecken.

Verwendete Pflanzenarten

In diesem Versuch wurden Begonien, Geranien und Petunien aufgrund ihrer kommerziellen Bedeutung sowie Schattentoleranz und photoperiodischer Blütenbildung ausgewählt. Geranien und Petunien sind schattenvermeidene Pflanzenarten, während Begonien schattentolerante Arten darstellen. Geranien und Begonien sind tagneutrale Pflanzen. Petunien sind Langtagpflanzen:
Pflanzenart
Schattentoleranz
Photoperiodismus
Begonien
Schattentolerant
Tagneutral
Geranien
Schattenvermeidend
Tagneutral
Petunien
Schattenvermeidend
Langtagpflanzen

Bestrahlungsarten und Wachstumsbedingungen

Insgesamt 8 LED Module wurden in einer klimatisierten Wachstumskammer angebracht, die konstant auf 20 Grad Celsius temperiert wurde. Jedes LED Modul wurde in einem separaten und abgegrenzten Bereich installiert, das mit jeweils 60 Blaulicht (445 nm), Grünlicht (530 nm), Rotlicht (660 nm) und Mint-Weißlicht (550 nm) LEDs ausgestattet wurde.
Jedes Modul erbracht eine PPFD in Höhe von 170 µmol m-2 s-1 und die Photoperiode betrug 16 Stunden.

Als Kennzahlen zur Beurteilung des Wachstums wurden

  • Setzlinghöhe
  • gesamte Blattfläche sowie
  • Frisch- und Trockengewicht

erhoben.

Versuchsergebnisse

Pflanzenwachstum und Entwicklung

Die Wachstumskennzahlen aller 3 Pflanzenarten, die unter mint-weißem, blauem und rotem Licht aufgezogen wurden, waren vergleichbar.

Energieeffizienz

Es gilt folgende photosynthetische Photoneneffizienz (PPE):

Strahlungsart
PPE (µmol J-1)
Mint-weiß
1.53
Mint-weiß Rot
1.75
Mint-weiß Blau
1.64
Blau-Rot
2.27
Blau- und Rotlicht weist demnach die höchste photosynthetische Photoneneffizienz auf. Es wurde jedoch ebenfalls festgestellt, daß mit zunehmender Substitution von Mint-Weißlicht LED’s durch Rotlicht LED’s die Effizienz zunahm und fast das Niveau der Blau-Rot Effizienz erreichte. Darüber hinaus wiesen die Setzlinge unter Blau- und Rotlicht ein vergleichbares Trockengewicht auf als unter Bestrahlung von Mint-Weißlicht zusammen mit Rotlicht LED’s. Dies belegt, daß eine „rosafarbene“ Mischung von Mint-Weißlicht zusammen mit Rotlicht ein ähnliches Pflanzenwachstum generieren kann wie eine traditonelle Blau-, Rotlichtbestrahlung.

Zusammenfassung

Gegenwärtig für Pflanzenapplikationen hergestellte LED Leuchten decken meistens nur das Blau- und Rotlichtspektrum ab. Dieser Versuch hat gezeigt, daß mit einem bestimmten Mint-Weißlichtanteil ein vergleichbares Pflanzenwachstum erzeugt werden kann als nur Blau- und Rotlicht. Gleichzeitig wird mit einem zusätzlichen Weißlichtanteil das menschliche Sehvermögen unterstützt bzw. verbessert. Das „rosafarbene“ Licht, welches mit einer Mischung von mint-weißem und rotem LED Licht generiert wurde, stellte im Vergleich mit dem Blau- und Rotlicht das effizienteste Spektrum im Hinblick auf die Trockengewichtkennzahl dar.

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