DD301128A7

DD301128A7 - Vorrichtung zur in-vivo-erfassung der transpiration und des stomataverhaltens von pflanzenblaettern

Info

Publication number: DD301128A7
Application number: DD31476088A
Authority: DD
Inventors: Uwe Schmidt
Original assignee: Uwe Schmidt
Priority date: 1988-04-15
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1992-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft die Gestaltung einer In-vivo-Meßvorrichtung zur Erfassung von Transpirationsmassestromdichten und Stomataleitwerten einzelner Blätter in Pflanzenbeständen. Das Wesen der Erfindung liegt dabei in der Gestaltung der Meßvorrichtung. Dabei wird vorgeschlagen, die Transpiration einzelner Blätter oder Blatteile dadurch zu erfassen, daß durch parallel geschaltete Blattküvetten Luftströme geführt werden, die in einem Meßbehälter gesammelt werden und deren Temperatur und Feuchte in diesen Sammelbehälter gemessen wird. Die Strömungsbedingungen in den Blattküvetten werden dabei so gestaltet, daß sich keine Unterschiede zu freien Blättern einstellen. Die Temperatur und die Feuchte dieses Luftstromes wird mit einem zweiten Luftstrom, dem Referenzluftstrom, verglichen. Dieser Referenzluftstrom wird dabei in unmittelbarer Umgebung der Einlaufstutzen der Blattküvetten angesaugt und wird in einen zweiten Meßbehälter geführt, ohne jedoch die Blattküvetten zu durchströmen. Die ermittelten Meßdaten werden von dem Gerät an einen Mikrorechner geleitet, wo über einen mathematischen Algorithmus die Größen Transpirationsmassestromdichte, Stomataleitwert, Lufttemperatur und Luftfeuchte berechnet werden.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Um pflanzliche Transpirationsmengen bestimmen zu können, sind zwei Grundmeßpnnzipe vorbekannt, das lysimetrische Meßverfahren und die Küvettenmeßverfahren.

Bei der lysimetrischen Transpirationsmessung ist es erforderlich, ganze Pflanzen oder Pflanzenbestandteile auf Präzisionswaagen zu setzen. In Zeitintervallen von 3min bis 15min ist es möglich, die Transpirationsrate aus dem Masseverlust des Pflanzbehälters zu bestimmen, wenn die Bodenverdunstung durch Abdeckung der Bodenfläche oder anderer Maßnahmen verhindert wird. Diese Verfahrensweise ist aufwendig und für praktische Langzeitmessungen ungeeignet. Die Forderung nach kürzeren Meßintervallen, um den dynamischen physiologischen Vorgang der Transpiration von Pflanzen zu beschreiben, bringt zusätzliche Fehlerquellen. Je kürzer die Meßintervalle sind, um so präziser muß der Masseverlust bestimmt werden, um signifikante Massedifferenzen zu ermitteln. Daraus folgt ein ei höhter Aufwand zur Ausfilterung der Störwirkungen, der die Wägeeinrichtungen zum Schwingen bringt.

Beim Transpirationsmeßverfahren mit Hilfe von Meßküvetten werden einzelne Blätter oder Blattsegmente in einem Gehäuse, das vorzugsweise aus Kunststoff besteht, eingeschlossen.

Das Grundproblem der veränderten klimatischen Bedingungen in den Meßkammern gegenüber den freien Blättern wird mit zwei verschiedene Meßmethoden gelöst.

Beim Porometer werden die Blattsegmente nur kurzzeitig in der Meßkammer eingeschlossen, um die damit verbundene Veränderung der klimatischen Bedingungen gering zu halten, oder es werden „Klappküvetten" verwendet, die in bestimmten Zeitintervallen öffnen und damit den Meßvorgang unterbrechen, um die natürlichen Umgebungsbedingungen in der Meßküvette wieder herzustellen {Fa. Licor, SA). Dabei muß der Nachteil in Kauf genommen werden, daß kein kontinuierlicher Meßvorgang möglich ist.

Bei einer zweiten Variante des Küvettenmeßverfahrens werden die Blattsegmente ständig in den l· 'eßküvt tten eingeschlossen.

Die Küvette wird dabei künstlich klimatisiert, um den Außenbedingungen ähnliche klimatische Verhältnisse in der Blattküvette herzusteilen. Dazu sind die genaue Messung der Außenbedingungen und die Möglichkeit der Veränderung der Temperatur und Feuchte der Luft in der Blattküvette erforderlich.

Der Nachteil beider Küvettenmeßverfahren ist, daß infolge der unzureichenden Nachbildung der Bedingungen an freien

Pflanzenblättern systematische Meßfehler entstehen, die vor allem auf die Zerstörung der blattnahen Temperatur- und Feuchtegrenzschicht zurückzuführen sind.

Aus der Fach- und Patentliteratur sind weitere Meßverfahren vorbekannt, die auf dem Küvettenmeßprinzip beruhen.

Es wird eine Blattküvette beschrieben, mit der an einzelnen Blättern die Transpirationsmenge gemessen werden kann/1/. Der Meßvorgang findet dabei in einer ventilierten Meßküvette statt. Aus Gründen der sicheren Erfassung der Meßwerte wird das Luftgemisch in der Küvette homogenisiert. Daboi werden jedoch die blattnahen Grenzschichtbedingungen grundlegend

verändert.

Weitere, in der Fachliteratu' beschriebene Porometer verwenden grundlegend andere Meßprinzipe und können lediglich die Spaltöffnungswelse (Stomataweite) messen/2/. Es kommen Prüfgase zum Einsatz, die in Abhängigkeit der Spaltöffnungsweite

das Blattgewebe durchdringen, oder es wird in einer Küvettenhälfte der Druck derartig erhöht, daß der Druck in der anderen

Küvettenhälfte in Abhängigkeit der Spaltöffnungsweite steigt/3/. Diese Meßprinzipe verändern ebenfalls erheblich die Umgebungsbedingungen, und eine genaue Messung ist nur an

amphistomatären Blättern möglich (Stomata auf beiden Blattseiten).

Weiterhin sind Meßküvetten vorbekannt, bei welchen die Küvettenkörper aus zwei Küvettenhälften bestehen, die mit einer Planfläche aufeinandergesetzt sind und in welchen sich Vertiefungen für den Meßraum sowie Zu- und Abführkanäle befinden

(DE 3414260). Daneben ist eine Meßeinrichtung für die Messung an einem strömungsfähigen Medium, insbesondere

Abgasanalyse vorbekannt, bei welcher zur Bildung unterschiedlicher Meßbereiche entweder zwei Meßkammern oder nur eine Meßkammer mit Umschaltung mit dem meßtechnisch zu erfassenden Medium beaufschlagt wird (DE 3230976). Es werden

weiterhin Küvetten zur Bestimmung der potentiellen Photosyntheserate an Blattscheiben verwendet (DD 208668).

Darlegung des Wesens der Erfindung " Dur Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe einer Meßeinrichtung Transpirationsmassestromdichten von intakten Pflanzenteilen zu erfassen und gleichzeitig Temperatur und Feuchte der Umgebungsluft zu bestimmen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Anordnung eine definierte Luftmenge durch mehrere Blattküvetten in einen Meßbehälter geleitet wird, wobei die klimatischen Bedingungen in den Blattküvetten weitgehend den Umgebungsbedingungen entsprechen. Die Blattküvetten sind aus zwei Blattküvettenhälften zusammengesetzt, in welche je zwei Lufteintritts- und je zwei Luftaustrittsstutzen in einem derartigen Abstand von der Blattfläche angeordnet sind, daß die natürliche blattnahe Temperatur-

und Feuchtegrenzschicht weitgehend erhalten bleibt.

Die Breite und die Höhe der Blattküvettenhälften bilden den Strömungskanal, dessen Größe so gewählt ist, daß bei gegebener LuftdurchsaUmenqe sich in der Blattküvette annähernd die gleiche Luftgeschwindigkeit wie an freien Blättern einstellt. Die Länge der Blattküvetten wurde so gewählt, daß kein Umschlag von laminarer in turbulente Strömung erfolgen kann. Zwischen den Blattküvettenhälften werden intakte Blätter oder Blattsegmente eingeklemmt. Die Blattküvetten bestehen aus einem licht- und wärmestrahlungsdurchlässigen Material, wodurch in den Blattküvetten ähnliche Wärmestrahlungsbedingungen entstehen wie an freien Pflanzenblättern. Um repräsentative Meßwerte der Transpirationsmassenstromdichte von Pflanzenbeständen zu erhalten, werden gleichzeitig

mehrere Blattküvetten verwendet, die durch verzweigte Schlauchleitungen mit einem Meßbehälter verbunden sind. Die durchdie Blattküvetten strömenden Teilluftströme werden in einem Meßbehälter gesammelt und vermischt. Damit ergibt sich im

Meßbehälter der Mittelwert der Informationen der einzelnen Blattküvetten. Der Luftstrom wird von einer saugenden Membranpumpe angetrieben, deren Saugleistung in einem solchen Verhältnis zum Blattküvettenquerschnitt steht, daß die Luftgeschwindigkeit in den Blattküvetten 0,1 m/s nicht übersteigt. Aus der unmittelbar ι Umgebung der Blattküvetten wird

mittels einer zweiten Membranpumpe ein zweiter Luftstrom in einen weiteren Meßbehälter gesaugt, der als Referenzluftstromdient. Die einzelnen Blattküvetten werden strömungstechnisch dabei parallel geschaltet, und der Luftstrom, der zur Referenzdient, strömt ebenfalls "^rallel zu den Blattküvettenluftströmen.

Die Messung der Lufttemperatur und -feuchte beider Luftströme erfolgt in den beiden Meßbehältern, in welchen sich in

bekannter Weise je ein Temperatur- und ein Feuchtesensor befinden. Der Feuchtesersor ist dabei vorzugsweise als

Psychrometer ausgebildet, die Lufttemperatur wird vorzugsweise mit Thermoelementen gemessen. > Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen Fig. 1: konstruktive Gestaltung des Meßgehäuses der Vorrichtung zur In-vive-Erfassung der Transpiration und des

Stomataverhaltens von Pflanzenblättern Fig. 2: konstruktive Gestaltung einer Blattküvette Fig. 3: Darstellung des Meßprinzips.

In einem Gehäuse 15 sind zwei Membranpumpen 1,2 untergebracht. Auf dem Gehäuse 15 befinden sich der Eingangsbehälter und der Ausgangsbehälter 3 in Form von zwei unten abgedichteten Thermosglocken (Dewargefäße). Die Feuchttemperaturmeßstellen befinden sich an der Ansaugstelle δ der Membranpumpen 1,2. Sie sind so gestaltet, daß sich in den Ansaugleitungen der Membranpumpen hinter einer Lochblende 8 ein Thermoelement befindet, welches mit einem Baumwollfaden 7 umwirkt ist. Dieser hängt mit einem Ende in einem unter der Meßstelle angebrachten Wasserbehälter 9. Der durchsichtige Füllstandsbehälter 14 dient der Kontrolle dfif Wasserversorgung der Baumwollfäden und als Vorratsbehälter.

1 BLOCK, F. R.; LENZ, F.; ONKELS, R.: Einrichtung zur Messung der Photosynthese, Respiration und Transpiration. Gartenbauwissenschaft.-48 (1983) S. 128-134.

2 SESTAK, Z.: Plant photosynthetic production-manual of methods-The Hague, 1971.-765 S.

3 RASCHKE, K.; Das Seifenblasenporometer (Zur Messung der Stomataweite an amphistomatischen Blättern) Plante, 66(1965) S.113-120.

Die Meßstellen der Lufttemperatur 12,13 befinden sich direkt über den Einlauföffnungen 10,11 der Dewargefäße 3,4. Am Gehäuse der V . ichtung 15 sind zwei Blattküvetten 24,27 angeschlossen. Die Verbindung zwischen den Dewargefäüen 3,4 und

den Blattküvetfen 24,27 ist durch flexible Schlauchleitung 25,26 realisiert.

Die Blattküvetten 24,27 teilen sich in zwei Halbschalen 16,17 aus licht- und wärmestrahlungsdurchlässigem Polyäthylen. Sie

werden mit einer mechanischen Klemmvorrichtung 18 zusammengedrückt. Zwischen den Halbschalen 16,17 und dem Blatt 19befindet sich eine Moosgummidichtung 20. Die 4 Einlaufstutzen 21 und 4 Auslaufstutzen 22 der Blattküvetten 24,27 sind in solcheinem Abstand von der Blattoberfläche angeordnet, daß die natürliche Temperatur- und Feuchtegrenzschicht 23 erhalten bleibt.

Im Betrieb erzeugen die Membranpumpen 1,2 in den thermisch Isolierten und vor einfallender Wärmestrahlung geschützten Meßbehältern 3,4 den für den Antrieb der Luftströme erforderlichen Unterdruck. Die Luft strömt über die Blattküvetteneinlaufstutzen 21 in die Blattküvetten 24,27 ein, durchströmt diese und nimmt die von den in den Blattküvetten 24,

27 befindlichen Blattflächen 19 transpirierte Wassermenge auf. In den Blattküvetten 24,27 ergibt sich bei einem

Gesamtdurchströmungsquorschnittvon4 * 22 * 88mm und einem Fördervolumenstrom der Membranpumpen 1,2 von

68,2cm³/s eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,01 m/s, wodurch keine erhöhte Lufth'.wegung gegenüber den in

Pflanzenbeständen meßbaren Größen ([0,1 ...0,2] m/s) entsteht. Die Luft strömt durch du Auslaufstutzen 22 und über die flexible Schlauchleitung 25 in den Ausgangsmeßbehälter 3. Im Ausgangsmeßbehälter 3 wird die Temperatur des Luftstromes an der Meßstelle 12 erfaßt. Zur Erfassung der Temperaturen werden vorzugsweise Thermoelemente mit einer Drahtstärke < 0,1 mm verwendet. Danach gelangt die Luft in die Ansaugöffnung 5. Durch die Lochblende 8 (Durchmesser 2 mm) wird der Luftstrom auf eine Geschwindigkeit von 2,17 m/s beschleunigt und umströmt das Feuchtthermometer 6, das durch den Baumwollfaden 7

befeuchtet wird. Damit sind die psychrometrischen Bedingungen zur Erreichen der Feuchttemperatur am Feuchtthermometer 6gewährleistet.

Der gleiche Vorgang findet im Eingangsmeßbehälter 4 statt, nachdem die Luft In unmittelbarer Nähe der Blattküvetteneinlaufstutzen 21 angesaugt und dem Eingangsmeßbehälter 4 über die flexiblen Schlauchleitungen 26, ohne die Blattküvetten 24,27 zu durchströmen, zugeführt wurde. . In den beiden Meßbehältern werden je 2 Meßwerte erfaßt:

- die Temperatur der Luft, die durch die Blattküvetten geströmt ist (U

- die psychrometrische Feuchttemperatur der Luft, die durch die Blattküvetten geströmt ist (U

- die Temperatur des Referenzluftstromes (t_)r)

- die psychrometrische Feuchttemperatur des Referenzluftstromes (tr,) Diese Meßwerte werden an einen Prozeßrechnor geleitet.

Mit Hilfe dieser Meßdaten und der nachfolgend genannten Geräte- und Systemparameter kann die Berechnung der Transpirationsmassenstromdichte in den folgenden Schritten erfolgen: 1. Berechnung des Wasserdampfpartialdruckes der beiden Luftströme

Le c_Di

Pdk = Pdiltft) + (toe - t_lk) (p„ - p_dk) [kPal (1)

(o, R/H)

Por = Pd.(th) + (tf, - t„) (p„ - p_dk) [kPa] (2)

(rR/R)

lkg/m³] (3)

2. Berechnung dei absoluten Luftfeuchte der beiden Luftströme

Rl Pdk Pik

xik = —

RoPb

Xi, = — [kg/m³] (4)

RoPb

3. Berechnung der Transpirationsmassenstromdichte aus dem Unterschied der absoluten Feuchte der beiden Luftströme

nv = -^-<Xik-Xir) (kg/(m²s)] (5)

n>

Neben den Zielgrößen Lufttemperatur, Luftfeuchte und Transpirationsmassenstromdichte kann über die Bestimmung der Temperatur der in den Blattküvetten eingeklemmten Blättern der stomatäre Leitwert ermittelt werden:

4. Berechnung des Stomatären Leitwertes

_[m/s]

Die Systemgrößen (S) werden aus den folgenden Meßwerten (M), Parametern (P) und Konstanten (Ki berechnet: Zeichen Größe Einheit Art

t| Lufttemperatur

tf psychrometrische Temperatur

Pd Wasserdampfpartialdruck Xi absolute Luftfeuchte Pd(t|) Sättigungsdampfdruck P_n barometrischer Normaldruck Le LEWISsche Kennzahl Rl spez. Gaskonstante (Luft) R₀ spez. Gaskonstante (Wasserdampf) Cpi epez. Wärmekapazität (feuchte Luft)

d, spez. Verdunstungsenthalpie

ρ Dichte der feuchten Luft

m_v Transpirationsmassenstromdichte

V Volumenstrom der Membranpumpe F_b Blattfläche in den Blattküvetten Ab stomatärer Leitwert

x,(t_b) abs. Sättigungsluftfeuchte bei

Blattemperatur

r_Q thermodynamischer Grenzschicht- s/m S

widerstand ,

Die in den Berechnungen verwendeten Stoffzustandsparameter der feuchten Luft werden dabei in Abhängigkeit des Wasserdampfpartialdruckes und des Gesamtdruckes verwendet. Der Vorteil dieses Meßverfahrens gegenüber allen anderen zur Zeit eingesetzten Meßverfahren besteht darin, daß die Transpirationsmassenstromdichte und der Stomataleitwert als Momentanwert registriert werden können. Die Bedingungen in

der Blattküvette sind dabei mit denen im übrigen Bestand zu vergleichen. Im Gegensatz zur Lysimetermessung ist dieses

Verfahren weitgehend unabhängig von der Veränderung der Blattfläche im Laufe der Kulturperiode. Die durch die Luftbewegung

im Bestand eintretenden Bewegungen der Pflanze wirken sich nicht störend auf den Meßvorgang aus, während bei der

Lysimetermessung zusätzlich Schwingungen entstehen. Weiterhin ist eine exakte Messung der Lufttemperatur und Luftfeuchte möglich, da im Gegensatz zu anderen vorbekannten Temperatur- und Feuchtemeßeinrichtungen die zu analysierende Luftmenge unmittelbar aus dem Bestandsbereich abgesaugt

wird und der eigentliche Meßvorgang vollständig strahlungsgeschützt abläuft.

"C	M
⁰C	M
kPa	S
kg/m³	S
kPa	S
kPa	K
-	K
kJ/(kgK)	K
kJ/(kgK)	K
kJ/(kgK)	S
kJ/kg	S
kg/m³	S
kg/Im» 8)	S
m/s	P
m²	P
m/s	S
kg/m³	S

Claims

1. Vorrichtung zur In-vivo-Erfassung der Transpiration und des Stomataverhaltens von Pflanzonblättern in Pflanzenbeständen, wobei die Blätter ganz oder teilweise in gegenüber der Atmosphäre weitgehend abgeschlossenen Blattküvetten angeordnet sind durch welche ein Luftstrom gosaugt wird, der Informationen über Feuchtigkeit und Temperatur der Atmosphäre in den Küvetten trägt, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere Blattküvetten mittels entsprechend verzweigter, an ihren Luftaustrittsstutzen befestigter Schlauchleitungen parallel geschaltet und mit einer ersten Membransaugpumpe verbunden sind, vor der im Wege des Gasstromes in an sich bekannter Weise eine erste Temperatur- und Gasfeuchtemeßeinrichtung angeordnet ist und daß an den Küvetten Lufteintrittsstutzen vorhanden sind, wobei die Luftein- und Lufcaustrittsstutzen in einer solchen Mindestentfernung von der Blattoberfläche angeordnet sind und der luftstromgeschwindigkeitsbestimmende Küvettenquerschnitt so bemessen ist, daß die natürliche Feuchte- und Temperaturgrenzschicht zwischen Blattoberfläche und luftdurchströmtem Küvettenraum weitgehend ungestört bleibt, wobei neben der ersten Parallelschaltung von durch verzweigte Schlauchleitung verbundenen Küvetten eine zweite Parallelschaltung von entsprechend verzweigten Schläuchen vorgesehen ist, deren Lufteintrittsseiten außerhalb der Küvettenvolumina jeweils in der Nähe der Lufteintrittsstutzen der Küvetten liegen und diese zweite Parallelschaltung mit einer zweiten Membransaugpumpe verbunden ist, vor der im Weg des Gasstromes in an sich bekannter Weise eine zweite Temperatur- und Feuchtemeßeinrichtung angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Küvettenquarschnht so gewählt wird, daß bei gegebener Saugleistung der Membranpumpe die Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 m/s in den Küvetten nicht überschritten wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperaturmeßelemente Thermoelemente sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Feuchtemeßeinrichtungen psychometrische Meßeinrichtungen sind.