Beleuchtung für Salat jenseits der Wachstumsraten

Salat ist das am häufigsten angebaute Blattgemüse in den Vereinigten Staaten. Während der Großteil des Salats auf Feldern angebaut wird, nimmt die Produktion in Gewächshäusern und vertikalen Farmen der kontrollierten Umweltlandwirtschaft (CEA) zu. Laut dem USDA Census of Horticultural Specialties von 2019 ist Salat tatsächlich nach Tomaten die zweitgrößte Gewächshausgemüsepflanze in den USA. Die Produktion von Wintergewächshäusern in der nördlichen Hälfte der USA ist auf zusätzliche Beleuchtung angewiesen, um den Ertrag zu steigern. Lichtmenge (Tageslichtintegral) und Qualität (Spektrum oder Farbe des Lichts) wirken sich auf mehrere Aspekte der Salaternte aus, darunter Ertrag (typischerweise verkaufsfähiges Frischgewicht), Blattfarbe/-pigmentierung und Nährstoffgehalt. In Bezug auf die Ernährung ist Salat eine wichtige Quelle für Vitamin K, Xanthophylle (eine Klasse von Carotinoiden, die für die Augengesundheit wichtig sind), Anthocyane, Folsäure und Eisen.

Energie für die Beheizung und Beleuchtung von Gewächshäusern ist in der Regel der zweitgrößte Produktionskostenfaktor. Traditionell werden in Salatgewächshäusern HID-Leuchten (High Intensity Discharge) verwendet, um das Licht an bewölkten Wintertagen mit wenig Licht zu ergänzen. Hochdrucknatrium (HPS) und Keramikmetallhalogenid (CMH) sind zwei Arten von HIDs. Diese Leuchten haben eine relativ lange Lebensdauer und sind von vornherein kostengünstig, aber sie sind weniger energieeffizient, da ein großer Teil der Energie in Wärme umgewandelt wird und möglicherweise eine zusätzliche Kühlung erforderlich ist, um die zusätzliche Wärme auszugleichen. Ein weiterer Nachteil von HID-Leuchten besteht darin, dass Lichtintensität und Lichtspektrum nicht eingestellt werden können. Leuchtdioden (LEDs) erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, vor allem weil sie die Energiekosten senken, aber auch wegen der Flexibilität, die sie hinsichtlich Intensität und Spektrum bieten. Bei rotem Blattsalat ist bekannt, dass für die Rotfärbung blaues Licht notwendig ist (das von Anthocyanen, einem wichtigen Pigment und Antioxidans, stammt). Da HPS-Lichter im blauen Spektrum niedrig sind, fehlt es roten Salaten im Winter oft an einer tiefen Färbung, wenn das natürliche Licht (einschließlich Blau) gering ist. Das Lichtspektrum kann zur Anpassung des Pigment- und Nährstoffgehalts von Salat verwendet werden. Es fehlen jedoch Informationen zu verschiedenen zusätzlichen Lichtquellen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den Nährstoffgehalt und den Ertrag von Salat. Zusätzliche Beleuchtung kann sich auch auf den Wasserverbrauch der Pflanzen auswirken, was Auswirkungen auf die Bewässerungsplanung hat und eine Entfeuchtung des Anbauraums erforderlich macht. Wir haben eine Gewächshausstudie durchgeführt, bei der herkömmliche Leuchten (HPS und CMH) mit zwei Arten von LEDs (Breitspektrum-Weiß und Rot:Blau) verglichen wurden.

Das Experiment wurde von Dezember bis Mitte März in einem Gewächshaus im Zentrum von New York durchgeführt. Für diese Studie wurden zwei Salatsorten verwendet, „Rex“ (eine häufige Kopfsalatsorte für Hydrokulturen) und „Rouxai“ (eine rote Eichenblattsorte). Die Samen wurden eine Woche lang in Steinwollewürfeln gepflanzt und dann vier Wochen lang unter Lichtbehandlung in Mini-Deep-Water-Culture-Hydrokultursysteme (DWC) verpflanzt. Um die Wurzelzone mit Sauerstoff zu versorgen, wurde Luft in die Nährlösung gepumpt. Im selben Gewächshaus wurden vier Beleuchtungsbehandlungen eingerichtet: HPS, CMH, rot:blaue LED (70 % Rot und 30 % Blau) und weiße LED (36 % Rot, 27 % Blau und 45 % Grün). Alle Behandlungen wurden auf die gleiche Intensität von 150 μmol·m-2·s-1 eingestellt und jeden Tag wurde die Anzahl der Stunden zusätzlichen Lichts computergesteuert angepasst, um ein tägliches Lichtintegral (DLI) von 17 mol·m-1 zu erreichen. 2·d-1 unter jeder Behandlung. Jede Beleuchtungsbehandlung wurde auf zwei zufällig angeordneten Bänken im Gewächshaus durchgeführt und das Experiment wurde über drei Erntezyklen durchgeführt, wobei die Beleuchtungsbehandlungen vor jedem neuen Zyklus randomisiert wurden. Das Gewächshaus hatte Tag-/Nacht-Temperatursollwerte von 77/68° F. Sämlinge wurden eine Woche lang in einer gemeinsamen Umgebung gezüchtet und dann umgepflanzt und vier Wochen lang unter Lichtbehandlungen wachsen gelassen. Der Wasserverbrauch wurde dreimal wöchentlich aufgezeichnet. Nach vierwöchiger Lichtbehandlung wurden neun Pflanzen jeder Sorte pro Behandlungsbereich destruktiv geerntet und Daten zu Pflanzenhöhe, -breite und Frischgewicht gesammelt. Drei der neun Pflanzen wurden eingefroren und auf Pigmente und Nährstoffe (Chlorophyll, Xanthophyll, Anthocyane und Mineralstoffgehalt) analysiert. Der Rest der Proben wurde zur Datenerfassung zur Blattoberfläche und zum Trockengewicht verwendet.

Obwohl Pflanzen mit der gleichen Lichtintensität und dem gleichen DLI versorgt wurden, wurde ihr Wachstum durch das Lichtspektrum deutlich beeinflusst. Pflanzen, die unter HPS und CMH gezüchtet wurden, hatten eine größere Größe und Blattoberfläche als solche, die unter LEDs gezüchtet wurden. Die HPS- und CMH-Behandlungen führten beide zu einem höheren Frischgewicht und Trockengewicht als die LED-Behandlungen. Beispielsweise hatten unter HPS gewachsene Pflanzen bei „Rex“ und „Rouxai“ 24 % bzw. 39 % mehr Frischgewicht als Pflanzen, die unter rot:blauer LED gewachsen waren. „Rex“ hatte ein Frischgewicht von 150 g unter HPS vs. 120 g unter rot:blauer LED. „Rouxai“ hatte ein Frischgewicht von 100 g unter HPS vs. 70 g unter rot:blauer LED. Während unter HPS gewachsene Pflanzen ein höheres Frischgewicht aufwiesen als unter CMH gewachsene Pflanzen, war der Unterschied im Trockengewicht statistisch nicht signifikant. Mit anderen Worten: Unter HPS gewachsene Pflanzen waren saftiger (dh sie hielten mehr Wasser) als unter CMH gewachsene Pflanzen. Die beiden LED-Behandlungen führten zu einem ähnlichen Frischgewicht und Trockengewicht, obwohl weiße LEDs zu einer größeren Größe und Blattoberfläche führten als rote:blaue LEDs. HPS- und CMH-Geräte erzeugen etwas Infrarotwärme, die das Pflanzendach erwärmt. Wir glauben, dass eine erhöhte Pflanzentemperatur ein Grund für ein verstärktes Wachstum unter Wintergewächshausbedingungen sein kann. Dies deutet darauf hin, dass Züchter, die LEDs einsetzen, möglicherweise die Lufttemperatur im Gewächshaus um ein paar Grad erhöhen müssen, um eine ähnliche Entwicklungsrate von HID-gezüchteten Pflanzen zu erreichen. Die HPS-Leuchten enthalten auch etwas tiefrote Strahlung, die die Blattausdehnung steigern und so die Lichtaufnahme und -ausbeute steigern kann.

Trotz geringerer Größe und geringerem Gewicht waren Pflanzen, die unter rot-blauen LEDs gezüchtet wurden, nährstoffreicher, da sie im Vergleich zu Pflanzen, die unter HPS gezüchtet wurden, eine höhere Konzentration an Xanthophyllen (Lutein und Violaxanthin) und bei „Rouxai“ höhere Anthocyane (rote Pigmentierung) aufwiesen. Beispielsweise hatten Pflanzen, die unter rot:blauer LED gezüchtet wurden, 17–22 % mehr Violaxanthin als Pflanzen, die unter HPS gezüchtet wurden. Salat ist eine wichtige Quelle für Mineralstoffe wie Eisen und Zink, es gab jedoch keinen Unterschied im Mineralstoffgehalt zwischen allen Behandlungen. Was den Wasserverbrauch betrifft, so verbrauchten unter LEDs angebaute Pflanzen insgesamt weniger Wasser (25–29 % weniger pro Pflanze) als ihre unter HPS und CMH angebauten Gegenstücke. Wenn wir jedoch die Wassernutzungseffizienz (verwendete Wassermenge pro Gramm Frischgewicht der Pflanze) berechnen, hatten Pflanzen, die unter HPS und CMH gezüchtet wurden, eine höhere Wassernutzungseffizienz. Konkret verbrauchte „Rex“ unter HPS 11,9 bzw. 14,3 ml Wasser pro Gramm Frischgewicht im Vergleich zu roten:blauen LEDs. Bei „Rouxai“-Pflanzen wurden 17,9 bzw. 20,4 ml pro Gramm Frischgewicht unter HPS bzw. unter roten:blauen LEDs verwendet. Daher wird bei den in diesem Experiment verwendeten LEDs mehr Wasser pro geernteter Frischmasse benötigt als bei HID-Leuchten.

HPS, als traditionell verwendetes Zusatzlicht im Gewächshaus, brachte uns schöne Salate in Bezug auf Pflanzengröße und -gewicht. Allerdings führten LEDs zu einem höheren Nährstoffgehalt der Pflanzen. Dieses Ergebnis ist wichtig für Züchter, deren Zielgruppe diejenigen sind, denen Nährstoffe und Gesundheit am Herzen liegen. Zukünftig könnten Züchter das Lichtspektrum nutzen, um Wachstum und Ernährung für gesundheitsbewusste Kunden in Einklang zu bringen. Beachten Sie, dass unser Experiment unter Winterbedingungen mit relativ wenig Sonnenlicht durchgeführt wurde und möglicherweise nicht auf andere Jahreszeiten mit geringerem Bedarf an zusätzlicher Beleuchtung anwendbar ist. Wir empfehlen Landwirten, die an der Einführung neuer Lampen interessiert sind, kleine Versuche mit ihren eigenen Pflanzen unter ihren eigenen Wachstumsbedingungen durchzuführen, da neben der Beleuchtung viele Faktoren wie Temperatur, Fertigation und Sorte die Leistung der Pflanzen stark beeinflussen können.

Über die Autoren: Jiaqi Xia ([email protected]) ist Doktorand und Neil Mattson ([email protected]) ist Professor und Spezialist für Gewächshauserweiterungen an der School of Integrative Plant Science der Cornell University. Jake Holley ([email protected]) ist Forschungswissenschaftler an der Colorado State University.

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation unter der Preisnummer 1739163 und von der USDA-NIFA-SCRI-Preisnummer # 2018-51181-28365 unterstützt. Weitere Informationen zur Gewächshausbeleuchtung finden Sie unter: www.hortlamp.org

Erfahren Sie mehr über diese Ausgabe und finden Sie die nächste Geschichte, die Sie lesen können.