Kann die Beleuchtung zwischen den Baumkronen den Ertrag und die Qualität von Cannabis verbessern?

Kommerzielle Cannabisanbauer sind mit einem sich ständig weiterentwickelnden Markt und ständiger Unsicherheit konfrontiert. Daher müssen wir unser eigenes Denken ständig hinterfragen und auf dem aufbauen, was wir bereits über Wachstum zu wissen glauben. In der gesamten Branche besteht ein vorrangiges Ziel darin, die Kosten pro Pfund zu senken und gleichzeitig Qualität und Ertrag zu steigern, um mehr Umsatz pro Quadratfuß, pro Umdrehung und pro Jahr zu generieren. Aber wie wir dieses Ziel verfolgen, wird für unser Überleben und unseren Erfolg von entscheidender Bedeutung sein.

In den letzten Jahren hat die Cannabisindustrie einen enormen Wandel durchgemacht. Die Einführung der Legalisierung in vielen Staaten sowie der Aufstieg des industriellen Anbaus und der Kommerzialisierung haben zu erheblichen Veränderungen in der alten Cannabis-Gemeinschaft geführt. In der Vergangenheit drängten Cannabis-Aktivisten auf den Informationsaustausch über Anbaupraktiken, aber die Züchter zögern mit der Kommerzialisierung von Cannabis und alle denken, sie hätten mit einer speziellen geheimen Soße die Goldgrube gefunden.

Heutzutage mangelt es immer noch an soliden kommerziellen Daten von Landwirten über erfolgreiche, kostengünstige und fortschrittliche Anbaupraktiken, die allen Landwirten als Gruppe helfen könnten. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, Wege zu erkunden, um das Bewusstsein zu stärken und den Austausch wissenschaftlich valider und kommerziell erprobter Informationen innerhalb der Cannabis-Community und -Industrie zu fördern, um den Markt als Ganzes weiter voranzutreiben. Bei Statehouse, einem in Kalifornien ansässigen, vertikal integrierten Cannabisunternehmen, verfolgen wir einen aktiven Ansatz, um den Geist des Informationsaustauschs über die Entwicklung der Cannabisproduktionspraktiken aufrechtzuerhalten, insbesondere in der alten Cannabis-Community. Wir hoffen, dass Sie dabei sind.

Vor diesem Hintergrund möchten wir einen innovativen Ansatz zur Optimierung der Cannabiserträge anbieten, indem wir die Effizienz der Photonenumwandlung verbessern und gleichzeitig möglicherweise den Gesamtenergieverbrauch pro Gramm produzierter Biomasse reduzieren.

Ressourceneffizienz

Ressourceneffizienz spielt beim Management einer Anbauanlage aus ökologischer Sicht eine entscheidende Rolle, da sie den verantwortungsvollen Umgang mit Wasser, Energie und Materialien gewährleistet und gleichzeitig Abfall und Umweltbelastung minimiert. Durch die Integration dieser Praktiken können Anbaubetriebe zum Umweltschutz beitragen, natürliche Ressourcen schützen und nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken fördern. Die wichtigsten Treiber zur Verbesserung der Ressourceneffizienz sind:

Hier passen zwei bekannte Sprichwörter: „Man schafft nicht, was man nicht misst“ und „Sei nicht faul beim Lernen.“ Die Einfachheit, Relevanz und Wichtigkeit dieser beiden Zitate im Hinterkopf zu behalten, kann hilfreich sein, wenn wir lichtbezogene Kennzahlen untersuchen und nach neuen Möglichkeiten suchen, die Erträge in Cannabisblüten-Produktionssystemen zu maximieren.

Das OptimaleTageslichtintegral (DLI)

In Zusammenarbeit mit dem American Flower Endowment erstellten Dr. Jim Faust und Dr. Joanne Logan (von der Clemson University bzw. der University of Tennessee) interaktive Daily Light Integral (DLI)-Karten und erklärten DLI folgendermaßen: „Daily Light Integral stellt die Gesamtheit dar.“ photosynthetisch aktive Strahlung (PAR), die über einen Tag (24 Stunden) akkumuliert wurde. Da Pflanzen Sonnenstrahlung speichern, ist diese Messung äußerst nützlich bei der Beschreibung der Sonnenstrahlung, da sie das Pflanzenwachstum beeinflusst. Der Tageslichtintegral ist für Pflanzenwissenschaftler und kommerzielle Züchter zu einer vertrauten Messung geworden.“

PPFD (photosynthetische Photonenflussdichte) ist die Lichtintensität oder das momentane Licht, gemessen in Mikromol pro Quadratmeter pro Sekunde (μmol/m2/s). Im Gegensatz dazu ist der DLI ein kumulatives Maß, eine Funktion sowohl der Lichtintensität als auch der Lichtdauer, gemessen in Mol pro Quadratmeter und Tag (mol/m2/Tag).

Es ist wichtig zu beachten, dass der natürliche DLI nicht nur von der saisonalen Intensität der Sonne abhängt, sondern auch von Ihrer natürlichen Tageslänge, die sich im Laufe des Jahres ändert. Bedenken Sie, dass dieser Zuwachs oder Verlust von Licht das ganze Jahr über direkte Auswirkungen auf die Photosynthese und die Erträge hat, wie bereits erwähnt. Beim Anbau in einem Gewächshaus ist es besonders wichtig, dies zu verstehen.

Untersuchungen des Crop Physiology Laboratory der Utah State University (Hinweis: StateHouse ist ein Finanzierungspartner des USU Lab) zeigen, dass Cannabis bis zu DLIs von 70 und möglicherweise darüber kontinuierlich produktiv sein kann. Allerdings erreichen die DLIs in den Vereinigten Staaten dieses Niveau auf natürliche Weise nicht, selbst im Hochsommer nicht, und die meisten Indoor-Grower produzieren zwischen 51 und 55 Mol pro Tag oder etwa 1.200 umol/m2/s.

VERBINDUNG: Far-Red Research

Als Züchter stimmen unsere Ziele nicht immer mit der Natur überein. Um das ganze Jahr über die höchstmöglichen Erträge zu erzielen, ist der Anbau in Innenräumen oder in einem Gewächshaus mit zusätzlicher künstlicher Beleuchtung erforderlich, um diese DLIs zu erreichen.

Die folgenden Grafiken wurden von Dr. erstellt. Faust und Logan spiegeln die Variation des DLI basierend auf der US-Geographie und den Jahreszeiten wider. Der Januar liegt oben und der Juli unten. Die hellsten Rottöne auf der Juli-Karte stellen DLIs von 55 bis 65 dar, während die Rosa- und Violetttöne auf der Winterkarte 5 bis 15 mol/m2/Tag entsprechen. Abhängig von Ihrem Standort kann sich Ihr natürlicher DLI im Laufe des Jahres um 40 % bis 65 % ändern – was einen erheblichen Einfluss auf die Anbauleistung hat.

US-DLI-Werte, Januar. Beide Karten basieren auf Sonneneinstrahlungsdaten von 1998 bis 2012. Screenshot der Karten mit freundlicher Genehmigung von American Floral Endowment. Die interaktive Karte finden Sie hier:https://endowment.org/dlimaps/

US-DLI-Werte, Juli.

Die Anbauanlage von StateHouse in Salinas, Kalifornien, liegt in einer Region mit einigen der höchsten DLIs in den Vereinigten Staaten, aber der Wechsel zwischen Sommer und Winter ist erheblich. Der natürliche DLI außerhalb des Gewächshauses ändert sich im Laufe des Jahres um 60 %, wie in der folgenden Grafik dargestellt. Beachten Sie den Unterschied zwischen natürlichem DLI und der roten Linie bei 60 mol/m2/Tag. (Bei StateHouse verwenden wir 60 Mol als praktisches, kostengünstiges Ziel zur Ertragsoptimierung.) Diese Grafik zeigt deutlich, wie groß die Chancen sind, wenn wir die Lichteinfang- und -nutzung verbessern.

Nehmen wir an, Sie sind ein gewerblicher Gewächshausbauer, der unter Glas in einem hohen Venlo-Gewächshaus anbaut. Beim Hinzufügen zusätzlicher LED-Topbeleuchtung zur Optimierung Ihres Anbaus müssen viele Überlegungen berücksichtigt werden, darunter der Formfaktor der Leuchte, die Effizienz der Leuchte und die Spektren. Wenn Sie sich jedoch auf den DLI als Funktion der Lichtintensität konzentrieren, möchten Sie sicherstellen, dass Ihre Pflanze zu keiner Jahreszeit einen DLI von weniger als 30 mol/m2/Tag erhält – Ihre natürlichen Umgebungslichtbedingungen nicht eingerechnet. Das bedeutet, dass Sie Ihr Gewächshaus mit mindestens 700 μmol/m2/s zusätzlicher LED-Oberlichtbeleuchtung ausstatten müssen, wenn Sie während einer blühenden Photoperiode (ca. 12 Stunden Tageslänge) wachsen.

Photonenkonversionseffizienz (PCE)

Die Effizienz der Photonenumwandlung ist ein weiterer wichtiger Parameter, den es zu berücksichtigen und zu messen gilt, wenn versucht wird, den Ertrag mit Licht zu maximieren, da sie sich direkt auf die Effizienz eines Anbausystems auswirkt und daher als neuer wichtiger Indikator/Metrik für die Kultivierungsleistung betrachtet werden sollte. Die Photonenumwandlungseffizienz (PCE) spiegelt die Effizienz wider, mit der Lichtenergie in Biomasse umgewandelt wird. Genauer gesagt handelt es sich um das Verhältnis der Anzahl der absorbierten Photonen zur Anzahl der in nutzbare Energie umgewandelten Photonen.

Ein höherer PCE bedeutet, dass mehr Ihrer Lichtenergie nutzbare Energie erzeugt, was zu einer höheren Gesamtsystemeffizienz und einem höheren Ertrag führt. In photosynthetischen Systemen bedeutet ein höherer PCE, dass mehr absorbierte Photonen genutzt werden, um den photosynthetischen Prozess voranzutreiben. Dies führt zu einer höheren Biomasseproduktionsrate bei gleicher Menge an Lichtenergie.

Wenn es um die Produktion von Cannabisblüten oder den Biomasseertrag im Allgemeinen geht, ist die Maßeinheit für PCE Gramm pro Mol (g/Mol) photosynthetisch aktives Strahlungslicht (PAR). Sie können dies auf einen einzelnen Quadratfuß, Zyklus oder Jahr anwenden (g/mol/ft2/Zyklus). Um die Lichtausbeute zu maximieren, ist es wichtig, Photosynthesesysteme mit hoher Photonenumwandlungseffizienz zu entwickeln. Dies kann durch die Optimierung der Materialien, der Struktur, des Lichtdesigns, der Entlaubungstechniken, der Erntedichte und anderer Betriebsbedingungen des Systems erreicht werden.

Derzeit setzen die meisten Züchter die Beleuchtung nur von oberhalb der Pflanze ein – und die meisten kommerziellen Beleuchtungen sind für diese Anwendung konzipiert. Offensichtlich ist dieser Ansatz darauf zurückzuführen, dass Pflanzen von Natur aus daran angepasst sind, Sonnenlicht einzufangen. Aber die oberen Blätter sind nicht die einzigen Oberflächen, die die Photosynthese antreiben können. Wenn wir über Pflanzenproduktionssysteme nachdenken, stimmen unsere Ziele als Landwirte nicht immer mit denen von Mutter Natur überein.

Blattflächenindex (LAI)

Der Blattflächenindex (LAI) ist eine Schlüsselmetrik, die in vielen Bereichen, einschließlich der Ökologie, Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Klimawissenschaft, verwendet wird, um wertvolle Informationen über die Struktur des Pflanzendachs, das Pflanzenwachstum und die Funktionsweise des Ökosystems zu liefern. Für Cannabiszüchter ist LAI ein entscheidendes Werkzeug zur Optimierung der Photonenerfassung während der Produktion.

LAI wird typischerweise als Verhältnis ausgedrückt und quantifiziert die Menge an Blattwerk oder Blattoberfläche, die in einem definierten Bereich vorhanden ist. Genauer gesagt ist LAI das Verhältnis der gesamten Blattoberfläche – einschließlich der oberen (adaxialen) und unteren (abaxialen) Oberfläche der Blätter – zur Bodenoberfläche (oder Bankoberfläche).

Ob sie es wissen oder nicht, Cannabiszüchter verwenden diese Kennzahl, wenn sie während der Blüte ihren Pflanzenbestand ausfüllen. Es gibt jedoch viele verschiedene Ansätze zur Maximierung der Überdachungsfläche. Obwohl unterschiedliche Ansätze den gleichen „Gesamtertrag“ erzielen können, sind sie mit äußerst unterschiedlichen Kosten, gewonnenen oder verlorenen Systemeffizienzen und unterschiedlichen Qualitätsergebnissen verbunden.

Eine Möglichkeit, Ihren Anbaubereich zu füllen, besteht beispielsweise darin, mehr Pflanzen darauf zu platzieren. Viele gehen davon aus, dass sich die Erträge leicht steigern lassen, indem man mehr Pflanzen hinzufügt. In einigen Systemen stehen die Arbeitskosten jedoch in einem Verhältnis von 1 zu 1 zur Pflanzenanzahl, zusammen mit anderen direkten Kosten wie Materialien (Töpfe, Substrat, Dünger, Wasser usw.). Je mehr Pflanzen vorhanden sind, desto mehr Handhabung kann erforderlich sein. Eine stärkere Entlaubung führt zu zusätzlichem Arbeitsaufwand und anderen Kosten. Mehr Pflanzen bedeuten auch ein höheres Gesamtfeuchtgewicht beim Trocknen, sodass ein Züchter mehr Wasser aus der Nicht-Blüten-Biomasse entfernen muss. Dies stellt viele Herausforderungen dar, insbesondere wenn Landwirte über einen festen und begrenzten Trockenraum, eine begrenzte Wasserentfernungskapazität und eine begrenzte Trockenzeit verfügen.

Aus einer effizienten Trocknungs- und Qualitätssicherungsperspektive können Landwirte versuchen, Strategien zu implementieren, die das gesamte Nassgewicht reduzieren, das auf einmal in die Trocknung eingebracht wird, und so eine präzisere Kontrolle über den Trocknungsprozess ermöglichen. Es gibt Betreiber mit Systemen von bis zu 1 Pflanze pro 1 Quadratfuß (1p/ft2) mit dem gleichen Ertrag wie 1 Pflanze pro 3 Quadratfuß (0,3p/ft2) – mit genau der gleichen Erntezeit und dem gleichen Zeitplan, aber mit völlig unterschiedlichen Qualität der fertigen Blumen, Verhältnisse der Biomassekategorien, PCEs und Kosten pro Pfund. Mit anderen Worten: Weniger, also weniger Pflanzen, ist mehr und effizienter.

Da Landwirte das Tageslichtintegral, die Photonenumwandlungseffizienz und den Blattflächenindex verstehen und schätzen, stellt sich die größere Frage, wie wir diese Kennzahlen optimieren können, um die Produktion zu maximieren und gleichzeitig die Kosten pro Pfund zu minimieren. Hier kommen FDC2-Strategien und -Technologien ins Spiel, wie sie hier folgen.

Lichtstreuung

In der Beleuchtung bezieht sich Diffusion auf den Prozess der Streuung oder Abschwächung von Lichtstrahlen, um harte Schatten zu reduzieren und eine gleichmäßigere und gleichmäßigere Lichtverteilung zu erzeugen. In einem Gewächshaus unterliegen Sie der Beschattung und wenn die Sonne auf- und untergeht, erhält Ihr Anbaugebiet den ganzen Tag über unterschiedlich viel Licht. Durch die Streuung des Lichts, wie in den Abbildungen mit freundlicher Genehmigung von Yuhua Glass unten gezeigt, kann Ihr Anbau-/Anbaubereich den ganzen Tag über gleichmäßigere Lichtverhältnisse erhalten und gleichzeitig möglicherweise mehr Gesamtlicht (DLI) an einem einzigen Tag sammeln.

Lichtstreuung kann auch bei Temperatur-/Wärmemanagementproblemen hilfreich sein, die dadurch entstehen, dass sich verschwendetes Licht auf Oberflächen außerhalb von Pflanzen konzentriert und zur Strahlungswärme beiträgt. Allerdings ist die Lichtstreuung auch der Grund, warum die meisten Indoor-Anbauräume weiß sind. Flaches Weiß kann bis zu 85 % des Lichts reflektieren und streuen und sorgt so für die gleichen Vorteile, die sich ergeben, wenn Züchter in einem Gewächshaus geeignete Lichtstreuungsstrategien anwenden. Bedenken Sie, dass das Gleiche nicht für glänzendes Weiß gilt, das die gleichmäßige Lichtstreuung im Vergleich zu flachem Weiß um bis zu 50 % reduzieren kann. Diese kleinen Details sind wichtig.

Auch wenn dies für einige Züchter neu klingen mag, ist die bewährte Strategie der Maximierung der Diffusion und der Erhöhung der Lichtakkumulation in Pflanzen an einem einzigen Tag – Erhöhung der DLIs an einem Tag – seit mehr als einem Jahrzehnt in die Designs traditioneller Gewächshausproduktionssysteme integriert. Wenn wir die Vorteile der Diffusion verstehen, können wir die Möglichkeiten erkennen, wenn Pflanzen Photonen aus allen Winkeln absorbieren können, nicht nur von oben. Nicht unbedingt so, wie Mutter Natur es beabsichtigt hat.

Bevor ich detailliert auf das Potenzial nicht-traditioneller Beleuchtung bei der Cannabisproduktion eingehe, möchte ich noch einmal auf die Photosynthese und die Rolle von Chlorophyll eingehen. Chlorophyll, das Pigment, das Pflanzen ihre grüne Farbe verleiht, kommt in den Chloroplasten von Pflanzen, Algen und einigen Bakterien vor. Es ist für die Photosynthese unerlässlich. Tatsächlich kann die Bedeutung von Chlorophyll für die Photosynthese nicht genug betont werden.

Chlorophyll ist das Molekül, das dafür verantwortlich ist, Lichtenergie einzufangen und sie auf andere Moleküle im Photosyntheseweg zu übertragen. Ohne Chlorophyll wären Pflanzen und andere photosynthetische Organismen nicht in der Lage, die Energie zu produzieren, die sie zum Überleben benötigen, und diese Energie auch nicht in Biomasse umzuwandeln.

Angesichts der Bedeutung der Rolle von Chlorophyll bei der Photosynthese und seines direkten Einflusses auf das Pflanzenwachstum/die Biomasseproduktion ist es auch wichtig anzuerkennen, dass Cannabisblüten grün sind. Ja, die Photosynthese ist auch in Früchten und Blumen von Bedeutung, nicht nur in Blättern. Grüne Tomaten sind nur ein Beispiel. Dieses Prinzip kann entscheidend für die Maximierung Ihres PCE während der Cannabisblütenproduktion sein.

Jetzt ist es an der Zeit, die Frage zu stellen: Würde die direkte Einwirkung von Licht auf alle Blüten einer einzelnen Pflanze (über das gesamte vertikale und horizontale Profil) die Photonenaufnahme erhöhen und damit die Photosynthese steigern, was zu einem höheren PCE und höheren Erträgen führen würde? Hier bei StateHouse gehen wir davon aus, dass dies der Fall sein wird.

Dr. Bruce Bugbee vom Crop Physiology Laboratory der Utah State University bietet zusätzliche Unterstützung für diese Idee, einschließlich Forschung von USU Ph.D. Kandidat und Graduierter Forschungsassistent Mitchell Westmoreland.

VERWANDT: Vorteile und Grenzen der Lichtintensität

„Die Photosynthese von Cannabisblüten ist proportional zum Chlorophyll und der Oberfläche der Blüten. Mitch verfügt über Daten, die darauf hinweisen, dass die Blüten bei der Ernte bis zu 30 % zur gesamten Photosynthese beitragen. Dies basiert auf Messungen der Photosynthese im Blätterdach nach der Entfernung der Blätter“, sagt Bugbee. Bedenken Sie das noch einmal: Blumen tragen bei der Ernte bis zu 30 % zur gesamten Photosynthese bei.

Bisher konzentrierte sich ein Großteil der Forschung, die eine direktere Anwendung von Licht auf Cannabisblüten untersucht, was für den Flower Direct Cannabis-Anbau von zentraler Bedeutung ist, auf die Ergänzung von Oberlichtern durch Inter-Canopy-Beleuchtung (ICL), manchmal auch Intra-Canopy-Beleuchtung genannt, die zusätzliche Beleuchtung platziert in den Baldachin selbst. Das Labor von Bugbee ist nicht das Einzige, das das Potenzial von ICL zur Verbesserung des Pflanzenwachstums und -ertrags erkennt.

Viele andere Universitäten haben diese vielversprechende Beleuchtungstechnik ebenfalls untersucht, darunter das Controlled Environment Agriculture Center der University of Arizona; Wageningen University & Research (Niederlande); University of California, Davis, Abteilung für Pflanzenwissenschaften; Abteilung für Gartenbau der Michigan State University; und Abteilung für Gartenbau und Landschaftsarchitektur der Purdue University. Die letzten drei haben auch zahlreiche Beleuchtungssysteme entwickelt, die heute in kommerziellen Gewächshausbetrieben eingesetzt werden.

Basierend auf den eigenen robusten internen Experimenten von StateHouse und Daten aus verwandten Forschungsarbeiten hat das Unternehmen ein Projekt initiiert, das mit der Cannabis Research Coalition, anderen globalen Züchtern und Grow Light Design (GLD) zusammenarbeitet, um die FDC2-Beleuchtungsprinzipien durch die Anwendung von weiter zu erforschen und möglicherweise zu validieren ein sehr spezieller Formfaktor eines Beleuchtungskörpers, der speziell für die Cannabisproduktion entwickelt wurde.

Nachfolgend finden Sie Bilder früherer Versuche, die in unseren kommerziellen Gewächshäusern in Salinas, Kalifornien, durchgeführt wurden, sowie ein Bild der Vorrichtungen in unseren Indoor-Forschungs- und Entwicklungs-Wachstumskammern in Greenfield, Kalifornien, als Teil des Intercanopy Lighting Validation Group (ICLVG)-Projekts.

Die speziellen Vorrichtungen haben zwei Ebenen und umgeben die Pflanze, während sie gleichzeitig auf der Bank sitzen und eine Spalierverbindung und Abstützung der Pflanzen ermöglichen. Diese Vorrichtungen erzeugen einen dreidimensionalen Würfel um den Pflanzenbestand.

Während die Pflanze wächst, kann ein Züchter die Platzierung und Richtung des Lichts anpassen, um es direkt auf die Blüten der Pflanze zu richten.

Forschung zur Beleuchtung zwischen Baumkronen in der Anbauanlage von StateHouse. Fotos mit freundlicher Genehmigung von Travis Higginbotham

Ziel der Studie ist es, die Auswirkungen der Umverteilung des gleichen DLI (gleiche verbrauchte Energiemenge) zwischen der Oberlichtbeleuchtung allein im Vergleich zur kombinierten Anwendung der Oberlichtbeleuchtung und der umlaufenden Überdachungsleuchte auf den Biomasseertrag der Cannabispflanze, das Verhältnis der Biomassekategorien und die fertige Pflanze zu bestimmen Blumenqualität.

Die Studienpartner werden in allen ihren unterschiedlichen F&E-Systemen genau den gleichen Versuch durchführen und dabei von GLD bereitgestellte Vorrichtungen verwenden. Die Forschung begann am 5. Juni 2023 und läuft bis zum 4. September 2023. Die Versuchsparameter und -ergebnisse werden bekannt gegeben, sobald die endgültige Analyse abgeschlossen ist.

Travis Higginbotham ist ein Spezialist für kommerziellen Anbau und Geschäftsinhaber mit fast einem Jahrzehnt Erfahrung im kommerziellen Gartenbau. Als Vizepräsident für Anbau bei StateHouse beaufsichtigt er einen 230.000 Quadratmeter großen Cannabis-Gewächshausbetrieb und leitet den gesamten Anbau, die Nachernte und den Großverkauf. Zu seinen umfangreichen Erfahrungen zählen Positionen als Vizepräsident für Vertrieb und Geschäftsentwicklung bei The Hemp Mine, Leiter Forschung und Entwicklung bei Battlefield Farms und Global Director of Horticulture Service bei Fluence Bioengineering. Darüber hinaus ist er Miterfinder von zwei Smart-Farming-Patenten, die sich auf die Steuerung der Photoperiode bzw. der Lichtakklimatisierung konzentrieren. Er hat einen BS in Gartenbau von der Clemson University und einen MS in Gartenbau von der Virginia Tech University.