Einführung

Licht spielt eine Schlüsselrolle im Pflanzenwachstum. Es ist der beste Dünger, um die Aufnahme von Chlorophyll und anderen wichtigen Pflanzeninhaltsstoffen wie Carotin zu fördern. Der entscheidende Faktor für das Pflanzenwachstum ist jedoch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Faktoren, das nicht nur vom Licht abhängt, sondern auch von der Zusammensetzung von Wasser, Boden und Dünger, den Wachstumsbedingungen und einer umfassenden technischen Steuerung.

In den letzten zwei bis drei Jahren gab es unzählige Berichte über die Anwendung von Halbleiterbeleuchtungstechnologie in Bezug auf dreidimensionale Pflanzenfabriken und Pflanzenwachstum. Doch nach genauerer Lektüre bleibt stets ein gewisses Unbehagen. Generell herrscht kein wirkliches Verständnis darüber, welche Rolle Licht im Pflanzenwachstum spielen sollte.

Zunächst wollen wir das Sonnenspektrum betrachten, wie in Abbildung 1 dargestellt. Es handelt sich um ein kontinuierliches Spektrum, in dem der blaue und grüne Anteil stärker ist als der rote. Das sichtbare Lichtspektrum erstreckt sich von 380 bis 780 nm. Das Wachstum von Organismen in der Natur hängt mit der Intensität des Lichtspektrums zusammen. Beispielsweise wachsen die meisten Pflanzen in Äquatornähe sehr schnell und erreichen gleichzeitig eine relativ große Größe. Hohe Sonneneinstrahlung ist jedoch nicht immer vorteilhaft, und es gibt eine gewisse Selektivität beim Wachstum von Tieren und Pflanzen.

Abbildung 1, Die Eigenschaften des Sonnenspektrums und seines sichtbaren Lichtspektrums

Zweitens ist in Abbildung 2 das zweite Spektraldiagramm einiger wichtiger Absorptionselemente des Pflanzenwachstums dargestellt.

Abbildung 2, Absorptionsspektren verschiedener Auxine im Pflanzenwachstum

Abbildung 2 zeigt, dass sich die Lichtabsorptionsspektren einiger wichtiger Auxine, die das Pflanzenwachstum beeinflussen, deutlich unterscheiden. Daher ist der Einsatz von LED-Pflanzenlampen nicht trivial, sondern erfordert eine gezielte Anwendung. Im Folgenden werden die beiden wichtigsten photosynthetischen Wachstumsfaktoren erläutert.

• Chlorophyll

Chlorophyll ist eines der wichtigsten Pigmente der Photosynthese. Es kommt in allen Organismen vor, die Photosynthese betreiben können, darunter grüne Pflanzen, prokaryotische Blaualgen (Cyanobakterien) und eukaryotische Algen. Chlorophyll absorbiert Lichtenergie, die dann zur Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenhydrate genutzt wird.

Chlorophyll a absorbiert hauptsächlich rotes Licht, Chlorophyll b hingegen hauptsächlich blauviolettes Licht. Diese Unterschiede dienen vor allem der Unterscheidung von Schatten- und Sonnenpflanzen. Das Verhältnis von Chlorophyll b zu Chlorophyll a ist bei Schattenpflanzen gering, wodurch diese blaues Licht besonders gut nutzen und sich an das Wachstum im Schatten anpassen können. Chlorophyll a ist blaugrün, Chlorophyll b gelbgrün. Beide Chlorophylltypen weisen zwei starke Absorptionsspektren auf: eines im roten Bereich mit einer Wellenlänge von 630–680 nm und das andere im blauvioletten Bereich mit einer Wellenlänge von 400–460 nm.

• Carotinoide

Carotinoide sind die Sammelbezeichnung für eine Klasse wichtiger natürlicher Farbstoffe, die häufig in gelben, orange-roten oder roten Pigmenten in Tieren, höheren Pflanzen, Pilzen und Algen vorkommen. Bislang wurden mehr als 600 natürliche Carotinoide entdeckt.

Die Lichtabsorption von Carotinoiden erstreckt sich über den Bereich von OD 303–505 nm und ist für die Farbe von Lebensmitteln verantwortlich, die auch die Nahrungsaufnahme beeinflusst. In Algen, Pflanzen und Mikroorganismen ist die Farbe von Carotinoiden durch Chlorophyll überdeckt und daher nicht sichtbar. In Pflanzenzellen absorbieren und übertragen die produzierten Carotinoide nicht nur Energie für die Photosynthese, sondern schützen die Zellen auch vor der Zerstörung durch angeregte Sauerstoffmoleküle mit Einfachbindung.

Einige konzeptionelle Missverständnisse

Ungeachtet des Energiespareffekts, der Lichtselektivität und der Lichtkoordination hat die Halbleiterbeleuchtung große Vorteile gezeigt. Die rasante Entwicklung der letzten zwei Jahre hat jedoch auch zu zahlreichen Missverständnissen im Bereich Design und Anwendung von Licht geführt, die sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten widerspiegeln.

①Solange die roten und blauen Chips einer bestimmten Wellenlänge in einem bestimmten Verhältnis kombiniert werden, können sie in der Pflanzenzucht verwendet werden, zum Beispiel bei einem Verhältnis von Rot zu Blau von 4:1, 6:1, 9:1 usw.

② Solange es sich um weißes Licht handelt, kann es Sonnenlicht ersetzen, wie beispielsweise die in Japan weit verbreitete Drei-Primärfarben-Weißlichtröhre usw. Die Verwendung dieser Spektren hat einen gewissen Einfluss auf das Pflanzenwachstum, jedoch ist der Effekt nicht so gut wie bei einer Lichtquelle aus LEDs.

③ Solange die PPFD (Lichtquantenflussdichte), ein wichtiger Beleuchtungsparameter, einen bestimmten Wert erreicht, beispielsweise über 200 μmol·m⁻²·s⁻¹, ist die Lichtkompensation optimal. Bei der Verwendung dieses Indikators muss jedoch beachtet werden, ob es sich um eine Schatten- oder Sonnenpflanze handelt. Der Lichtkompensationspunkt (auch Lichtkompensationspunkt genannt) der jeweiligen Pflanze muss ermittelt werden. In der Praxis verbrennen oder verwelken Sämlinge häufig. Daher muss die Lichtkompensation an die Pflanzenart, die Wachstumsbedingungen und die Umgebungsbedingungen angepasst werden.

Hinsichtlich des ersten Aspekts, wie bereits in der Einleitung erwähnt, sollte das für das Pflanzenwachstum benötigte Spektrum ein kontinuierliches Spektrum mit einer bestimmten Bandbreite aufweisen. Die Verwendung einer Lichtquelle aus zwei spezifischen Wellenlängenchips für Rot und Blau mit einem sehr schmalen Spektrum (siehe Abbildung 3(a)) ist offensichtlich ungeeignet. Experimente haben gezeigt, dass die Pflanzen dadurch gelblich werden und die Blattstiele sehr hell und dünn sind.

Bei den in den Vorjahren üblichen Leuchtstoffröhren mit den drei Primärfarben wird zwar Weiß erzeugt, jedoch sind die roten, grünen und blauen Spektralanteile getrennt (siehe Abbildung 3(b)), und die Spektralbreite ist sehr gering. Die spektrale Intensität des darunterliegenden kontinuierlichen Bereichs ist relativ schwach, und der Stromverbrauch ist im Vergleich zu LEDs immer noch relativ hoch (1,5- bis 3-mal so hoch). Daher ist die Lichtausbeute nicht so gut wie bei LED-Lampen.

Abbildung 3, Rot- und Blau-Chip-LED-Pflanzenlampe und Dreifarben-Fluoreszenzlichtspektrum

Die photosynthetisch aktive Strahlungsflussdichte (PPFD) bezeichnet die effektive Strahlungsflussdichte des Lichts in der Photosynthese. Sie gibt die Gesamtzahl der Lichtquanten an, die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit im Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm auf die Blattstängel einer Pflanze treffen. Ihre Einheit ist μE·m⁻²·s⁻¹ (μmol·m⁻²·s⁻¹). Die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) bezeichnet die gesamte Sonnenstrahlung im Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm. Sie kann entweder in Lichtquanten oder in Strahlungsenergie ausgedrückt werden.

Früher wurde die vom Illuminameter reflektierte Lichtintensität als Helligkeitswert verwendet. Das Lichtspektrum während des Pflanzenwachstums ändert sich jedoch aufgrund des Abstands der Beleuchtungskörper zur Pflanze, der Lichtverteilung und der Lichtdurchlässigkeit der Blätter. Daher ist die Verwendung von PAR als Indikator für die Lichtintensität in der Photosyntheseforschung ungenau.

Im Allgemeinen kann die Photosynthese bei sonnenliebenden Pflanzen ab einer PPFD von über 50 μmol·m⁻²·s⁻¹ eingeleitet werden, während schattenliebende Pflanzen bereits mit 20 μmol·m⁻²·s⁻¹ auskommen. Daher sollten Sie beim Kauf von LED-Pflanzenlampen die benötigte Anzahl anhand dieses Referenzwertes und der Pflanzenart auswählen. Beträgt die PPFD einer einzelnen LED-Lampe beispielsweise 20 μmol·m⁻²·s⁻¹, sind für das Wachstum sonnenliebender Pflanzen mehr als drei LED-Pflanzenlampen erforderlich.

Verschiedene Designlösungen für Halbleiterbeleuchtung

Halbleiterbeleuchtung wird für das Pflanzenwachstum bzw. die Anpflanzung verwendet, und es gibt zwei grundlegende Referenzmethoden.

• Derzeit ist das Modell der Zimmerpflanzen in China sehr beliebt. Dieses Modell weist mehrere Merkmale auf:

① Die Rolle von LED-Leuchten besteht darin, das gesamte Lichtspektrum für die Pflanzen bereitzustellen. Das Beleuchtungssystem muss die gesamte benötigte Beleuchtungsenergie liefern, und die Produktionskosten sind relativ hoch.
② Bei der Konstruktion von LED-Pflanzenlampen muss die Kontinuität und Integrität des Lichtspektrums berücksichtigt werden;
③ Es ist notwendig, die Beleuchtungsdauer und die Beleuchtungsintensität effektiv zu kontrollieren, z. B. indem man den Pflanzen einige Stunden Ruhezeit lässt, die Bestrahlungsintensität nicht ausreichend oder zu hoch ist usw.;
④ Der gesamte Prozess muss die Bedingungen nachahmen, die für das optimale Wachstum von Pflanzen im Freien erforderlich sind, wie z. B. Luftfeuchtigkeit, Temperatur und CO2-Konzentration.

• Freilandpflanzung mit guter Grundlage für die Anpflanzung im Gewächshaus. Die Merkmale dieses Modells sind:

① Die Rolle von LED-Lampen besteht in der Ergänzung des Lichts. Zum einen erhöhen sie tagsüber unter Sonneneinstrahlung die Lichtintensität im blauen und roten Spektralbereich, um die Photosynthese der Pflanzen zu fördern, und zum anderen gleichen sie nachts fehlendes Sonnenlicht aus, um das Pflanzenwachstum zu unterstützen.
② Bei der zusätzlichen Beleuchtung muss berücksichtigt werden, in welchem ​​Wachstumsstadium sich die Pflanze befindet, z. B. im Keimlingsstadium oder in der Blüte- und Fruchtphase.

Daher sollte das Design von LED-Pflanzenlampen zunächst zwei grundlegende Betriebsmodi umfassen: 24-Stunden-Beleuchtung (für Innenräume) und Zusatzbeleuchtung für das Pflanzenwachstum (für Außenbereiche). Für den Anbau von Pflanzen in Innenräumen müssen beim Design der LED-Pflanzenlampen drei Aspekte berücksichtigt werden (siehe Abbildung 4). Es ist nicht möglich, die Chips mit den drei Primärfarben in einem bestimmten Verhältnis zu verpacken.

Abbildung 4, Die Designidee der Verwendung von LED-Pflanzenverstärkerleuchten für den Innenbereich zur 24-Stunden-Beleuchtung

Beispielsweise kann für ein Spektrum im Anzuchtstadium, bei dem das Wachstum von Wurzeln und Stängeln sowie die Verzweigung der Blätter gefördert werden sollen und die Lichtquelle in Innenräumen verwendet wird, das Spektrum wie in Abbildung 5 dargestellt gestaltet werden.

Abbildung 5, Spektrale Strukturen, die für die LED-Beleuchtung von Kindergärten in Innenräumen geeignet sind

Die Konstruktion der zweiten Art von LED-Pflanzenlampe zielt hauptsächlich darauf ab, das Pflanzenwachstum im Gewächshaus im Freien durch zusätzliches Licht zu fördern. Das Designkonzept ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6, Designideen für Pflanzenlampen im Außenbereich 

Der Autor schlägt vor, dass mehr Pflanzunternehmen die zweite Option wählen und LED-Lampen zur Förderung des Pflanzenwachstums einsetzen.

Zunächst einmal verfügt China über jahrzehntelange Erfahrung im Freilandanbau von Gewächshäusern, sowohl im Süden als auch im Norden. Die Gewächshaustechnologie ist gut ausgebaut und versorgt die umliegenden Städte mit einer großen Menge an frischem Obst und Gemüse. Insbesondere im Bereich Boden-, Wasser- und Düngetechnik wurden umfangreiche Forschungsergebnisse erzielt.

Zweitens kann diese Art von Zusatzbeleuchtung den unnötigen Energieverbrauch erheblich reduzieren und gleichzeitig den Ertrag von Obst und Gemüse effektiv steigern. Darüber hinaus bietet Chinas riesiges geografisches Gebiet hervorragende Voraussetzungen für eine erfolgreiche Vermarktung.

Die wissenschaftliche Forschung im Bereich der LED-Pflanzenbeleuchtung bietet zudem eine breitere experimentelle Grundlage. Abb. 7 zeigt eine von diesem Forschungsteam entwickelte LED-Pflanzenlampe, die sich für den Anbau in Gewächshäusern eignet; ihr Lichtspektrum ist in Abb. 8 dargestellt.

Abbildung 7, Eine Art LED-Pflanzenlampe

Abbildung 8, Spektrum einer bestimmten Art von LED-Pflanzenlampe

Auf Grundlage der oben genannten Designideen führte das Forschungsteam eine Reihe von Experimenten durch, deren Ergebnisse sehr aussagekräftig sind. Beispielsweise wurde für die Anzucht von Jungpflanzen ursprünglich eine 32-W-Leuchtstofflampe mit einer Anzuchtdauer von 40 Tagen verwendet. Durch den Einsatz einer 12-W-LED-Lampe verkürzt sich die Anzuchtdauer auf 30 Tage. Gleichzeitig wird der Einfluss der Lampentemperatur im Anzuchtraum effektiv reduziert und der Stromverbrauch der Klimaanlage gesenkt. Dicke, Länge und Farbe der Jungpflanzen sind im Vergleich zur ursprünglichen Anzuchtmethode verbessert. Auch bei der Anzucht von Gemüsepflanzen konnten positive Ergebnisse erzielt werden, die in der folgenden Tabelle zusammengefasst sind.

Die Gruppe mit Zusatzlicht wies eine PPFD von 70–80 μmol·m⁻²·s⁻¹ und ein Rot-Blau-Verhältnis von 0,6–0,7 auf. Die PPFD-Werte der natürlichen Gruppe lagen tagsüber zwischen 40 und 800 μmol·m⁻²·s⁻¹, das Rot-Blau-Verhältnis zwischen 0,6 und 1,2. Diese Werte sind somit besser als die von natürlich gewachsenen Sämlingen.

Abschluss

Dieser Artikel stellt die neuesten Entwicklungen im Bereich der LED-Pflanzenlampen vor und räumt mit einigen Missverständnissen bezüglich ihrer Anwendung auf. Abschließend werden die technischen Konzepte und Entwicklungskonzepte für LED-Pflanzenlampen erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass bei der Installation und Verwendung der Lampen verschiedene Faktoren zu berücksichtigen sind, wie beispielsweise der Abstand zwischen Lampe und Pflanze, die Abstrahlreichweite und die richtige Anwendung in Kombination mit normalem Gießwasser, Dünger und Erde.

Autor: Yi Wang et al. Quelle: CNKI