Verwendung von Ergänzungs- und Einzelprodukten

Diese Artikelserie stammt aus dem Multistate-Forschungsprojekt „Resource Management in Commercial Greenhouse Production“.

Mit dem zunehmenden Interesse an lokal und nachhaltig produzierten Lebensmitteln ist ein erneutes Interesse an städtischer und kontrollierter Umweltlandwirtschaft (CEA) einhergegangen. Verbraucher verlangen immer mehr, dass ihre Produkte frei von Chemikalien sind und möchten wissen, wo und wie sie angebaut wurden. Der Anbau von Pflanzen in städtischen Umgebungen hat eindeutig entscheidende Vorteile wie die Nähe zum Markt, eine längere Haltbarkeit und ein Wissen der Verbraucher über Produktionspraktiken. Allerdings gibt es auch große Herausforderungen wie die Verfügbarkeit von geeignetem Land, das frei von gefährlichen Stoffen ist, hohe Immobilienwerte und Steuern, Genehmigungen und Vorschriften, die Suche nach qualifizierten Arbeitskräften und die Konkurrenz durch billigere Freilandprodukte. Der Vorteil von CEA besteht darin, dass die meisten Umweltbedingungen sorgfältig kontrolliert werden können, was eine ganzjährige Produktion ermöglicht und nahezu die höchsten potenziellen Erträge garantiert. Typische Wachstumsstrukturen reichen von hohen Tunneln bis hin zu Gewächshäusern (Abb. 1) sowie umgenutzte Gebäude (Abb. 2) oder Versandbehälter (Abb. 3), die nur sehr wenig oder gar kein Sonnenlicht an die Pflanzen gelangen lassen.

Abhängig vom Breitengrad und der jeweiligen Jahreszeit ist es wahrscheinlich, dass elektrische Beleuchtung benötigt wird, um entweder das natürlich verfügbare Sonnenlicht für höhere Erträge zu ergänzen, die Tageslänge zu verlängern oder als alleinige Lichtquelle zu dienen. Da das menschliche Auge nicht besonders gut darin ist, Unterschiede in der Lichtintensität einzuschätzen, und da Menschen normalerweise bei relativ geringen Lichtintensitäten gut agieren können, wissen wir nicht, wie viel photosynthetisches Licht Pflanzen zum Wachsen und Entwickeln benötigen. Tatsächlich brauchen Pflanzen viel mehr Licht, als der Durchschnittsmensch vermuten würde. Daher ist die Pflanzenbeleuchtung ein entscheidender Bestandteil städtischer Pflanzenproduktionsumgebungen.

In CEA werden üblicherweise drei verschiedene Arten von elektrischen Lampen verwendet: Leuchtstofflampen (FL), Hochleistungsentladungslampen (HID) und Leuchtdioden (LEDs). HID-Lampen können weiter in Natriumdampf-Hochdrucklampen (HPS) und Metallhalogenidlampen (MH) unterteilt werden. Die FL- und HID-Lampen gibt es in unterschiedlichen Größen und Wattstärken, aber nach der Installation erzeugen sie Licht mit einem festen Farbspektrum. Im Durchschnitt wandeln FL-Lampen etwa 20 Prozent der zugeführten elektrischen Energie in photosynthetisch aktive Strahlung (PAR; siehe unten) um, die Pflanzen für die Photosynthese nutzen. Sie werden häufig in Wachstums- oder Keimkammern eingesetzt, die für die Setzlingsproduktion oder Gewebekultur konzipiert sind. Bei HID-Lampen steigt der Umwandlungswirkungsgrad auf rund 30 Prozent. Das Farbspektrum des von MH-Lampen erzeugten Lichts enthält etwas mehr Blau als das von HPS-Lampen und sie werden am häufigsten in Gartencentern eingesetzt, damit Pflanzen farbtreuer erscheinen. HPS-Lampen verfügen über ein effektives Lichtspektrum, um die Blüte von Langtagpflanzen und die Photosynthese zu fördern.

Jüngste technologische Fortschritte haben hochintensive LED-Lampen als photosynthetische Lichtquellen attraktiver gemacht: Sie können so konzipiert werden, dass sie ein bestimmtes Farbspektrum erzeugen, oder sie ermöglichen die Anpassung des Spektrums an die Bedürfnisse der Pflanze. Im Gegensatz zu HID-Lampen erzeugen LED-Lampen wenig Strahlungswärme, sodass sie viel näher am Pflanzendach platziert werden können, ohne das Blattgewebe zu beschädigen (Abb. 4 ). Allerdings erzeugen LED-Lampen immer noch (Konvektions-)Wärme, die abgeführt werden muss, um einen effizienten Betrieb und eine maximale Lebensdauer zu gewährleisten. LED-Lampen, die speziell für Pflanzenwachstumsanwendungen entwickelt wurden, haben kürzlich die Umwandlungseffizienz von doppelseitig gesockelten HPS-Lampen übertroffen und werden voraussichtlich in Zukunft noch höhere Umwandlungseffizienzen erreichen. Die meisten Hochleistungs-LED-Lampen für Gartenbauanwendungen enthalten rote und blaue Dioden und können weiße Dioden enthalten, damit Menschen die wahre Farbe von Pflanzen sehen können.

PAR bezieht sich auf das Wellenband des Lichts (zwischen 400 und 700 nm), das von Pflanzen für die Photosynthese genutzt wird. Die Menge an PAR, die eine Pflanze bis zu einem artspezifischen Niveau erhält, erhöht die Photosyntheseraten und führt letztendlich zu einem verbesserten Wachstum, einer besseren Qualität und einem besseren Ertrag. Ungefähr 45 Prozent der Sonnenenergie fallen in den PAR-Wellenbereich von 400 bis 700 nm. Energie außerhalb der PAR-Region ist weniger photosynthetisch aktiv, kann jedoch Pflanzenreaktionen wie Blatt-/Blütenfarbe (d. h. UV-Strahlung kann die Konzentration von Anthocyanen fördern), Stängelverlängerung (Verhältnis von rotem zu dunkelrotem Licht und blauer Strahlung) und die Blüte beeinflussen und kann auch die Pflanzentemperatur erhöhen (Infrarotstrahlung).

PAR wird anhand der momentanen Lichtintensität als photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD, Einheiten µmol·m-2·s-1) quantifiziert. Die Richtlinien für die Intensität von zusätzlichem und alleinigem Licht variieren je nach Kultur und Menge des verfügbaren Sonnenlichts. Im Allgemeinen werden 50 bis 90 µmol·m-2·s-1 zusätzliche Beleuchtung von HPS-Lampen oder LEDs an Jungpflanzen und Microgreens in der Blumenzucht geliefert. Gemüse, Kräuter und Blattgemüse werden im Allgemeinen mit höheren Zusatzbeleuchtungsintensitäten von 100 bis 200 µmol·m-2·s-1 versorgt. Die Lichtintensitäten für alleinige Anwendungen in Innenräumen sind oft doppelt so hoch oder höher, da diese Pflanzen kein Sonnenlicht erhalten.

Der Begriff „Tageslichtintegral“ (DLI) wird verwendet, um die kumulierte Menge an PAR zu beschreiben, die eine Quadratmeterfläche über einen Zeitraum von 24 Stunden erhält. Die Einheit für DLI ist Mol PAR pro Quadratmeter und Tag (Mol·m-2·d-1). Der angestrebte DLI-Wert für die Produktion akzeptabler Zierpflanzen und hochwertiger Jungpflanzen liegt bei 10 bis 12 mol·m-2·d-1 (Tabelle 1 ). Für die meisten Schnittblumen und Gewächshausgemüse beträgt der minimale DLI-Zielwert für die Produktion akzeptabler Qualitätspflanzen 15 mol·m-2·d-1. Bei fruchttragenden Gemüsepflanzen führt ein erhöhter DLI über 15 mol·m-2·d-1 zu einem höheren Ernteertrag. Kopfsalat ist jedoch anfällig für die physiologische Störung Spitzenverbrennung und wird nicht mehr vermarktbar, wenn die Lichtstärke etwa 16–17 mol·m-2·d-1 übersteigt (je nach Sorte und Luftstrom).

Bei der Gewächshausproduktion kann es Zeiten geben, in denen die Sonneneinstrahlung zu stark ist (was z. B. zu Verbrennungen an den Salatspitzen führt). Für Obstpflanzen, die höhere DLIs nutzen können, stellt eine hohe Sonneneinstrahlung möglicherweise kein Problem dar, kann jedoch die Kontrolle der Gewächshaustemperatur erschweren. Die Beschattung kann die ganze Saison über als Beschattungsanlage (z. B. weiße Tücher) oder als stationäres Netz/Schirm eingesetzt werden. Die bevorzugte Methode ist jedoch ein motorisiertes, einziehbares System, das automatisch vom Computer für die Umweltsteuerung des Gewächshauses eingesetzt werden kann, wenn die Lichtstärke zu hoch ist einen Schwellenwert. Eine nächtliche Zusatzbeleuchtung von Gewächshäusern kann Auswirkungen auf die Nachbarn haben und daher laut Gemeindeordnung als „Lichtverschmutzung“ gelten. Um diese Lichtverschmutzung zu mildern, können Verdunklungsvorhänge verwendet werden.

Einige Leuchten (z. B. FL- und bestimmte LED-Lampen) nehmen für die von ihnen beleuchtete Fläche eine große Stellfläche ein. Daher würden diese Leuchten in einer Gewächshausumgebung übermäßigen Schatten spenden und eignen sich besser für alleinige Beleuchtungsanwendungen. Die Lebensdauer von Leuchten wird in der Regel anhand der Anzahl der Betriebsstunden bewertet, nach denen ein gewisser Rückgang der anfänglichen Lichtleistung erreicht wird. Ein L70-Wert von 25.000 Stunden bedeutet beispielsweise, dass die Lichtleistung nach 25.000 Betriebsstunden voraussichtlich auf 70 Prozent der ursprünglichen Leistung abnimmt. Abhängig von der Ernte und den Stromkosten kann es sinnvoll sein, eine Fassung oder Glühbirne auszutauschen, noch bevor der L70-Wert erreicht ist. Den Erzeugern wird empfohlen, die Garantiebedingungen zu verstehen. Für einige Geräte gilt eine Garantie für eine bestimmte Anzahl von Jahren, für andere basiert die Garantie auf der Anzahl der Betriebsstunden. Beleuchtungslieferanten können eine Lichtkarte berechnen, die die erwartete Lichtintensität (PPFD) und Gleichmäßigkeit in Pflanzenhöhe bei einer bestimmten Anordnung der Leuchten anzeigt. Da die Beleuchtung eine so wichtige Entscheidung ist, holen Sie Angebote von mehreren Lieferanten ein und sprechen Sie mit Kollegen über Empfehlungen.

Schließlich hängen die Reaktionen der Pflanzen auf Licht stark von der angebauten Kulturpflanze und den spezifischen Umweltbedingungen (Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Kohlendioxidkonzentration) ab. Daher wird, wie bei anderen Produktionspraktiken auch, dringend empfohlen, kleine Versuche mit der Beleuchtung durchzuführen, bevor große Änderungen/Investitionen in Betracht gezogen werden.

AJ ist Professor und Erweiterungsspezialist an der Rutgers University ([email protected]), Neil ist außerordentlicher Professor und Erweiterungsspezialist an der Cornell University ([email protected]) und Roberto ist Assistenzprofessor und Spezialist für Blumenzucht/kontrollierte Umgebung an der Michigan State University ([email protected]).Danksagungen.Finanzielle Unterstützung erhielt das USDA National Institute of Food and Agriculture, Multistate Research Project NE-1335: Resource Management in Commercial Greenhouse Production.

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