Einfluss der verschiedenen Wellenlängen einer LED-Belichtung auf das Pflanzenwachstum

Bereits seit mehreren Jahren finden an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf pflanzenbauliche Versuche zum Einsatz von LED-Belichtungen in Gewächshäusern statt. Über die Grundlagen bei der Verwendung von Leuchtdioden zur Pflanzenbelichtung und erste Ergebnisse aus einem Versuch mit Basilikum wurde bereits in der Juniausgabe 2011 des Infodienstes berichtet. Da die Photosynthese der Pflanzen hauptsächlich in den Wellenlängenbereichen zwischen 400 und 500 nm (blau), sowie 600 - 700 nm (hellrot) stattfindet, beschränkten sich erste LEDs zur Belichtung von Pflanzen auf diese beiden Bereiche. Es kamen Leuchten mit verschiedenen blau : rot Verhältnissen auf den Markt, die im Gewächshaus für das typische rosafarbene Licht sorgten. Neuere Untersuchungen berücksichtigen nun auch vermehrt den grünen Wellenlängenbereich zwischen 500 und 600 nm. Eine zusätzliche Belichtung in diesem Bereich soll gegenüber reinen Blau-Rot-LEDs zu besseren Ergebnissen führen. Einige Hersteller bieten deshalb bereits entsprechende Modelle an, die zum Teil noch zusätzlich Strahlung im dunkelroten Spektrum über 700 nm emittieren.

Einfluss der verschiedenen Wellenlängen auf das Wachstum

Es gibt zahlreiche Untersuchungen, die sich mit dem Einfluss von Strahlung bestimmter Wellenlängen auf das Wachstum von verschiedenen Pflanzenarten beschäftigen. Die erzielten Resultate sind jedoch nicht immer übereinstimmend. So kann die Belichtung mit identischen Wellenlängen bei verschiedenen Pflanzenarten durchaus zu unterschiedlichen Ergebnissen beim Wachstum führen.

Abb1: Aufteilung des sichtbaren Lichtspektrums
Abb. 1: Aufteilung des sichtbaren Lichtspektrums (Quelle: Wikipedia)

Abbildung 1 zeigt die Aufteilung des sichtbaren Lichtspektrums in die einzelnen Farben. Im kurzwelligen Bereich beginnt unterhalb von 380 nm die UV-Strahlung, während sich im langwelligen Bereich nach dem Dunkelrot die Infrarot-Strahlung (Wärmestrahlung) anschließt. Im folgenden Abschnitt werden die grundlegenden Reaktionen von Pflanzen auf Strahlung verschiedener Wellenlängen zusammengefasst.

Aufgrund der kurzen Wellenlänge ist UV-B Strahlung (280 - 320 nm) sehr energiereich. Pflanzen reagieren bei Bestrahlung mit verringerter Wuchshöhe, geringerer Biomasse und Abnahme des Blattvolumens. In der Wirkung ähnlich, jedoch in abgeschwächter Form, ist die energieärmere UV-A Strahlung (320 - 380 nm). Die Aussagen zu blauem Licht (380 - 500 nm) sind in der Literatur nicht immer eindeutig. Es wird bei verschiedenen Kulturen sowohl von einem verminderten Streckenwachstum [2, 7], als auch von einem verstärkten Längenwachstum berichtet [1, 3]. Einen großen Einfluss bei den Belichtungsversuchen dürfte das Vorhandensein von natürlichem Sonnenlicht spielen. Dieses kann die Effekte des monochromatischen LED-Lichts wieder aufheben, so dass bei Versuchen im Gewächshaus durchaus andere Ergebnisse erzielt werden können, als unter reinen Kunstlichtbedingungen. Grünes Licht (500 - 600 nm) wird zu großen Teilen von den Blättern reflektiert und lässt sie dadurch grün erscheinen. Eine Absorption findet im blaugrünen, kurzwelligeren Bereich durch Carotinoide statt. In einem dunkelgrünen Blatt ist grünes Licht durchaus photosynthetisch aktiv [4]. Bezüglich der Förderung des Längenwachstums im hellroten Licht (600 - 700 nm) gibt es auch wieder unterschiedliche Aussagen. Neben dem blauen Bereich findet auch hier eine starke Photosynthese durch das Chlorophyll statt. Das verstärkte Längenwachstum kann durch geringe Mengen blauen Lichts entgegen gewirkt werden [5, 7]. Hellrotes Licht kann bei Langtagpflanzen die Blüteninduktion stimulieren oder bei Kurztagpflanzen verhindern. Dunkelrote Strahlung (700 - 775 nm) kann diesen Wirkungen bei beiden Pflanzenkategorien entgegen wirken, kann aber auch das Streckungs- und Blattflächenwachstum fördern. Das Zusammenspiel von hellroter (660nm ± 30nm) und dunkelroter (730nm ± 30nm) Strahlung beeinflusst das Phytochromsystem und löst photomorphologische Effekte aus. Bei niedrigem Sonnenstand zum Sonnenauf- bzw. -untergang steigt der Anteil an dunkelroter Strahlung und bewirkt ein kleineres Hellrot-Dunkelrot-Verhältnis. Gleiches passiert bei der Beschattung von Pflanzen. Im Allgemeinen reagiert die Pflanze darauf mit verlängerten Internodien, weniger Seitentriebe und beschleunigter Blüte [6]. Die zum Teil widersprüchlichen Aussagen aus der Literatur verdeutlichen, dass es sich hier um ein sehr komplexes Thema handelt.

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LED-Belichtung von Helianthus annuus 'Pacino Gold'

Um den Einfluss der verschiedenen Wellenlängen einer LED-Beleuchtung auf das Wachstum von Sonnenblumen zu prüfen, fand im Winterhalbjahr 2012/13 am Institut für Gartenbau  ein Versuch mit der Sorte 'Pacino Gold‘ im 13-er Topf statt. Auch wenn Sonnenblumen üblicherweise nicht belichtet werden, so wurde für den Versuch diese Kultur gewählt, da Unterschiede zwischen den einzelnen Varianten aufgrund des eintriebigen Pflanzenaufbaus mit nur einer Blüte schnell sichtbar werden. Im ersten Teil wurde die Belichtung durch Hochdruck-Natriumdampflampen (Philips SON-T Agro 400W) mit einer rein blauen (455 nm) und roten (660 nm) LED (Firma Osram) verglichen. Als vierte Variante kam eine LED-Leuchte der Firma Valoya mit dem Spektrum AP67 zum Einsatz. Diese emittiert zusätzlich zum blauen und roten Licht auch Strahlung im Bereich zwischen 500 und 600 nm, sowie im dunkelroten Spektrum über 700 nm. Neben einer unbelichteten Kontrolle erfolgte im zweiten Abschnitt die Belichtung wiederum mit einer Hochdruck-Natriumdampflampe sowie mit zwei LED-Leuchten der Firma Optogan. Während eine der beiden Leuchten nur Licht im blauen und roten Wellenlängenbereich abgibt,  emittiert die zweite Leuchte zusätzlich auch dunkelrote Strahlung. Die Bestrahlungsstärke betrug bei allen Varianten 60 µmol/(m²*s) über einen täglichen Zeitraum von 1:00 bis 23:00 Uhr. An sonnigen Tagen schaltete sich die Belichtung ab einer Außenlichtstärke von 30 klx aus. Auf eine Behandlung mit Hemmstoffen wurde bewusst verzichtet.

Abb. 2 a: Sonnenblumen zu Versuchsende unter verschiedenen Belichtungsbedingungen
Abb. 2a: v. li. SON-T Agro #1, Valoya AP67, Osram blau, Osram rot
Sonnenblumen gegen Versuchsende unter  verschiedenen Belichtungsbedingungen
Abb. 2b: v. li. Optogan mit dunkelrot, Optogan ohne dunkelrot, SON-T Agro #2, Kontrolle

Ausgewählte Pflanzen jeder Variante gegen Versuchsende sind in Abbildung 2a/b dargestellt. Die besten Ergebnisse bezüglich Frühzeitigkeit konnten mit den Hochdruck-Natriumdampflampen und der Valoya-LED erreicht werden (94 Kulturtage bis zur Blüte). Dem gegenüber konnte eine signifikante Verzögerung um 6 Tage bei der Belichtung mit rein roten LEDs beobachtet werden. Die blühverfrühende Wirkung dunkelroter Strahlung zeigte sich im Vergleich der beiden Optogan-Varianten. Mit Dunkelrot konnte eine um 3 Tage frühere Blüte festgestellt werden (97 Tage Kulturzeit gegenüber 100 Tage ohne Dunkelrotanteil). Ein weiterer Aspekt des Versuchs war der Einfluss der verschiedenen Wellenlängen auf das Längenwachstum der Sonnenblumen (Abb. 3).

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Abb. 3: Darstellung der Pflanzenhöhe zum Versuchsende
Abb. 3: Helianthus annuus 'Pacino Gold' - Pflanzenhöhe zum Versuchsende am 31.01.2013

Auch hier lagen die Hochdruck-Natriumdampflampen und die Valoya-LED auf etwa dem gleichen Niveau. Durch den hohen Dunkelrotanteil konnte bei der entsprechenden Optogan-LED das größte Längenwachstum beobachtet werden (Abb. 4). Signifikante Unterschiede ergaben sich zwischen den beiden Osram-LEDs. Die Sonnenblumen reagierten auf die rote Strahlung gegenüber der rein blauen LED mit vermindertem Längenwachstum. Ähnliches konnte bereits früher an der Hochschule bei einem Versuch mit Chrysanthemen beobachtet werden.

Abb. 4: Sonnenblumen unter den beiden Optogan-LEDs - links ohne; rechts mit Dunkelrotanteil
Abb. 4: Sonnenblumen unter den beiden Optogan-LEDs - links ohne; rechts mit Dunkelrotanteil

Zu den extremen Ergebnissen der unbelichteten Kontrolle ist anzumerken, dass die Versuche in einem Kabinengewächshaus innerhalb eines Gewächshauses stattfanden und durch die doppelte Glashülle viel der im Versuchszeitraum ohnehin geringen natürlichen Einstrahlung verloren ging. Zusätzlich waren die einzelnen Varianten während den Belichtungszeiten mit schwarzen Schirmen voneinander getrennt, was zu einem weiteren Lichtverlust führte.
Trotz geringer Wuchshöhe erzielte die rote Osram-LED das höchste Frischgewicht (ohne Blüten) (Abb. 5). Erreicht wird dies durch große Blattflächen und den größten Stieldurchmesser im Versuch. Der gegenteilige Effekt wurde bei der blauen Osram-LED beobachtet. Kleine Blätter und geringer Stieldurchmesser führten zum niedrigsten Frischgewicht aller belichteten Varianten (siehe auch entsprechende Pflanzen in Abb. 2). Ein ähnliches Niveau erreichten wiederum die Hochdruck-Natriumdampflampen und die Valoya-LED, gefolgt von den beiden Optogan-LEDs.


Abb. 5: Helianthus annuus 'Pacino Gold' - Frischgewicht Pflanze ohne Blüte zum Versuchsende am 31.01.2013
Abb. 5: Helianthus annuus 'Pacino Gold' - Frischgewicht Pflanze ohne Blüte zum Versuchsende am 31.01.2013

Betrachtet man nun das Frischgewicht in Bezug auf die Wuchshöhe, so erhält man ein Maß für die Kompaktheit (g/cm) der Pflanzen. Die rote Osram-LED erreichte hier aufgrund des hohen Frischgewichts bei geringer Wuchshöhe den höchsten und damit besten Wert (2,08 g/cm). Es folgen mit vergleichbaren Werten die Hochdruck-Natriumdampflampen, die Valoya-LED und die Optogan-Variante ohne dunkelrot (Ø1,53 g/cm). Aufgrund der großen Pflanzenhöhe schneiden die Optogan-LED mit dunkelrot (1,34 g/cm) und die blaue Osram-LED (1,14 g/cm) jeweils signifikant schlechter ab. Bei der Messung der Blüten fiel die blaue Osram-LED durch einen deutlich geringeren Durchmesser gegenüber den anderen Varianten auf.
Fasst man alle Auswertungsmerkmale zusammen, so wurden die besten Ergebnisse unter den Belichtungsvarianten Hochdruck-Natriumdampflampe und Valoya AP67 erreicht. Die aufgrund der Wärmestrahlung unter den Gasentladungslampen um 1 bis 2°C höheren Blatttemperaturen während der Belichtungsphasen konnte durch das erweiterte Lichtspektrum der Valoya-LED kompensiert werden. Vorteile anderer Varianten bei einzelnen Auswertungskriterien, wie der kompakte Wuchs unter den roten Osram-LEDs, wurden durch ein schlechtes Abschneiden in anderen Kategorien wieder aufgehoben, im genannten Beispiel etwa eine signifikant längere Kulturzeit. Der Versuch zeigte auf, dass bei Topfsonnenblumen durch LED-Leuchten mit erweitertem Spektrum im grünen und dunkelroten Spektralbereich gegenüber reinen Blau-Rot-LEDs bessere Qualitäten zu produzieren sind.

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Quellen

[1] BERGSTRAND, K.-J. I., SCHÜSSLER, H. K., 2011: Prospects on LED Lighting for Growth Regulation and Energy Saving in Pot Plant Production. Acta Horticulturae 893, 269-274.
[2] FUKUDA, N., NISHIMURA, S., SASE, S., NOGI, M., 2002: Effects of Localized Light Quality from Light Emitting Diodes on Geranium Peduncle Elongation. Acta Horticulturae 580, 151-156.
[3] HEO, J., LEE, C., PAEK, K., 2002: Characteristics of Growth and Flowering on Some Bedding Plants Grown in Mixing Fluorescent Tube and Light-Emitting Diode. Acta Horticulturae 580, 77-82.
[4] Knapp,M., 2005: Ökophysiologische Untersuchungen zur Photosynthese und Pigment-Adaption bei Licht- und Schattenblättern. Karlsruher Beiträge zur Pflanzenphysiologie 40, 1-199, 2005, S. 2.
[5] MASSA, G. D., KIM, H.-H., WHEELER, R. M., MITCHELL, C. A., 2008: Plant Productivity in Response to LED Lighting. HortScience, Vol. 43 Dezember 2008, 1951-1956.
[6] MATA, D. A., BOTTO, J. F., 2009: Manipulation of Light Environment to Produce High-quality Poinsettia Plants. HortScience, Vol. 44 Juni 2009, 702-706.
[7] RICHTER, M., MATSCHKE, J., 1995: Welchen Einfluß auf das Streckungswachstum und das Blühverhalten von Argyranthemum frutescens 'Schneekönigin' hat eine Belichtung mit verschiedenen Lichtreizen? Versuche im Deutschen Gartenbau, 1995.

Infodienst Weihenstephan - April 2013

Belichtung

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Verfasser

Dietmar Prucker
Hochschule Weihenstephan-Triesdorf
Institut für Gartenbau
Bilder: HSWT