Grundlagen zur Belichtung von Pflanzen

Trotz der vielfältigen Angebote an Beleuchtungstechnik für den Amateurbereich bedarf es für die passende Auswahl und Konfiguration der Belichtung einiges an Fachverständnis. Da die vielen technischen Bezeichnungen der Datenblätter oftmals für Verwirrungen sorgen und jeden Neuling zunächst vor mehr oder weniger großes Unverständnis stoßen, soll in diesem Beitrag ein zusammenhängender Überblick verschafft werden.

Spektrale Verteilung

Zunächst müssen wir daher erst einmal die Definition des Lichts betrachten, die das Wort „Licht“ als den für den Menschen sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung definiert. Diese wird in Form von Wellen abgegeben (weshalb man auch von Wellenlängen spricht) und in kleinen Bündeln, den sogenannten Quanten über eine gewisse Entfernung transportiert. Die Strahlungsquelle liefert in diesem Falle die Sonne oder entsprechend verwendetes Kunstlicht.
Der Wellenlängenbereich, den das menschliche Auge wahrnehmen kann, liegt in etwa zwischen 400 und 800nm. Dieser Bereich des Lichts dient auch den Pflanzen zum Betreiben der Photosynthese, also der Bildung von Traubenzucker aus Wasser und Kohlenstoffdioxid unter dem Einfluss von Licht.

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Grafik: Das sichtbare Lichtspektrum und der photosynthetisch aktive Bereich (vereinfacht).
Absorbtionsmaxima

Durch viele Wissenschaftliche Versuche fand man jedoch heraus, dass das Licht in diesem Bereich durch das Chlorophyll nicht gleichmäßig aufgenommen (absorbiert) wird und gewisse Absorbtionsmaxima bei 440 nm (Nanometern) und 660 nm bestehen. Die fortschreitende Entwicklung der LED-Technik in den letzten zwei Jahrzehnten ermöglichte es schließlich Dioden und Chips zu produzieren und kombinieren, die ausschließlich diese von den Pflanzen am stärksten aufgenommenen Wellenlängen ausstrahlen. Als Ergebnis erhielt man Leuchten mit pink erscheinendem Spektrum, die oftmals an den Trend der bunten Leuchtstoffröhren in den 2000er Jahren erinnern und jedem, der sich schon einmal grob mit der Beleuchtung von Pflanzen beschäftigt hat ein Begriff sein sollte.

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Ein LED Panel mit Farbspektrum im roten Bereich (monochromatisch)
Hellrot, Dunkelrot und Blauphasen

Ebenso fand man heraus, dass sich das pflanzliche Wachstum vieler Gattungen und Arten über die Verteilung der Blau- und Rotanteile des Lichts steuern lässt. Während ein erhöhter Blauanteil eher für gedrungenen Wuchs sorgt, sorgt ein erhöhter Rotanteil eher für erhöhtes Streckungswachstum.
Im natürlichen Jahresverlauf ändert sich jedoch vor allem der Anteil an rotem Licht, der sich zu Jahresende vom hellroten (600-700 nm) in den dunkelroten Bereich (700-800 nm) verschiebt und somit das Hellrot-/Dunkelrot-Verhältnis ändert. Viele Pflanzen reagieren bei entsprechenden Veränderungen mit der Einleitung (Langtagpflanzen) oder Verhinderung (Kurztagpflanzen) der Blüte oder Vegetationsruhe. Über die Wirkung von blauem Licht wird jedoch bis heute diskutiert. In der Literatur finden sich einige Versuche, bei denen unter Einwirkung von blauem Licht erhöhtes Streckungswachstum festgestellt werden konnte. Auf YouTube finden sich zu diesem Thema zahlreiche interessante und nachvollziehbare Experimente.



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Kombination verschiedener Wellenlängen zur optimalen Ausnutzung der Absorptionsmaxima des Chlorophyll
Exkurs: Messmethoden (LUX / PAR)

Als weiterer wesentlicher Faktor der Photosynthese dient die Beleuchtungsstärke. Die oftmals von den Herstellern der Leuchtmittel und Leuchtmittelsysteme angegebene Wattzahl bezieht sich jedoch lediglich auf die bauteil- und schaltungsabhängige Leistung des Systems und ist als Vergleichswert daher gänzlich ungeeignet. Besser gestaltet sich eine Referenz anhand von Lux-Werten oder der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR von engl. photosynthetic active radiation) in µmol m-2 s-1.

Hierbei handelt es sich um zwei gänzlich verschiedene Messmethoden zur Ermittlung der auf einer Fläche eintreffenden Lichtstärke. Während die Messkurve eines Luxmeters eher einer gekehrten Quadratfunktion im Spektralbereich zwischen 400nm und 700nm gleicht, wobei fast ausschließlich der Bereich zwischen 500nm und 600nm erfasst wird und die Empfindlichkeit für Frequenzen im Randbereich stark abnimmt, erfasst ein PAR-Meter/Quantum-Meter den gesamten photosynthetisch aktiven Strahlungsbereich mit nahezu konstanter Intensität.

Exkurs: Vergleichswerte

Erinnern wir uns an die Absorbtionsmaxima des Chlorophylls (440nm und 660nm) und Vergleichen wir diese mit dem Messbereich eines Luxmeters, so stellen wir fest, dass diese Aufnahme-Peaks außerhalb des Messbereichs liegen. Für eine annähernd genaue Bestimmung der Lichtintensität sind Luxmeter, vor allem im Hobbybereich jedoch in jeder Hinsicht ausreichend. Als Vergleichswert für die Lichtintensität an einem wolkenlosen Sommertag in Deutschland, kann ein Wert von 100klx (100.000lx) herangezogen werden.
Beim Vergleich von PAR-Werten in µmol sollte darauf geachtet werden, ob sich die Angaben auf den Photonenfluss (PPF, engl. Photon flux), also die exakt an der Lichtquelle austretende Strahlung oder die Photonenflussdichte (PPFD, engl. Photon flux density), die Strahlung einer Lichtquelle, die auf einem bestimmten Abstand auf einer bestimmten Fläche auftritt bezieht.
Ein Vergleichswert für einen wolkenlosen Sommertag in Deutschland liegt hier bei in etwa 1800µmol m-2 s-1 (PPFD).

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Grafik: Vergleich verschiedener Licht-Messmethoden (vereinfacht).
Produkttest handelsüblicher Hobby-LED-Leuchten

Im November 2019 konnte ich zwei mir privat im Besitz befindlichen, handelsüblichen LED-Leuchten für den Hobbybereich, jeweils ein Exemplar mit Tageslichtspektrum (3500K)* und 75W und rot-blauem Spektrum und 45W* mit einem Quantum-Meter auf die Photonenflussdichte messen.
Die Variante mit Tageslichtspektrum lieferte auf 20cm 300µmol m-2 s-1, die Variante mit rot-blauem Spektrum lieferte auf 20cm durch die geringere Leistungsaufnahme lediglich 200µmol m-2 s-1.
Als ZUSATZBELICHTUNG sind diese Werte für stark lichthungrige Pflanzen für Karnivoren recht praxisüblich und angebracht, jedoch viel bei beiden Modellen ein drastischer Abfall der Intensität über Distanz und seitlicher Verteilung auf. Auf 50cm Abstand konnten jeweils nur noch 130µmol m-2 s-1 (Tageslicht) und 70µmol m-2 s-1 (blau-rot) ermittelt werden.



Farbtemperaturen

Vor allem bei der Auswahl von Leuchtstoffröhren, aber auch bei LED-Sytemen mit tageslichtähnlichem Spektrum, welches durch eine annähernd gleichmäßige Abdeckung aller Wellenlängebereiche entsteht, stößt man früher oder später auf die so genannte Farbtemperatur.
Diese dient als Referenz zur Wahrnehmung der ausgestrahlten Wellenlängen.
Ein praktisches Beispiel wäre die kühle Wirkung von mit Leuchtstoffröhren beleuchteten Supermärkten oder Büroräumen im Gegensatz zum gelblichen, „wärmeren“ Spektrum von Straßenlaternen.
Für die Pflanzenbeleuchtung sind vor allem die Typen „Warmweiß“ (2700-3000 K), „Kaltweiß“ (3000-5000 K) und „Tageslichtweiß“ (6500K) von Bedeutung. „Tageslichtweiße“ Leuchtstoffmittel, sollten auf Grund der annähernd gleichmäßigen Spektralverteilung vorgezogen werden. Um das untere Aufnahmemaximum des Chlorophyll „abzufangen“, empfiehlt es sich jedoch, diese mit Exemplaren des Typs „Kaltweiß“ zu kombinieren. Ein geeignetes Verhältnis wäre beispielsweise 3:1 oder 2:1.

Leider wird bei Leuchtstoffröhren meist nur der Lichtstrom in lm (Lumen) angegeben, seltener finden sich Angaben in Lux. Gute Ausfärbungen zeigten sich bei den meisten Karnivoren in der Praxis bei Werten ab 5000-7500lm auf etwa 30cm Abstand. Bei Einsatz von mehreren Leuchtmitteln auf relativ geringer Fläche können die einzelnen Werte der Lichtströme hierfür einfach addiert werden. Vorteilhaft ist allerdings die relativ einfache Montage vieler Röhren, die bei Regalkultur platzsparend und unkompliziert in eine Aufhängung mit eingeschraubten Haken eingehängt werden können.

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Leuchtstoffröhren können bei der Regalkultur bequem über eingehangene oder eingeschobene Holzleisten eingehängt werden und erlauben somit einen schnellen Austausch von Einzelkomponenten
Leuchtmittelwahl

Wie wir sehen gestaltet sich die Wahl eines geeigneten Leuchtmittels auf Grund der verschiedenen auf die Pflanze einwirkenden Faktoren alles andere als einfach.
Mit etwas Planung und Fachwissen handelt es sich jedoch um keine unlösbare Aufgabe!
Die Sammlung eigener Erfahrungen sowie der Vergleich verschiedener Modelle ist bei längerfristiger Kultur sogar sehr zu empfehlen. Da „DAS perfekte Leuchtmittel“ bisher noch nicht erfunden wurde, ist die Wahl des Systems im privaten Bereich vorwiegend von den Beschaffungs- und Betriebskosten abhängig. Einige hochwertige LED-Systeme mit Tageslichtspektrum besitzen derzeit zwar einen relativ hohen Anschaffungspreis, äußern sich jedoch auch durch ihre hohe Effizienz bei geringem Stromverbrauch. Handelsübliche „Amateur-Systeme“ scheinen für den Privatgebrauch laut eigenen Erfahrungen (s.o.) ebenfalls ausreichend (effizient) zu sein, während Natriumdampflampen durch ihren enormen Stromverbrauch hier eher bei Liebhabern in der Gewächshauskultur eingesetzt werden.

Literatur & Quellen

ANON. (?): Blaues und Rotes Licht in der Photosynthese. Warum blaues und rotes Licht wichtig ist. EXCITE LED GROW LIGHTS, Online-Veröffentlichung.
https://www.exciteled.de/de/blog/licht-und-photosynthese/blaues-und-rotes-licht-in-der-photosynthese [11.11.19, 23:23]

JANSEN et al. (1998): Gärtnerischer Pflanzenbau. Verlag Eugen Ulmer, 3. Auflage. S. 36-50.

PRUCKER, D (2013): Einfluss der verschiedenen Wellenlängen einer LED-Belichtung auf das Pflanzenwachstum. Hochschule Weihenstephan-Triesdorf – Institut für Gartenbau, Online-Beitrag.
https://www.hswt.de/forschung/wissenstransfer/2013/april-2013/belichtung.html [11.11.19, 23:04]

RÜNGER, W. (1976): Licht und Temperatur im Zierpflanzenbau. Verlag Paul Parey. 3. erweiterte und veränderte Auflage.

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