Autoren: Yamin Li und Houcheng Liu u. a., Fakultät für Gartenbau, Südchinesische Landwirtschaftsuniversität

Artikelquelle: Gewächshausgartenbau

Zu den wichtigsten Arten von Gewächshäusern für den Pflanzenanbau zählen Kunststoffgewächshäuser, Solargewächshäuser, Mehrfeldgewächshäuser und Pflanzenfabriken. Da die Gebäude natürliche Lichtquellen teilweise abschirmen, ist die Innenbeleuchtung unzureichend, was wiederum Ertrag und Qualität der Ernte mindert. Daher ist Zusatzbeleuchtung für qualitativ hochwertige und ertragreiche Pflanzen unerlässlich, führt aber gleichzeitig maßgeblich zu einem höheren Energieverbrauch und damit zu höheren Betriebskosten.

Lange Zeit wurden in der Gewächshausgärtnerei hauptsächlich künstliche Lichtquellen wie Natriumdampf-Hochdrucklampen, Leuchtstofflampen, Halogenlampen und Glühlampen eingesetzt. Zu ihren größten Nachteilen zählen die hohe Wärmeentwicklung, der hohe Energieverbrauch und die hohen Betriebskosten. Die Entwicklung der neuen Generation von Leuchtdioden (LEDs) ermöglicht nun den Einsatz energieeffizienter künstlicher Lichtquellen in der Gewächshausgärtnerei. LEDs zeichnen sich durch hohe photoelektrische Umwandlungseffizienz, Gleichstrombetrieb, geringe Größe, lange Lebensdauer, niedrigen Energieverbrauch, feste Wellenlänge, geringe Wärmestrahlung und Umweltverträglichkeit aus. Im Vergleich zu den derzeit üblicherweise verwendeten Natriumdampf-Hochdrucklampen und Leuchtstofflampen können LEDs nicht nur die Lichtmenge und -qualität (das Verhältnis verschiedener Lichtspektren) an die Bedürfnisse des Pflanzenwachstums anpassen, sondern dank ihres Kaltlichts auch Pflanzen aus nächster Nähe bestrahlen. Dadurch lassen sich die Anzahl der Anbauebenen und die Flächennutzungseffizienz erhöhen. Zudem werden Funktionen wie Energieeinsparung, Umweltschutz und effiziente Flächennutzung realisiert, die mit herkömmlichen Lichtquellen nicht möglich sind.

Aufgrund dieser Vorteile wird die LED-Technologie erfolgreich in der Pflanzenbeleuchtung, der Grundlagenforschung im Bereich kontrollierter Umgebungen, der Pflanzenzellkultur, der Anzucht von Pflanzensetzlingen in Pflanzenfabriken und in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. In den letzten Jahren hat sich die Leistung von LED-Pflanzenlampen verbessert, der Preis ist gesunken, und es werden sukzessive Produkte mit spezifischen Wellenlängen entwickelt, sodass sich ihr Anwendungsbereich in Landwirtschaft und Biologie weiter ausdehnen wird.

Dieser Artikel fasst den Forschungsstand von LEDs im Bereich des Gewächshausanbaus zusammen, konzentriert sich auf die Anwendung von LED-Zusatzlicht in den Grundlagen der Lichtbiologie, auf die Lichtbildung von Pflanzen durch LED-Pflanzenlampen, die Nährstoffqualität und die Wirkung auf die Verzögerung der Alterung, auf die Konstruktion und Anwendung von Lichtformeln und analysiert und betrachtet die aktuellen Probleme und Perspektiven der LED-Zusatzlichttechnologie.

Auswirkungen von LED-Zusatzlicht auf das Wachstum von Gartenbaukulturen

Die regulierende Wirkung von Licht auf Pflanzenwachstum und -entwicklung umfasst die Samenkeimung, das Stängelwachstum, die Blatt- und Wurzelentwicklung, den Phototropismus, die Chlorophyllsynthese und den Chlorophyllabbau sowie die Blütenbildung. Zu den Beleuchtungselementen der Anlage gehören Lichtintensität, Lichtzyklus und spektrale Verteilung. Diese Elemente lassen sich unabhängig von den Wetterbedingungen durch künstliches Zusatzlicht anpassen.

Gegenwärtig sind mindestens drei Arten von Photorezeptoren in Pflanzen bekannt: Phytochrom (absorbiert rotes und dunkelrotes Licht), Cryptochrom (absorbiert blaues und nahes ultraviolettes Licht) sowie UV-A- und UV-B-Rezeptoren. Die Bestrahlung von Nutzpflanzen mit Lichtquellen spezifischer Wellenlängen kann die Photosynthese-Effizienz verbessern, die Lichtmorphogenese beschleunigen und das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen fördern. Rot-oranges Licht (610–720 nm) und blau-violettes Licht (400–510 nm) werden in der Pflanzenphotosynthese eingesetzt. Mithilfe der LED-Technologie kann monochromatisches Licht (z. B. rotes Licht mit einem Absorptionsmaximum bei 660 nm, blaues Licht mit einem Absorptionsmaximum bei 450 nm usw.) im Bereich der stärksten Chlorophyll-Absorptionsbande emittiert werden, wobei die spektrale Bandbreite nur ± 20 nm beträgt.

Man geht derzeit davon aus, dass rot-oranges Licht die Pflanzenentwicklung deutlich beschleunigt, die Trockenmasseakkumulation, die Bildung von Zwiebeln, Knollen, Blattzwiebeln und anderen Pflanzenorganen fördert, die Blüte und Fruchtbildung vorverlegt und maßgeblich zur Farbintensivierung beiträgt. Blaues und violettes Licht steuert den Phototropismus der Blätter, fördert die Öffnung der Stomata und die Chloroplastenbewegung, hemmt das Längenwachstum des Stängels, verhindert übermäßige Längenzunahme der Pflanze, verzögert die Blüte und fördert das Wachstum vegetativer Organe. Die Kombination von roten und blauen LEDs gleicht die unzureichende Lichtintensität der einzelnen Farben aus und erzeugt ein Absorptionsmaximum, das optimal mit der Photosynthese und Morphologie der Nutzpflanzen übereinstimmt. Die Lichtenergieausbeute kann 80 bis 90 % erreichen, was zu einer signifikanten Energieeinsparung führt.

Der Einsatz von LED-Zusatzbeleuchtung im Gewächshausanbau kann die Produktion deutlich steigern. Studien belegen, dass die Anzahl der Früchte, der Gesamtertrag und das Gewicht einzelner Kirschtomaten unter einer 12-stündigen Zusatzbeleuchtung mit 300 μmol/(m²·s) LED-Streifen und LED-Röhren (8:00–20:00 Uhr) signifikant erhöht sind. Die LED-Streifen führten zu einer Steigerung von 42,67 %, 66,89 % bzw. 16,97 %, die LED-Röhren zu einer Steigerung von 48,91 %, 94,86 % bzw. 30,86 %. Die LED-Zusatzbeleuchtung mit einer LED-Pflanzenlampe während der gesamten Wachstumsperiode (Rot-Blau-Verhältnis 3:2, Lichtintensität 300 μmol/(m²·s)) kann die Qualität einzelner Früchte und den Ertrag pro Flächeneinheit bei Chiehwa und Auberginen signifikant verbessern. Der Ertrag von Chikuquan stieg um 5,3 % bzw. 15,6 %, der von Auberginen um 7,6 % bzw. 7,8 %. Durch die Optimierung der LED-Lichtqualität, -intensität und -dauer während der gesamten Wachstumsperiode lässt sich der Wachstumszyklus der Pflanzen verkürzen, der kommerzielle Ertrag, der Nährwert und die morphologischen Eigenschaften der landwirtschaftlichen Produkte verbessern und eine hocheffiziente, energiesparende und intelligente Produktion von Gartenbaukulturen in Gewächshäusern realisieren.

Anwendung von LED-Zusatzlicht in der Gemüsepflanzenzucht

Die Steuerung von Pflanzenmorphologie, Wachstum und Entwicklung mittels LED-Lichtquellen ist eine wichtige Technologie im Gewächshausanbau. Höhere Pflanzen können Lichtsignale über Photorezeptorsysteme wie Phytochrom, Cryptochrom und Photorezeptoren wahrnehmen und verarbeiten und mithilfe intrazellulärer Botenstoffe morphologische Veränderungen durchführen, um Pflanzengewebe und -organe zu regulieren. Photomorphogenese bedeutet, dass Pflanzen Licht nutzen, um Zelldifferenzierung, strukturelle und funktionelle Veränderungen sowie die Bildung von Geweben und Organen zu steuern. Dies umfasst unter anderem die Beeinflussung der Keimung bestimmter Samen, die Förderung der Apikaldominanz, die Hemmung des Seitentriebwachstums, das Stängelwachstum und den Tropismus.

Die Anzucht von Gemüsepflanzen ist ein wichtiger Bestandteil der Gewächshauslandwirtschaft. Anhaltender Regen führt zu Lichtmangel im Gewächshaus, wodurch die Pflanzen übermäßig in die Länge wachsen. Dies beeinträchtigt das Wachstum, die Blütenknospenbildung und die Fruchtentwicklung und wirkt sich letztendlich negativ auf Ertrag und Qualität aus. In der Produktion werden verschiedene Pflanzenwachstumsregulatoren wie Gibberellin, Auxin, Paclobutrazol und Chlormequat eingesetzt, um das Wachstum der Pflanzen zu steuern. Der unsachgemäße Einsatz dieser Regulatoren kann jedoch die Umwelt und die Gewächshäuser belasten und gesundheitsschädlich sein.

LED-Zusatzlicht bietet viele Vorteile und ist eine praktikable Methode zur Anzucht von Sämlingen. In einem Experiment mit LED-Zusatzlicht [25 ± 5 μmol/(m²·s)] unter Schwachlichtbedingungen [0–35 μmol/(m²·s)] zeigte sich, dass grünes Licht das Längenwachstum von Gurkensämlingen fördert, während rotes und blaues Licht das Wachstum hemmen. Im Vergleich zu natürlichem, schwachem Licht erhöhte sich der Anteil kräftiger Sämlinge nach der Zufuhr von rotem bzw. blauem Licht um 151,26 % bzw. 237,98 %. Im Vergleich zu monochromatischem Licht stieg der Anteil kräftiger Sämlinge mit Rot- und Blauanteil nach der Behandlung mit kombiniertem Zusatzlicht um 304,46 %.

Die Zugabe von Rotlicht zu Gurkenkeimlingen kann die Anzahl der Laubblätter, die Blattfläche, die Pflanzenhöhe, den Stängeldurchmesser, die Trocken- und Frischmasse, den Keimlingsindex, die Wurzelvitalität, die SOD-Aktivität und den Gehalt an löslichem Protein erhöhen. Die zusätzliche UV-B-Bestrahlung kann den Gehalt an Chlorophyll a, Chlorophyll b und Carotinoiden in den Blättern von Gurkenkeimlingen steigern. Im Vergleich zu natürlichem Licht kann die zusätzliche Bestrahlung mit rotem und blauem LED-Licht die Blattfläche, die Trockenmasse und den Keimlingsindex von Tomatenkeimlingen signifikant erhöhen. Die zusätzliche Bestrahlung mit rotem und grünem LED-Licht erhöht signifikant die Höhe und den Stängeldurchmesser von Tomatenkeimlingen. Die zusätzliche Behandlung mit grünem LED-Licht kann die Biomasse von Gurken- und Tomatenkeimlingen signifikant erhöhen, und das Frisch- und Trockengewicht der Keimlinge steigt mit zunehmender Intensität des zusätzlichen grünen Lichts. Auch der Stängeldurchmesser und der Keimlingsindex der Tomatenkeimlinge nehmen mit zunehmender Intensität des zusätzlichen grünen Lichts zu. Die Kombination von rotem und blauem LED-Licht kann bei Auberginen die Stängeldicke, die Blattfläche, das Trockengewicht der gesamten Pflanze, das Wurzel-Spross-Verhältnis und den Keimlingsindex erhöhen. Im Vergleich zu weißem Licht kann rotes LED-Licht die Biomasse von Kohlsetzlingen steigern und deren Längenwachstum und Blattausbreitung fördern. Blaues LED-Licht fördert hingegen das Dickenwachstum, die Trockenmasseakkumulation und den Keimlingsindex von Kohlsetzlingen, führt aber gleichzeitig zu Zwergwuchs. Die Ergebnisse zeigen deutliche Vorteile der Lichtregulierungstechnologie bei der Anzucht von Gemüsesetzlingen.

Auswirkungen von LED-Zusatzlicht auf die Nährstoffqualität von Obst und Gemüse

Die in Obst und Gemüse enthaltenen Proteine, Zucker, organischen Säuren und Vitamine sind wertvolle Nährstoffe für die menschliche Gesundheit. Die Lichtqualität beeinflusst den Vitamin-C-Gehalt von Pflanzen, indem sie die Aktivität von Enzymen der Vitamin-C-Synthese und des Vitamin-C-Abbaus reguliert. Zudem kann sie den Proteinstoffwechsel und die Kohlenhydratanreicherung in Gartenbaupflanzen steuern. Rotes Licht fördert die Kohlenhydratanreicherung, blaues Licht ist förderlich für die Proteinbildung. Die Kombination von rotem und blauem Licht verbessert die Nährstoffqualität von Pflanzen deutlich stärker als monochromatisches Licht.

Die Zugabe von rotem oder blauem LED-Licht kann den Nitratgehalt in Salat reduzieren, während blaues oder grünes LED-Licht die Anreicherung von löslichem Zucker fördert. Infrarot-LED-Licht trägt hingegen zur Anreicherung von Vitamin C (VC) bei. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von blauem Licht den VC- und den Gehalt an löslichem Protein in Tomaten erhöhen kann. Rotes Licht sowie eine Kombination aus rotem und blauem Licht steigern den Zucker- und Säuregehalt von Tomaten, wobei das Verhältnis von Zucker zu Säure unter dieser Kombination am höchsten ist. Auch der VC-Gehalt von Gurken wird durch die Kombination aus rotem und blauem Licht erhöht.

Die Phenole, Flavonoide, Anthocyane und andere Substanzen in Obst und Gemüse haben nicht nur einen wichtigen Einfluss auf Farbe, Geschmack und Marktwert von Obst und Gemüse, sondern besitzen auch eine natürliche antioxidative Wirkung und können freie Radikale im menschlichen Körper wirksam hemmen oder entfernen.

Die Verwendung von blauem LED-Licht als Ergänzung kann den Anthocyangehalt der Auberginenschale signifikant um 73,6 % steigern. Rotes LED-Licht sowie eine Kombination aus rotem und blauem Licht erhöhen den Gehalt an Flavonoiden und Gesamtphenolen. Blaues Licht fördert die Anreicherung von Lycopin, Flavonoiden und Anthocyanen in Tomatenfrüchten. Die Kombination aus rotem und blauem Licht fördert die Anthocyanproduktion, hemmt jedoch die Flavonoidsynthese. Im Vergleich zu Weißlicht erhöht Rotlicht den Anthocyangehalt von Salatsprossen signifikant, während Blaulicht den niedrigsten Anthocyangehalt aufweist. Der Gesamtphenolgehalt von grünem, violettem und rotem Blattsalat war unter Weißlicht, kombiniertem Rot- und Blaulicht sowie unter Blaulicht am höchsten, unter Rotlicht jedoch am niedrigsten. Die Ergänzung von ultraviolettem LED-Licht oder orangem Licht erhöht den Gehalt an phenolischen Verbindungen in Salatblättern, während grünes Licht den Anthocyangehalt steigert. Daher ist der Einsatz von LED-Pflanzenlampen eine effektive Methode, um die Nährstoffqualität von Obst und Gemüse im Gewächshausanbau zu regulieren.

Der Einfluss von LED-Zusatzlicht auf die Anti-Aging-Wirkung bei Pflanzen

Chlorophyllabbau, rascher Proteinverlust und RNA-Hydrolyse während der Pflanzenalterung äußern sich hauptsächlich in der Blattalterung. Chloroplasten reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen der äußeren Lichtverhältnisse, insbesondere auf die Lichtqualität. Rotes Licht, blaues Licht und eine Kombination aus beidem fördern die Chloroplastenmorphogenese, blaues Licht begünstigt die Stärkeeinlagerung in den Chloroplasten, während rotes und dunkelrotes Licht die Chloroplastenentwicklung hemmen. Die Kombination von blauem Licht sowie von rotem und blauem Licht kann die Chlorophyllsynthese in Gurkenkeimlingsblättern fördern, und die Kombination von rotem und blauem Licht kann den Chlorophyllverlust in späteren Wachstumsstadien verzögern. Dieser Effekt verstärkt sich mit sinkendem Rotlichtanteil und steigendem Blaulichtanteil. Der Chlorophyllgehalt von Gurkenkeimlingsblättern unter kombinierter LED-Beleuchtung (rot und blau) war signifikant höher als unter Leuchtstofflampen-Kontrolle sowie unter monochromatischer Rot- oder Blaulichtbehandlung. Blaues LED-Licht kann den Chlorophyll-a/b-Wert von Wutacai- und Knoblauchsetzlingen deutlich erhöhen.

Während der Seneszenz kommt es zu Veränderungen des Gehalts an Cytokininen (CTK), Auxin (IAA) und Abscisinsäure (ABA) sowie zu vielfältigen Veränderungen der Enzymaktivität. Der Gehalt an Pflanzenhormonen wird stark von den Lichtverhältnissen beeinflusst. Unterschiedliche Lichtqualitäten haben unterschiedliche regulatorische Wirkungen auf die Pflanzenhormone, und die ersten Schritte der Lichtsignaltransduktion sind mit Cytokininen verknüpft.

CTK fördert das Wachstum von Blattzellen, steigert die Photosynthese und hemmt gleichzeitig die Aktivität von Ribonuklease, Desoxyribonuklease und Protease. Zudem verzögert es den Abbau von Nukleinsäuren, Proteinen und Chlorophyll und kann so die Blattalterung deutlich hinauszögern. Es besteht eine Wechselwirkung zwischen Licht und der CTK-vermittelten Entwicklungsregulation, wobei Licht den Anstieg des endogenen Cytokininspiegels stimuliert. Im Alterungsprozess sinkt der Gehalt an endogenem Cytokinin in Pflanzengeweben.

IAA ist hauptsächlich in stark wachsenden Pflanzenteilen konzentriert, während in alternden Geweben und Organen nur sehr geringe Mengen vorhanden sind. Violettes Licht kann die Aktivität der Indolessigsäureoxidase erhöhen, und niedrige IAA-Werte können das Längenwachstum von Pflanzen hemmen.

ABA wird hauptsächlich in alternden Blattgeweben, reifen Früchten, Samen, Stängeln, Wurzeln und anderen Pflanzenteilen gebildet. Der ABA-Gehalt von Gurken und Kohl ist unter einer Kombination aus rotem und blauem Licht geringer als unter weißem Licht oder blauem Licht.

Peroxidase (POD), Superoxiddismutase (SOD), Ascorbatperoxidase (APX) und Katalase (CAT) sind wichtige, lichtabhängige Schutzenzyme in Pflanzen. Mit zunehmendem Alter der Pflanzen nimmt die Aktivität dieser Enzyme rasch ab.

Unterschiedliche Lichtqualitäten beeinflussen die Aktivität antioxidativer Enzyme in Pflanzen signifikant. Nach neuntägiger Rotlichtbehandlung stieg die APX-Aktivität von Rapskeimlingen signifikant an, während die POD-Aktivität abnahm. Die POD-Aktivität von Tomaten war nach 15 Tagen Rot- bzw. Blaulicht um 20,9 % bzw. 11,7 % höher als unter Weißlicht. Nach 20 Tagen Grünlichtbehandlung war die POD-Aktivität von Tomaten am niedrigsten und erreichte nur 55,4 % des Wertes unter Weißlicht. Eine vierstündige Blaulichtbestrahlung kann den Gehalt an löslichem Protein sowie die Aktivitäten der Enzyme POD, SOD, APX und CAT in Gurkenblättern im Keimlingsstadium signifikant erhöhen. Zudem nehmen die Aktivitäten von SOD und APX mit zunehmender Lichtdauer allmählich ab. Die SOD- und APX-Aktivität unter Blau- und Rotlicht sinkt zwar langsam, bleibt aber stets höher als unter Weißlicht. Die Bestrahlung mit rotem Licht verringerte die Peroxidase- und IAA-Peroxidase-Aktivität in Tomatenblättern sowie die IAA-Peroxidase-Aktivität in Auberginenblättern signifikant, führte aber zu einem signifikanten Anstieg der Peroxidase-Aktivität in Auberginenblättern. Daher kann der Einsatz einer geeigneten LED-Zusatzbeleuchtung die Alterung von Gewächshauskulturen wirksam verzögern und Ertrag und Qualität verbessern.

Aufbau und Anwendung der LED-Lichtformel

Das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen werden maßgeblich von der Lichtqualität und ihren unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen beeinflusst. Die Lichtformel umfasst im Wesentlichen mehrere Elemente wie das Verhältnis der Lichtqualität, die Lichtintensität und die Belichtungsdauer. Da verschiedene Pflanzen unterschiedliche Lichtbedürfnisse haben und sich in unterschiedlichen Wachstums- und Entwicklungsstadien befinden, ist für die jeweiligen Kulturpflanzen die optimale Kombination aus Lichtqualität, Lichtintensität und Belichtungsdauer erforderlich.

 ◆Lichtspektrumverhältnis

Im Vergleich zu weißem Licht und einzelnem rotem und blauem Licht bietet die Kombination von rotem und blauem LED-Licht einen umfassenden Vorteil für das Wachstum und die Entwicklung von Gurken- und Kohlsetzlingen.

Bei einem Verhältnis von rotem zu blauem Licht von 8:2 erhöhen sich die Dicke des Pflanzenstamms, die Pflanzenhöhe, das Trockengewicht der Pflanze, das Frischgewicht, der Index für kräftige Sämlinge usw. signifikant. Außerdem wirkt sich dies positiv auf die Bildung der Chloroplastenmatrix und der Basallamellen sowie auf die Ausscheidung von Assimilationsstoffen aus.

Die Verwendung einer Kombination aus rotem, grünem und blauem Licht fördert die Trockenmasseakkumulation von roten Bohnensprossen, wobei grünes Licht diese besonders anregt. Das Wachstum ist am deutlichsten bei einem Verhältnis von rotem, grünem und blauem Licht von 6:2:1. Die beste Hypokotylstreckung der Keimlinge wurde bei einem Verhältnis von 8:1 beobachtet, während sie bei einem Verhältnis von 6:3 deutlich gehemmt war. Gleichzeitig war der Gehalt an löslichem Protein in dieser Situation am höchsten.

Bei einem Rot-Blau-Verhältnis von 8:1 weisen Luffa-Sämlinge den höchsten Keimlingsindex und den höchsten Gehalt an löslichen Zuckern auf. Bei einem Rot-Blau-Verhältnis von 6:3 sind der Chlorophyll-a-Gehalt, das Chlorophyll-a/b-Verhältnis und der Gehalt an löslichem Protein in den Luffa-Sämlingen am höchsten.

Bei Verwendung eines Rot-Blaulicht-Verhältnisses von 3:1 für Sellerie fördert dies effektiv das Pflanzenwachstum, die Blattstiellänge, die Blattanzahl, die Trockenmassequalität sowie den Gehalt an Vitamin C, löslichem Protein und löslichem Zucker. Im Tomatenanbau begünstigt ein höherer Anteil an blauem LED-Licht die Bildung von Lycopin, freien Aminosäuren und Flavonoiden, während ein höherer Anteil an rotem Licht die Bildung titrierbarer Säuren fördert. Ein Rot-Blaulicht-Verhältnis von 8:1 für Salatblätter begünstigt die Carotinoid-Akkumulation, senkt effektiv den Nitratgehalt und erhöht den Vitamin-C-Gehalt.

 ◆Lichtintensität

Pflanzen, die unter schwachem Licht wachsen, sind anfälliger für Photoinhibition als unter starkem Licht. Die Nettophotosyntheserate von Tomatensämlingen steigt mit zunehmender Lichtintensität [50, 150, 200, 300, 450, 550 μmol/(m²·s)] an, wobei sie zunächst zunimmt und dann wieder abfällt und bei 300 μmol/(m²·s) ein Maximum erreicht. Pflanzenhöhe, Blattfläche, Wassergehalt und Vitamin-C-Gehalt von Salat nahmen unter einer Lichtintensität von 150 μmol/(m²·s) signifikant zu. Bei einer Lichtintensität von 200 μmol/(m²·s) stiegen Frischgewicht, Gesamtgewicht und Gehalt an freien Aminosäuren signifikant an. Bei einer Lichtintensität von 300 μmol/(m²·s) hingegen sanken Blattfläche, Wassergehalt, Chlorophyll a, Chlorophyll a+b und Carotinoidgehalt von Kopfsalat. Im Vergleich zur Dunkelheit erhöhte sich der Gehalt an Chlorophyll a, Chlorophyll b und Chlorophyll a+b in schwarzen Bohnensprossen mit steigender LED-Lichtintensität [3, 9, 15 μmol/(m²·s)] signifikant. Der Vitamin-C-Gehalt erreichte bei 3 μmol/(m²·s) seinen Höchstwert, der Gehalt an löslichem Protein, löslichem Zucker und Saccharose bei 9 μmol/(m²·s). Bei gleichen Temperaturbedingungen verkürzt sich mit zunehmender Lichtintensität [(2~2,5)lx×103 lx, (4~4,5)lx×103 lx, (6~6,5)lx×103 lx] die Keimzeit der Paprikasämlinge, der Gehalt an löslichem Zucker steigt, aber der Gehalt an Chlorophyll a und Carotinoiden nimmt allmählich ab.

 ◆Lichtzeit

Eine angemessene Verlängerung der Lichtdauer kann den durch unzureichende Lichtintensität verursachten Lichtstress bis zu einem gewissen Grad lindern, die Akkumulation von Photosyntheseprodukten in Gartenbaukulturen fördern und so zu höheren Erträgen und besserer Qualität führen. Der Vitamin-C-Gehalt der Keimlinge stieg mit zunehmender Lichtdauer (0, 4, 8, 12, 16, 20 h/Tag) kontinuierlich an, während der Gehalt an freien Aminosäuren sowie die SOD- und CAT-Aktivitäten abnahmen. Mit zunehmender Lichtdauer (12, 15, 18 h) stieg das Frischgewicht der Chinakohlpflanzen signifikant an. Der Vitamin-C-Gehalt in den Blättern und Stängeln des Chinakohls war nach 15 bzw. 12 Stunden am höchsten. Der Gehalt an löslichem Protein in den Blättern nahm kontinuierlich ab, erreichte aber nach 15 Stunden in den Stängeln seinen Höchstwert. Der Gehalt an löslichem Zucker in den Blättern stieg kontinuierlich an, während er in den Stängeln nach 12 Stunden am höchsten war. Bei einem Verhältnis von rotem zu blauem Licht von 1:2 verringert eine 20-stündige Lichtbehandlung im Vergleich zu einer 12-stündigen Lichtbehandlung den relativen Gehalt an Gesamtphenolen und Flavonoiden im grünen Blattsalat. Bei einem Verhältnis von rotem zu blauem Licht von 2:1 hingegen erhöht die 20-stündige Lichtbehandlung den relativen Gehalt an Gesamtphenolen und Flavonoiden im grünen Blattsalat signifikant.

Aus dem Vorangegangenen geht hervor, dass unterschiedliche Lichtformeln verschiedene Auswirkungen auf Photosynthese, Photomorphogenese sowie Kohlenstoff- und Stickstoffmetabolismus verschiedener Pflanzenarten haben. Um die optimale Lichtformel, die passende Lichtquellenkonfiguration und intelligente Steuerungsstrategien zu ermitteln, ist die Pflanzenart der Ausgangspunkt. Entsprechend den Bedürfnissen der Gartenbaukulturen, den Produktionszielen und -faktoren sind entsprechende Anpassungen vorzunehmen, um eine intelligente Steuerung der Lichtumgebung und damit qualitativ hochwertige und ertragreiche Gartenbaukulturen unter energiesparenden Bedingungen zu erzielen.

Bestehende Probleme und Perspektiven

Der entscheidende Vorteil von LED-Pflanzenlampen liegt in ihrer Fähigkeit, die Lichtkombinationen intelligent an die individuellen Bedürfnisse verschiedener Pflanzen hinsichtlich Photosynthese, Morphologie, Qualität und Ertrag anzupassen. Unterschiedliche Pflanzenarten und Wachstumsphasen derselben Pflanze haben jeweils unterschiedliche Anforderungen an Lichtqualität, Lichtintensität und Photoperiode. Dies erfordert die Weiterentwicklung der Lichtformelforschung, um eine umfassende Datenbank mit Lichtformeln zu erstellen. In Kombination mit der Forschung und Entwicklung professioneller Lampen lässt sich der Nutzen von LED-Zusatzbeleuchtung in der Landwirtschaft maximieren, um Energie zu sparen, die Produktionseffizienz zu steigern und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern. Der Einsatz von LED-Pflanzenlampen im Gewächshausanbau hat sich als sehr dynamisch erwiesen, jedoch sind die Kosten für LED-Beleuchtungsanlagen relativ hoch und die Investitionskosten beträchtlich. Die Anforderungen an Zusatzlicht für verschiedene Pflanzenarten unter unterschiedlichen Umweltbedingungen sind oft unklar, und eine ungeeignete Lichtintensität und -dauer führen zwangsläufig zu Problemen in der Anwendung der Pflanzenbeleuchtungsindustrie.

Mit dem technologischen Fortschritt und den sinkenden Produktionskosten von LED-Pflanzenlampen wird die LED-Zusatzbeleuchtung in der Gewächshausgärtnerei künftig eine breitere Anwendung finden. Gleichzeitig wird die Weiterentwicklung der LED-Zusatzbeleuchtungstechnologie in Kombination mit neuen Energien die rasante Entwicklung der Gewächshaus-, Hausgarten-, Stadt- und Weltraumlandwirtschaft ermöglichen, um den Bedarf an Gartenbaukulturen in speziellen Umgebungen zu decken.