Über fünf Jahrzehnte lang definierte der Erwerbsgartenbau die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) strikt nach der McCree-Kurve (400–700 nm) und stufte Dunkelrot-Photonen (Far-Red, 700–750 nm) als photochemisch ineffizient ein. Durch neuere biophysikalische Arbeiten von Zhen, Bugbee sowie der Universität Wageningen hat sich das photobiologische Paradigma jedoch grundlegend gewandelt: Dunkelrot-Photonen treiben über den Emerson-Verstärkungseffekt in Kombination mit kürzeren Wellenlängen die Photosynthese mit hoher Quantenausbeute an und steuern über das Phytochrom-Gleichgewicht ($PSS$, Phytochrome Photostationary State) gezielt die Bestandesarchitektur und Lichtinterzeption. In modernen Venlo-Gewächshäusern am Niederrhein (Straelen) und im Knoblauchsland ermöglicht die Integration dynamischer Dunkelrot-LED-Kanäle eine drastische Steigerung der elektrischen Gesamteffizienz ($\mu\text{mol/J}$).

1. Der Paradigmenwechsel: Von PAR (400–700 nm) zu ePAR (400–750 nm)

Unter der historischen Definition von K.J. McCree (1972) wurden Photonen oberhalb von 700 nm aus Quantenlichtmessern ausgeschlossen, da die solitäre Quantenausbeute der $CO_2$-Fixierung jenseits von 700 nm steil abfällt. Unter natürlichem Sonnenlicht oder breitbandigen LED-Spektren arbeiten die beiden Photosysteme – Photosystem II (PSII, Anregungsmaximum $\sim 680\text{ nm}$) und Photosystem I (PSI, Anregungsmaximum $\sim 700-730\text{ nm}$) – jedoch in Reihe.

Wird ein Pflanzenbestand ausschließlich mit rotem (660 nm) und blauem (450 nm) Licht bestrahlt, wird PSII übererregt, während PSI zum geschwindigkeitsbestimmenden Engpass wird. Dies führt zu einem Elektronenstau am Plastoquinon-Pool (PQ). Die gezielte Zugabe von Dunkelrot-Photonen (700–750 nm) regt selektiv PSI an, baut den Elektronenstau ab und stellt den optimalen linearen Elektronentransport wieder her. Dieses Phänomen wird quantifiziert durch das Emerson-Verstärkungsverhältnis ($EER$):

EER = \frac{A_{kombiniert}(\lambda_{400-700} + \lambda_{700-750})}{A_{PAR}(\lambda_{400-700}) + A_{FR}(\lambda_{700-750})} > 1.0

Hierbei beschreibt $A$ die Netto-Photosyntheserate ($\mu\text{mol } CO_2 \cdot m^{-2} \cdot s^{-1}$). Bei ertragsintensiven Fruchtgemüsekulturen wie Tomate (Solanum lycopersicum) und Paprika (Capsicum annuum) führt ein Dunkelrotanteil von 15–20% zu einer gleichen oder höheren photochemischen Effizienz als eine äquivalente Erhöhung des 660 nm Hellrot-Lichtstroms.

2. Mathematische Modellierung des Phytochrom-Photostationären Zustands (PSS)

Neben der direkten photosynthetischen Verwertung modulieren Dunkelrot-Photonen maßgeblich die Pflanzenmorphologie über das Phytochrom-Photorezeptorsystem. Phytochrom existiert in zwei reversibel schaltbaren Konformationen:

Unter einem beliebigen Strahlungsspektrum $N(\lambda)$ ($\mu\text{mol} \cdot m^{-2} \cdot s^{-1} \cdot nm^{-1}$) stellt sich ein dynamischer photostationärer Gleichgewichtszustand ($PSS$) ein, der nach Sager et al. (1988) und Gardner (1993) wie folgt formuliert wird:

PSS = \frac{[P_{fr}]}{[P_{total}]} = \frac{\int_{300}^{800} \lambda \cdot N(\lambda) \cdot \sigma_r(\lambda) \, d\lambda}{\int_{300}^{800} \lambda \cdot N(\lambda) \cdot \sigma_r(\lambda) \, d\lambda + \int_{300}^{800} \lambda \cdot N(\lambda) \cdot \sigma_{fr}(\lambda) \, d\lambda}

Hierbei stellen $\sigma_r(\lambda)$ und $\sigma_{fr}(\lambda)$ die photochemischen Wirkungsquerschnitte für die Hin- und Rückreaktion dar. Im unbeschatteten Freilandlicht etabliert das Hellrot-zu-Dunkelrot-Verhältnis ($R:FR \approx 1.2$) ein $PSS \approx 0.70 - 0.72$. Im dichten Unterglasbestand absorbiert das Chlorophyll 400–700 nm Licht stark, während Dunkelrot zu über 80% transmittiert wird. Das $R:FR$-Verhältnis sinkt auf $< 0.2$, was das $PSS$ auf $0.45 - 0.55$ drückt und die Schattenvermeidungsreaktion (Shade Avoidance Syndrome, SAS) auslöst.

3. Gartenbauliche Bestandessteuerung: Blattflächenexpansion vs. Ernteindex

Über die gezielte Beeinflussung des $PSS$-Wertes kann der Gärtnermeister die vegetative Architektur ohne chemische Wachstumsregulatoren (Hemmstoffe) steuern:

PSS-Bereich Morphologische Reaktion Gartenbauliches Ziel Praxisanwendung
0.80 – 0.88 Stark gestauchte Internodien, dicke Blätter, hohes spezifisches Blattgewicht ($SLW$). Verhinderung des Geilwuchses (Vergeilung) bei Jungpflanzen. Jungpflanzenanzucht, Veredelung, Vertical Farming (Salat).
0.68 – 0.74 Ausgeglichener Habitus; harmonische vegetative und generative Verteilung. Standard-Produktionsbetrieb; maximaler Ernteindex ($HI$). Hochdraht-Tomaten- & Paprika-Kulturen im Venlo-Gewächshaus.
0.55 – 0.65 Rasche Blattspreitenexpansion, verlängerte Blattstiele, rascher Bestandsschluss. Maximierung der fraktionellen Lichtabsorption ($f_{int}$). Frühe Etablierungsphase im Winter; lichtarme Perioden.

4. End-of-Day (EOD) vs. Kontinuierliche Tages-Dunkelrotbelichtung

Im professionellen Gewächshausmanagement stehen zwei ingenieurtechnische Applikationsstrategien zur Auswahl:

Strategie A: Kontinuierliche Dunkelrot-Zusatzbelichtung ($ePAR$)

Dunkelrot-LEDs (730 nm Peak) laufen während der gesamten Photoperiode synchron mit den Weiß- oder Rot/Blau-Toplights. Dies nutzt ganztägig den Emerson-Effekt (Steigerung der Netto-Kohlenstofffixierung um 8–12%) und stabilisiert das $PSS$ auf einem moderaten Niveau von $\sim 0.65$. Durch die vergrößerte Blattfläche fängt der Bestand mehr Photonen des täglichen Lichtintegrals ($DLI$) auf, was zu messbaren Mehrerträgen führt.

Strategie B: End-of-Day (EOD) Dunkelrot-Impulsbelichtung

Um ein unerwünschtes vegetatives Längenwachstum während der Haupttageszeit zu vermeiden, wird unmittelbar nach Abschaltung der Hauptbelichtung ein 15- bis 30-minütiger Dunkelrot-Impuls ($20-40 \, \mu\text{mol} \cdot m^{-2} \cdot s^{-1}$) appliziert. Dies überführt das Phytochrom vor Beginn der Dunkelphase in die inaktive $P_r$-Form ($PSS < 0.40$). Im Salat- und Gurkenanbau fördert dieser nächtliche Impuls die Blattspreitenausbreitung, ohne den Frucht-Trockenmasseanteil zu mindern.

5. Energieeffizienz und thermische Strahlungsbilanz

Aus elektrotechnischer Sicht besitzen moderne 730-nm-Dunkelrot-LED-Chips eine herausragende optische Konversionseffizienz ($\eta_{opt} \approx 70-75\%$) und erreichen Fixture-Effizienzen von über $3.8 - 4.2 \, \mu\text{mol/J}$. Da Dunkelrot-Photonen von den Gewächshausscheiben weniger absorbiert werden als die Wärmestrahlung konventioneller Natriumdampf-Hochdrucklampen (HPS), reduziert der Einsatz von Dunkelrot-LEDs die unerwünschte Überhitzung der oberen Bestandesschichten.

\Delta H_{Bestand} = \int \left[ (1 - \alpha_{PAR}) \cdot PPFD + (1 - \alpha_{FR}) \cdot PFD_{FR} \right] d\lambda + \dot{Q}_{Konvektion}

Durch die Substitution von 15% der installierten LED-Leistung durch Dunkelrot-Kanäle können Gartenbaubetriebe in Straelen bei gleichem photochemischen Ertrag die elektrische Anschlussleistung um 7.4% senken und die Betriebskosten der Spitzenlast-Heizung dämpfen.

6. Fazit: Handlungsempfehlungen für moderne Gartenbaubetriebe

Die Einbindung von ePAR- und PSS-Kennzahlen in moderne Klimacomputer (z. B. Priva Connext, Hoogendoorn iSii) repräsentiert den State-of-the-Art im geschützten Anbau. Für die betriebliche Praxis gelten folgende Kernregeln: