Autoren: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu u. a. Quelle: Agrartechnik (Gewächshausgartenbau)

Die Pflanzenfabrik vereint moderne Industrie, Biotechnologie, Nährstoffhydrokultur und Informationstechnologie, um Umweltfaktoren in der Anlage hochpräzise zu steuern. Sie ist vollständig geschlossen, stellt geringe Anforderungen an die Umgebung, verkürzt die Erntezeit, spart Wasser und Dünger und bietet dank pestizidfreier Produktion und Abfallvermeidung eine 40- bis 108-fach höhere Flächennutzungseffizienz als der Anbau im Freiland. Die intelligente künstliche Lichtquelle und ihre Lichtregulierung spielen dabei eine entscheidende Rolle für die Produktionseffizienz.

Als wichtiger physikalischer Umweltfaktor spielt Licht eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Pflanzenwachstums und des Stoffwechsels. „Eines der Hauptmerkmale der Pflanzenfabrik ist die vollständig künstliche Lichtquelle und die Realisierung einer intelligenten Lichtsteuerung“ – dies ist in der Branche mittlerweile allgemein anerkannt.

Der Lichtbedarf der Pflanzen

Licht ist die einzige Energiequelle der pflanzlichen Photosynthese. Lichtintensität, Lichtqualität (Spektrum) und periodische Lichtveränderungen haben einen tiefgreifenden Einfluss auf Wachstum und Entwicklung von Nutzpflanzen, wobei die Lichtintensität den größten Einfluss auf die Photosynthese hat.

■ Lichtintensität

Die Lichtintensität beeinflusst die Morphologie von Nutzpflanzen, beispielsweise Blüte, Internodienlänge, Stängeldicke sowie Blattgröße und -dicke. Pflanzen unterscheiden in ihren Lichtansprüchen: lichtliebend, mittellichtliebend und lichttolerant. Gemüse zählt überwiegend zu den lichtliebenden Pflanzen, deren Lichtkompensations- und Lichtsättigungspunkte relativ hoch sind. In künstlichen Lichtanlagen bilden die spezifischen Lichtansprüche der jeweiligen Pflanzen eine wichtige Grundlage für die Auswahl künstlicher Lichtquellen. Das Verständnis dieser Ansprüche ist entscheidend für die Entwicklung geeigneter künstlicher Lichtquellen und somit unerlässlich für die Optimierung der Produktionsleistung des Systems.

■ Lichtqualität

Die Lichtqualität (spektrale Verteilung) hat einen wichtigen Einfluss auf die Photosynthese und Morphogenese von Pflanzen (Abbildung 1). Licht ist Teil der Strahlung, und Strahlung ist eine elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen weisen sowohl Wellen- als auch Quanteneigenschaften (Teilcheneigenschaften) auf. Das Lichtquant wird im Gartenbau als Photon bezeichnet. Strahlung im Wellenlängenbereich von 300–800 nm wird als physiologisch aktive Strahlung von Pflanzen bezeichnet; Strahlung im Wellenlängenbereich von 400–700 nm wird als photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) von Pflanzen bezeichnet.

Chlorophyll und Carotine sind die beiden wichtigsten Pigmente der pflanzlichen Photosynthese. Abbildung 2 zeigt das Absorptionsspektrum der einzelnen Photosynthesepigmente, wobei das Absorptionsspektrum des Chlorophylls im roten und blauen Spektralbereich konzentriert ist. Das Beleuchtungssystem ist auf den spektralen Bedarf der Nutzpflanzen abgestimmt und ergänzt das Licht künstlich, um die Photosynthese der Pflanzen zu fördern.

■ Photoperiode
Die Beziehung zwischen Photosynthese und Photomorphogenese von Pflanzen und der Tageslänge (oder Photoperiode) wird als Photoperiodizität der Pflanzen bezeichnet. Die Photoperiodizität hängt eng mit den Lichtstunden zusammen, also der Zeit, die die Pflanzen dem Licht ausgesetzt sind. Verschiedene Pflanzen benötigen eine bestimmte Anzahl an Lichtstunden, um die Photoperiode zu durchlaufen und zu blühen und Früchte zu tragen. Je nach Photoperiodenbedarf lassen sich Pflanzen in Langtagpflanzen wie Kohl usw. einteilen, die in bestimmten Wachstumsstadien mehr als 12–14 Stunden Licht benötigen; Kurztagpflanzen wie Zwiebeln und Sojabohnen usw., die weniger als 12–14 Stunden Licht benötigen; und Pflanzen, die für mittlere Lichtverhältnisse geeignet sind, wie Gurken, Tomaten und Paprika, die sowohl bei längerer als auch bei kürzerer Sonneneinstrahlung blühen und Früchte tragen können.
Unter den drei Umweltfaktoren ist die Lichtintensität ein wichtiger Faktor bei der Auswahl künstlicher Lichtquellen. Derzeit gibt es viele Möglichkeiten, die Lichtintensität auszudrücken, im Wesentlichen lassen sie sich in die folgenden drei Kategorien einteilen.
(1) Bei der Beleuchtungsstärke handelt es sich um die Flächenstromdichte (Lichtstrom pro Flächeneinheit), die auf der beleuchteten Ebene empfangen wird, in Lux (lx).

(2) Photosynthetisch aktive Strahlung, PAR, Einheit: W/m².

(3) Die photosynthetisch wirksame Photonenflussdichte PPFD oder PPF ist die Menge an photosynthetisch wirksamer Strahlung, die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit auf eine Fläche trifft oder diese durchdringt. Die Einheit ist μmol/(m²·s). Sie bezieht sich hauptsächlich auf die Lichtintensität im Bereich von 400–700 nm, die in direktem Zusammenhang mit der Photosynthese steht. Sie ist auch der am häufigsten verwendete Indikator für die Lichtintensität in der Pflanzenproduktion.

Lichtquellenanalyse eines typischen Zusatzbeleuchtungssystems
Künstliches Zusatzlicht dient dazu, die Lichtintensität im Zielbereich zu erhöhen oder die Beleuchtungsdauer zu verlängern, indem ein Zusatzlichtsystem installiert wird, um den Lichtbedarf der Pflanzen zu decken. Im Allgemeinen umfasst ein solches System die Zusatzbeleuchtung, die zugehörigen Schaltkreise und die Steuerung. Zu den gängigen Lichtquellen zählen Glühlampen, Leuchtstofflampen, Halogen-Metalldampflampen, Natriumdampf-Hochdrucklampen und LEDs. Aufgrund ihrer geringen elektrischen und optischen Effizienz, der niedrigen photosynthetischen Energieeffizienz und anderer Nachteile sind Glühlampen vom Markt verschwunden, weshalb in diesem Artikel auf eine detaillierte Analyse verzichtet wird.

■ Leuchtstofflampe
Leuchtstofflampen gehören zu den Niederdruck-Gasentladungslampen. Das Glasrohr ist mit Quecksilberdampf oder einem Edelgas gefüllt, und die Innenwand ist mit Leuchtstoffpulver beschichtet. Die Lichtfarbe variiert je nach dem verwendeten Leuchtstoffmaterial. Leuchtstofflampen zeichnen sich durch gute spektrale Eigenschaften, hohe Lichtausbeute, geringen Stromverbrauch, eine längere Lebensdauer (12.000 Stunden) im Vergleich zu Glühlampen und relativ niedrige Kosten aus. Da Leuchtstofflampen selbst wenig Wärme abgeben, können sie zur Beleuchtung nahe an den Pflanzen platziert werden und eignen sich für den dreidimensionalen Anbau. Allerdings ist die spektrale Ausrichtung von Leuchtstofflampen oft ungünstig. Weltweit ist es üblich, Reflektoren einzusetzen, um die effektive Lichtausbeute für die Pflanzen im Anbaubereich zu maximieren. Das japanische Unternehmen adv-agri hat zudem eine neue Art von Zusatzlichtquelle entwickelt: die HEFL (High-Energy Fluorescent Light). HEFL gehört zur Kategorie der Leuchtstofflampen. Der Begriff ist die Oberbezeichnung für Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) und Leuchtstofflampen mit externer Elektrode (EEFL) und bezeichnet Leuchtstofflampen mit gemischter Elektrode. Die HEFL-Röhre ist extrem dünn, mit einem Durchmesser von nur etwa 4 mm, und ihre Länge lässt sich je nach Anbaubedarf von 450 mm bis 1200 mm anpassen. Sie ist eine verbesserte Version der herkömmlichen Leuchtstofflampe.

■ Metallhalogenlampe
Die Metallhalogenlampe ist eine Hochdruckentladungslampe, die durch Zugabe verschiedener Metallhalogenide (Zinnbromid, Natriumiodid usw.) in das Entladungsrohr – basierend auf einer Quecksilberdampf-Hochdrucklampe – unterschiedliche Elemente anregen und so verschiedene Wellenlängen erzeugen kann. Halogenlampen zeichnen sich durch hohe Lichtausbeute, hohe Leistung, gute Lichtfarbe, lange Lebensdauer und ein breites Lichtspektrum aus. Da ihre Lichtausbeute jedoch geringer und ihre Lebensdauer kürzer als die von Natriumdampf-Hochdrucklampen ist, werden sie derzeit nur in wenigen Industrieanlagen eingesetzt.

■ Natriumdampf-Hochdrucklampe
Hochdruck-Natriumdampflampen gehören zu den Hochdruck-Gasentladungslampen. Sie sind hocheffiziente Lampen, bei denen Natriumdampf unter hohem Druck im Entladungsrohr enthalten ist und geringe Mengen Xenon (Xe) und Quecksilber-Metallhalogenid beigemischt werden. Aufgrund ihrer hohen elektrooptischen Umwandlungseffizienz bei gleichzeitig niedrigen Herstellungskosten werden Hochdruck-Natriumdampflampen derzeit am häufigsten als Zusatzbeleuchtung in landwirtschaftlichen Anlagen eingesetzt. Allerdings weisen sie aufgrund ihrer geringen photosynthetischen Effizienz im Lichtspektrum eine geringe Energieeffizienz auf. Zudem konzentriert sich das von Hochdruck-Natriumdampflampen emittierte Licht hauptsächlich auf den gelb-orangen Bereich, wodurch die für das Pflanzenwachstum notwendigen roten und blauen Spektralanteile fehlen.

■ Leuchtdiode
Als Lichtquelle der neuen Generation bieten Leuchtdioden (LEDs) zahlreiche Vorteile, darunter eine höhere elektrooptische Umwandlungseffizienz, ein anpassbares Lichtspektrum und eine hohe photosynthetische Effizienz. LEDs emittieren monochromatisches Licht, das für das Pflanzenwachstum notwendig ist. Verglichen mit herkömmlichen Leuchtstofflampen und anderen Zusatzlichtquellen zeichnen sich LEDs durch Energieeinsparung, Umweltfreundlichkeit, lange Lebensdauer, monochromatisches Licht und Kaltlichtcharakter aus. Mit der weiteren Verbesserung der elektrooptischen Effizienz von LEDs und den durch Skaleneffekte bedingten Kostensenkungen werden LED-Pflanzenbeleuchtungssysteme zum Standard für die Zusatzbeleuchtung in landwirtschaftlichen Betrieben. Daher werden LED-Pflanzenlampen bereits in über 99,9 % der Pflanzenfabriken eingesetzt.

Durch einen Vergleich lassen sich die Eigenschaften verschiedener Zusatzlichtquellen deutlich erkennen, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Mobile Beleuchtungseinrichtung
Die Lichtintensität beeinflusst das Pflanzenwachstum maßgeblich. Dreidimensionale Kultivierung wird häufig in Pflanzenfabriken eingesetzt. Aufgrund der baulichen Gestelle der Anbauregale führt die ungleichmäßige Licht- und Temperaturverteilung jedoch zu Ertragseinbußen und einer nicht synchronisierten Ernte. Ein Unternehmen in Peking entwickelte 2010 erfolgreich eine manuelle Vorrichtung zur Lichtsteuerung (HPS- und LED-Pflanzenbeleuchtung). Durch Drehen der Kurbel wird die Antriebswelle und die daran befestigte Aufwickelvorrichtung gedreht, wodurch die kleine Folienspule in Bewegung gesetzt und das Drahtseil ein- und ausgewickelt wird. Das Drahtseil der Pflanzenlampe ist über mehrere Umkehrrollen mit der Aufwickelrolle des Hebezeugs verbunden, um die Höhe der Pflanzenlampe zu verstellen. 2017 entwickelte das Unternehmen eine neue mobile Lichtsteuerung, die die Höhe der Zusatzbeleuchtung automatisch und in Echtzeit an die Wachstumsbedürfnisse der Pflanzen anpasst. Diese Vorrichtung ist nun an einem dreistufigen, dreidimensionalen Anbauregal mit Lichtsteuerung installiert. Die oberste Ebene des Geräts bietet die besten Lichtverhältnisse und ist daher mit Natriumdampf-Hochdrucklampen ausgestattet; die mittlere und die unterste Ebene verfügen über LED-Pflanzenlampen und ein Höhenverstellsystem. Dieses System passt die Höhe der Pflanzenlampen automatisch an, um optimale Lichtverhältnisse für die Pflanzen zu schaffen.

Im Vergleich zu mobilen Zusatzbeleuchtungssystemen für den dreidimensionalen Anbau wurde in den Niederlanden ein horizontal bewegliches LED-Pflanzenlichtsystem entwickelt. Um Schattenwurf zu vermeiden, lässt sich das System mithilfe eines Teleskopauszugs horizontal an beiden Seiten der Halterung verschieben, sodass die Pflanzen optimal mit Sonnenlicht versorgt werden. An bewölkten oder regnerischen Tagen wird das System in die Mitte der Halterung geschoben, um eine gleichmäßige Ausleuchtung zu gewährleisten. Durch die horizontale Verschiebung entfällt das häufige Ab- und Ausbauen des Systems, was den Arbeitsaufwand reduziert und die Effizienz steigert.

Gestaltungsideen für ein typisches Pflanzenbeleuchtungssystem
Anhand der Konstruktion der mobilen Zusatzbeleuchtungsvorrichtung lässt sich leicht erkennen, dass bei der Konstruktion des Zusatzbeleuchtungssystems der Pflanzenfabrik üblicherweise die Lichtintensität, die Lichtqualität und die Photoperiodenparameter der verschiedenen Wachstumsphasen der Pflanzen als Kernbestandteil der Konstruktion berücksichtigt werden. Die Umsetzung erfolgt mithilfe eines intelligenten Steuerungssystems, um das ultimative Ziel der Energieeinsparung und des hohen Ertrags zu erreichen.

Die Entwicklung und der Bau von Zusatzbeleuchtungen für Blattgemüse sind mittlerweile weit fortgeschritten. Blattgemüse lässt sich beispielsweise in vier Wachstumsstadien unterteilen: Keimlingsstadium, mittleres Wachstumsstadium, spätes Wachstumsstadium und Endstadium. Fruchtgemüse hingegen kann in Keimlingsstadium, vegetatives Wachstumsstadium, Blütestadium und Erntestadium unterteilt werden. Hinsichtlich der Eigenschaften der Zusatzbeleuchtung sollte die Lichtintensität im Keimlingsstadium mit 60–200 μmol/(m²·s) etwas niedriger sein und dann allmählich ansteigen. Blattgemüse kann bis zu 100–200 μmol/(m²·s) und Fruchtgemüse bis zu 300–500 μmol/(m²·s) erreichen, um den Lichtbedarf der Pflanzen für die Photosynthese in jeder Wachstumsphase zu decken und hohe Erträge zu erzielen. Bezüglich der Lichtqualität ist das Verhältnis von Rot zu Blau von großer Bedeutung. Um die Qualität der Sämlinge zu steigern und übermäßiges Wachstum im Sämlingsstadium zu verhindern, wird das Verhältnis von Rot- zu Blaulicht in der Regel niedrig (1–2:1) eingestellt und dann schrittweise reduziert, um den Lichtbedarf der Pflanzen zu decken. Bei Blattgemüse kann das Verhältnis von Rot- zu Blaulicht auf 3–6:1 eingestellt werden. Ähnlich wie die Lichtintensität sollte auch die Photoperiode mit zunehmender Wachstumsdauer ansteigen, damit Blattgemüse mehr Zeit für die Photosynthese hat. Die Lichtgestaltung für Obst und Gemüse ist komplexer. Zusätzlich zu den genannten Grundregeln sollte die Photoperiode während der Blütezeit gezielt eingestellt werden, um Blüte und Fruchtbildung zu fördern und unerwünschte Nebenwirkungen zu vermeiden.

Erwähnenswert ist, dass die Lichtformel die abschließende Behandlung für die jeweiligen Lichtverhältnisse berücksichtigen sollte. Beispielsweise kann eine kontinuierliche Lichtergänzung den Ertrag und die Qualität von hydroponisch gezogenen Blattgemüsesetzlingen deutlich verbessern, oder eine UV-Behandlung kann die Nährstoffqualität von Sprossen und Blattgemüse (insbesondere von violettem Blattsalat und rotem Blattsalat) signifikant steigern.

Neben der Optimierung der Zusatzbeleuchtung für ausgewählte Nutzpflanzen hat sich in den letzten Jahren auch die Steuerung der Lichtquelle in einigen künstlichen Pflanzenfabriken rasant weiterentwickelt. Dieses Steuerungssystem basiert in der Regel auf einer Bank-and-Shell-Architektur. Die Fernsteuerung und automatische Regelung von Umweltfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Licht und CO₂-Konzentration während des Pflanzenwachstums erfolgt per WLAN. Gleichzeitig wird eine von äußeren Bedingungen unabhängige Produktionsmethode realisiert. Dieses intelligente Zusatzbeleuchtungssystem nutzt LED-Pflanzenlampen als Zusatzlichtquelle und kann in Kombination mit einem intelligenten Fernsteuerungssystem den Bedarf an pflanzenspezifischer Wellenlängenbeleuchtung decken. Es eignet sich besonders für lichtgesteuerte Pflanzenanbauumgebungen und erfüllt die Marktanforderungen optimal.

Schlussbemerkungen
Pflanzenfabriken gelten als wichtiger Ansatz zur Lösung globaler Ressourcen-, Bevölkerungs- und Umweltprobleme des 21. Jahrhunderts und als bedeutender Weg zur Erreichung der Selbstversorgung mit Lebensmitteln in zukünftigen Hightech-Projekten. Als neuartige landwirtschaftliche Produktionsmethode befinden sich Pflanzenfabriken noch in der Lern- und Entwicklungsphase und bedürfen weiterer Forschung und Aufmerksamkeit. Dieser Artikel beschreibt die Merkmale und Vorteile gängiger Zusatzbeleuchtungsmethoden in Pflanzenfabriken und stellt die Gestaltungsprinzipien typischer Zusatzbeleuchtungssysteme für Nutzpflanzen vor. Ein Vergleich zeigt, dass LED-Pflanzenlampen angesichts der durch extreme Wetterbedingungen wie anhaltende Bewölkung und Dunst verursachten Lichtarmut und zur Sicherstellung einer hohen und stabilen Produktion der Pflanzen in den Anlagen den aktuellen Entwicklungstrends am ehesten entsprechen.

Die zukünftige Entwicklung von Pflanzenfabriken sollte sich auf neue, hochpräzise und kostengünstige Sensoren, fernsteuerbare Beleuchtungssysteme mit einstellbarem Lichtspektrum sowie Expertensysteme zur Steuerung konzentrieren. Gleichzeitig werden sich Pflanzenfabriken der Zukunft weiter in Richtung kostengünstiger, intelligenter und selbstadaptiver Systeme entwickeln. Der Einsatz und die Verbreitung von LED-Pflanzenlampen gewährleisten eine hochpräzise Umweltkontrolle in Pflanzenfabriken. Die Regulierung der LED-Lichtumgebung ist ein komplexer Prozess, der die umfassende Steuerung von Lichtqualität, Lichtintensität und Photoperiode umfasst. Relevante Experten und Wissenschaftler müssen daher eingehende Forschung betreiben und die LED-Zusatzbeleuchtung in künstlichen Pflanzenfabriken vorantreiben.