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Jun 13, 2023

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Anmerkung des Herausgebers: Dies ist der erste einer zweiteiligen Serie. In der kontrollierten Umweltlandwirtschaft konzentrieren sich umfangreiche Bemühungen auf die Verbesserung des Ernteertrags, der Qualität und der Einheitlichkeit durch die Anwendung

Anmerkung des Herausgebers: Dies ist der erste einer zweiteiligen Serie.

In der kontrollierten Umweltlandwirtschaft konzentrieren sich umfangreiche Bemühungen auf die Verbesserung des Ernteertrags, der Qualität und der Gleichmäßigkeit durch den Einsatz elektrischer Beleuchtung, entweder als Ergänzung oder Ersatz für Sonnenlicht. Unter den verschiedenen elektrischen Lichtquellen erfreuen sich Leuchtdioden (LEDs) aufgrund ihrer Energieeffizienz, langen Lebensdauer und geringen Wärmeabgabe immer größerer Beliebtheit. Fortschritte in der LED-Technologie haben auch eine präzise Regulierung der spektralen Lichtqualität ermöglicht, was zur Entwicklung innovativer Kultivierungsstrategien auf der Grundlage photobiologischer Reaktionen geführt hat. Eine solche Strategie beinhaltet die Anwendung von fernrotem (FR) Licht (700–800 nm), das sich als äußerst wirksam bei der Regulierung morphologischer Merkmale von Pflanzen und möglicherweise bei der Verbesserung des Ernteertrags sowohl in Gewächshaus- als auch in vertikalen Landwirtschaftssystemen erwiesen hat. Durch FR-Licht induzierte morphologische Veränderungen, wie z. B. Stängel-/Blattverlängerung und Blattausdehnung, können die Photoneneinfangung und Photosynthese verbessern und folglich das Pflanzenwachstum fördern.

Zusätzlich zur Lichtsteuerung wird häufig eine Temperaturerhöhung genutzt, um das Pflanzenwachstum innerhalb eines optimalen Temperaturbereichs zu beschleunigen. Allerdings führen warme Temperaturen auch zu morphologischen Veränderungen, die denen von FR-Licht ähneln. Die gemeinsamen morphologischen Eigenschaften lassen auf eine interaktive Regulierung der Pflanzenmorphologie und des Wachstums sowohl durch FR-Licht als auch durch warme Temperaturen schließen. Da bei der Pflanzenproduktion in kontrollierten Umgebungen sowohl Temperatur als auch Licht streng kontrolliert werden können, ist es wichtig, ihre interaktiven Auswirkungen auf Pflanzenwachstum und -morphologie zu verstehen, um die Produktion zu optimieren und unbeabsichtigte Verluste zu verhindern.

Um den interaktiven Effekt zwischen FR-Licht und Temperatur auf Pflanzenwachstum und -morphologie zu untersuchen, wurde eine Reihe von Experimenten gemeinsam an der Colorado State University (CSU) und der Texas A&M University AgriLife Research durchgeführt. Ziel dieser Experimente war es, Informationen zu liefern, die sowohl für den Gewächshaus- als auch für den Indoor-Pflanzenanbau anwendbar sind. In dieser ersten Hälfte eines zweiteiligen Artikels werden wir uns hauptsächlich mit dem Temperaturmanagement und der Anwendung von FR-Licht für den Indoor-Pflanzenanbau befassen.

Zwei Experimente wurden in Wachstumskammern der Texas A&M University in College Station durchgeführt. Unsere erste Studie untersuchte die interaktiven Auswirkungen zwischen FR-Licht und Temperatur auf das Pflanzenwachstum und die Morphologie von Salat „Rex“ und Basilikum „Genovese“. Drei Spektralbehandlungen (0 % FR, 10 % FR und 20 % FR) wurden erstellt, indem rote Photonen teilweise durch FR-Photonen unter drei Temperaturbedingungen (20 °C, 24 °C und 28 °C) ersetzt wurden. Alle Behandlungen hatten die gleiche Gesamtphotonenflussdichte (TPFD; 400–800 nm) von 250 μmol·m-2·s-1 (typische Lichtintensität für Blattgemüse in vertikalen Farmen) mit einer 12-stündigen Photoperiode [Tageslichtintegral]. (DLI) von 10,8 mol·m-2·d-1]. In einer zweiten Studie untersuchten wir weiter, ob die interaktiven Auswirkungen zwischen FR und Temperatur auf Pflanzenwachstum und -morphologie von der Lichtintensität abhängen. Wir haben die Lichtintensität verdoppelt (TPFD von 250 auf 500 μmol·m-2·s-1 erhöht), während alle anderen experimentellen Bedingungen gleich blieben.

In beiden Studien wurden die Samen in quadratischen 1,6-Liter-Kunststofftöpfen in einem Gewächshaus ausgesät. Sechs Tage nach der Keimung wurden die Sämlinge zur Behandlung in Kammern gebracht. Bei der Ernte (20–30 Tage nach der Behandlung) wurden Frisch- und Trockengewichte sowie morphologische Daten, einschließlich Blattanzahl, Blattlänge und -breite, Pflanzenhöhe und -breite sowie Gesamtblattfläche, erfasst.

Höhere Temperaturen beschleunigten das Pflanzenwachstum und erhöhten das Trockengewicht der Triebe sowohl bei Salat als auch bei Basilikum. Eine Erhöhung der Temperatur von 20 °C auf 28 °C führte bei 0 % FR zu einem Anstieg des Trockengewichts der Triebe bei Salat um 93 % und bei Basilikum um 498 %. Die Wirkung von FR-Licht auf die Pflanzenbiomasse hing jedoch von den Temperaturbedingungen ab (Abb. 1). Als beispielsweise der FR-Prozentsatz von 0 % auf 20 % anstieg, stieg das Trockengewicht der Salatsprossen bei einer kühlen Temperatur von 20 °C deutlich um 26 %, sank jedoch bei einer hohen Temperatur von 28 °C um 32 %. Bei Basilikum erhöhte sich FR Licht von 0 bis 20 % erhöhte das Trockengewicht der Triebe bei kühleren Temperaturen (20–24 °C) deutlich um 49 %, hatte jedoch bei 28 °C keinen Einfluss auf die Pflanzenbiomasse. Die Wirkung von FR-Licht und -Temperatur auf die gesamte Blattfläche war ähnlich das Trockengewicht der Triebe bei beiden Arten. Diese interaktiven Effekte zwischen FR und Temperatur weisen darauf hin, dass die Temperatur der Wachstumsumgebung bei der Anwendung von FR-Licht in Indoor-Farmen sorgfältig berücksichtigt werden sollte.

Als die Lichtintensität von 250 μmol·m-2·s-1 auf 500 μmol·m-2·s-1 anstieg, war eine besonders interessante Beobachtung, dass der interaktive Effekt zwischen FR und Temperatur auf Pflanzenwachstum und Morphologie abnahm. Sowohl bei Salat als auch bei Basilikum nahmen die Gesamtblattfläche und das Trockengewicht der Triebe mit zunehmendem FR-Licht unabhängig von der Temperatur bei einem höheren TPFD von 500 μmol·m-2·s-1 kontinuierlich zu, wohingegen FR-Licht die Blattausdehnung nur bei kühleren Temperaturen förderte (20). -24° C) bei TPFD von 250 μmol·m-2·s-1 (Abb. 2). Diese Ergebnisse legen nahe, dass Umweltfaktoren (z. B. FR-Licht, Temperatur und Lichtintensität) das Pflanzenwachstum und die Morphologie interaktiv regulieren, was die Bedeutung der gemeinsamen Optimierung mehrerer Umweltfaktoren zur Optimierung der Pflanzenproduktion unterstreicht.

Wir haben herausgefunden, dass eine Erhöhung der Temperatur innerhalb eines optimalen Bereichs wirksam zur Verbesserung des Ernteertrags beiträgt. Wir beobachteten jedoch eine Abnahme der Pflanzenbiomasse bei der Anwendung von FR-Licht bei warmen Temperaturen (28 °C), insbesondere bei geringeren Lichtintensitäten. Um unbeabsichtigte Ernteertragsverluste zu vermeiden, empfehlen wir, die Verwendung von FR-Licht auf kühlere Temperaturbedingungen (20–24 °C) zu beschränken, wenn Pflanzen unter relativ geringen Lichtintensitäten angebaut werden, die typischerweise in Indoor-Farmen verwendet werden (ca. 250 μmol·m-2· s-1).

Darüber hinaus ergab unsere Studie, dass der interaktive Effekt zwischen FR-Licht und Temperatur mit zunehmender Lichtintensität abnimmt. Durch die Anwendung von FR-Licht (bis zu 20 % in dieser Studie) wurde das Wachstum von Salat und Basilikum unabhängig von den Temperaturbedingungen bei einer höheren Lichtintensität von 500 μmol·m-2·s-1 kontinuierlich gesteigert. Wenn für den Pflanzenanbau eine höhere Lichtintensität verwendet wird, könnte FR-Licht in einem größeren Temperaturbereich eingesetzt werden, um das Pflanzenwachstum zu fördern. Wir schlagen vor, dass weitere Studien durchgeführt werden sollten, um kulturspezifische Reaktionen auf FR-Licht, Temperatur und Lichtintensität zu untersuchen.

Joshua Craver ist Assistenzprofessor und Anthony Percival ist Doktorand an der CSU; Shuyang Zhen ist Assistenzprofessor, Genhua Niu ist Professor und Sangjun Jeong ist Student an der Texas A&M.

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