Under-Canopy-Lighting: Ist die Optimierung der Lichtverteilung im Bestand einer hohen Toplight-Intensität überlegen?
Under-Canopy-Lighting: Ist die Optimierung der Lichtverteilung im Bestand einer hohen Toplight-Intensität überlegen?
1. Einleitung
In der kommerziellen, kontrollierten Kultivierung von Cannabis stellt die effiziente Lichtverteilung innerhalb dichter Pflanzenbestände eine der zentralen Herausforderungen dar. Aufgrund hoher Pflanzdichten und der Neigung vieler Genotypen zu einem starken Höhenwachstum (häufig 1-1,5m) entstehen in der Regel sehr dichte Pflanzenbestände. Herkömmliche Beleuchtung, die über den Pflanzen angebracht wird (Toplights) führt dazu, dass im oberen Bereich der Pflanzenbestände photosynthetisch aktive Photonenflussdichten (PPFD-Werte) erreicht werden, die nahe am Lichtsättigungspunkt der Blätter dieser Bestandes-Schicht liegen. In Abhängigkeit der Toplight-Intensität steigen neben dem potenziellen Lichtstress (Photoinhibition) auch die Lichtreflektion der Blätter sowie photorespirative Kohlenstoffverluste in den oberen Blattschichten, was einen Effizienzverlust in der Lichtnutzung der Pflanzen darstellt. Zudem wird ein signifikanter Anteil der zugeführten Lichtmenge bereits von der obersten Blattschicht abgefangen, was zu einem drastischen Lichtgradienten innerhalb Bestandes führt. In der Praxis erreichen oft nur etwa 25-30 % der Blätter die nötige Lichtmenge, welche für ein effiziente Photosynthese und damit für ein optimales Wachstum der Pflanze benötigt wird. Wenn die Lichtintensität unter den sogenannten Lichtkompensationspunkt (ca. 70-120 µmol m⁻² s⁻¹) fällt, stellen die Blätter in diesem Bereich die Netto-Produktion von Zuckern ein. In diesem Zustand verbrauchen sie mehr Energie für ihren Erhalt, als sie durch Photosynthese generieren, und entziehen der Pflanze somit Ressourcen, die andernfalls für die Entwicklung von Blüten, Cannabinoiden und Terpenen zur Verfügung stünden. Dementsprechend wird das Potential der Ganzpflanze hinsichtlich der möglichen Photosynthese-Leistung und somit das Ertragspotential nicht ausgeschöpft.
Des Weiteren weisen die Blüten im mittleren und unteren Bereich des Pflanzenbestandes meist eine verminderte Qualität sowohl hinsichtlich ihrer Struktur („Popcorn Buds“), als auch hinsichtlich der Akkumulation sekundärer Pflanzenmetabolite (Cannabinoide, Terpene, Anthocyane, Flavonoide etc.) auf. Bisherige Strategien zur Bewältigung dieses Problems, wie intensives Entlauben und Beschneiden, sind nicht nur arbeitsintensiv, sondern können die Pflanzen auch abiotischem Stress aussetzen und das Risiko für Krankheitsinfektionen erhöhen. Zudem führt die Verminderung der photosynthetisch aktiven Blattfläche dazu, dass das insgesamt mögliche Photosynthese-Potenzial der Pflanze bzw. des Bestandes nicht ausgeschöpft wird. Somit sind die erzielten Blütenerträge in der Regel deutlich unter den potenziell möglichen Erträgen anzusiedeln.
Vor diesem Hintergrund bietet die Unterkronenbeleuchtung (Under Canopy Lighting, UCL) einen innovativen Ansatz. Durch die Platzierung von Lichtquellen direkt unterhalb des Pflanzenbestandes wird der vertikale Lichtgradient minimiert. Wissenschaftliche Untersuchungen haben zudem bestätigt, dass die Blattunterseite (abaxiale Seite) Licht ebenso effizient für die Photosynthese nutzen kann wie die Oberseite, sofern die Lichtintensität ausreichend hoch ist. Zudem werden auch die Blattansatzwinkel bei sich verändernden Eistrahlungswinkeln variiert, um die Strahlungsaufnahme zu maximieren. Die vorliegende Studie untersucht das Potenzial der Unterkronenbeleuchtung, eine gleichmäßigere Lichtumgebung zu schaffen, die Blütenqualität über die gesamte Pflanze hinweg zu standardisieren und die betriebliche Effizienz durch eine Reduktion der benötigten manuellen Pflegemaßnahmen zu steigern. Folgende Hypothesen wurden vor Versuchsbeginn aufgestellt:
- Trotz einer durch das Toplight bereitgestellten, hohen Lichtintensität ist die Lichtpenetration in geschlossenen Cannabis-Beständen aufgrund starker Selbstbeschattung durch planophil ausgerichtete Blätter sehr gering. Folglich ist die Strahlungsnutzungseffizienz nicht optimal, da die Photosyntheserate für einen großen Teil der gesamten Blattanzahl nicht ihre maximale Kapazität erreicht.
- Eine Verringerung der Lichtintensität im oberen Bereich bei gleichzeitiger Lichtzufuhr in den unteren bzw. mittleren Teil des Pflanzenbestandes sorgt für eine räumliche Homogenisierung der Lichtintensität bei gleichzeitiger Vergrößerung der photosynthetisch aktiven Blattfläche, verringert den Lichtverlust durch Reflexion an den Blättern sowie die Kohlenstoffverluste durch Photorespiration und maximiert letztendlich die Photosyntheseleistung des Gesamtbestandes. Dies führt zu höheren Blütenerträgen, homogeneren Blütenstrukturen sowie einer Vereinheitlichung der Akkumulation von Sekundärmetaboliten entlang der Pflanze.
- Eine frühzeitige Etablierung von UCL führt zu einer Veränderung der Pflanzenmorphologie, indem die Pflanzenhöhe, die Nodienabstände, die Nodienanzahl, die Blattwinkel und die Verzweigungswinkel verändert werden. In Kombination mit zu erwartenden Strukturellen Veränderungen auf Blattebene (größere Anzahl an Palisadenparenchym-Schichten im Blatt, resultieren in einer gesteigerten, potenziellen CO2 Assimilationsrate in mittleren und unteren Bestandes-Schichten) führt die verbesserte räumliche Verteilung der Blattfläche zu einem verringerten Aufwand hinsichtlich gängiger Anbaumethoden (z.B. Entlaubung). Da weniger Pflanzenmaterial entfernt werden muss und vorhandenes Blattmaterial hocheffizient arbeitet, nähern wir uns dem Ertragspotenzial der Pflanze an.
- Das Mikroklima innerhalb des Blätterdachs profitiert nicht von der Beleuchtung unterhalb des Bestandes, da im unteren Bereich des Blätterdachs erhöhte Transpirationsraten auftreten, was zu einer höheren relativen Luftfeuchtigkeit im Inneren des Bestandes führt. Dies senkt den lokalen VPD und kann zu Problemen beim Transport relevanter Nährstoffe über das Xylem führen sowie das Schimmelrisiko für die Blütenstände in der mittleren und unteren Bestandes-Schicht erhöhen. Folglich könnte die Belüftung des komplexer werden, um das volle Potenzial von UCL auszuschöpfen.
2. Material und Methoden
2.1 Pflanzenmaterial und Anbaubedingungen
Der Versuch fand unter kontrollierten Bedingungen in den firmeneigenen Pflanzenlaboren der SANlight GmbH (Schruns, Österreich) statt. Um allgemeingültigere Aussagen hinsichtlich der potenziellen Behandlungseffekte auf Wachstum und Entwicklung von Cannabis sativa L. treffen zu können, wurde auf das Verwenden von genetisch identischen Klonen verzichtet und ein populationsbasierter Ansatz gewählt. Somit fand die Anzucht der benötigten Jungpflanzen aus Samen statt. Hierbei fiel die Wahl auf Samen der Sorte (cv.) Seriotica ® (Serious Seeds B.V., Purmerend, Niederlande). Die Sorte zeichnet sich durch seine kompakte und robuste Wuchs-Struktur, sowie eine gute Resistenz gegenüber Grauschimmel und Mehltau aus. Für die Keimung wurden EazyPlugs mit Wasser aufgesättigt und anschließend die Samen in das vorgeformte Loch platziert und leicht angedrückt. Beim Einsetzen des Samens wurde darauf geachtet, dass der Nabel (Hilum) jeweils nach oben zeigt, um die Keimung nicht zu behindern. Nach der Aussaat wurden die EazyPlug-Trays in Propagatoren verbracht, deren Anzuchtschalen mit einer dünnen Schicht aus feuchten Perliten befüllt waren. Um eine Luftfeuchtigkeit von mindestens 80 % während der Keimung zu gewährleisten, wurden die Plugs 1-2-mal täglich mit Wasser besprüht. Die Keimtemperatur lag bei ca. 26-27 °C. Um ein Vergeilen der Sämlinge während/nach der Keimung zu vermeiden, fand während des Keimprozesses und der Etablierung der Sämlinge (ca. 3 Tage, bis die Keimblätter voll entwickelt, sowie erste Ansätze des ersten echten Laubblattpaares erkennbar waren) eine Beleuchtung der zwei Propagatoren mittels vier Flex II-25 Leuchten (SANlight GmbH, Schruns, Österreich) statt.
Als Anbau-Substrat wurde Canna Terra Professional Plus ® (CANNA International N.V., Brüssel, Belgien) verwendet. Vor Nutzung des Substrats fand eine Sterilisierung, bei 80 °C statt um potenziell enthaltene Pflanzenpathogene und Schadinsekten zu neutralisieren. Anschließend wurden die final für den Anbauzyklus verwendeten Töpfe (Topfvolumen: 11 L) mittels eines standardisierten Verfahrens mit 3,24 kg des Substrats befüllt und verdichtet, sodass in jedem Topf vergleichbare Substrat-Lagerungsdichten, und somit einheitliche Bedingungen hinsichtlich Wasserhaltefähigkeit und Kapillarität, vorherrschten. Ein Tag vor der Pflanzung fand in den bereits mit Substrat befüllten Töpfen, mittels milder Nährlösung (EC: 0.7, vgl. Tabelle 3), eine Wasser-Aufsättigung auf 72 % der Feldkapazität statt (vgl. Abbildung 1).
Nachdem das oben beschriebene Entwicklungsstadium der Keimung erreicht war, wurden die Sämlinge direkt in die Versuchsumgebung (Pflanzenlabore der Sanlight GmbH) verbracht und in die final verwendeten 11 L Töpfe gepflanzt. Um eine gute Verbindung zwischen Wurzelballen und Anbausubstrat zu gewährleisten, fand nach der Pflanzung jeweils eine zusätzliche, händische Bewässerung von 250 ml Wasser pro Topf statt. Somit wies das Substrat nach dem Pflanzen einen Wassergehalt von ca. 75% der Feldkapazität auf.
Die Versuchsfläche umfasste 12 Tische mit einer Fläche von 2 m2 (2m x 1m), wobei ein Tisch im weiteren Verlauf jeweils einer Versuchsbehandlung (vgl. Abschnitt 2.3) entsprach. Jeder der 12 Tische wurde gleichmäßig mit 12 Pflanzen bzw. Töpfen bestückt (3 Reihen mit jeweils 4 Pflanzen), was zu einer Pflanzdichte von 6 Pflanzen je m2 führte. (vgl. Abbildung 2). Die Beleuchtung der Pflanzen von oben wurde mittels 4 EVO 5-120 1.5 (SANlight GmbH, Schruns, Österreich) je Tisch realisiert. Um den Pflanzschock bis zur Ausbildung des ersten echten Laub-blattpaares (Dauer 3 Tage) zu minimieren, wurden die Klimabedingungen der Versuchsumgebung auf eine Tagestemperatur von 24 °C sowie eine relative Luftfeuchtigkeit (rH) von 80 % eingestellt (vgl. Tabelle 1 und 2). Während der auf 18 h festgesetzten Photoperiode, lag die photosynthetisch aktive Photonenflussdichte (PPFD), also die Lichtintensität, in dieser pre-vegetativen Phase bei 180 µmol m-2 s-1.
Im weiteren Verlauf des Versuches fand eine grundsätzliche Gruppierung des Versuchs hinsichtlich des kumulierten, photosynthetischen Photonenflusses (PPF) auf Tischebene in der generativen Phase statt. Die dabei vorgenommenen Licht- und Klima-Setpoints im Verlauf des kompletten Anbauzyklus können Tabelle 1 und 2 entnommen werden, wobei die dargestellten Lichteinstellungen den jeweiligen „Toplight-only“ Kontroll-Tischen des durchgeführten Versuchs entsprechen.
| Phase | Licht und Klima – Setpoints (Mittlerer Tisch PPF-Wert in generativer Phase) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Photo-periode (h) | EVO-Toplight PPFD (µmol m-2 s-1) | Dimm-stufe (%) | Abstand Pflanzen (cm) | Temperatur [Tag/Nacht] (°C) | rH [Tag/Nacht] (%) | CO2 (ppm) | Umluft (%) | |
| Pre-Vegetativ | ||||||||
| Tag 1-3 | 18 | 180 | 21,0 | 90 | 24,0 / 22,0 | 80 / 70 | 480 | 50 |
| Vegetativ | ||||||||
| Woche 1 | 18 | 330 | 25,5 | 40 | 25,0 / 23,0 | 66 / 60 | 480 | 50 |
| Woche 2 | 18 | 450 | 34,5 | 40 | 25,5 / 23,5 | 64 / 60 | 480 | 50 |
| Woche 3 | 18 | 520 | 39,5 | 40 | 26,0 / 24,0 | 62 / 58 | 480 | 50 |
| Generativ | ||||||||
| Woche 1 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 27,0 / 25,0 | 59 / 55 | 480 | 75 |
| Woche 2 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 28,0 / 25,0 | 55 / 51 | 480 | 75 |
| Woche 3 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 28,0 / 25,0 | 52 / 50 | 480 | 85 |
| Woche 4 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 29,0 / 25,0 | 52 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 5 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 30,0 / 26,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 6 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 30,0 / 26,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 7 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 30,0 / 26,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 8 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 29,0 / 25,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 9 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 28,0 / 23,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 10 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 26,0 / 20,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 11 | 12 | 903 | 72,0 | 40 | 25,0 / 19,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
Tabelle 1: Licht- und Klima- Setpoints des Anbauzyklus bei mittlerem kumuliertem PPF-Wert auf Tischebene in der generativen Phase. Die abgebildeten Lichteinstellungen hinsichtlich EVO-Toplight PPFD sowie die zugehörige Dimmstufe bilden die jeweiligen Einstellungen bzgl. des „Toplight-only“ Kontroll-Tisches dieser Versuchsgruppe ab. Alle weiteren Angaben besitzen generelle Gültigkeit innerhalb der Versuchsgruppe „Mittlerer Tisch PPF-Wert in generativer Phase“.
| Phase | Licht und Klima – Setpoints (Hoher Tisch PPF-Wert in generativer Phase) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Photo-periode (h) | EVO-Toplight PPFD (µmol m-2 s-1) | Dimm-stufe (%) | Abstand Pflanzen (cm) | Temperatur [Tag/Nacht] (°C) | rH [Tag/Nacht] (%) | CO2 (ppm) | Umluft (%) | |
| Pre-Vegetativ | ||||||||
| Tag 1-3 | 18 | 180 | 21,0 | 90 | 24,0 / 22,0 | 80 / 70 | 480 | 50 |
| Vegetativ | ||||||||
| Woche 1 | 18 | 330 | 25,5 | 40 | 25,0 / 23,0 | 66 / 60 | 480 | 50 |
| Woche 2 | 18 | 450 | 34,5 | 40 | 25,5 / 23,5 | 64 / 60 | 480 | 50 |
| Woche 3 | 18 | 520 | 39,5 | 40 | 26,0 / 24,0 | 62 / 58 | 480 | 50 |
| Generativ | ||||||||
| Woche 1 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 27,0 / 25,0 | 59 / 55 | 480 | 75 |
| Woche 2 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 28,0 / 25,0 | 55 / 51 | 480 | 75 |
| Woche 3 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 28,0 / 25,0 | 52 / 50 | 480 | 85 |
| Woche 4 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 29,0 / 25,0 | 52 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 5 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 30,0 / 26,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 6 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 30,0 / 26,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 7 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 30,0 / 26,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 8 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 29,0 / 25,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 9 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 28,0 / 23,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 10 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 26,0 / 20,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
| Woche 11 | 12 | 1160 | 92,5 | 40 | 25,0 / 19,0 | 50 / 50 | 480 | 100 |
Tabelle 2: Licht- und Klima- Setpoints des Anbauzyklus bei hohem kumuliertem PPF-Wert auf Tischebene in der generativen Phase. Die abgebildeten Lichteinstellungen hinsichtlich EVO-Toplight PPFD sowie die zugehörige Dimmstufe bilden die jeweiligen Einstellungen bzgl. des „Toplight-only“ Kontroll-Tisches dieser Versuchsgruppe ab. Alle weiteren Angaben besitzen generelle Gültigkeit innerhalb der Versuchsgruppe „Hoher Tisch PPF-Wert in generativer Phase“.
2.2 Dünge- und Gießverhalten
Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, wurde der Versuch generell in zwei große Gruppen unterteilt, welche sich im auf Tischebene zugeführten PPF-Wert unterschieden. Im Gegensatz zu den Klimaeinstellungen, welche in beiden Gruppen über den gesamten Anbauzyklus identisch waren, wurde in den verschiedenen Entwicklungs-Abschnitten der generativen Phase eine Unterscheidung hinsichtlich der eingesetzten Düngermengen vorgenommen. Bei mittlerem kumuliertem PPF-Wert auf Tischebene wurde eine verringerte photosynthetische Aktivität erwartet und damit, bei identischen Klimaeinstellungen, mit einem geringeren Nährstoffbedarf gerechnet. In Abhängigkeit des Entwicklungsstadiums in der generativen Phase wurden bei mittlerem kumulativem PPF-Wert auf Tischebene um 10-15 % (VBX) bzw. 15-29 % (SHINE) verringerte Dünger-Aufwandmengen verabreicht (vgl. Tabelle 3). Die der Entwicklungsphase entsprechende Düngerkonzentration wurde jeweils mit jeder Wassergabe verabreicht.
| Phase | Düngeschemata bei EC von 0.3 mS cm-1 im Ausgangs-Wasser (g 10L-1) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Hoher Tisch PPF-Wert in generativer Phase | Mittlerer Tisch PPF-Wert in generativer Phase | ||||
| VBX | SHINE | VBX | SHINE | ||
| Pre-Vegetativ | |||||
| Tag 1-3 | 6,0 | 0,0 | 6,0 | 0,0 | |
| Vegetativ | |||||
| Woche 1 | 8,0 | 0,0 | 8,0 | 0,0 | |
| Woche 2 | 10,5 | 0,0 | 10,5 | 0,0 | |
| Woche 3 | 12,5 | 0,0 | 12,5 | 0,0 | |
| Generativ | |||||
| Woche 1 | 16,0 | 2,0 | 14,0 | 1,5 | |
| Woche 2 | 18,0 | 2,5 | 16,0 | 2,0 | |
| Woche 3 | 18,0 | 3,5 | 16,0 | 3,0 | |
| Woche 4 | 18,0 | 3,5 | 16,0 | 3,0 | |
| Woche 5 | 18,0 | 3,5 | 16,0 | 3,0 | |
| Woche 6 | 16,0 | 3,5 | 14,0 | 3,0 | |
| Woche 7 | 14,0 | 3,5 | 12,0 | 3,0 | |
| Woche 8 | 0,0 | 2,5 | 0,0 | 2,0 | |
| Woche 9 | 0,0 | 1,5 | 0,0 | 1,0 | |
| Woche 10 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | |
| Woche 11 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | |
Tabelle 3: Im Anbauzyklus angewandte Düngeschemata bei hohem bzw. mittleren PPF-Wert auf Tischebene in der generativen Phase.
Mit einem Speicherintervall von 5 min wurde während des gesamten Vegetationszyklus auf allen Tischen der mittlere gravimetrische Wassergehalt pro Topf erfasst. Folglich konnte die tägliche Transpirationsrate bestimmt werden. Die Dosierung der Wassergaben erfolgte über NetBow™ Tropfbögen (Netafim Ltd., Tel Aviv, Israel) welche über Ventile mit einem Durchflussvolumen von 4 L h-1 versorgt wurden. Generell erfolgte in der vorliegenden Studie die Verabreichung der gesamten, täglich notwendigen Wasseraufwandmenge jeweils ca. 1,5 h nach dem die Photoperiode begann. In der vegetativen Phase des Anbauzyklus wurde bzgl. der Pflanzen-Fertigation ein unterer Schwellenwert von 55 % Feldkapazität des Substrats festgesetzt. Ab diesem wurde wieder auf den oberen Schwellenwert dieser Entwicklungsphase (72-75% der Feldkapazität) aufgegossen (vgl. Abbildung 1). Die festgesetzten oberen und unteren Schwellenwerte wurden im weiteren Verlauf zu den jeweiligen Entwicklungs-stadien passend geändert bzw. festgesetzt.
Um eine bedarfsgerechte Fertigation zu gewährleisten, erfolgte ab Woche 1 der generativen Phase, unter Einhaltung von oberen und unteren Schwellenwerten bzgl. des Wassergehalts im Substrat, die tägliche Verabreichung des Äquivalents der aktuellen 24h-Transpirationsrate (vgl. Abbildung 1). Mit 85 % der Feldkapazität lag der höchste, festgesetzte obere Schwellenwert am Ende der Massephase („Bulking“) des Blütenwachstums (generative Phase, Woche 8). Dementsprechend fand die reguläre, tägliche Fertigation in der vorliegenden Studie im gesamten Anbauzyklus ohne Abflusswasser statt (kein Drain). Eine Ausnahme stellten die mit Beginn der generativen Phase in einem 7-Tageintervall durchgeführten Spül-Events dar. Diese wurden eingeführt, um eine Versalzung des Substrats zu vermeiden. Dabei wurden jeweils, unter Berücksichtigung des mittleren aktuellen Wassergehalts pro Topf, die rechnerisch notwendigen Aufwandmengen verabreicht, um das Substrat zu 100% aufzusättigen. Zusätzlich wurde jeweils ein Überschuss von 0,5 L addiert. In Kombination mit dem Durchflussvolumen der Ventile (4 l h-1) lag der mittlere gravimetrische Wassergehalt pro topf im Anschluss jeweils bei ca. 92 %.
2.3 Beleuchtungs-Behandlungen (Versuchsfaktoren) und Versuchsaufbau
Um die Effekte von Under Canopy Lighting (UCL) auf Wachstum und Entwicklung von Cannabis sativa L. hinreichend bewerten zu können, wurden in der vorliegenden Studie 12 Lichtbehandlungen geprüft (vgl. Tabelle 4, 5 und 6). Um eine Aussage auf die Effektivität von UCL bei sich unterscheidenden Toplight-Intensitäten treffen zu können, wurde der Versuch in zwei Großgruppen unterteilt, die sich in ihrem kumulativen PPF-Wert auf Tischebene während der generativen Phase unterschieden. Diesbezüglich fanden PPF-Werte von 3386 µmol s-1 (hoher Wert) sowie 2635 µmol s-1 (mittlerer Wert) Anwendung, was auf den jeweiligen Kontrolltischen einer Toplight-Intensität (PPFD) von 1160 bzw. 903 (µmol m-2 s-1) entsprach. Im Verlauf der jeweiligen vegetativen Phase fand keine Unterscheidung der PPF-Werte auf Tischebene statt.
Innerhalb beider Großgruppen wurden jeweils die Auswirkungen von Änderungen der Lichtverteilung bei identischen PPF-Werten auf Tischebene überprüft. Dabei wurden jeweils sowohl der Etablierung-Zeitpunkt der Lichtverteilungsänderung als auch der jeweilige prozentuale Anteil der Under Canopy Leuchten am kumulativen PPF-Wert auf Tischebene als Versuchsfaktoren berücksichtigt. Hinsichtlich des Beitrags der Under Canopy Leuchten zum kumulierten PPF-Wert auf Tischebene wurden Werte von 15 bzw. 30 % festgesetzt. Beide geprüften Etablierung-Zeitpunkte (Tag 18 der vegetativen Phase bzw. „früh“ sowie Tag 13 der generativen Phase bzw. „spät“) wurden so gewählt, dass die Pflanzen sich noch in der Blattbildung- bzw. Blattentwicklung befanden. Oftmals wird UCL in kommerziellen Anlagen deutlich später (in Woche 4 oder 5 der generativen) Phase etabliert. Da zu diesem Zeitpunkt die Blattbildung/ das Blattwachstum sowie die Blütenbildung bereits abgeschlossen ist, müssen die (Schatten-)Blätter sowie Blüten im mittleren und unteren Bereich des Bestandes meist mit einem rot-lastigen Lichtspektrum via UCL beleuchtet werden, um einen positiven Effekt zu erzielen. Zu diesem Zeitpunkt könnten die entstandenen (Schatten-)Blätter (auch Zuckerblätter und Blüten) im mittleren bzw. unteren Bestandesbereich aufgrund ihrer Struktur (hohe spezifische Blattfläche, dünn) das grünlastige Lichtspektrum der Sanlight-Leuchten nicht effizient verarbeiten bzw. es würde eine Stressreaktion hervorgerufen werden. Bei richtigem Einsatz, bzw. frühzeitiger Anpassung der Blattstruktur hin zu Sonnen- bzw. Starklichtblättern (geringe spezifische Blattfläche, dick) wurde erwartet, dass das Sanlight-Spektrum überlegen ist, da Sonnenblätter, welche über ein rot-lastiges Spektrum beleuchtet werden, in Abhängigkeit der Strahlungsintensität, nicht ihr Maximum bzgl. der photosynthetischen Aktivität erreichen können. Generell gilt jedoch, dass die maximale mögliche Photosyntheserate von Sonnen-bzw. Starklichtblättern gegenüber der maximal möglichen Photosyntheserate von Schatten- bzw. Schwachlichtblättern um ca. 100% erhöht ist.
Um auch eine Einschätzung hinsichtlich möglicher Auswirkungen durch eine Steigerung der kumulierten Lichtmenge auf Tischebene mittels UCL zu bekommen, wurden zusätzlich zwei Behandlungen etabliert, welche die Steigerung der Lichtmenge um 30 % zum festgelegten frühen bzw. späten Etablierungszeitpunkt abbilden (vgl. Tabelle 4, 5 und 6).
Die Aufstellung bzw. Orientierung der Under Canopy Leuchten war auf den jeweiligen Tischen bzw. innerhalb der jeweiligen UCL-Behandlungen identisch. Eingesetzt wurden dabei jeweils vier Stixx 4-100 Leuchten (SANlight GmbH, Schruns, Österreich), um ausreichend Spielraum bzgl. der möglichen PPF-Werte je Tisch zu erreichen (vgl. Abbildung 2).
| Behandlung (B) | Differenzierung relevanter B-Parameter ab Tag 18 des vegetativen Wachstums durch frühen Einsatz von Under Canopy Lighting (UCL) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nr. | Beschreibung | EVO Toplight Tisch PPF (µmol s-1) | Dimmstufe EVO (%) | EVO Toplight PPFD (µmol m-2 s-1) | STIXX UCL Tisch PPF (µmol s-1) | Dimmstufe STIXX (%) | PPF ratio Top:Bottom (%:%) |
| Hoher kumulativer Tisch PPF (3386 bzw. 3426 µmol s-1 [B11 & B12]) in generativer Phase | |||||||
| 1 | Kontrolle | 1445,7 | 39,5 | 520 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 2 | Inklusive 15% UCL-früh | 1228,8 | 33,6 | 442 | 216,2 | 21,3 | 85 :15 |
| 3 | Inklusive 30% UCL-früh | 1012,0 | 27,7 | 364 | 433,7 | 42,6 | 70 : 30 |
| 4 | Inklusive 15% UCL-spät | 1445,7 | 39,5 | 520 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 5 | Inklusive 30% UCL-spät | 1445,7 | 39,5 | 520 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 11 | Zusätzlich 30% UCL-früh | 1445,7 | 39,5 | 520 | 433,7 | 42,6 | 100 + 30 |
| 12 | Zusätzlich 30% UCL-spät | 1445,7 | 39,5 | 520 | – | 0,0 | 100 + 0 |
| Mittlerer kumulativer Tisch PPF (2635,2 µmol s-1) in generativer Phase | |||||||
| 6 | Kontrolle | 1445,7 | 39,5 | 520 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 7 | Inklusive 15% UCL-früh | 1228,8 | 33,6 | 442 | 216,2 | 21,3 | 85 :15 |
| 8 | Inklusive 30% UCL-früh | 1012,0 | 27,7 | 364 | 433,7 | 42,6 | 70 : 30 |
| 9 | Inklusive 15% UCL-spät | 1445,7 | 39,5 | 520 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 10 | Inklusive 30% UCL-spät | 1445,7 | 39,5 | 520 | – | 0,0 | 100 : 0 |
Tabelle 4: Differenzierung der angewandten Lichtintensitäten bzw. Dimmstufen von Toplight und UCL durch Etablierung von Under Canopy Lighting (UCL) bereits in der vegetativen Phase. Generell wird zwischen den Gruppen hoher bzw. mittlerer PPF-Wert auf Tischebene in der generativen Phase unterschieden. Die Gruppe bzgl. hohem PPF-Wert auf Tischebene beinhaltet sowohl Licht-Behandlungen, welche lediglich eine Änderung der Lichtverteilung mittels UCL abbilden (Behandlung 1-5) und folglich, verglichen mit der Kontrolle (Behandlung 1), eine identischer Wattzahl auf Tischebene aufweisen, als auch Licht-Behandlungen, die eine Steigerung der Lichtmenge auf Tischebene mittels UCL beinhalten (Behandlung 11&12) und somit eine Steigerung der Watt-Zahl gegenüber der Kontrolle (Behandlung 6) abbilden.
| Behandlung (B) | Differenzierung relevanter B-Parameter ab Tag 1 des generativen Wachstums durch frühen Einsatz von Under Canopy Lighting (UCL) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nr. | Beschreibung | EVO Toplight Tisch PPF (µmol s-1) | Dimmstufe EVO (%) | EVO Toplight PPFD (µmol m-2 s-1) | STIXX UCL Tisch PPF (µmol s-1) | Dimmstufe STIXX (%) | PPF ratio Top:Bottom (%:%) |
| Hoher kumulativer Tisch PPF (3386 bzw. 3426 µmol s-1 [B11 & B12]) in generativer Phase | |||||||
| 1 | Kontrolle | 3386 | 92,5 | 1160 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 2 | Inklusive 15% UCL-früh | 2878 | 78,6 | 986 | 508 | 50 | 85 :15 |
| 3 | Inklusive 30% UCL-früh | 2370 | 64,7 | 812 | 1016 | 100 | 70 : 30 |
| 4 | Inklusive 15% UCL-spät | 3386 | 92,5 | 1160 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 5 | Inklusive 30% UCL-spät | 3386 | 92,5 | 1160 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 11 | Zusätzlich 30% UCL-früh | 2635 | 72,0 | 903 | 790 | 77,8 | 100 + 30 |
| 12 | Zusätzlich 30% UCL-spät | 2635 | 72,0 | 903 | – | 0,0 | 100 + 0 |
| Mittlerer kumulativer Tisch PPF (2635 µmol s-1) in generativer Phase | |||||||
| 6 | Kontrolle | 2635 | 72,0 | 903 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 7 | Inklusive 15% UCL-früh | 2240 | 61,2 | 767 | 395 | 38,9 | 85 :15 |
| 8 | Inklusive 30% UCL-früh | 1845 | 50,4 | 632 | 791 | 77,8 | 70 : 30 |
| 9 | Inklusive 15% UCL-spät | 2635 | 72,0 | 903 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 10 | Inklusive 30% UCL-spät | 2635 | 72,0 | 903 | – | 0,0 | 100 : 0 |
Tabelle 5: Differenzierung der angewandten Lichtintensitäten bzw. Dimmstufen von Toplight und UCL durch Etablierung von Under Canopy Lighting (UCL) bereits in der vegetativen Phase nach Umstellung auf eine Photoperiode von 12 h. Generell wird zwischen den Gruppen hoher bzw. mittlerer PPF-Wert auf Tischebene in der generativen Phase unterschieden. Die Gruppe bzgl. hohem PPF-Wert auf Tischebene beinhaltet sowohl Licht-Behandlungen, welche lediglich eine Änderung der Lichtverteilung mittels UCL abbilden (Behandlung 1-5) und folglich, verglichen mit der Kontrolle (Behandlung 1), eine identischer Wattzahl auf Tischebene aufweisen, als auch Licht-Behandlungen, die eine Steigerung der Lichtmenge auf Tischebene mittels UCL beinhalten (Behandlung 11&12) und somit eine Steigerung der Watt-Zahl gegenüber der Kontrolle (Behandlung 6) abbilden.
| Behandlung (B) | Finale Differenzierung aller Behandlungen ab Tag 13 des generativen Wachstums durch Einsatz von Under Canopy Lighting (UCL) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nr. | Beschreibung | EVO Toplight Tisch PPF (µmol s-1) | Dimmstufe EVO (%) | EVO Toplight PPFD (µmol m-2 s-1) | STIXX UCL Tisch PPF (µmol s-1) | Dimmstufe STIXX (%) | PPF ratio Top:Bottom (%:%) |
| Hoher kumulativer Tisch PPF (3386 bzw. 3426 µmol s-1 [B11 & B12]) in generativer Phase | |||||||
| 1 | Kontrolle | 3386 | 92,5 | 1160 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 2 | Inklusive 15% UCL-früh | 2878 | 78,6 | 986 | 508 | 50 | 85 :15 |
| 3 | Inklusive 30% UCL-früh | 2370 | 64,7 | 812 | 1016 | 100 | 70 : 30 |
| 4 | Inklusive 15% UCL-spät | 2878 | 78,6 | 986 | 508 | 50 | 85 :15 |
| 5 | Inklusive 30% UCL-spät | 2370 | 64,7 | 812 | 1016 | 100 | 70 : 30 |
| 11 | Zusätzlich 30% UCL-früh | 2635 | 72,0 | 903 | 790 | 77,8 | 100 + 30 |
| 12 | Zusätzlich 30% UCL-spät | 2635 | 72,0 | 903 | 790 | 77,8 | 100 + 30 |
| Mittlerer kumulativer Tisch PPF (2635 µmol s-1) in generativer Phase | |||||||
| 6 | Kontrolle | 2635 | 72,0 | 903 | – | 0,0 | 100 : 0 |
| 7 | Inklusive 15% UCL-früh | 2240 | 61,2 | 767 | 395 | 38,9 | 85 :15 |
| 8 | Inklusive 30% UCL-früh | 1845 | 50,4 | 632 | 791 | 77,8 | 70 : 30 |
| 9 | Inklusive 15% UCL-spät | 2240 | 61,2 | 767 | 395 | 38,9 | 85 :15 |
| 10 | Inklusive 30% UCL-spät | 1845 | 50,4 | 632 | 791 | 77,8 | 70 : 30 |
Tabelle 6: Finale Differenzierung der Lichtintensitäten bzw. Dimmstufen von Toplight und Under Canopy Lighting (UCL) durch an Tag 13 des generativen Wachstums (spät) etablierte Lichtbehandlungen. Generell wird zwischen den Gruppen hoher bzw. mittlerer PPF-Wert auf Tischebene in der generativen Phase unterschieden. Die Gruppe bzgl. hohem PPF-Wert auf Tischebene beinhaltet sowohl Licht-Behandlungen, welche lediglich eine Änderung der Lichtverteilung mittels UCL abbilden (Behandlung 1-5) und folglich, verglichen mit der Kontrolle (Behandlung 1), eine identischer Wattzahl auf Tischebene aufweisen, als auch Licht-Behandlungen, die eine Steigerung der Lichtmenge auf Tischebene mittels UCL beinhalten (Behandlung 11&12) und somit eine Steigerung der Watt-Zahl gegenüber der Kontrolle (Behandlung 6) abbilden.
2.4 Ernte und Trocknung
Nach der Dauer des Anbauzyklus von insgesamt 99 Tagen (3 Tage pre-vegetative Entwicklungsphase, 21 Tage vegetative Entwicklungshase, 75 Tage generative Entwicklungsphase) wurden die Pflanzen aller Behandlungen geerntet. Dabei wurden die Pflanzen bodennah abgeschnitten und samt Blättern an Metallstangen aufgehangen, welche an CC Containern, ohne Regalböden (Container Centralen A/S, Odense, Dänemark) befestigt wurden. Anschließend erfolgte eine Lufttrocknung von 15 Tagen (vgl. Tabelle 7).
| Trocknungstag | Trocknungskinetik | |
|---|---|---|
| Temperatur (°C) | Relative Luftfeuchtigkeit (%) | |
| 1-5 | 19 | 50 |
| 6-7 | 17 | 50 |
| 8-9 | 15 | 50 |
| 10-12 | 14 | 50 |
| 13-15 | 13 | 50 |
Tabelle 7: Trocknungskinetik der Lufttrocknung im UCL-Versuch.
Nach der Lufttrocknung fand das händische Entfernen und Fraktionieren der Blütenstände, sowie das anschließende Entfernen der Zuckerblätter statt. Dabei wurde jeweils eine generelle Einteilung der Blüten in hinsichtlich der oberen und unteren Pflanzenhälfte vorgenommen. Innerhalb dieser Gruppierung wurde zwischen endständigen Blüten der Haupttriebe (Top-Bud), der Seitentreibe (Branch Top Bud) sowie der normalen Seitentriebblüten (Branch Bud) vorgenommen. Bei allen Fraktionen wurde jeweils die Trockenmasse nach der Lufttrocknung erfasst.
Um den gesamten Ernteindex (Harvest Index) der Pflanzen sowie die Schüttdichte der Blüten bestimmen zu können, wurden aus allen Blüten-Fraktionen sowie der Fraktion der Restpflanze (Stängel + Blatt) behandlungs-bzw. Tischspezifische Trockensubstanzproben von je ca. 100 g entnommen (Mischprobe aus allen Pflanzen je Tisch) und bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und Zurückgewogen. Die errechneten, prozentualen Trockensubstanz-Anteile fanden im weiteren Verlauf ebenfalls bei der Umrechnung des Blütenertrags auf eine Restfeuchte von 12% in der Trockenmasse Verwendung.
3. Ergebnisse im direkten Vergleich
Für die bessere Übersicht steht jede Kenngröße in drei direkt vergleichbaren Diagrammen nebeneinander: mittlerer PPF (900 PPFD), hoher PPF (1160 PPFD) und die zusätzliche Lichtmenge per UCL. So sieht man auf einen Blick, wie Under-Canopy-Lighting bei unterschiedlicher Toplight-Intensität wirkt. Zum Vergrößern auf ein Diagramm klicken.
3.1 Transpiration – tägliche Evapotranspiration
Mittlere tägliche Wasserabgabe (L pro Pflanze) über den Anbauzyklus – links mittlerer, rechts hoher Tisch-PPF.
3.2 Höhenwachstum – Wuchshöhe
Wuchshöhe (cm) über die Tage nach Vegetationsbeginn im direkten Vergleich der beiden Toplight-Intensitäten.
3.3 Blütenertrag je Pflanze
Trockenmasse der Blüten je Pflanze (g, bei 12 % Restfeuchte).
3.4 Flächenertrag – Ertrag je m²
Trockenmasse der Blüten je Fläche (g/m², bei 12 % Restfeuchte) – der praxisrelevante Ertrag pro Anbaufläche.
3.5 Ernteindex (Harvest Index)
Anteil der Blüten am gesamten oberirdischen Trockengewicht.
3.6 Schüttdichte der unteren Blüten
Schüttdichte der Seitentriebblüten (Branch Buds) der unteren Pflanzenhälfte (g/L) – ein Qualitätsmaß für die Bestandsunterseite.
3.7 Anteil der Blütenfraktionen am Gesamtertrag
Verteilung des Ertrags auf die einzelnen Blütenfraktionen.
