Waarom hebben planten moeite met LED-belichting?

Als docent van de HNT-cursussen van Kas Als Energiebron krijg ik regelmatig vragen over LED-licht. Wat is het effect op de plantengroei en hoe je LED’s het beste kunt inpassen in onder andere de klimaatregeling. Al vanaf de introductie van LED-belichting is geconstateerd dat planten andere reacties vertonen dan onder zonlicht, of onder de gangbare Son-T lampen.

Op zich is dat niet vreemd, want planten groeien tenslotte meestal onder natuurlijke zonnestraling en dat heeft heel andere eigenschappen dan kunstlicht.
Toen men lang geleden begon met planten telen onder lage druk natrium lampen, oftewel straatlantaarns, kwam dat al naar voren. De oplossing was toen om over te schakelen naar hoge druk natrium (HPS), waarvan het spectrum meer blauw bevat. Dat heeft een plant kennelijk toch nodig voor een natuurlijke ontwikkeling. Om dezelfde reden wordt tegenwoordig bij rood LED-licht standaard circa 5% blauw gemengd, waardoor het kenmerkende paarse LED-licht ontstaat.

LED spectrum biedt nieuwe mogelijkheden
De laatste jaren is veel onderzoek gedaan naar de effecten van spectrale samenstelling van LED-licht. Het idee is dat met specifieke lichtkleuren bepaalde gewenste ontwikkelingen kunnen worden bevorderd en andere juist afgeremd. Een voorbeeld is dat verrood licht leidt tot meer strekking, wat onder andere gunstig is voor een goede lichtverdeling in het gewas. Meer blauw (UV) licht geeft een meer compacte groei. Ook wordt geëxperimenteerd met groen en wit LED-licht. En ongetwijfeld is daar nog veel interessants te ontdekken.

LED-groeilicht kost minder elektriciteit
De voornaamste reden om LED op grote schaal toe te passen, is intussen het feit dat ze heel efficiënt PAR-licht opwekken. LED geeft meer PAR en dus meer kilo’s vruchten of meer bloemtakken en potplanten per m2 bij dezelfde stroomkosten. LED maakt het bovendien mogelijk om hogere lichtniveaus te realiseren onder een tegen lichtemissie gesloten verduisteringsscherm zonder dat de temperatuur te veel oploopt. Waar voorheen een niveau van 200 micromol/m2.s PAR met Son-T gebruikelijk was, begint nu in sommige teelten 300 micromol de nieuwe norm te worden. Theoretisch zou dat 50% meer productie kunnen opleveren.
Kortom, LED lijkt de ideale lichtbron voor de duurzame glastuinbouw van de toekomst. Op voorwaarde dat er genoeg groene stroom voor handen is.

Wat vinden planten van LED licht?
Helaas wordt steeds duidelijker dat er onder intensieve LED-belichting ook problemen kunnen optreden. Om er enkele te noemen: paarsverkleuring van blad en bloemen, bobbelachtig blad en korter vaasleven. Tevens wordt geconstateerd dat de fotosynthese niet evenredig toeneemt met hogere PAR-niveaus, maar door anthocyaanvorming wordt afgeremd. Als vermoedelijke oorzaken wordt gedacht aan het lichtspectrum, maar ook aan de hormonenbalans van de plant, temperatuureffecten en eventuele nutriënten tekorten. De laatste twee factoren maken het interessant om eens te kijken naar de natuurkundige eigenschappen van lichtbronnen en welke invloed die hebben op de plant, in termen van temperatuur en verdamping.

Wat doet LED met nutriëntenopname en gewastemperatuur?
Lichtbronnen worden gekenmerkt door hun spectrale samenstelling. PAR licht (400 – 700 nm) bepaalt de potentiële fotosynthese. De overige componenten, met kortere of langere golflengte in de straling, bevatten energie die plantendelen kan opwarmen en die de verdamping aandrijft. Bovendien produceren kunstmatige lichtbronnen convectiewarmte die daar via luchtbeweging aan kan bijdragen.
Bij dezelfde PAR-intensiteit (micromol/m2.s) geeft LED ruwweg minder dan de helft aan energie af naar het gewas ten opzichte van zonlicht en HPS-licht. Dat betekent dus ook de helft aan verdamping en nutriëntenaanvoer. Maar natuurlijk ook minder opwarming van de kop van de plant, bladeren, knoppen, vruchten, etc. En die opwarming is juist gunstig om het proces van fotosynthese te versnellen en om het transport en het verbruik van de gevormde suikers in evenwicht te houden met de aanmaak.
Gedurende miljoenen jaren hebben planten zich aangepast aan de spectrale samenstelling van zonlicht. Als die planten voornamelijk of zelfs uitsluitend LED-licht krijgen, is de normale verhouding tussen assimilatenproductie en nutriëntenbeschikbaarheid dus uit balans. En door de lagere planttemperatuur zullen ook de source- en sink-activiteit minder zijn.

Hoe kan LED werkelijk een succes worden?
LED-licht is dus weliswaar heel efficiënt als het om PAR-licht gaat, maar trekt tegelijk de natuurlijke plantbalansen wat betreft energie, water, assimilaten en nutriëntenopname behoorlijk scheef. Om die balansen weer op orde te krijgen, moeten er aanvullende maatregelen worden genomen. In teeltcellen en meerlagenteelt (vertical farming) wordt bijvoorbeeld meestal gezorgd voor intensieve luchtcirculatie om een gelijkmatige temperatuur- en vochtverdeling te verkrijgen, zowel horizontaal als verticaal. Dit geeft tevens een aanzienlijke verhoging van de verdamping en dus van de nutriëntenopname.
Hoe dat in normale kassen moet is nog niet helemaal duidelijk. Een graadje hoger stoken dan normaal, of een (extra) groeibuis bij de kop van het gewas of bij de bloemknoppen? Misschien een andere samenstelling van de voedingsoplossing, of toch ook meer (verticale) luchtbeweging? Of is een hybride belichting dan zo gek nog niet? Schermen tegen uitstraling om afkoeling van het gewas te voorkomen ligt sowieso erg voor de hand.
Eén ding is in elk geval wel duidelijk; om grootschalige toepassing van LED tot een echt succes te maken, zullen we toch meer rekening moeten houden met de natuurlijke behoeften en eigenschappen van planten en ons niet alleen richten op de technologie. In het kader van duurzaamheid is naast lichtbenutting trouwens ook de warmtebenutting essentieel.

Sneller en efficiënter
Gelukkig beschikken we tegenwoordig over moderne sensoren zoals de netto stralingsmeter en de thermo grafische camera. Hiermee kunnen de energietoevoer naar de plant en de (verticale) temperatuurverdeling direct worden gemeten. Dat werkt dus veel sneller en efficiënter dan de ouderwetse onderzoeksmethode van trial & error.