Bestimmung des optimalen täglichen Lichtintegrals (DLI) für den Indoor-Anbau von Eisbergsalat in einem einheimischen vertikalen Hydrokultursystem

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10923 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der Indoor-Anbau von Salat in einem vertikalen Hydrokultursystem (VHS) unter künstlicher Beleuchtung ist ein energieintensiver Prozess, der hohe Energiekosten verursacht. Diese Studie bestimmt das optimale tägliche Lichtintegral (DLI) als Funktion der Photoperiode der physiologischen, morphologischen und ernährungsphysiologischen Parameter sowie der Ressourcennutzungseffizienz von Eisbergsalat (Sorte Glendana), der in einem Indoor-VHS angebaut wird. Sämlinge wurden in einer Photoperiode von 12 h, 16 h und 20 h mit einer photosynthetischen Photonenflussdichte (PPFD) von 200 µmol m−2 s−1 unter Verwendung von weißem LED-Licht gezüchtet. Die erzielten Ergebnisse wurden mit VHS ohne künstliche Beleuchtung im Gewächshaus verglichen. Die DLI-Werte für 12 Stunden, 16 Stunden und 20 Stunden betrugen 8,64, 11,5 bzw. 14,4 mol m−2 Tag−1. Das Frischgewicht der Triebe bei der Ernte stieg von 275,5 auf 393 g, während der DLI von 8,64 auf 11,5 mol m−2 Tag−1 anstieg. Ein DLI von 14,4 mol m-2 Tag-1 hatte einen negativen Einfluss auf Frischgewicht, Trockengewicht und Blattfläche. Der Übergang von VHS ohne Kunstlicht zu VHS mit Kunstlicht führte zu einer Steigerung des Frischgewichts um 60 %. Bei einem DLI von 11,5 mol m-2 Tag-1 wurde eine deutlich höhere Wassernutzungseffizienz von 71 g FW/L und eine Energieverbrauchseffizienz von 206,31 g FW/kWh beobachtet. Die Studie empfiehlt einen optimalen DLI von 11,5 mol m-2 Tag-1 für Eisbergsalat, der in einem vertikalen Hydrokultursystem in Innenräumen angebaut wird.

Es wird erwartet, dass die Weltbevölkerung bis 2050 9,7 Milliarden Menschen erreichen wird, von denen 70 Prozent in städtischen Gebieten leben werden1, was die städtische Infrastruktur überfordern wird. Prognosen zufolge wird Indien bis 2023 China als bevölkerungsreichstes Land der Welt überholen und seine Bevölkerung bis 2050 am stärksten wachsen2,3. Die Auswirkungen des Klimawandels, die Erschöpfung der natürlichen Ressourcen und die zunehmende Urbanisierung werden dazu führen, dass weniger Land für die Landwirtschaft zur Verfügung steht. Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Ernteerträge lassen darauf schließen, dass die Ertragseinbußen bis zum Ende des Jahrhunderts je nach Art der Ernte, der Region und dem Szenario des zukünftigen Klimawandels bis zu 60 % betragen könnten4. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, müssen moderne Anbautechniken wie die vertikale Landwirtschaft praktiziert werden, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten5,6. Diese Systeme können mehr Pflanzen pro Flächeneinheit anbauen als herkömmliche Anbaumethoden, was zu einer höheren Pflanzenproduktion führt. Dies wird erreicht, indem die Pflanzenproduktion in der vertikalen Dimension etabliert wird7. Vertikale Landwirtschaft kann in Gewächshäusern und Pflanzenfabriken betrieben werden, zwei der typischen Formen der Landwirtschaft in kontrollierten Umgebungen8,9.

Salat ist eine der kommerziell bedeutendsten Kulturpflanzen weltweit. Salat ist aufgrund seines kurzen Wachstumszyklus, des geringen Energiebedarfs, des schnelleren Wachstums und der geringen Kalorienzahl die ideale Kulturpflanze für die vertikale Landwirtschaft. Außerdem enthält er neben nützlichen bioaktiven Substanzen auch erhebliche Mengen an Ballaststoffen, Mineralien und Vitaminen10. Eisberg- und Großer-Seen-Salat sind zwei der am häufigsten angebauten Kopfsalatsorten in Indien. Nach China und den USA ist Indien der drittgrößte Salatproduzent der Welt. Auf ihn entfallen 14 % der gesamten weltweiten Anbaufläche, erwirtschaftet aber nur 4,1 % der Gesamtproduktion11. Daher besteht in Indien ein wachsender Bedarf, die Produktion und Produktivität von Salat durch den Einsatz moderner intensiver Anbautechniken wie der vertikalen Landwirtschaft zu steigern.

Licht ist eine der wichtigsten Umgebungsvariablen in der vertikalen Landwirtschaft, die die Pflanzenentwicklung beeinflusst und die Pflanzenaktivität basierend auf Lichtmenge, -qualität und -richtung steuert12,13. Licht kann auf natürliche Weise von der Sonne emittiert werden, einer Spektraltransformation unterliegen oder sogar umgeleitet werden. Die Hauptenergiequelle für den traditionellen Pflanzenanbau ist Sonnenlicht, und das Licht, das Pflanzen in einer natürlichen Umgebung einfangen, schwankt und ist komplex14. An bewölkten Tagen und insbesondere im Winter erhalten Pflanzen viel weniger Licht, als für ihr normales Wachstum und ihre normale Entwicklung erforderlich ist. Künstliche Wachstumslampen können als zusätzliches Licht verwendet werden, wenn das natürliche Sonnenlicht nicht ausreicht, und Wachstumslampen sind die einzige Lichtquelle für vertikale Indoor-Farmen mit künstlichem Licht15,16. Künstliche Beleuchtung erzeugt Strahlung, die sowohl als Energiequelle für die Photosynthese als auch als biologisches Signal dient, das die Morphologie und Qualität von Pflanzen verändern kann. Für eine effektive, ganzjährige Indoor-Produktion von ertragreichen Pflanzen ist es wichtig, das Pflanzenwachstum unter künstlichem Licht zu maximieren und gleichzeitig die Kosten zu senken17,18,19. LEDs haben von allen künstlichen Lichtquellen die höchste photosynthetisch aktive Strahlungseffizienz (PAR). Sie ermöglichen auch die Erzielung einer optimalen Bestrahlungsstärke im Hinblick auf die Biomasseproduktion und die Gesamtenergiekosten20. Frühere Studien21,22 haben gezeigt, dass Pflanzen, die unter einer Kombination aus roten und blauen LEDs wachsen, rötlich aussehen, was es schwierig macht, Anzeichen von Krankheiten und Wachstumsproblemen zu erkennen. Es gab keine signifikanten Veränderungen in allen physiologischen und Ertragseigenschaften von Salatpflanzen zwischen weißen LEDs und kaltweißen Leuchtstofflampen. Allerdings verbrauchten weiße LEDs weniger Strom, was darauf hindeutet, dass weiße LEDs klassische Leuchtstofflampen effektiv ersetzen könnten23,24.

Eine ausreichende Lichtmenge kann die Photosyntheseaktivität fördern und die Biomasseproduktion steigern, aber zu viel Licht führt bei Pflanzen zu Lichtschutz und Lichtschäden25. Das Tageslichtintegral (DLI) ist die Gesamtmenge der photosynthetisch aktiven Strahlung (400–700 nm), die innerhalb von 24 Stunden an Pflanzen abgegeben wird. Sie ist eine Funktion der Photoperiode und der Lichtintensität (PPFD) und gibt die Lichtmenge an, die für das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung benötigt wird. Der DLI ist ein entscheidender Umweltfaktor für Pflanzen und zeigt einen stärkeren Zusammenhang mit der Biomasseakkumulation, dem Pflanzenwachstum26,27,28,29, der Nährstoffqualität30 und der täglichen Bewässerungsmenge31. Allerdings verschlechterte die Erhöhung des DLI das visuelle Erscheinungsbild und verringerte die Quantenphotosyntheseausbeute von PSII32 sowie die Lichtnutzungseffizienz30. Es gab keinen signifikanten Anstieg des gesamten Frischgewichts und des gesamten Phenolgehalts von süßem Basilikum, wenn der DLI auf über 16,5 mol m–2 Tag–112 erhöht wurde. Gent33 untersuchte die Auswirkung des täglichen Sonnenlichts auf die Konzentration sekundärer Metaboliten in hydroponisch angebautem Kopfsalat. Die Studie ergab, dass Salat am Nachmittag nach dem Wachstum bei starkem Licht geerntet werden sollte, um eine maximale Nährstoffqualität zu erzielen. Runkle34 schlug einen Mindest-DLI von 12–14 mol m–2 Tag–1 für die Salatproduktion im Gewächshaus vor. Cui et al. 29 empfahl einen DLI von 6,35 mol m–2 Tag–1 für Gurkenkeimlinge, der durch die Verwendung einer PPFD von 110–125 µmol m–2 s–1 und einer Photoperiode von 14–16 Stunden erreicht werden konnte. Für den Indoor-Anbau von Rotblattsalatpflanzen wurde ein Mindest-DLI von 6,5 bis 9,7 empfohlen35. Der DLI-Bedarf für Salat liegt zwischen 12 und 16 mol m–2 Tag–1, sein Wert variiert jedoch je nach Art und Sorte17,22,26,36.

Eine Erhöhung des PPFD wirkt sich positiv auf die Photosyntheserate von Pflanzen aus, bis zu einer bestimmten Intensität, bei der die maximale Photosyntheserate auftritt. Ein weiterer Anstieg des PPFD führt zu einer geringeren Lichtnutzungseffizienz und einem geringeren Pflanzenwachstum37. Dies liegt daran, dass lichtschützende Aktivitäten dazu führen, dass absorbierte Lichtenergie in Wärme umgewandelt wird, anstatt sie für den Elektronentransport in den Lichtreaktionen zu nutzen, die während der Photosynthese stattfinden38. Viele Forscher haben gezeigt, dass PPFD im Bereich von 150–300 µmol m−2 s−1 optimal für den Salatanbau unter künstlichem Licht26,39,40,41,42 oder sogar über 300 µmol m−2 s−143,44 ist ,45. Aufgrund des höheren Energiebedarfs sind Lichtintensitäten über 300 grundsätzlich nicht zu empfehlen46. Während das Hinzufügen zusätzlicher Photonen durch Erhöhung der PPFD zu abnehmenden geringfügigen Gewinnen führt, ist die Erhöhung der Photoperiode eine weitere Strategie zur Steigerung des DLI und der Gesamtphotosynthese17,47,48.

Die Photoperiode ist ein wichtiger Umweltfaktor, der das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung reguliert. Viele Pflanzenarten erfassen die Tageslänge, um zu bestimmen, wann der Übergang vom vegetativen Wachstum zur Fortpflanzungsentwicklung erfolgen muss. Die Photoperiode kann die Lichtmenge, die Pflanzen an einem Tag erfahren, die Mitnahme ihres zirkadianen Rhythmus und die entscheidende Dunkelperiode beeinflussen, die für die Blüte bei photoperiodisch empfindlichen Pflanzen erforderlich ist49,50. Viele Studien haben gezeigt, dass Pflanzen, die unter dem gleichen DLI und einer zunehmenden Photoperiode bei niedrigem PPFD angebaut wurden, zu mehr Photosyntheseaktivität und Biomasseproduktion führten38,51,52. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass Arabidopsis53 (Lepisto et al., 2009) und Salat54 ihre Biomasseproduktion steigern, wenn sie kontinuierlichem Licht ausgesetzt werden. Die kontinuierliche Beleuchtung steigerte unter roten und blauen LEDs auch die Biomasse trockener und frischer Triebe sowie das Pflanzenwachstum von Salat (Sorte Yidali)14. Ähnliche Ergebnisse wurden für Kapuzinerkresse-Pflanzen (Tropaeolum majus L.) erhalten55. In einer anderen Studie17 wurde jedoch festgestellt, dass die Verlängerung der Photoperiode von 16 auf 24 Stunden am Tag bei einem DLI von 10,4 mol m-2 am Tag das Trockengewicht des Salats (Sorte Rouxai) nicht signifikant erhöhte. Darüber hinaus hatte CL einen nachteiligen Einfluss auf die Photosyntheserate in Blättern sowie auf das Gesamttrockengewicht von Tomatenpflanzen56. Es wurde auch berichtet, dass CL einen negativen Einfluss auf das Frischgewicht und das Trockengewicht von Eispflanzen hat48. Daher variiert die Wirkung der Photoperiode je nach Kulturart und Sorte (Ergänzungstabelle 1).

Es ist wichtig zu betonen, dass die in dieser Studie verwendete Pflanzendichte dem kommerziellen Salatanbau entsprach. Dies liegt daran, dass ein dichter Pflanzenabstand zu leichter Konkurrenz führen kann, was in Studien, in denen eine einzelne Pflanze pro Topfdesign verwendet wird, nicht berücksichtigt wird. Daher ist es wichtig, Pflanzenabstände mit hoher Dichte zu berücksichtigen, um die Auswirkungen der Lichtkonkurrenz auf das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung genau beurteilen zu können. Sowohl die Menge an Licht, die eine Pflanze einfängt, als auch wie effektiv sie dieses Licht zur Produktion von Biomasse nutzt, muss berücksichtigt werden, um das Wachstum und die Produktivität der Pflanze genau zu bewerten. Einer der größten Nachteile der vertikalen Landwirtschaft mit künstlichem Licht sind die höheren Stromkosten. Die Anzahl der den Pflanzen zur Verfügung gestellten Lichtstunden steht in direktem Zusammenhang mit den Stromkosten. Daher muss mehr Forschung zu DLI-Strategien betrieben werden, die weiße LEDs mit alleiniger Quelle bieten, unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs. Unsere Studie ergänzt die vorhandene Literatur zu DLI und der Salatproduktion, indem sie die Auswirkungen verschiedener DLI-Regime nicht nur auf Wachstum und Ertrag, sondern auch auf die Nährstoffqualität und die Ressourcennutzungseffizienz von Salat aus dem Gewächshaus-VHS bewertet und so ein umfassenderes Verständnis der DLIs liefert Auswirkungen auf die Salatproduktion. Darüber hinaus vergleicht die dritte Studie das Salatwachstum unter verschiedenen DLI-Regimen, die durch künstliches LED-Licht bereitgestellt werden, mit dem natürlichen Sonnenlicht in einem Gewächshaus. Dies ermöglicht es uns, das optimale DLI-Regime für die Salatproduktion zu ermitteln und Einblicke in die relativen Vorteile von künstlichem Licht im Vergleich zu natürlichem Licht zu geben Sonnenlicht, was vorher nicht möglich war. Unseres Wissens hat keine Studie die Reaktion von Eisbergsalat auf unterschiedliche DLIs unter Verwendung ausschließlich weißer LEDs untersucht. Nur sehr wenige Forscher haben die Auswirkungen von DLI durch Variation der Photoperiode und Konstanthaltung des PPFD untersucht. Ziel unserer Studie war es daher, die Wirkung von Photoperiode/DLI auf Pflanzenwachstum, Photosynthese und Qualitätsparameter zu untersuchen und die optimale Photoperiode/DLI für Eisbergsalat zu bestimmen, um das Pflanzenwachstum unter Berücksichtigung der Ressourceneffizienz zu optimieren . Wir stellten die Hypothese auf, dass ein höherer DLI zu einer höheren Biomasseakkumulation und Ernährungsqualität führen würde. Wir haben die Hypothesen mit drei DLI-Behandlungen getestet, die durch Variation der Photoperiode erzielt wurden.

Das Frischgewicht der Triebe und Wurzeln von Salat, der in einem vertikalen Hydrokultursystem mit künstlichem Licht angebaut wurde, wurde durch DLI in allen Probenahmestadien mit Ausnahme der Wurzel-FW bei 20 DAT signifikant beeinflusst (p < 0,05) (Abb. 1). Das Frischgewicht der Salatsprosse nahm mit der Erhöhung des DLI von 8,64 auf 11,5 mol m-2 Tag-1 deutlich zu und nahm danach bei einem DLI-Wert von 14,4 mol m-2 Tag-1 zum Zeitpunkt der Ernte deutlich ab. Bis zum 30. DAT gab es keinen statistisch signifikanten Unterschied (p < 0,05) im Spross-FW zwischen Behandlungen mit 11,5 und 14,4 mol m-2 Tag-1. Eine Erhöhung des DLI von 8,64 auf 11,5 mol m-2 Tag-1 steigerte die Spross- und Wurzel-FW um 42 % bzw. 57 %. Eine Erhöhung des DLI von 11,5 auf 14,4 mol m-2 Tag-1 verringerte jedoch die Spross- und Wurzel-FW um 10 % bzw. 21 %.

(A) Frischgewicht des Sprosses und (B) Frischgewicht der Wurzel eines Eisbergsalats, der unter vier Photoperioden (12 h, 16 h, 20 h und Kontrolle) in verschiedenen Probenahmeintervallen angebaut wurde. Balken stellen Mittelwerte ± Standardfehler dar. Mittelwerte, denen unterschiedliche Buchstaben folgen, weisen laut Tukeys HSD-Test auf eine statistisch signifikante Variation bei p < 0,05 hin.

Das Spross- und Wurzel-DW von Salat wurde in allen Probenahmestadien durch DLI-Behandlungen signifikant beeinflusst (p < 0,05) (Abb. 2). Bei DW wurde ein ähnlicher Trend wie bei FW beobachtet, mit der Ausnahme, dass es keinen signifikanten Unterschied bei der Spross- und Wurzel-DW zwischen der Kontrolle und 8,64, 11,5 und 14,4 mol m-2 Tag-1 DLI im Erntestadium gab. Erst bei 30 DAT wurde der signifikante Unterschied zwischen der Kontrolle und 8,64, 11,5 und 14,4 mol m-2 Tag-1 DLI beobachtet. Durch die Erhöhung des DLI von 8,64 auf 11,5 mol m-2 Tag-1 wurde ein Anstieg der DW der Triebe um 41 % beobachtet, ein weiterer Anstieg der DLI auf 14,4 mol m-2 Tag-1 führte jedoch zu einer Verringerung der DW der Triebe um 23 %. Der DLI mit 8,64 mol m-2 Tag-1 hatte 11 % mehr Triebtrockengewicht als die Kontrollbehandlung, aber der Unterschied war statistisch nicht signifikant.

(A) Trockengewicht des Sprosses und (B) Trockengewicht der Wurzel eines Eisbergsalats, der unter vier Photoperioden (12 Stunden, 16 Stunden, 20 Stunden und Kontrolle) in verschiedenen Probenahmeintervallen angebaut wurde. Balken stellen Mittelwerte ± Standardfehler dar. Mittelwerte, denen unterschiedliche Buchstaben folgen, weisen laut Tukeys HSD-Test auf eine statistisch signifikante Variation bei p < 0,05 hin.

Die Blattfläche eines in einem Indoor-Hydrokultursystem angebauten Eisbergsalats zeigte eine deutliche Reaktion auf DLI/Photoperiode. Die Blattfläche nahm um 43 % zu, mit einem Anstieg des DLI von 8,64 auf 11,5 mol m-2 Tag (Abb. 3A), ein weiterer Anstieg des DLI auf 14,4 mol m-2 Tag-1 führte zu einer leichten Verringerung der Blattfläche (3 %). . Allerdings war die Abnahme der Blattfläche bei 14,4 mol m-2 Tag-1 DLI statistisch nicht signifikant. Bei allen Behandlungen wurde bei 20 DAT kein signifikanter Unterschied festgestellt. Außerdem hatte der DLI mit 8,64 mol m-2 Tag-1 12 % mehr Blattfläche im Vergleich zur Kontrollbehandlung, aber der Unterschied war statistisch nicht signifikant.

(A) Blattfläche von Salat und (B) spezifische Blattfläche von Salat in verschiedenen Probenahmestadien. Balken stellen Mittelwerte ± Standardfehler dar. Mittelwerte, denen unterschiedliche Buchstaben folgen, weisen laut Tukeys HSD-Test auf eine statistisch signifikante Variation bei p < 0,05 hin.

DLI/Photoperiode hatte keinen signifikanten Einfluss (p < 0,05) auf die spezifische Blattfläche des Salats zum Zeitpunkt der Ernte. Im Zeitverlauf gab es keinen konsistenten Trend zwischen der Photoperiode und der spezifischen Blattfläche (Abb. 3B). Die spezifische Blattfläche für DLI-Behandlungen mit 8,64, 11,5 und 14,4 mol m-2 Tag-1 unterschied sich in allen Probenahmestadien nicht wesentlich.

Die Anzahl der Blätter war bei der DLI-Behandlung mit 11,5 mol m-2 Tag-1 signifikant höher (p < 0,05) als bei der Kontrollbehandlung zum Zeitpunkt der Ernte (Abb. 4A). Der DLI mit 11,5 mol m-2 Tag-1 hatte die höchste durchschnittliche Anzahl an Blättern (24), gefolgt von 8,64 (22), 14,4 (21) und der Kontrolle (19). Bei 10 DAT gab es keinen signifikanten Unterschied zwischen allen DLIs/Photoperioden. Es wurde auch festgestellt, dass der durch künstliches Licht bereitgestellte DLI (8,64, 11,5, 14,4) keinen wesentlichen Einfluss auf die Anzahl der Blätter hatte.

(A) Anzahl der Blätter pro Pflanze und (B) Wurzelsprossverhältnis pro Pflanze in verschiedenen Probenahmestadien. Balken stellen Mittelwerte ± Standardfehler dar. Eine signifikante (p < 0,05) Variation der Mittelwerte wird gemäß Tukeys HSD-Test durch unterschiedliche Buchstaben gekennzeichnet.

In jedem aufeinanderfolgenden Probenahmestadium wurde ein abnehmender Trend beim Wurzelsprossverhältnis beobachtet (Abb. 4B). Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen den DLI-Behandlungen mit 8,64, 11,5 und 14,4 mol m-2 Tag-1 in allen Probenahmestadien außer bei 10 DAT. Der DLI mit 8,64 mol m-2 Tag-1 hatte das niedrigste Wurzelsprossverhältnis (0,039), gefolgt von 14,4 mol m-2 Tag-1 (0,045) und 11,5 mol m-2 Tag-1 (0,052), während dies bei der Kontrollbehandlung der Fall war Das Wurzelsprossverhältnis war zum Zeitpunkt der Ernte am höchsten, die Unterschiede waren jedoch nicht signifikant.

Die Lichtreaktionskurve zeigte eine gute Korrelation zwischen der Photosyntheserate und PPFD. Die Photosyntheserate stieg kontinuierlich von 3,02 µmol CO2 m−2 s−1 bei 200 µmol m−2 s−1 auf 10,89 µmol CO2 m−2 s−1 bei 1000 µmol m−2 s−1, wo sie einen Lichtsättigungspunkt erreichte (Abb. 5A). Ein weiterer Anstieg des PPFD auf 1200 µmol m−2 s−1 verringerte die Photosyntheserate (um 2 %) auf 10,7 µmol CO2 m−2 s−1. Die Reaktionskurve für die Transpirationsrate (Abb. 5B) zeigte einen kontinuierlich steigenden Trend mit zunehmendem PPFD, im Gegensatz zu Pr, wo sie nach Erhöhung des PPFD von 1000 µmol m−2 s−1 auf 1200 µmol m−2 s−1 abnahm. Durch die Erhöhung der PPFD von 400 auf 600 µmol m−2 s−1 erhöhte sich die Transpirationsrate um 28 %. Eine weitere Erhöhung des PPFD auf 800 bzw. 1000 µmol m−2 s−1 führte jedoch zu 14 % bzw. 11 %.

Reaktion von (A) Photosyntheserate und (B) Transpirationsrate von Salatblättern auf zunehmende Lichtintensität von weißen LED-Lichtern. Fehlerbalken stellen den Standardfehler des Mittelwerts dar.

Zur Analyse der Blattgasaustauschparameter wurde die Kontrollbehandlung, die aus einem dreischichtigen VHS ohne künstliches Licht bestand, in eine obere, mittlere und untere Schicht unterteilt. Wir haben die Reaktion der Blattgasaustauschparameter pro Schicht in einer Kontrollbehandlung untersucht, die aus einem dreischichtigen VHS ohne künstliches Licht bestand, das dann mit dem VHS mit künstlichem Licht verglichen wurde. Als Kontrollbedingung beobachteten wir, dass die photosynthetische Aktivität von Salat von der oberen Schicht zur unteren Schicht deutlich um 70 % abnahm (Tabelle 1). Eine Erhöhung des DLI von 8,64 auf 11,5 mol m−2 Tag−1 erhöhte die photosynthetische Aktivität um 22 %. Es wurde jedoch kein signifikanter Unterschied zwischen 11,5 und 14,4 mol m−2 Tag−1 beobachtet. Es wurde auch festgestellt, dass die Wassernutzungseffizienz (Pn/E) bei der Kontrollbehandlung von der oberen zur unteren Schicht abnahm. Der höchste WUE wurde bei einer DLI-Behandlung von 11,5 mol m−2 Tag−1 beobachtet, was einer Photoperiode von 16 Stunden entspricht.

Alle qualitativen Parameter des Salats wurden als Reaktion auf die sich ändernde Photoperiode stark variiert. Der Gesamtphenolgehalt von 11,5 mol m-2 Tag-1 DLI (15,27 ± 0,49 mg GAE/100 g FW) war signifikant (p < 0,05) höher im Vergleich zu 14,4 und der Kontrolle (Tabelle 2). Die Gesamtphenole waren im DLI mit 11,5 mol m-2 Tag-1 um 2,5 % höher als im DLI mit 8,64 mol m-2 Tag-1, was statistisch nicht signifikant war. Darüber hinaus waren die Gesamtphenole bei allen photoperiodischen Behandlungen mit künstlichem Licht wesentlich höher als bei der Kontrolle. Die Photoperiode hatte keinen Einfluss auf die antioxidative Kapazität von unter künstlichem Licht angebautem Salat. Allerdings war sie im Vergleich zur Kontrolle signifikant (p < 0,05) höher. Die höchste antioxidative Kapazität (8,48 ± 0,17 µmol Trolox/g FW) wurde unter 11,5 mol m-2 Tag-1 DLI beobachtet, gefolgt von 14,4 mol m-2 Tag-1 (8,05 ± 0,14 µmol Trolox/g FW) DLI. Die antioxidative Kapazität von 11,5 mol m-2 Tag-1 DLI war 29,70 % höher als die der Kontrolle. Der Vitamin-C-Gehalt von Eisbergsalat stieg mit steigendem DLI von 11,5 auf 14,4 mol m−2 Tag−1. Es gab jedoch keinen signifikanten Unterschied zwischen 8,64 und 11,5 mol m−2 Tag−1 DLI. Es wurde festgestellt, dass der Vitamin-C-Gehalt in einem Zeitraum von 14,4 (14,38 mg/100 g) am höchsten war, während der niedrigste bei der Kontrollbehandlung (12,10 mg/100 g) beobachtet wurde. Der DLI von 0,14,4 mol m-2 Tag-1 hatte 19 %. mehr Vitamin C-Gehalt als die Kontrolle. Zum Zeitpunkt der Ernte wurden auch die physiologischen Parameter wie Blattlänge, Wurzellänge und Pflanzenhöhe gemessen. Die Blattlänge wurde durch die Photoperiode künstlicher LED-Lichter nicht beeinflusst, sie war jedoch im Vergleich zur Kontrolle deutlich höher. Die Wurzellänge wies bei allen Behandlungen keinen signifikanten Unterschied auf. Die Pflanzenhöhe war bei DLIs mit 11,5 mol m-2 Tag-1 wesentlich höher als bei 14,4 mol m-2 Tag-1 und Kontrollbehandlungen. Es gab jedoch keinen signifikanten Unterschied in der Pflanzenhöhe zwischen Behandlungen mit 8,64 und 11,5 mol m-2 Tag-1.

Für den Betrieb der Tauchpumpe, der Belüfterpumpe und der LEDs war Strom erforderlich. Die von LEDs verbrauchte elektrische Energie wurde zur Berechnung des elektrischen EUE herangezogen. Der DLI mit 8,64 mol m-2 Tag-1 benötigte im Vergleich zu den beiden anderen DLIs die geringste Energiemenge (41,55 kWh). Unterschiedliche DLI hatten erhebliche Auswirkungen auf die EUE von Salat (Abb. 6A). Eine Erhöhung des DLI von 8,64 auf 11,5 mol m−2 Tag−1 erhöhte den EUE um 7 %. Der EUE verringerte sich um 28 %, während der DLI weiter auf 14,4 mol m-2 Tag-1 anstieg. Der DLI von 11,5 mol m-2 Tag-1 erzeugte den höchsten EUE, während der DLI von 14,4 mol m-2 Tag-1 den niedrigsten erzeugte.

(A) Energieeffizienz und (B) Wassernutzungseffizienz eines unter vier Photoperioden angebauten Eisbergsalats. Balken stellen Mittelwerte ± Standardfehler dar. Eine signifikante (p < 0,05) Variation der Mittelwerte wird gemäß Tukeys HSD-Test durch unterschiedliche Buchstaben gekennzeichnet.

Die Wassernutzungseffizienz von Salat wurde durch verschiedene Photoperioden signifikant (p < 0,05) beeinflusst (Abb. 6B). Der Gesamtwasserverbrauch war bei der Kontrollbehandlung im Vergleich zu allen anderen Behandlungen am höchsten (262,82 Liter). Bei Behandlungen mit künstlichem Licht verbrauchte der 8,64 mol m−2 Tag−1DLI die geringste Wassermenge (193,58 Liter). Der DLI mit 11,5 mol m-2 Tag-1 hatte die maximale Wassernutzungseffizienz (100,34 g FW L-1 H2O), gefolgt von 14,4 mol m-2 Tag-1 (82,76 g FW L-1 H2O), während dies bei der Kontrollbehandlung der Fall war der niedrigste (72,39 g FW L−1 H2O). Der WUE stieg um 38,6 %, als der DLI von 8,64 auf 11,5 mol m−2 Tag−1 verlängert wurde. Eine weitere Erhöhung des DLI auf 14,4 mol m−2 Tag−1 reduzierte die WUE um 17,5 %. Bei Behandlungen mit künstlichem Licht wurden 5,64 Liter Wasser pro Pflanze verbraucht, verglichen mit 7,3 Litern Wasser bei der Behandlung mit Sonnenlicht im Gewächshaus.

Mehrere Studien haben die Auswirkung von Schwankungen des DLI aufgrund von Veränderungen des PPFD auf eine Vielzahl von in Innenräumen angebauten Pflanzen, einschließlich Salat, untersucht26,28,36,61. Allerdings haben nur wenige Studien, die sich hauptsächlich auf Salat konzentrierten, die Auswirkungen der Veränderung der Photoperiode beim Indoor-Anbau unter LED-Beleuchtung untersucht25,42,62,63. In der vorliegenden Studie wurde die Wirkung von DLI untersucht, die durch Variation der Photoperiode (12 h, 16 und 20 h) mit einem konstanten PPFD von 200 µmol m−2 s−1 auf Eisbergsalat erzielt wurde, der in einem vertikalen Hydrokultursystem unter weißem LED-Licht angebaut wurde . Es wurde beobachtet, dass das Wachstum, die Nährstoffqualität und die Ressourcennutzungseffizienz von Eisbergsalat bei einer 16-stündigen Photoperiode (DLI = 11,52 mol m−2 Tag−1) optimiert waren.

Der Ernteertrag steht in direktem Zusammenhang mit dem DLI64,65. Ein Anstieg des DLI steigerte das Wachstum und die morphologischen Eigenschaften eines Eisbergsalats. Das Frisch- und Trockengewicht von Blättern und Wurzeln stieg deutlich an (p < 0,05) und der DLI stieg von 8,64 auf 11,5 mol m−2 Tag−1. Unsere Ergebnisse stimmten mit früheren Studien an derselben Kulturpflanze mit unterschiedlichen Sorten und Wachstumsbedingungen überein, was auf eine Zunahme des Frisch- und Trockengewichts mit steigendem DLI22,26,28,32 hindeutet. Yan et al.22 fanden heraus, dass der größte Ertrag an reifem Blattsalat bei der Kombination von 200 µmol m−2 Tag−1 und einer Photoperiode von 16 Stunden ((DLI = 11,5 mol m−2 Tag−1) unter Verwendung von vier beobachtet wurde Im Sämlingsstadium wurden verschiedene LED-Leuchten bereitgestellt. In unserer Studie fanden wir einen ähnlichen Trend im Erntestadium, wo die LED-Lichtbehandlung nach dem Umpflanzen durchgeführt wurde. Die von Yan et al.22 aufrechterhaltene CO2-Konzentration war fast doppelt so hoch (800 ± 50 μmol·mol). −1) als unsere Studie. Sie testeten die Auswirkungen von zwei verschiedenen Photoperioden (14 und 16 Stunden) und zwei verschiedenen PPFD-Werten (200 und 250 µmol m−2 Tag−1), während sie die Salatsämlinge vier verschiedenen Lichtqualitätsbedingungen aussetzten .

Die trockene Biomasse von Salat nahm erheblich zu, als der DLI von 8,64 auf 11,5 mol m−2 Tag−1 anstieg. Eine Zunahme des Trockengewichts war mit einer größeren Blattfläche des Salats verbunden. Eine weitere Erhöhung des DLI auf 14,4 mol m-2 Tag-1 verringerte jedoch das Frischgewicht erheblich, was zeigt, dass eine übermäßige Menge an DLI einen negativen Einfluss auf die Ansammlung von Kohlenhydraten hatte und sogar zu einer Verringerung der Ansammlung von Trockengewicht führte30,35 ,66. Es gab keinen signifikanten Unterschied im Trockengewicht von Spross und Wurzel zwischen 11,5 und 20 Stunden Photoperiode. Diese Ergebnisse stimmten mit früheren Studien überein26,64. Eine Erhöhung des DLI von 11,5 auf 14,4 mol m-2 Tag-1 verringerte das Frischgewicht und das Trockengewicht der Blätter um 10 % bzw. 23 %. Dies kann durch Photoinhibition erklärt werden, die von Xu und Shen65 als eine lichtinduzierte Abnahme der Photosyntheseeffizienz definiert wird, die auftritt, wenn Pflanzen mehr Lichtenergie erhalten, als sie für die Photosynthese benötigen. Darüber hinaus kann der Verschluss der Stomataporen und die anschließende Verringerung des Gasaustauschs für die schlechtere Leistung der 20-Stunden-Photoperiode verantwortlich sein67 (DLI = 14,4 mol m−2 Tag−1). Es wurde zuvor gezeigt, dass sich das Frischgewicht von grünem und rotem Salat nicht wesentlich als Reaktion auf DLI-Werte im Bereich von 13 bis 26 mol m−2 Tag−125 veränderte. Die Blattfläche des Salats wurde um 43 % vergrößert, wobei der DLI unter LED-Beleuchtung von 8,64 auf 11,5 mol m-2 Tag-1 stieg. Ähnliche Ergebnisse wurden mit den Referenzen 62,68,69 erzielt. Allerdings fanden Palmer und van Lersel63 heraus, dass unterschiedliche Photoperioden (10, 12, 14, 16, 18 und 20 Stunden) bei einem konstanten DLI von 16 mol m−2 Tag−1 keinen Einfluss auf die Blattfläche von Salat und Mizuna hatten. Die spezifische Blattfläche des Salats bei der Ernte wurde durch die Photoperiode nicht wesentlich beeinflusst. Ähnliche Ergebnisse wurden von (Weaver und van Lersel, 2020) für „Little Gem“-Salat bei einem konstanten DLI von 17 mol m−2 Tag−1 erzielt.

Der Gesamtphenolgehalt von Salat stieg mit zunehmendem DLI von 8,64 auf 11,5 mol m-2 Tag-1 und sank dann auf 14,4 mol m-2 Tag-1. Der Rückgang des Phenolgehalts bei einem DLI von 14,4 mol m−2 Tag−1 könnte auf das Erreichen des Lichtsättigungspunkts zurückzuführen sein. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit Cho et al.69, wo sie Leuchtstofflampen mit externen Elektroden verwendeten, um die Auswirkungen verschiedener Kombinationen von Photoperiode und PPFD auf Blattsalat zu untersuchen. Carvalho et al.70 beobachteten, dass der Gesamtphenolgehalt in Blättern von Süßkartoffeln bei einer Photoperiode von 16 Stunden höher war als bei einer Photoperiode von 8 Stunden mit einem PPFD von 150 µmol m−2 Tag−1. Antioxidantien, die in nährstoffreichen pflanzlichen Lebensmitteln wie Obst und Gemüse enthalten sind, sind entscheidend für die Senkung des Risikos oxidativer Stress-bedingter chronischer Krankheiten71,72. Ali et al.73 beobachteten, dass die antioxidative Aktivität in Mangold, roter Bete, grünem Amaranth, rotem Amaranth und rotem Spinat bei einer Photoperiode von 12 Stunden höher war. Es wurde festgestellt, dass die antioxidative Kapazität von Salat bei einer Kombination aus 12-stündiger Photoperiode und halber Stärke der Nährlösung am höchsten ist74. Cho et al.69 zeigten, dass die antioxidative Kapazität von grünem Blattsalat bis zu 20 Stunden anstieg und dann nach 24 Stunden abnahm. In unserer Studie beobachteten wir, dass die antioxidative Kapazität bis zu einem DLI von 11,5 mol m-2 Tag-1 anstieg und dann bei 14,4 mol m-2 Tag-1 abnahm. Bei etwa 70 % der in Salat vorkommenden phenolischen Substanzen wurde eine antioxidative Aktivität nachgewiesen75, was darauf hindeutet, dass die Trends beim Gesamtphenolgehalt und dem Antioxidantiengehalt in dieser Studie einander ähnlich sein könnten. Der Vitamin-C-Gehalt von Eisbergsalat stieg mit steigendem DLI. Mehrere andere Forscher berichteten über einen ähnlichen Trend26,76.

Der höhere Energiebedarf ist eines der Hindernisse für die weit verbreitete Einführung der vertikalen Landwirtschaft in Innenräumen mit künstlichem Licht. Daher trägt die Steigerung der Ressourcennutzungseffizienz dazu bei, die Kosten zu senken und die Gesamtnachhaltigkeit des Systems zu verbessern. Es kann auch dazu beitragen, sicherzustellen, dass die Pflanzen eine ausreichende Menge an Ressourcen erhalten, was ihr Wachstum und ihren Ertrag verbessern kann. Durch die Optimierung der Ressourcennutzungseffizienz können sowohl die Produktivität als auch die Rentabilität von Indoor-Hydrokultursystemen gesteigert und gleichzeitig deren Umweltbelastung verringert werden. In der vorliegenden Studie stieg der WUE-Wert von Salat mit einem Anstieg des DLI auf bis zu 11,5 mol m-2 Tag-1 und nahm danach ab. Der höchste WUE von 71 g FW/lit wurde bei einem DLI von 11,52 mol m−2 Tag−1 beobachtet. Unsere Ergebnisse stimmten mit denen von Pennisi et al.77 überein, jedoch mit einem höheren DLI, wo sie beobachteten, dass der WUE von Kopfsalat (Sorte Rebelina) sukzessive erhöht wurde, indem der PPFD von 100 µmol m−2 Tag−1 (DLI = 5,8 mol) erhöht wurde m−2 Tag−1) bis 250 µmol m−2 Tag−1 (DLI = 14,4 mol m−2 Tag−1). Eine Erhöhung des PPFD um mehr als 250 µmol m−2 s−1 führte zu einem leichten Rückgang des WUE. Sie beobachteten den höchsten WUE von 60 g FW/lit, was weniger ist als unsere Ergebnisse. Darüber hinaus beobachteten Pennisi et al.42, dass Veränderungen in der Photoperiode keinen Einfluss auf die WUE von Kopfsalat (Sorte Rebelina) hatten. Die in der vorliegenden Studie beobachtete WUE ist weitaus besser als die WUE von Salat, die unter herkömmlichen Freiland- und Gewächshausbedingungen berichtet wurde. Barbosa et al.78 berichteten von einem WUE von Salat im Freiland- und Gewächshaus-Hydrokultursystem mit 4 g FW/Lit bzw. 20 g FW/Lit.

In der vorliegenden Studie stieg der Energiebedarf mit zunehmendem DLI. Der maximale EUE von 206,31 g FW/kWh wurde bei einem DLI von 11,5 mol m−2 Tag−1 beobachtet. Zhang et al.26 zeigten, dass der EUE von Salat durch die Umstellung von Leuchtstofflampen auf LED-Leuchten von 15,9 auf 40,6 g FW/kWh erhöht wurde. Yan et al.79 untersuchten die Wirkung der Kombination verschiedener LEDs auf die EUE von grünem und violettem Blattsalat. Sie fanden heraus, dass bei weißen LED-Leuchten der maximale EUE-Wert von 80 g FW/kWh beobachtet wurde. Pennisi et al.42 zeigten, dass der EUE von Kopfsalat mit zunehmender Photoperiode von 16 auf 24 Stunden bei einem PPFD von 250 µmol m−2 s−1 unter blauen und roten LEDs abnahm. Der maximale EUE von 138 g FW/kWh wurde bei einer Photoperiode von 16 Stunden beobachtet, was einem DLI von 14,4 mol m−2 Tag−1 entspricht. Verbesserungen der intrinsischen Eigenschaften der Lichtquelle, insbesondere des Energieverbrauchs des Lichts und der photosynthetischen Photoneneffizienz, sind in erster Linie für die in der vorliegenden Studie beobachteten signifikanten Steigerungen des EUE verantwortlich80. Die photosynthetische Photoneneffizienz der in unserer Studie verwendeten LED-Leuchten betrug 2,2 µmol/J, was mehr als 1,52 µmol/J war, die von Pennisi et al.42 verwendet wurden.

Um das optimale Lichtrezept zu bestimmen, ist es wichtig, die Reaktion von Pflanzen auf unterschiedliche Lichtverhältnisse zu verstehen. Um ein optimales Pflanzenwachstum unter künstlicher Beleuchtung sicherzustellen, sollte bei der Entwicklung eines optimalen Lichtsteuerungsalgorithmus die Beziehung zwischen PPFD, Photoperiode, DLI und Ressourcennutzungseffizienz berücksichtigt werden. Landwirte möchten häufig die Mindest-PPFD und die Mindestdauer für ein optimales Pflanzenwachstum kennen, um neben der Effizienz der Ressourcennutzung auch die Anbaukosten zu senken. Dies ist die erste Studie, die die Reaktion eines in einem vertikalen Hydrokultursystem angebauten Eisbergsalats auf verschiedene DLI, die durch Veränderung der Photoperiode erhalten werden, demonstriert. Unsere Studie zeigte, dass die Veränderung des DLI durch Modifizierung der Photoperiode einen wesentlichen Einfluss auf das Wachstum und die Entwicklung von Eisbergsalat hatte. Wir beobachteten, dass eine Erhöhung des DLI durch Änderung der Photoperiode von 8,64 (DLI = 8,64 mol m−2 Tag−1) auf 16 Stunden (DLI = 14,4 mol m−2 Tag−1) zu einer signifikanten Zunahme der Kohlenhydratakkumulation, der Blattfläche und der Ressourcen führte Nutzungseffizienz eines Eisbergsalats, während eine 20-stündige Photoperiode (DLI = 14,4 mol m−2 Tag−1) zu einer geringfügigen Abnahme der physiologischen und morphologischen Parameter und einer signifikanten Verringerung der Ressourcennutzungseffizienz führte. Somit können wir aus unserer Studie den Schluss ziehen, dass das optimale Wachstum, die Nährstoffqualität und die Ressourcennutzungseffizienz eines Eisbergsalats bei einer Photoperiode von 16 Stunden erreicht wurden, was einem DLI von 11,5 mol m−2 Tag−1 und einem PPFD von entspricht 200 µmol m−2 s−1 unter weißen LED-Leuchten. Die Studie hat eine praktische Lichtmanagementstrategie für den Anbau von Eisbergsalat unter einem vertikalen Hydrokultursystem in Innenräumen unter Einsatz minimaler Ressourcen aufgezeigt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Landwirte durch die Festlegung eines optimalen DLI-Regimes für die Salatproduktion möglicherweise die Energiekosten für die Beleuchtung senken und gleichzeitig die Ernährungsqualität der Ernte verbessern könnten, was weitreichende Auswirkungen auf eine nachhaltige Landwirtschaft haben könnte.

Die vorliegende Studie ergab, dass sich die Nährwertqualität von Salat bis zum DLI-Schwellenwert verbesserte und danach abnahm. Beim Antioxidantiengehalt hingegen wurde bei allen DLI-Behandlungen keine signifikante Veränderung beobachtet. Die Studie zeigt, dass Landwirte durch die Manipulation der Lichtbedingungen im optimalen Bereich eine höhere Ressourcennutzungseffizienz bei VHS erreichen können. Die Erhöhung des DLI innerhalb eines bestimmten Bereichs führte zu erheblichen Verbesserungen der Kohlenhydratakkumulation, der Blattfläche und der Ressourcennutzungseffizienz des Salats. Diese Studie hat eine kostengünstige Lichtmanagementstrategie für den Indoor-Anbau von Eisbergsalat in gewächshausbasierten Indoor-VHS aufgezeigt.

Das vorliegende Experiment wurde in einem klimatisierten Gewächshaus am Centre for Protected Cultivation Technology, ICAR-Indian Agricultural Research Institute, Neu-Delhi, Indien, durchgeführt. Die Samen von Eisbergsalat (Lactuca sativa cv. Glendana, Enza Zaden, Nordholland, Niederlande) wurden in eine Plastikstopfenschale (45 × 70 cm) gesät, die mit einer Mischung aus Kokostorf, Perlit und Vermiculit in einem Verhältnis von gefüllt war 3:1:1 (w/w). Drei Tage lang wurden die Plug-Trays mit durchscheinenden Kunststoffkuppeln abgedeckt, um eine hohe Luftfeuchtigkeit aufrechtzuerhalten. Nach der Keimung wurden die Pflanzen auf eine Pflanze pro Zelle zurückgeschnitten. Die Schalen wurden etwa drei Wochen lang in einem Gewächshaus der Baumschule aufbewahrt. Die Schalen wurden je nach Bedarf bewässert. Eine ¼-starke Nährlösung wurde drei Tage nach der Aussaat im Keimblattstadium und im 1–2-Blatt-Stadium bereitgestellt. Die Sämlinge wurden nach 3 Wochen in ein einheimisches vertikales Hydrokultursystem (VHS) vom Typ NFT (Nutrient Film Technique) (1220 mm × 610 mm × 1520 mm) mit drei Schichten verpflanzt. Jede Schicht bietet Platz für 36 Pflanzen. Der Abstand zwischen den einzelnen Schichten wurde auf 35 cm gehalten. Die äußeren Pflanzenreihen jeder Parzelle wurden nicht in die Analyse einbezogen, da sie als Randpflanzen galten. Um die ursprüngliche Pflanzdichte beizubehalten, wurden die Pflanzen nach jeder zerstörerischen Ernte umgesetzt. Das System befand sich in einer Bambusstruktur, die von einem schwarz-weißen Schattennetz im Gewächshaus umgeben war, um jegliches Sonnenlicht zu blockieren, das auf die Struktur fiel. Die Salatpflanzen wurden 45 Tage nach dem Umpflanzen (DAT) geerntet. Die gesamte Struktur wurde mit einem rechteckigen Schattennetz umschlossen, um das Sonnenlicht abzuschirmen. Zusätzlich wurde auf jeder Schicht eine Polystyrolplatte (1220 mm × 610 mm) befestigt, um den Lichteinfall aus der oberen Schicht zu verhindern.

Pro Behandlung wurde ein Reservoir mit einem Fassungsvermögen von 30 Litern zur Lagerung und Bereitstellung der Nährlösung bereitgestellt. Die Nährlösung bestand aus folgenden Komponenten (mg L−1): KH2PO4, 200; NH4H2PO4, 10; KNO3, 630; K2SO4, 200; Ca (NO3)2·4H2O, 1000; MgSO4, 200; Fe, 40; Cu, 0,4; Zn, 3; Mn, 3; Na2[B4O5(OH)4] ·8H2O, 4; Na2MoO4, jeweils 0,2. Die Sämlinge wurden nach dem Umpflanzen zwei Tage lang gewässert, bevor sie mit der Nährlösung versorgt wurden. Die elektrische Leitfähigkeit (EC) der Nährlösung wurde unter Verwendung von Wasser und Nährlösung zwischen 1,2 und 2 dS/m gehalten. Der pH-Wert der Nährlösung wurde mit sauren (1 M, H2SO4) und basischen (1 M, KOH) Lösungen bei 5,5–6,5 gehalten. Frische Nährlösung wurde in das Reservoir gegeben, als der Wasserstand in der Nähe der Pumpe am Boden angelangt war. Die Nährlösung wurde alle 2 Wochen nach der Transplantation erneuert. Die mittlere Temperatur (Mittelwert ± SD) und die relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer betrugen 20,1 ± 3,3 °C bzw. 69,61 ± 7,6 % (bei CO2-Konzentration in der Umgebung). Die in dieser Studie verwendeten Methoden wurden unter strikter Einhaltung der relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt, die in relevanten nationalen und internationalen Richtlinien festgelegt sind, um die wissenschaftliche Integrität und ethische Solidität der in diesem Bericht vorgestellten Forschung sicherzustellen.

Das künstliche Licht wurde von weißen LED-Röhren (Modell-HYGL8, Spektrum N × 4, 17 Watt, Nexel Tech Pvt. Ltd., Indien) mit einem R:B-Verhältnis von 2,6 bereitgestellt. Einzelheiten des Lichtspektrums sind in Abb. 7 dargestellt. Auf jeder Schicht wurden gleichmäßig vier weiße LEDs angebracht. Zwischen den einzelnen LEDs wurde ein Abstand von 15 cm eingehalten, um eine gleichmäßige PPFD zu erhalten. Ein Quantensensor LI-190 (Li-Cor, Lincoln, Nebraska, USA) wurde verwendet, um die photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD) über dem Pflanzendach zu messen. Die PPFD-Leistung der LED-Röhren wurde bei 200 ± 10 µmol m−2 s−1 gehalten. Die Photoperioden von 12, 16 und 20 Stunden wurden durch den Anschluss von LED-Röhren an einen Timer mit einem entsprechenden DLI-Wert von 8,64, 11,5 bzw. 14,4 mol m-2 Tag-1 bereitgestellt (Tabelle 3). Berechnungen für die Tageslichtintegrale (DLI) wurden durch Multiplikation des PPFD (in µmol m−2 s−1) mit der Photoperiode (in Sekunden) durchgeführt und die Ergebnisse wurden als mol m−2 Tag−1 angegeben. Das Wachstum von Pflanzen unter künstlichem Licht wurde mit dem Wachstum von Pflanzen in einem vertikalen Hydrokultursystem (NFT) unter Sonnenlicht unter Gewächshausbedingungen verglichen. Die tägliche Schwankung des durch Sonnenlicht erhaltenen DLI (in mol m−2 Tag−1) ist in Abb. 8 dargestellt. Der DLI wurde unter Verwendung von Sonnenstrahlungsdaten von einer automatischen Wetterstation im Gewächshaus berechnet. Die Sonnenstrahlungsdaten in W m−2 betrugen umgerechnet in PPFD in µmol m−2 s−1 unter Verwendung eines Umrechnungsfaktors von 2,0657.

Details zu Lichtspektren der im Experiment verwendeten LED (Quelle: https://www.nexsel.tech/).

Variation von DLI durch Sonnenlicht im Gewächshaus.

Die Wachstumsmessungen wurden an drei Pflanzen jeder Behandlung im Abstand von 10 Tagen nach der Transplantation durchgeführt. Die folgenden Parameter wurden an den beprobten Pflanzen gemessen: Das Frisch- und Trockengewicht von Spross und Wurzel wurde im Abstand von 10 Tagen vom Umpflanzen bis zur Ernte mithilfe einer elektronischen Waage gemessen. Die geernteten Pflanzen wurden 72 Stunden lang in einem Ofen bei 60 °C getrocknet und anschließend wurden die Trockengewichte von Wurzel und Spross gemessen. Die Anzahl der Blätter pro Pflanze (Länge mehr als 2 cm) wurde gezählt und aufgezeichnet. Die Blattfläche wurde mit dem Blattflächenmessgerät LI-3100C (LI-COR Inc., Lincoln, Nebraska) gemessen. Die spezifische Blattfläche (SLA) wurde bestimmt, indem das Verhältnis der Blattfläche der Pflanze zu ihrem Trockengewicht ermittelt wurde.

Der Gesamtwasserverbrauch pro Behandlung wurde separat berechnet und die Wassernutzungseffizienz wurde aus dem Verhältnis des Pflanzenfrischgewichts zum von den Pflanzen verwendeten Bewässerungswasser, ausgedrückt in g FW L−1 H2O, berechnet. Die Effizienz des Stromverbrauchs wurde aus dem Verhältnis des Frischgewichts der Pflanze bei der Ernte zum Gesamtstromverbrauch der LEDs berechnet, ausgedrückt in g FW kWh−1 und g DW kWh−1.

Ein tragbares Photosynthesesystem (LI-6400xt, LI-COR Inc., Lincoln, USA) wurde verwendet, um Lichtreaktionskurven und Gasaustauscheigenschaften wie Photosyntheserate (Pn, µmol CO2 m−2 s−1), stomale Leitfähigkeit (mol H2O m−2 s−1), Transpirationsrate (E, m. mol H2O m−2 s−1) und das Verhältnis der interzellulären zur umgebenden CO2-Konzentration usw. Nach Erreichen von Steady-State- und Gleichgewichtsbedingungen wurden Messungen durchgeführt Ein physiologisch aktives Blatt (44 DAT) von jeder Pflanze zwischen 9 und 11.30 Uhr. Das durchschnittliche Dampfdruckdefizit (VPD) in der Blattkammer betrug 2,2 kPa. Die Messungen erfolgten, wenn die substomatäre CO2-Konzentration (Ci) einen stabilen Wert erreichte.

Der Gesamtphenolgehalt frischer Salatproben wurde nach Ainsworth und Gillespie58 bestimmt. 1 g frische Salatproben aus jeder Behandlung wurden in 20 ml Ethanol (80 %) homogenisiert. Die zerkleinerten Proben wurden 20 Minuten lang bei 4 °C und 10.000 U/min zentrifugiert. Ein Aliquot von 0,1 ml wurde mit 0,5 ml Folin-Ciocalteu-Reagenz gemischt und 5 Minuten stehen gelassen. Nach der Zugabe von 2 ml 20 %igem Na2CO3 wurde das verbleibende Volumen mit 80 %igem Ethanol auf 20 ml aufgefüllt. Eine 1-Zentimeter-Küvette wurde in einem Spektrophotometer (Spectra Max M2, Molecular Devices, USA) verwendet, um die Absorption bei 765 nm zu messen.

Ein Test auf eine DPPH-Radikalfängerwirkung wurde nach Mensor und anderen durchgeführt59. Eine frische Salatprobe von 1 g wurde entnommen und in 20 ml Methanol zerkleinert. Die Proben wurden 20 Minuten lang bei 4 °C und 10.000 U/min zentrifugiert. Eine Mischung aus 1 ml Extraktlösung und 3,9 ml DPPH wurde 30 Minuten lang im Dunkeln aufbewahrt. Ein UV-VIS-Spektrophotometer (Spectra Max M2, Molecular Devices, USA) wurde verwendet, um die Absorption des Reaktionsgemisches bei der Wellenlänge 517 nm aufzuzeichnen. Der Prozentsatz der DPPH-Hemmung wurde wie folgt berechnet:

wobei A1 = Absorptionswert der Probe bei 517 nm, A0 = Blindwert-Absorptionswert bei 517 nm, Methanol (95 %) wurde als Blindwert verwendet. Die Ergebnisse wurden in µmol Trolox/g FW dargestellt.

Zur Bestimmung von Ascorbinsäure60 wurde der volumetrische Ansatz mit 2,6-Dichlorphenol-Indophenol-Farbstoff verwendet. 2 g Salatprobe wurden in 100 ml Metaphosphorsäure (HPO3)-Lösung mit einer Konzentration von 3 % zerkleinert. Anschließend wurde die Probe durch Whatman-Filterpapier Nr. 1 filtriert. 10 ml der filtrierten Lösung wurden in einen Erlenmeyerkolben überführt und mit einem Farbstoff titriert, bis ein rosa Farbton erschien. Die Messwerte wurden notiert und die Ergebnisse in mg pro 100 g ausgedrückt.

Das Experiment wurde mit einem vollständig randomisierten Design (CRD) mit drei Wiederholungen konzipiert. Jede Schicht des vertikalen Hydroponiksystems enthielt vier NFT-Kanäle. Jeder NFT-Kanal wurde als separate Replikation behandelt. Die Pflanzen wurden in den gewünschten Abständen (10, 20, 30 und Ernte) destruktiv beprobt und die Wachstumsparameter aufgezeichnet. Von jeder Behandlung wurden drei Pflanzen beprobt, um die Wachstumseigenschaften zu beurteilen. Die erhaltenen Daten wurden mithilfe der SPSS-Software (International Business Machines Corporation, Chicago, USA) analysiert, um die Bedeutung der Varianz zwischen verschiedenen Parametern in drei Photoperioden zu messen. Die univariate Analyse wurde unter Verwendung des ehrlichen Signifikanzdifferenztests (HSD) von Tukey bei p < 0,05 durchgeführt und zur Messung signifikanter Unterschiede in den Mittelwerten zwischen den Behandlungen verwendet. Die für jeden Parameter erhaltenen ANOVA-Tabellen werden in einer Zusatzdatendatei (Ergänzende Informationen) dargestellt.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Alle Autoren möchten dem ICAR-Indian Agricultural Research Institute, Neu-Delhi, für die Bereitstellung von Forschungseinrichtungen für das Experiment danken.

Diese Forschungsarbeit wurde vom Indo-German Science and Technology Center (IGSTC) im Rahmen des SenseVert-Projekts finanziert.

Abteilung für Agrartechnik, ICAR – Indian Agricultural Research Institute, Neu-Delhi, Indien

Kishor P. Gavhane, Murtaza Hasan und Dhirendra Kumar Singh

Zentrum für geschützte Anbautechnologie, ICAR-Indian Agricultural Research Institute, Neu-Delhi, Indien

Murtaza Hasan

Abteilung für Umweltwissenschaften, ICAR-Indian Agricultural Research Institute, Neu-Delhi, Indien

Soora Naresh Kumar

Abteilung für Agrarphysik, ICAR-Indian Agricultural Research Institute, Neu-Delhi, Indien

Rabi Narayan Sahoo

ICAR-Indisches Forschungsinstitut für Agrarstatistik, Neu-Delhi, Indien

Hüter der Natur

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Konzeptualisierung: MH, DKS und RNS; Datenkuration: KPG und SNK; Methodik: MH, DKS und RNS; Software: KPG und WA; Validierung: KPG, MH und DKS; Formale Analyse: KPG, SNK und WA; Untersuchung: KPG, MH und DKS; Ressourcen: MH, DKS und SNK; Schreiben – Originalentwurf: KPG und MH; Schreiben – Rezension und Bearbeitung: MH, DKS und SNK; Visualisierung: KPG, MH, DKS, SNK und WA; Aufsicht: MH, DKS, SNK, RNS und WA; Projektleitung: MH; Finanzierungseinwerbung: MH

Korrespondenz mit Kishor P. Gavhane.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Gavhane, KP, Hasan, M., Singh, DK et al. Bestimmung des optimalen täglichen Lichtintegrals (DLI) für den Indoor-Anbau von Eisbergsalat in einem einheimischen vertikalen Hydrokultursystem. Sci Rep 13, 10923 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36997-2

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Eingegangen: 02. April 2023

Angenommen: 14. Juni 2023

Veröffentlicht: 05. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36997-2

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