Jede Kulturart wächst von der Etablierung bis zur Reife anders. Wenn die Kultur mehrere Lebenszyklusstadien durchläuft, wird der Anbau aufgrund der zunehmenden Zykluszeit noch komplexer.
Selbst unter Bedingungen der kontrollierten Umgebung (CE) ist es für die Landwirte eine Herausforderung, hohe Erträge, Qualität und Beständigkeit für praktisch jede Kultur (Mikrogrüns, Blattgemüse, Weinreben, Beeren bis hin zu Cannabis) zu erzielen.
Bei Monokulturen und Multikulturen mit unterschiedlichen Entwicklungsstadien ist es von entscheidender Bedeutung, das lokale Umfeld zu verstehen, in dem du sich befinden, was wir als "Mikroklima" bezeichnen. Kulturen, die in der Controlled Environment Agriculture (CEA) angebaut werden, können weitgehend in die folgenden Kategorien eingeteilt werden.
In dieser 4-teiligen Serie werde ich mich auf jede dieser Pflanzenkategorien konzentrieren:
Blattgemüse wird in der Regel in Gewächshäusern (in der Regel in einer einzigen Schicht) oder in Lagerhäusern (in der Regel in gestapelten Regalen) mit hydroponischen, aquaponischen oder aeroponischen (Lagerhäuser) Methoden angebaut. Die Anbauer verwenden die Nährfilmtechnik (NFT), die Tiefwasserkultur (DWC), die Flachwasserkultur (SWC), Ebbe und Flut (flood and drain). Das Anlegen von Setzlingen an einem Ende und die Ernte am anderen Ende ist bei Anbaubetrieben aller Größenordnungen sehr beliebt.
Dadurch können du Pflanzen, Schädlinge/Krankheiten und Arbeit effizient verwalten. Die Landwirte, die die beste Qualität, gleichmäßige Ernten und höhere Erträge haben, gewinnen aufgrund der steigenden Nachfrage nach hochwertigen Produkten. Um dies zu erreichen, wählen du nicht nur das beste Ausgangsmaterial (Saatgut, Stecklinge) aus, sondern beginnen auch immer mehr Landwirte damit, die Umwelt durch geeignete Anbaumethoden genau zu kontrollieren. Betrachten wir einen Gewächshausbetrieb, der Salat anbaut.
Du haben ein bewegliches Rinnensystem (NFT) eingesetzt, dessen Abstände mit dem Wachstum der Salatköpfe zunehmen - von der Stecklings- über die späte Keimlings-/Blattgrün- bis zur Kopfsalatphase. Das System ist von der Aussaat bis zur Ernte in einem einzigen Haus untergebracht. Mit der richtigen Ausrüstung und Infrastruktur können du jedoch die optimale Temperatur, das Licht, die relative Luftfeuchtigkeit (RH), das Kohlendioxid (CO2), die Nährstoffkonzentration und den pH-Wert für die drei Phasen aufrechterhalten.
Dies ist nur möglich, wenn die den Stufen entsprechenden Zonen überwacht und gemessen werden. Ein einziger Sensor in der Mitte des Gewächshauses wird also nicht genügend Informationen liefern, um die Leistung der Pflanzen zu verstehen und die Zonen entsprechend zu steuern.
Mikroklimata treten auch innerhalb von Zonen (intra-zone) dreidimensional auf. Die Klimaschwankungen an den Rändern im Vergleich zum Zentrum der Zone und die Klimaschwankungen auf, über und unter der Pflanze sind ebenfalls sehr wichtig. Wie verändert sich die Temperatur in der Wurzelzone/NFT-Rinne im Laufe der Zeit? Wie sieht die CO2-Verteilung auf der Pflanzenebene aus und wie sieht ihr Verteilungsmuster im vertikalen Profil des Kompartiments aus?
Zum Beispiel kann es sein, dass im Pflanzstadium nicht mehr als die Umgebungskonzentration an CO2 benötigt wird, während in späteren Stadien die Züchter den Pflanzen höhere CO2-Konzentrationen (bis zu 1500 ppm) zuführen können, abhängig von der Lichtintensität und der Temperatur auf Pflanzenebene. Dies könnte durch die Messung der Umgebung mit verteilten Sensoren (inter- und intra-zone sensing) erreicht werden.
Betrachten wir ein weiteres Beispiel: die aeroponische Kultivierung von Blattgemüse in einer Lagerhalle. Bei dieser Anbaumethode besteht eine der Herausforderungen darin, auf jeder Ebene des gestapelten Anbaus aufgrund der vertikalen Gradienten eine optimale Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufrechtzuerhalten. Junge Setzlinge benötigen bis zur Etablierung eine ausreichende Luftfeuchtigkeit. Mit zunehmendem Wachstum sollte die Luftfeuchtigkeit zwischen Tag und Nacht auf einem optimalen Niveau gehalten werden, um ein maximales Wachstum zu erzielen und physiologische Störungen wie Verbrennungen der Triebspitzen und nachgelagerte Krankheiten zu vermeiden.
Um die richtigen Umweltbedingungen für die verschiedenen Wachstumsstadien aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, du auf jeder Ebene an repräsentativen Stellen zu messen (z. B. in der Mitte und in der Nähe der Ränder jedes Regals).
Mikroklimamessungen ermöglichen es den Landwirten, die Wachstumsumgebung in den verschiedenen Phasen des Wachstums und der Entwicklung der Pflanzen genau zu messen und zu steuern. Landwirte, die diese Instrumente nutzen, werden das Spiel gewinnen, wer die hochwertigsten Produkte gewinnbringend produziert. Dies hängt jedoch von der Verfügbarkeit geeigneter Geräte, der Infrastruktur, den Kontrollen, dem Pflanzenmanagement, dem Wissen über die Pflanzen, ihrer Biologie und den finanziellen Mitteln ab.
Hinweis: Ich habe viel Zeit damit verbracht, die Rolle eines extrazellulären Pflanzenproteins während der durch Abscisinsäure (ABA) vermittelten Reaktionen im Keimlingsstadium der Modellpflanze Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) zu untersuchen. Schon in einwöchigen Keimlingen ist eine Menge los - vom ABA-Stimulus über Hormonsignale, an denen extrazelluläre und intrazelluläre Proteine beteiligt sind, bis hin zu Keimlingsreaktionen. Die Entschlüsselung der Rolle von Proteinen, die an der ABA-Signalübertragung beteiligt sind, war selbst unter den am besten kontrollierten Anbaubedingungen, z. B. auf Agarplatten, eine Herausforderung. Stellen du sich den groß angelegten Anbau von Nutzpflanzen vom Samen bis zur Ernte vor. Wie viele Pflanzenstadien sind zu bewältigen? Nicht einfach!