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Wasserstatusüberwachung an Nutzpflanzen mittels THz-Spektroskopie
Das Grundprinzip der zerstörungsfreien, nicht-invasiven Messung des Blattwassergehalts mittels THz- und Sub-THz-Strahlung basiert darauf, dass Strahlung in diesem Frequenzbereich durch flüssiges Wasser wesentlich stärker absorbiert wird als durch die sonstigen Bestandteile eines Blattes. Die durch d...
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| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Beteiligte: | |
| Format: | Dissertation |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Philipps-Universität Marburg
2016
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| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | PDF-Volltext |
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| Zusammenfassung: | Das Grundprinzip der zerstörungsfreien, nicht-invasiven Messung des Blattwassergehalts mittels THz- und Sub-THz-Strahlung basiert darauf, dass Strahlung in diesem Frequenzbereich durch flüssiges Wasser wesentlich stärker absorbiert wird als durch die sonstigen Bestandteile eines Blattes. Die durch das Blatt transmittierte Signalamplitude hängt also maßgeblich von dessen Wassergehalt ab. Die Messung selbst erfordert keinen mechanischen Kontakt zum Blatt, allerdings ist es zweckmäßig, das Blatt so zu befestigen, dass es möglich wird, die Messungen reproduzierbar an derselben Stelle auf dem Blatt auszuführen. Zur Durchführung von Langzeit-Messreihen mit verschiedenen Nutzpflanzen wurde ein Laboraufbau realisiert, der Experimente mit mehreren Pflanzen gleichzeitig ermöglicht. In diesem Versuchsaufbau kommt ein fasergekoppeltes THz-Zeitbereichsspektrometer zum Einsatz, dessen Emitter und Detektor zusammen mit den THz-Optiken in Form eines kompakten Messkopfes am Arm eines Goniometers montiert sind. Die untersuchten Pflanzen sind in einer kreisförmigen Anordnung aufgestellt, so dass diese durch einen automatisierten Bewegungsablauf des motorisierten Goniometerarms erreicht werden können. Mit diesem Versuchsaufbau wurden Messungen mit verschiedenen Nutzpflanzen durchgeführt. Durch die gleichzeitige Erfassung des Gewichts der Töpfe mit den Pflanzen kann ein Bezug zwischen der Wasserversorgung der Pflanzen und deren Blattwassergehalt hergestellt werden. Im Vergleich zwischen Roggen und Hafer lässt sich so ein signifikanter Unterschied feststellen, was die Mindestmenge der Wasserversorgung betrifft, deren Unterschreiten zum Austrocknen der Pflanzen führt, was sich in einem Anstieg der Amplitude des durch das Blatt transmittierten THz-Signals zeigt. Wenn eine Pflanze nach dem Aussetzen der Bewässerung wiederbewässert wird, zeigt sich, ob das untersuchte Blatt sich vom Trockenstress wieder erholen kann. Sofern dies der Fall ist, fallen die unter Trockenstress angestiegenen THz-Messwerte wieder auf ihr ursprüngliches Niveau, auf dem sie sich vor dem Austrocknen des Blattes befanden. Es konnte nachgewiesen werden, dass ein Zusammenhang besteht zwischen dem durch die THz-Messungen festgestellten Wassergehalt eines Blattes zum Zeitpunkt der Wiederbewässerung und seiner Fähigkeit, sich nach der Wiederbewässerung zu erholen. Im Fall von Maispflanzen lassen sich die in dieser Hinsicht gemachten Beobachtungen in drei nach dem Grad der Austrockung der Blätter gestaffelte Gruppen einteilen, die dadurch gekennzeichnet sind, ob die Blätter sich vollständig, nur kurzzeitig oder gar nicht erholen. Es lässt sich so für die Messwerte eine Schwelle finden, bis zu der eine vollständige Erholung des Blattes sehr wahrscheinlich ist und nach deren Überschreiten unwahrscheinlich wird. Bei Messungen an Sojapflanzen wurden zudem parallel Messungen mit einem Photosynthese-Messsystem durchgeführt, deren Ergebnisse in sinnvoller Übereinstimmung mit den THz-Messungen sind. Zur Bestimmung des Blattwassergehalts als Volumen- oder Gewichtsanteil kann ein Modell verwendet werden, welches das Blatt als effektives Medium beschreibt, das sich aus einer Mischung aus Wasser, Trockenmasse und Luft zusammensetzt. Eine weitere Einsatzmöglichkeit der THz-Zeitbereichsspektroskopie im Bereich der Nutzpflanzen stellt die Qualitätskontrolle von Saatgut dar. Am Beispiel von Zuckerrübensamen wurde gezeigt, dass sich mittels THz-Messungen mit hoher Zuverlässigkeit bestimmen lässt, ob die Samen einen für ihre Keimfähigkeit notwendigen Embryo enthalten oder nicht. Eine Möglichkeit, die Kosten und die Komplexität eines THz-Spektrometers zu reduzieren, stellt die THz-Quasi-Zeitbereichsspektroskopie dar, die an Stelle eines modengekoppelten Kurzpulslasers eine einfache Multimode-Laserdiode verwendet. Mit einem solchen THz-Quasi-Zeitbereichsspektrometer wurden Messungen an Pflanzen ausgeführt, die in guter Übereinstimmung mit den Messreihen mit dem fasergekoppelten THz-Zeitbereichsspektrometer sind. Zudem wurde das THz-Quasi-Zeitbereichsspektrometer zu einem kompakten, vergleichsweise einfach zu transportierenden Messsystem weiterentwickelt, das im Freien verwendet werden kann. In dem Fall, dass nicht ein einzelnes Blatt untersucht werden soll, sondern ein größerer Teil einer Pflanze, kann dies durch die Verwendung etwas größerer Wellenlängen im Sub-THz-Frequenzbereich realisiert werden. Bei Messungen bei einer Frequenz von 35 GHz mit einer Gruppe von unter Trockenstress stehenden Gerstenpflanzen und einer regelmäßig bewässerten Kontrollgruppe war die Austrocknung der Pflanzen unter Trockenstress in den Messungen deutlich feststellbar und die beiden Gruppen waren klar voneinander zu unterscheiden. Die durchgeführten Arbeiten zeigen also, dass je nach angestrebtem Einsatzzweck verschiedene auf THz- und Sub-THz-Strahlung basierende Verfahren zur Bestimmung des Wasserstatus von Nutzpflanzen zur Verfügung stehen. |
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| Umfang: | 167 Seiten |
| DOI: | 10.17192/z2016.0939 |