[Zusammenfassung] Dieser Artikel erörtert anhand umfangreicher experimenteller Daten wichtige Aspekte der Lichtqualitätsauswahl in Pflanzenfabriken. Dazu gehören die Wahl der Lichtquellen, die Auswirkungen von rotem, blauem und gelbem Licht sowie die Auswahl spektraler Bereiche. Ziel ist es, Einblicke in die Lichtqualität in Pflanzenfabriken zu gewinnen. Die Entwicklung einer geeigneten Anpassungsstrategie liefert praktische Lösungsansätze, die als Referenz dienen können.
Auswahl der Lichtquelle

Pflanzenfabriken verwenden in der Regel LED-Leuchten. Diese zeichnen sich durch hohe Lichtausbeute, geringen Energieverbrauch, geringe Wärmeentwicklung, lange Lebensdauer sowie einstellbare Lichtintensität und -spektrum aus. Dadurch erfüllen sie nicht nur die Anforderungen für optimales Pflanzenwachstum und effektive Nährstoffanreicherung, sondern sparen auch Energie, reduzieren die Wärmeentwicklung und senken die Stromkosten. LED-Pflanzenlampen lassen sich weiter unterteilen in: LED-Ein-Chip-Breitbandleuchten für allgemeine Zwecke, LED-Ein-Chip-Breitbandleuchten speziell für Pflanzen und LED-Mehr-Chip-Kombinationsleuchten mit einstellbarem Spektrum. Die beiden letztgenannten Arten von pflanzenspezifischen LED-Leuchten sind in der Regel mehr als fünfmal so teuer wie herkömmliche LED-Leuchten. Daher sollte je nach Anwendungszweck die passende Lichtquelle gewählt werden. In großen Pflanzenfabriken ändert sich das Pflanzensortiment je nach Marktnachfrage. Um die Baukosten zu senken und die Produktionseffizienz nicht wesentlich zu beeinträchtigen, empfiehlt der Autor die Verwendung von Breitband-LED-Chips für die Allgemeinbeleuchtung. Für kleinere Pflanzenfabriken mit relativ festen Pflanzenarten können Breitband-LED-Chips für pflanzenspezifische oder allgemeine Beleuchtung als Lichtquelle eingesetzt werden, um eine hohe Produktionseffizienz und -qualität ohne signifikante Kostensteigerung zu erzielen. Um die Wirkung von Licht auf das Pflanzenwachstum und die Anreicherung von Wirkstoffen zu untersuchen und so die optimale Lichtformel für die zukünftige Großproduktion zu entwickeln, kann eine Kombination aus mehreren LED-Chips mit einstellbarem Spektrum verwendet werden. Dadurch lassen sich Faktoren wie Lichtintensität, Spektrum und Beleuchtungsdauer variieren, um für jede Pflanze die optimale Lichtformel zu ermitteln und somit die Grundlage für die Großproduktion zu schaffen.

Das rote und blaue Licht

Die konkreten Versuchsergebnisse zeigen, dass bei einem höheren Rotlichtanteil (R) als Blaulichtanteil (B) (Salat R:B = 6:2 und 7:3; Spinat R:B = 4:1; Kürbis- und Gurkenkeimlinge R:B = 7:3) die Biomasse (einschließlich Pflanzenhöhe, Blattfläche, Frisch- und Trockengewicht etc.) höher war. Der Stammdurchmesser und der Keimlingsindex waren jedoch größer, wenn der Blaulichtanteil den Rotlichtanteil überstieg. Biochemisch betrachtet begünstigt ein höherer Rotlichtanteil im Allgemeinen den Gehalt an löslichen Zuckern in Pflanzen. Für die Akkumulation von Vitamin C, löslichen Proteinen, Chlorophyll und Carotinoiden ist hingegen eine LED-Beleuchtung mit höherem Blaulichtanteil vorteilhafter. Unter diesen Lichtbedingungen ist der Malondialdehydgehalt ebenfalls relativ niedrig.

Da die Pflanzenfabrik hauptsächlich für den Anbau von Blattgemüse oder die industrielle Anzucht von Jungpflanzen genutzt wird, lässt sich aus den obigen Ergebnissen schließen, dass unter Berücksichtigung der Ertragssteigerung und der Qualität LED-Chips mit einem höheren Rotlichtanteil als Blaulichtanteil als Lichtquelle geeignet sind. Ein optimales Verhältnis liegt bei R:B = 7:3. Darüber hinaus ist dieses Rot-Blau-Verhältnis grundsätzlich für alle Arten von Blattgemüse oder Jungpflanzen anwendbar, ohne dass pflanzenspezifische Anforderungen bestehen.

Auswahl der roten und blauen Wellenlänge

Während der Photosynthese wird Lichtenergie hauptsächlich durch Chlorophyll a und Chlorophyll b absorbiert. Die Abbildung unten zeigt die Absorptionsspektren von Chlorophyll a und Chlorophyll b. Die grüne Spektrallinie repräsentiert das Absorptionsspektrum von Chlorophyll a, die blaue das von Chlorophyll b. Wie aus der Abbildung ersichtlich, weisen sowohl Chlorophyll a als auch Chlorophyll b zwei Absorptionsmaxima auf, eines im blauen und eines im roten Lichtbereich. Die beiden Absorptionsmaxima von Chlorophyll a und Chlorophyll b unterscheiden sich jedoch geringfügig. Genauer gesagt liegen die Wellenlängen der beiden Maxima von Chlorophyll a bei 430 nm und 662 nm, die von Chlorophyll b bei 453 nm und 642 nm. Da diese vier Wellenlängenwerte für verschiedene Pflanzenarten gleich bleiben, ändert sich die Wahl der Wellenlängen im roten und blauen Bereich der Lichtquelle nicht.

Absorptionsspektren von Chlorophyll a und Chlorophyll b

Eine herkömmliche LED-Beleuchtung mit breitem Lichtspektrum kann als Lichtquelle für die Pflanzenfabrik verwendet werden, sofern das rote und blaue Licht die beiden Absorptionsmaxima von Chlorophyll a und Chlorophyll b abdeckt. Der Wellenlängenbereich des roten Lichts liegt üblicherweise zwischen 620 und 680 nm, der des blauen Lichts zwischen 400 und 480 nm. Allerdings sollte der Wellenlängenbereich von rotem und blauem Licht nicht zu groß sein, da dies nicht nur Lichtenergie verschwendet, sondern auch andere negative Auswirkungen haben kann.

Wird eine LED-Lampe mit roten, gelben und blauen Chips als Lichtquelle in der Pflanzenfabrik verwendet, so sollte die Spitzenwellenlänge des roten Lichts auf die Spitzenwellenlänge von Chlorophyll a, also 660 nm, eingestellt werden, und die Spitzenwellenlänge des blauen Lichts sollte auf die Spitzenwellenlänge von Chlorophyll b, also 450 nm, eingestellt werden.

Die Rolle von gelbem und grünem Licht

Ein Verhältnis von rotem, grünem und blauem Licht von R:G:B = 6:1:3 ist optimal. Was die Bestimmung der Wellenlänge des grünen Lichtmaximums betrifft, so muss diese, da sie hauptsächlich eine regulierende Rolle im Pflanzenwachstumsprozess spielt, lediglich zwischen 530 und 550 nm liegen.

Zusammenfassung

Dieser Artikel behandelt die Auswahl der Lichtqualität in Pflanzenfabriken aus theoretischer und praktischer Sicht. Dazu gehören die Wahl des Wellenlängenbereichs von rotem und blauem Licht in LED-Lichtquellen sowie die Rolle und das Verhältnis von gelbem und grünem Licht. Im Pflanzenwachstumsprozess ist die optimale Abstimmung von Lichtintensität, Lichtqualität und Beleuchtungsdauer sowie deren Wechselwirkung mit Nährstoffen, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO₂-Konzentration von entscheidender Bedeutung. Unabhängig davon, ob Breitband- oder Multi-Chip-LED-Beleuchtung mit einstellbarem Spektrum eingesetzt wird, ist das Wellenlängenverhältnis für die Produktion von zentraler Bedeutung, da neben der Lichtqualität weitere Faktoren während des Betriebs in Echtzeit angepasst werden können. Daher sollte die Auswahl der Lichtqualität bereits in der Planungsphase von Pflanzenfabriken höchste Priorität haben.

Autor: Yong Xu

Artikelquelle: WeChat-Konto für Agrartechnik (Gewächshausgartenbau)

Referenz: Yong Xu,Strategie zur Auswahl der Lichtqualität in Pflanzenfabriken [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42(4): 22-25.