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Verfahren zur Erzielung kurzzeitiger Bilanzen des HO-und des CO-Haushaltes von Pflanzen und Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung kurzzeitiger Bilanzen des Hound des COz-
Haushaltes von Pflanzen in einer Vorrichtung, in welcher der Spross und die Wurzeln in voneinander ge- trennten Kammern untergebracht sind, in denen die Lebensbedingungen geändert werden können. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei welcher i zwei gasdicht voneinander getrennte, in sich geschlossene Kammern vorgesehen sind, von denen die eine den Spross der Pflanze und die andere die Wurzel derselben aufnimmt.
Bei der Aufforstung von verkarsteten Gebieten, bei der Bepflanzung von lawinengefährdeten Gegenden und in der Land- und Forstwirtschaft überhaupt ist esvonWichtigkeit. Unterlagen darüber zu besitzen, un- ter welchen Umweltbedingungen bestimmte Pflanzen am besten gedeihen oder welche Pflanzeningege- benen Klimaten, zu bestimmten Zwecken vorgesehen, ein Ertrags- oder Wachstumsoptimum erreichen.
Zu diesem Zweck werden seit langem physiologische Versuche in Klimakammern durchgeführt. Die markantesten Vertreter der Versuchsanordnungen zur Durchführung solcher Versuche sind die sogenannten "Phytotrone". Bei diesen Versuchsanordnungen werden Temperatur, Feuchtigkeitsgehalt der Luft und mit- unter auch die Beleuchtungsstärke automatisch auf bestimmten Werten gehalten. Die zu untersuchenden
Pflanzen werden in die Kammer eingebracht und nach einer verhältnismässig langen Wachstumsperiode wird das Ergebnis der Einwirkung bestimmter Umweltfaktoren ermittelt. Es sind weiters Versuchsanord- nungen zur Messung der Ergebnisse der Photosynthese der Pflanzen bekannt ; bei diesen Anordnungen wird die Assimilation (Kohlensäureaufnahme der Pflanzen in der Zeiteinheit) nach den verschiedensten Me- thoden gemessen.
Weiters sind auch Versuchsanordnungen bekannt, mit deren Hilfe die Transpiration der
Pflanzen (Wasserabgabe in der Zeiteinheit) durch Abwiegen festgestellt wird.
Der wesentliche Nachteil aller dieser Versuche bzw. Versuchsanordnungen ist darin gelegen, dass nur der COz-Haushalt oder nur der Wasserhaushalt ermittelt werden konnte und die Feststellung des Wasser- und Kohlensäurehaushaltes der Pflanzen nicht möglich war. Ein weiterer, schwerwiegender Nachteil ist in der Tatsache zu suchen, dass die ermittelten Bilanzen über einen längeren Zeitraum rechten ; kurz- fristige Bilanzen, etwa Stundenbilanzen, konnten mit den bisherigen Verfahren bzw. den hiezu benötig- ten Vorrichtungen nicht erreicht werden, wie auch der Faktor "Wind" bisher nicht berücksichtigt werden konnte.
Die Nachteile der bisher bekannten Methoden sind wohl auch darauf zurückzuführen, dass die für die
Herstellung eines genau definierten Klimas notwendigen Massnahmen Schwierigkeiten, insbesondere bei der CG -Gasanalyse und bei der Messung der Menge des Wasserdampfes, der von der Pflanze an die Luft abgegeben wird, mit sich brachten und dass vor allem auch die mathematischen Voraussetzungen für der- artige Messungen bzw. die Auswertung derselben nicht hinreichend genau festgelegt waren.
Die Erfindung ermöglicht nun die genaue Erfassung der Wasser-undCOz-Bilanzvon Pflanzen unter genau definierten Umweltbedingungen nach folgendem Prinzip :
Spross und Wurzel werden getrennt als COz-bzw. Wasserdampfquellen oder-senken in einem abge- schlossenen Volumen V aufgefasst, das von einem definierten Luftstrom L mit der CO-bzw.
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infolge der Assimilation oder Atmung bzw. Transpiration a der Pflanzen verändert wird. Die Zusammenhänge zwischen den oben genannten Grössen werden durch folgende Differentialgleichung bestimmt :
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ia = Assimilation oder Atmung bzw. Transpiration
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Hz 0-Konzentrationpz = COz-bzw. HzO-Konzentration der aus der Versuchskammer austretenden Luft
V = Volumen der Versuchskammer q = COz'bzw.
HzO-Quellen oder-Senken ausser den Pflanzen.
Die sinnvolle Anwendung der Differentialgleichung ermöglicht die Lösung verschiedener Schwierig- keiten, die bei gleichzeitiger Assimilationsmessung, Transpirationsmessung und Klimatisierung auftreten.
Eine Schwierigkeit besteht darin, dass, grob gesagt, der CO2-Stoffwechsel der Pflanzen die Luft wesent- lich weniger beeinflusst als die Transpiration, was sich praktisch so auswirkt, dass es nicht möglich ist, den eine Versuchskammer durchsetzenden Luftstrom so zu dimensionieren, dass die von den Pflanzen her- vorgerufenen CO-Schwankungen noch messbar sind und gleichzeitig die durch die Pflanzentranspiration hervorgerufenen Feuchtigkeitsänderungen physiologisch noch keine Wirkung ausüben.
Eine andere Schwierigkeit besteht darin, dass bei der Klimatisierung leicht Wasser ausfällt, das so- wohl bei der COz-Messung als auch bei der Transpirationsmessung stört und schliesslich ist die Ermittlung der Assimilation durch die "Trägheit" eines grossen Versuchskammervolumens erschwert, das beispiels- weise dann zwangsläufig vorhanden ist, wenn die Versuchskammer als Windkanal für hohe Geschwindig- keiten ausgebildet ist.
Eine Messung ist trotz allen oben genannten Schwierigkeiten auf alle Fälle dann möglich, wenn alle
Glieder der Differentialgleichung mit Ausnahme der zu bestimmenden Unbekannten a messbar gemacht werden oder verschwinden.
Wählt man für die CO-Messung folgende Lösung :
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wobei V und L konstant sind,
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gemessen werden und z q Null wird und für die gleichzeitige HzO-Messung folgende :
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wobei V und L konstant sind,
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Null werden und E q gemessen wird, so ist die erste Schwierigkeit behoben, da die COz-Schwankungen durch Dimensionierung des konstanten Luftstromes in den gewünschten Grenzen gehalten werden können, während Feuchtigkeitsschwankungen überhaupt verschwinden. Letzteres bedeutet, dass die Feuchtigkeit in der Kammer selbst geregelt werden muss, wobei die Forderung nach Messbarkeit von l : q besagt, dass alle bei derFeuchtigkeitsregelung auftretenden H z0-Quellen oder-Senken gemessen werden müssen.
Die einfachste Lösung dafür ist es, Quellen zu vermeiden und nur eine einzige Senke zu verwenden, nämlich einen Trockner, der dann laut Differentialgleichung das von den Pflanzen abgegebene Transpirationswasser abscheidet. Dies setzt voraus, dass bei der Temperaturregelung kein unerwünschter Wasserausfall am Wärmetauscher (unerwünschte HzJ-Senke) eintritt, der dann unter Umständen wieder durch eine Nachbefeuchtung der Luft (unerwünschte HO-QueIle) korrigiert werden müsste. Die unerwünschtenHzC-Quellen bzw.-Senken könnten eventuell mit einigem Aufwand noch messbar gemacht werden, aber die gleich-
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arbeitenden Wärmetauscher vermeiden.
Die letzte, nämlich die bei der Assimilationsmessung mittels COz-Gasanalyse von der "Trägheit" des Volumens der Versuchskammer herrührende Schwierigkeit, erledigt sich bei Anwendung der Differentialgleichung von selbst, wenn ausser der CO-Konzentration auch der zeitliche Differentialquotient der CO -Konzentration zur Bestimmung von a nach der Gleichung (l) herangezogen wird.
Auf Grund dieser Überlegungen wurde eine Versuchsanlage entwickelt, die dem Wesen nach aus je einer für Wurzel und Spross getrennten, geschlossenen Versuchskammer besteht, wobei die Versuchskammer für den Spross als in sich geschlossener Windkanal ausgebildet ist, welche mit Hilfe eines mit kleiner Temperaturdifferenz arbeitenden Wärmetauschers auf konstanter Temperatur gehalten wird, so dass dabei kein Wasser ausfällt, während die Feuchtigkeit der Kammer einerseits durch einen sie durchsetzenden und den gewünschten Taupunkt besitzenden konstanten Luftstrom bestimmt und anderseits durch einen von einem Regler zu-oder abgeschalteten Trockner gesteuert wird, welcher an den durch die Transpiration der Pflanzen erhöhten Taupunkt wieder auf den Sollwert herabsetzt, wobei der konstante Luftstrom so dimensioniert ist,
dass die Pflanzentätigkeit CO-Änderungen bewirkt, die gut messbar sind, jedoch pflanzenphysiologisch nicht rückwirken und der Trockner so ausgebildet ist, dass er das ausgeschiedene Transpirationswasser kurzfristig zur Messung abgibt.
Zur Behebung der angegebenen Nachteile wird demnach ein Verfahren vorgeschlagen, welches gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Spross und die Wurzel der zu untersuchenden Pflanze in zwei voneinander getrennten Kammern je einem bezüglich Luftmenge/Zeiteinheit, Temperatur und Wassergehalt bzw. CO,-Gehalt konstant gehaltenen Luftstrom ausgesetzt werden und dass der CO,-Haushalt durch Messen sowohl der CO-Konzentration der Luft vor und nach dem Passieren der Kammer als
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stanthaltung der Feuchtigkeit ausgeschiedenen Wassermenge unter Anwendung der Differentialgleichung
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bestimmt wird, wobei a = Assimilation bzw. Transpiration (in g COz bzw. HzO/h) L = Luftmenge, die die Versuchskammer pro Zeiteinheit durchsetzt (m3/h) Pl = COz-bzw.
HzO-Konzentration der in die Versuchskammer eintretenden Luft (g/m3) p2 = COz-bzw. HzO-Konzentration der aus der Versuchskammer austretenden Luft (gum3) V = Volumen der Versuchskammer (m3) q = COz-bzw. H O-Quellen oder-Senken ausser den Pflanzen (g/h) bt i-uten
Die eingangs erwähnte Vorrichtung, welche die Durchführung dieses Verfahrens ermöglicht, ist gemäss der Erfindung dadurch ausgezeichnet, dass die Kammern als Luftkanäle ausgebildet sind, welche über einen Teil ihrer Länge unmittelbar nebeneinander verlaufen und so die Versuchskammer bilden,
dass eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Feuchtigkeit der Luft vor dem Eintritt in die Versuchskammer vorgesehen ist und dass beide Luftkanäle mit je einem Ventilator und einer mit kleinsten Temperaturdifferenzen arbeitenden Einrichtung zur Konstanthaltung der Temperatur der Luft in der Versuchskammer versehen sind, dass der den Spross bzw. die Wurzel aufnehmende Luftkanal mit einem zu ihm im Nebenschluss liegenden Ausfriertrockner versehen ist, dass in jedem Kanal vor und nach der Versuchskammer Einrichtungen zur Messung des CO z-Gehaltes angeordnet sind und dass eine Einrichtung zur Messung der vom Ausfriertrockner ausgeschiedenenWassermengen und Einrichtungen zurKonstanthaltung der Temperatur und des Feuchtigkeitsgehaltes der die Wurzeln der Pflanze aufnehmenden Zone vorgesehen sind.
Weitere Merkmale des erfindungsgemässen Verfahrens und der hiezu geeigneten Vorrichtung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert, welche ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung darstellen. Hiebei zeigtFig. l rein schematisch die Ausbildung der Versuchsanordnung mit den für ihren Betrieb erforderlichen Einrichtungen und Fig. 2 zeigt das Schema der Anordnung der damit verbundenen Regel- und Messgeräte.
Durch Nebeneinanderlegen der beiden Fig. l und 2, so dass sich die in Klammern gesetzten Bezeichnungen der einzelnen Verbindungsleitungen decken, ergibt sich ein Schema der Gesamtanlage.
Die Versuchskammer ist aus drei Teilen zusammengesetzt, die gasdicht ausgeführt sind. Hiebei nimmt der Teil l der Versuchskammer den Spross der Pflanze P auf, im Teil 2, der gegen Teil 1
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gasdicht abgeschlossen und als Zwischenzone zu betrachten ist, befindet sich der Stamm der Pflanze, während die Wurzeln der Pflanzen in Bodengefässen 3 untergebracht sind. Die Stämmchen der Pflan- zen P sind durch die Trennwand 4, welche die Teile 1 und 2 voneinander trennt, gasdicht hin- durchgeführt.
Der Teil 1 ist einAbschnitt eines Windkanals 5, in welchem ein Gebläse 6 die Luft im Sinne der eingezeichneten Pfeile in Umlauf versetzt. Die Windgeschwindigkeit und damit das in der Zeiteinheit die Kammer 1 durchsetzende Luftvolumen können genau ermittelt werden. Dem Ventilator 6 ist ein
Wärmetauscher 7 nachgeschaltet. Die Rohrschlange 8 des Wärmetauschers 7, ein kühlmittel- durchflossener Mantel 9 des Ventilators und ein ebenfalls kühlmitteldurchflossener Mantel 10 des zwischen dem Wärmetauscher und der Kammer 1 liegenden Abschnittes des Windkanals 5 sind hin- tereinandergeschaltet.
Ein Thermostat TI (Fig. 2), welcher mit dem Temperaturfühler Tri, der sich knapp hinter der Kammer 1 befindet, verbunden ist, treibt Sole entsprechender Temperatur durch die
Rohrleitungen 11, 12 und damit durch dieKühlmäntel des Ventilators und des Windkanalabschnittesso- wie durch die Rohrschlange des Wärmetauschers. Durch entsprechende-Einstellung des Thermostaten TI kann in der Versuchskammer 1 jede gewünschte Temperatur aufrecht erhalten werden.
In gleicher Weise ist die Versuchskammer 2 Abschnitt eines Windkanals 13, in welchem mit- tels des Ventilators 14 die Luft in Richtung der Pfeile in Umlauf gebracht wird. Vor diesem Ventila- tor 14 liegt ein Wärmetauscher 15, dessen Rohrschlange 16 in Serie mit einem Kühlmantel 17 des Ventilators 14 geschaltet ist. Der Kühlmantel und die Rohrschlange werden über Leitungen 18, 19 von einem Thermostaten TII mit Sole versorgt. Der Thermostat TU ist mit einem Temperatur- fühler T2 verbunden, welcher zwischen dem Ventilator 14 und der Versuchskammer 2 ange- ordnet ist.
DieBodengefässe 3, welche die Wurzeln der Pflanzen aufnehmen, befinden sich in einem Trog 20, in welchen Leitungen 21, 22 münden und in welchem ein Temperaturfühler T 3 vorgesehen ist. Der Temperaturfühler T 3 steht mit dem Thermostaten TIII in Verbindung, welcher den Durchfluss von Sole durch den Trog 20 und deren Temperatur regelt. Die Temperatur im Trog und damit die Tem- peratur der Bodengefässe 3 kann somit, wie auch in den Versuchskammern 1 und 2, auf jeden be- liebigen Wert eingestellt und auf diesem Wert gehalten werden.
Zur Einhaltung eines bestimmten Feuchtigkeitsgehaltes der in den Kammern 1 bzw. 2 umlaufen- den Luft ist es erforderlich, dieser Luft Wasserdampf in genau feststellbarer Menge zuzuführen bzw. dieser Wasserdampf, dessen Menge ebenfalls genau bestimmbar sein muss, zu entnehmen.
Zur Zuführung von Wasserdampf dient eine Luftpumpe 23, welche Frischluft ansaugt und durch ein Durchperlgefäss 24 hindurchdrückt. Zur Vergleichmässigung der Luftströmung im Durchperlgefäss ist in der von der Pumpe 23 kommenden Leitung ein Ausgleichskessel 25 vorgesehen. Über eine mit einem Ventil versehene Leitung 26 wird dem Durchperlgefäss Frischwasser zugeführt, welches auf einer Temperatur gehalten wird, die über der Temperatur des jeweils gewünschten Frischlufttaupunktes liegt. Zu diesem Zweck ist das Durchperlgefäss mit einem Wärmetauschermantel 27 versehen, in dem sich ein Temperaturfühler T4 befindet und welcher mittels Leitungen 28, 29 mit einem Thermostaten TIV verbunden ist, welcher von dem Wärmefühler T4 gesteuert wird. Als Mittel zur Wärme- übertragung wird auch hier Sole verwendet.
Von dem Durchperlgefäss 24 wird die wasserdampfgesättigte Luft über eine Leitung 30 einer mit einem vom Feuchtigkeitsregler FIV gesteuerten Klappe 31 versehenen Rohrverzweigung 32 zugeführt, zu welcher ein Nachtrockner 33 parallelgelegt ist. Der Feuchtigkeitsregler FIV steht mit dem Feuchtigkeitsfühler F in Verbindung, der in der Leitung 34 liegt, welche von der Wiedervereinigung der Rohrverzweigung mit der vom Nachtrockner kommenden Leitung zum Verbindungsstück zwischen dem Wärmetauscher 15 und dem Ventilator 14 führt. Ein Teil der Leitung 34 ist von einem Wärmetauschermantel 35 umgeben, welcher im Nebenschluss zumWärmetauschermantel 10 liegt. Von der Leitung 34 zweigt eine weitere Leitung 36 ab, welche vor dem Ventilator 6 in den Windkanal einmündet.
Die Frischluft, die mit Hilfe des Nachtrockners 33 auf den gewünschten Taupunkt gebracht worden ist, gelangt auf diese Weise sowohl in den Windkanal 5 als auch in den Windkanal 13, u. zw. in genau dosierbarer Menge. Die Mittel zur genauen Mengenbestimmung der Frischluft sind, da sie nicht den Gegenstand der Erfindung bilden, nicht eingezeichnet.
Infolge derTranspiration der Pflanzen würde sich derTaupunkt der durch die Klimakammer l hindurchgehenden Luft erhöhen. Um den Taupunkt auf einem gleichbleibenden Wert zu halten, ist es erforderlich, den Wasserdampfüberschuss aus dieser Luftmenge zu entfernen. Zu diesem Zweck dient der Trockner 37, der über eine Leitung 38 und einem Ventilator 39 an den Wärmetauscher 7
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angeschlossen ist. In der Leitung 38 befindet sich ein Durchlaufmengenmesser 65, mit dessen Hilfe die dem Wärmetauscher 7 entnommene und dem Trockner 37 zugeführte Luftmenge zu dem später noch erläuterten Zweck genau bestimmt werden kann.
Sowohl in die parallel zum Trockner 37 verlaufende Leitung 40 als auch in die vom auslassseitigen Ende des Trockners zum Wärmetauscher 7 zurückführende Leitung ist je ein Ventil 42 bzw. 43 eingebaut. Diese Ventile werden von einemFeuch- tigkeitsregler FI gesteuert, der mit dem Feuchtigkeitsfühler Fl zusammenhängt, welch letzterer in dem Windkanal 5 knapp vor dem Ventilator 6 angeordnet ist.
Der Trockner 37 besitzt als wesentlichen Bestandteil eine tiefgekühlte, rotierende Scheibe 44, auf der sich das Wasser aus der hindurchgetriebenen Luft in Form von Eis niederschlägt. Ein Messer 45 schabt das Eis kontinuierlich von der Scheibe 44 ab. Das abgeschabte Eis wird im Auftaugefäss 46 aufgetaut und die Menge des so erhaltenen abfliessenden Wassers kann gemessen werden.
Zum gleichen Zweck (der Entfernung des überschüssigen Wassers aus der im Kreislauf geführten Luft) ist der Wärmetauscher 15 des Windkanals 13 über eine Leitung 47 und einen Ventilator 48 mit einem Trockner 49 verbunden. In der Leitung 47 ist so wie auch in der Leitung 38, ein Durchlaufmengenmesser 64 vorgesehen ; dieser bestimmt die Luftmenge, welche dem Wärmetauscher 15 entnommen und dem Trockner 49 zugeführt wird. Parallel zu diesem Trockner liegt auch hier eine Leitung (mit 50 bezeichnet) und eine Leitung 51 führt vom Vereinigungspunkt von Trockner und Parallelleitung zumWärmetauscher 15 zurück.
Sowohl in der Leitung 50 als auch in der Leitung 51 ist je ein Ventil 52 bzw. 53 angeordnet. welche Ventile von einem Feuchtigkeitsregler F II betätigt werden. Der Feuchtigkeitsregler Frr steht mit einem Feuchtigkeitsfühler Fz in Verbindung, welcher im Wärmetauscher 15 angeordnet ist.
Der Trockner 49 arbeitet im Gegensatz zum Trockner 37 diskontinuierlich und besitzt zwei
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mittels der nur angedeuteten Heizschlangen beheizt, um auf diese Weise das angesetzte Eis aufzutauen.
Das von den beiden Trocknern 37 und 49 abfliessende Wasser wird z. B. Messgefässen zugeführt, so dass die pro Zeiteinheit anfallende Wassermenge bestimmt werden kann.
Zur Konstanthaltung der Bodenfeuchtigkeit in den Bodengefässen 3 auf einem bestimmten Wert sind Sprühdüsen 57 vorgesehen, welche periodisch mit Frischwasser gespeist werden. In einem oder auch in mehreren Bodengefässen 3 ist bzw. sind Feuchtigkeitsfühler Fs angeordnet, welcher bzw. welche auf einen Feuchtigkeitsregler Fm einwirken.
Dieser Feuchtigkeitsregler Fm betätigt ein Frischwasserventil 58, welches den Wasserzustrom von einem als Messglas ausgebildeten Druckbehälter 59 zu den Sprühdüsen 57 periodisch freigibt, u. zw. ist die Anordnung bzw. die Ausbildung des Reglers Fm so getroffen, dass die Zeitdauer zwischen den einzelnen Sprühperioden konstant bleibt und lediglich die Sprühdauer, d. h. die Länge der Zeitdauer, über welche das Ventil 58 geöffnet wird, verändert wird.
Zur Messung des CO-Gehaltes der Luft sowie des Wasserdampfgehaltes derselben sind vier Messstutzen 60, 61, 62 und 63 vorgesehen, die durch entsprechende Leitungen mit Gasanalysegeräten, etwa so- genannten "Uras"-Geräten, verbunden sind. Hiebei dienen die Stutzen 60 und 62 der Messung derCO 2Konzentration der Frischluft und befinden sich demnach in den Leitungen 34'bzw. 36, durch welche die mit Wasserdampf gesättigte und auf den gewünschtenTaupunkt gebrachteFrischluft dem Windkanal 5 bzw. dem Windkanal 13 zugeführt wird. Diese beiden Messstutzen sind mit dem mit"CO"be- zeichneten Registriergerät verbunden (Fig. 2).
Die Messstutzen 61 und 63 hingegen befinden sich in den Windkanälen 5 bzw. 13 hinter den Kammern 1 bzw. 2 und dienen der Messung der CO z-Konzen- tration der Luft nach den Kammern. Diese Messstutzen sind mit dem zweiten COz-Registriergerät, welches inFig.2 mit "CO2II" bezeichnet ist, verbunden. Bei jedem Messstutzen ist weiters eine nur angtedeutete, verschliessbare Öffnung vorgesehen, durch welche die im jeweiligen Windkanal enthaltene Luft abgelassen werden kann, um der Frischluft den Zutritt in die Windkanäle zu ermöglichen. Auf diese Weise kann die C02 -Konzentration auf einem gewünschten Wert gehalten werden.
Zur Messung des abgegebenen Wassers werden entweder die Wassermengen, die durch die angedeuteten Abflussstutzen an den Wärmetauschern 37 und 49 abfliessen, volumetrisch gemessen oder es wird mit Hilfe der Luftmengendurchflussmesser 64 und 65 die durch den zugehörigen Trockner hindurchgeschickte Luftmenge gemessen und die Temperatur des zugeordneten Trockners festgestellt ; aus diesen Werten kann die Wassermenge bestimmt werden. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Druchflussmengenmesser 64 und 65 mit je einem Registriergerät H2OI bzw. H O (Fig. 2) verbunden.
Die CO2-Messung wird in der folgenden Weise vorgenommen :
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Die Assimilation bzw. Atmung der Pflanzen bewirkt eine Änderung der CO2-Konzentration der Luft in den Klimakammern, die durch richtige Dimensionierung der Frischluftmenge innerhalb von Grenzen gehalten werden kann, die noch gut messbar sind, aber keine physiologischen Rückwirkungen auf die Pflanzen ausüben.
An die Messstutzen 60 bzw. 62 zur Messung der C02-Eingangskonzentration und damit der Konzentration in denKlimakammern 1,2 wird ein Gasanalysegerät (z. B."Uras") angeschlossen,
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rentialgleichung
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P2 - Pl ergibt sich durch Ablesen der Konzentrationsdifferenz zwischen der an den Messstutzen 60, 62
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geführten Frischluftmenge L zu muJtiplizieren und die beiden Produkte zu addieren. Dies ergibt dann nach der Gleichung
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die CO2-Assimilation bzw.Atmung, nachdem für Eq = 0 gesetzt wird (dichte Ausbildung der Versuchsanordnung, so dass ausser den Pflanzen keine C02-Quellenoder-Senkenvorhanden sind).
Der Zusammenhang zwischen absoluter Feuchte der Frischluft bzw. der Klimakammerluft und der
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Wasser kondensiert und die Kammern sind so dicht ausgeführt, dass kein Wasseraustausch mit der Umwelt stattfinden kann. Dadurch sind H2O-Quellen oder-Senken ausser den Pflanzen und dem Trockner vermieden und es gilt : a = L (pz-pi) + qT qT... das vom Trockner pro Stunde abgeschiedene Wasser. qT kann einfach durch volumetrische oder gewichtsmässigeMessungdesvondenTrocknern37bzw. 49abfliessendenAbtauwassersbeidenMessstut-
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lässigen.
Besonders einfach wird die Berechnung, wenn der Taupunkt der Frischluft mit dem Taupunkt der Kammer übereinstimmt, also wenn pi = P 2 wird, denn dann gilt a = q-r-= Ly'p .
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Summierung der von den Wurzeln in die Zwischenzone 2 abgegebenen und am Messstutzen 63 gemessenen CO2-Menge über den gleichen Zeitabschnitt und durch vorzeichenrichtige Addition der beiden Summen.
Die H20-Bilanz wird durch Ablesen des in einem bestimmten Zeitabschnitt aus dem als Messglas
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ausgebildeten Druckkessel 59 entnommenen Wassers und durch Messung des vom Trockner 37 in gleichem Zeitabschnitt an dessen Messstutzen abgegebenen Transpirationswassers bzw. des vom Trock-
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dessen Messstutzen abgegebenenBodenverdunstungswassers bestimmt. Die Wassermenge von Tran-registrierten Werte über den betreffenden Zeitabschnitt gebildet werden. Die vorzeichenrichtige Addition der drei Wassermengen ergibt die Wasserbilanz von Pflanze + Boden, die von Zeit zu Zeit durch Wägung von Pflanze und Boden am Anfang und am Ende des jeweiligen Zeitabschnittes kontrolliert und durch Be- rücksichtigung der Bodenfeuchtemessung ergänzt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erzielung kurzzeitiger Bilanzen des HzO-und des COz-Haushaltes von Pflanzen in einer Vorrichtung, in welcher derSpross und dieWurzeln in voneinander getrenntenKammern untergebracht
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dem Passieren der Kammer als auch der Änderung des COz-Gehaltes der Luft nach der Zeit bei konstantgehaltenem Feuchtigkeitsgehalt und der HO-Haushalt durch Messen der von der Pflanze in der Zeiteinheit abgegebenen und zwecks Konstanthaltung der Feuchtigkeit ausgeschiedenen Wassermenge unter Anwendung der Differentialgleichung
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bestimmt wird, wobei a = Assimilation bzw.
Transpiration (in gC02 bzw. HzO/h) L = Luftmenge, die die Versuchskammer pro Zeiteinheit durchsetzt (m /h) Pl = COz* bzw. HzO-Konzentration der in die Versuchskammer eintretenden Luft (g/mS) P2 = COz-bzw. H O-Konzentration der aus der Versuchskammer austretenden Luft (g/ms) V = Volumen der Versuchskammer (m3) q = COz-bzw. H O-Quellen oder-Senken ausser den Pflanzen (g/h) bedeuten.
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Method for achieving short-term balances of the HO and CO balance of plants and devices for
Implementation of the procedure
The invention relates to a method for achieving short-term balances of the Hound des COz-
Household of plants in a device in which the shoot and the roots are housed in separate chambers in which the living conditions can be changed. Another object of the invention is a device for carrying out the method, in which two separate, gas-tight, self-contained chambers are provided, one of which receives the shoot of the plant and the other the root of the same.
It is important when reforesting karstified areas, when planting areas at risk of avalanches and in agriculture and forestry in general. To have documents on the environmental conditions under which certain plants thrive best or which climates given to plants, intended for certain purposes, achieve optimum yields or growth.
For this purpose, physiological experiments have been carried out in climatic chambers for a long time. The most prominent representatives of the test arrangements for carrying out such tests are the so-called "phytotrons". With these test set-ups, the temperature, moisture content of the air and sometimes also the illuminance are automatically kept at certain values. The ones to be examined
Plants are placed in the chamber and, after a relatively long growing period, the result of exposure to certain environmental factors is determined. Experimental arrangements for measuring the results of photosynthesis in plants are also known; With these arrangements, the assimilation (carbonic acid uptake of the plants in the unit of time) is measured according to the most varied of methods.
Furthermore, experimental arrangements are known with the help of which the transpiration of the
Plants (water release in the unit of time) is determined by weighing.
The main disadvantage of all of these experiments or test arrangements is that only the CO2 balance or only the water balance could be determined and the water and carbon dioxide balance of the plants could not be determined. Another serious disadvantage is to be found in the fact that the balance sheets determined are correct over a longer period of time; Short-term balances, such as hourly balances, could not be achieved with the previous methods or the devices required for this, just as the "wind" factor could not previously be taken into account.
The disadvantages of the previously known methods are probably also due to the fact that the
Creation of a precisely defined climate necessary measures brought difficulties, in particular with the CG gas analysis and with the measurement of the amount of water vapor released by the plant into the air, and that above all the mathematical prerequisites for such measurements or the evaluation of the same were not specified with sufficient precision.
The invention now enables the precise recording of the water and CO2 balance of plants under precisely defined environmental conditions according to the following principle:
Shoot and root are separated as COz or. Water vapor sources or sinks in a closed volume V understood, which by a defined air flow L with the CO or.
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is changed as a result of the assimilation or respiration or transpiration a of the plants. The relationships between the above-mentioned quantities are determined by the following differential equation:
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ia = assimilation or breathing or transpiration
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Hz 0 concentration pz = COz or. HzO concentration of the air exiting the test chamber
V = volume of the test chamber q = COz 'or.
HzO sources or sinks other than the plants.
The sensible application of the differential equation enables the solution of various difficulties that occur with simultaneous measurement of assimilation, measurement of perspiration and air conditioning.
One difficulty is that, roughly speaking, the CO2 metabolism of plants affects the air much less than transpiration, which in practice has the effect that it is not possible to dimension the air flow passing through an experimental chamber in such a way that the CO fluctuations caused by the plants are still measurable and at the same time the moisture changes caused by the plant transpiration have no physiological effect.
Another difficulty is that water easily precipitates during air conditioning, which interferes with both the COz measurement and the transpiration measurement, and finally the determination of assimilation is made more difficult by the "inertia" of a large test chamber volume, for example then inevitably present if the test chamber is designed as a wind tunnel for high speeds.
In spite of all the difficulties mentioned above, a measurement is definitely possible if all
Terms of the differential equation with the exception of the unknown a to be determined can be made measurable or disappear.
If you choose the following solution for the CO measurement:
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where V and L are constant,
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are measured and z q becomes zero and the following for the simultaneous HzO measurement:
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where V and L are constant,
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When Eq becomes zero and E q is measured, the first difficulty is eliminated, since the COz fluctuations can be kept within the desired limits by dimensioning the constant air flow, while humidity fluctuations disappear at all. The latter means that the humidity in the chamber itself has to be regulated, whereby the requirement for the measurability of l: q means that all H z0 sources or sinks occurring during the humidity regulation must be measured.
The simplest solution for this is to avoid sources and only use a single sink, namely a dryer, which, according to the differential equation, then separates the transpiration water given off by the plants. This assumes that there is no undesired water loss at the heat exchanger (undesired HzJ sink) during temperature control, which might then have to be corrected again by re-humidifying the air (undesired HO source). The unwanted HzC sources or sinks could possibly still be made measurable with some effort, but the same
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Avoid working heat exchanger.
The last difficulty, namely the difficulty resulting from the "inertia" of the volume of the test chamber in the assimilation measurement by means of CO 2 gas analysis, is resolved automatically when the differential equation is used if, in addition to the CO concentration, the time differential quotient of the CO concentration to determine a is used according to equation (l).
Based on these considerations, a test facility was developed which essentially consists of a separate, closed test chamber for each root and shoot, with the test chamber for the shoot being designed as a self-contained wind tunnel, which is opened with the help of a heat exchanger that operates with a small temperature difference is kept constant temperature, so that no water precipitates, while the humidity of the chamber is determined on the one hand by a constant air flow passing through it and having the desired dew point and on the other hand is controlled by a dryer switched on or off by a controller, which is connected to the Transpiration of the plants reduces the increased dew point back to the setpoint, whereby the constant air flow is dimensioned so that
that the plant activity causes CO changes that are easily measurable, but do not have any retroactive effects in terms of plant physiology and that the dryer is designed so that it briefly releases the excreted transpiration water for measurement.
In order to remedy the stated disadvantages, a method is proposed which, according to the invention, is characterized in that the shoot and the root of the plant to be examined are placed in two separate chambers, each one with regard to air volume / time unit, temperature and water content or CO, content constant air flow and that the CO, household by measuring both the CO concentration of the air before and after passing through the chamber as
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Maintaining the amount of moisture excreted water using the differential equation
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is determined, where a = assimilation or transpiration (in g COz or HzO / h) L = amount of air that passes through the test chamber per unit of time (m3 / h) Pl = COz or.
HzO concentration of the air entering the test chamber (g / m3) p2 = COz or. HzO concentration of the air exiting the test chamber (gum3) V = volume of the test chamber (m3) q = COz or. HO sources or sinks other than the plants (g / h) bt i-uten
The device mentioned at the beginning, which enables this method to be carried out, is distinguished according to the invention in that the chambers are designed as air channels which run directly next to one another over part of their length and thus form the test chamber,
that a device is provided to keep the humidity of the air constant before it enters the test chamber and that both air ducts are each provided with a fan and a device working with the smallest temperature differences to keep the temperature of the air constant in the test chamber, that the shoot or the air duct accommodating the roots is provided with a freeze dryer located in shunt, that in each duct before and after the test chamber there are devices for measuring the CO z content and that a device for measuring the amount of water excreted by the freeze dryer and devices for keeping the temperature constant the moisture content of the zone receiving the roots of the plant.
Further features of the method according to the invention and the device suitable for it are explained below with reference to the drawings, which show an embodiment of the device according to the invention. Fig. l shows the design of the test arrangement with the facilities required for its operation and FIG. 2 shows the arrangement of the control and measuring devices connected to it.
By placing the two FIGS. 1 and 2 next to one another, so that the names of the individual connecting lines in brackets coincide, a diagram of the overall system results.
The test chamber is composed of three parts that are gas-tight. Part 1 of the test chamber accommodates the shoot of plant P, in part 2, the one against part 1
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is sealed gas-tight and is to be regarded as an intermediate zone, the stem of the plant is located, while the roots of the plants are housed in soil vessels 3. The trunks of the plants P are led through the partition 4, which separates parts 1 and 2 from one another, in a gas-tight manner.
Part 1 is a section of a wind tunnel 5 in which a fan 6 circulates the air in the sense of the arrows drawn. The wind speed and thus the volume of air passing through the chamber 1 in the unit of time can be precisely determined. The fan 6 is a
Downstream heat exchanger 7. The pipe coil 8 of the heat exchanger 7, a jacket 9 of the fan through which coolant flows, and a jacket 10, which is likewise through which coolant flows, of the section of the wind tunnel 5 between the heat exchanger and the chamber 1 are connected one behind the other.
A thermostat TI (Fig. 2), which is connected to the temperature sensor Tri, which is located just behind the chamber 1, drives brine of the corresponding temperature through the
Pipelines 11, 12 and thus through the cooling jackets of the fan and the wind tunnel section as well as through the coil of the heat exchanger. Any desired temperature can be maintained in the test chamber 1 by setting the thermostat TI accordingly.
In the same way, the test chamber 2 is a section of a wind tunnel 13 in which the air is circulated in the direction of the arrows by means of the fan 14. In front of this fan 14 is a heat exchanger 15, the tube coil 16 of which is connected in series with a cooling jacket 17 of the fan 14. The cooling jacket and the coil are supplied with brine via lines 18, 19 from a thermostat TII. The thermostat TU is connected to a temperature sensor T2, which is arranged between the fan 14 and the test chamber 2.
The bottom vessels 3, which receive the roots of the plants, are located in a trough 20, into which lines 21, 22 open and in which a temperature sensor T 3 is provided. The temperature sensor T 3 is connected to the thermostat TIII, which regulates the flow of brine through the trough 20 and its temperature. The temperature in the trough and thus the temperature of the bottom vessels 3 can thus, as in the test chambers 1 and 2, be set to any desired value and kept at this value.
In order to maintain a certain moisture content in the air circulating in chambers 1 and 2, it is necessary to supply this air with water vapor in a precisely determinable amount or to extract this water vapor, the amount of which must also be precisely determinable.
An air pump 23, which sucks in fresh air and pushes it through a bubbler 24, is used to supply water vapor. In order to even out the air flow in the bubbler, an equalizing tank 25 is provided in the line coming from the pump 23. Fresh water is supplied to the bubbling vessel via a line 26 provided with a valve, which is kept at a temperature which is above the temperature of the respectively desired fresh air dew point. For this purpose, the bubbling vessel is provided with a heat exchanger jacket 27 in which there is a temperature sensor T4 and which is connected by lines 28, 29 to a thermostat TIV which is controlled by the heat sensor T4. Brine is also used here as a means of heat transfer.
From the bubbler 24, the water-vapor-saturated air is fed via a line 30 to a branch pipe 32 provided with a flap 31 controlled by the humidity regulator FIV, to which a post-dryer 33 is placed in parallel. The humidity regulator FIV is connected to the humidity sensor F, which is in the line 34, which leads from the reunification of the pipe branch with the line coming from the after-dryer to the connection piece between the heat exchanger 15 and the fan 14. A part of the line 34 is surrounded by a heat exchanger jacket 35, which is connected to the heat exchanger jacket 10. Another line 36 branches off from the line 34 and opens into the wind tunnel upstream of the fan 6.
The fresh air, which has been brought to the desired dew point with the aid of the after-dryer 33, thus reaches both the wind tunnel 5 and the wind tunnel 13, and the like. between in precisely metered quantities. The means for the precise determination of the amount of fresh air are not shown since they do not form the subject of the invention.
As a result of the transpiration of the plants, the dew point of the air passing through the climatic chamber 1 would increase. In order to keep the dew point at a constant value, it is necessary to remove the excess water vapor from this amount of air. The dryer 37, which is connected to the heat exchanger 7 via a line 38 and a fan 39, is used for this purpose
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connected. In the line 38 there is a flow rate meter 65 with the aid of which the amount of air removed from the heat exchanger 7 and supplied to the dryer 37 can be precisely determined for the purpose explained later.
A valve 42 or 43 is installed in both the line 40 running parallel to the dryer 37 and the line leading back from the outlet end of the dryer to the heat exchanger 7. These valves are controlled by a humidity controller FI, which is connected to the humidity sensor Fl, which is arranged in the wind tunnel 5 just in front of the fan 6.
The dryer 37 has, as an essential component, a frozen, rotating disk 44 on which the water from the air driven through is deposited in the form of ice. A knife 45 continuously scrapes the ice from the disk 44. The scraped-off ice is thawed in the thawing vessel 46 and the amount of water flowing off in this way can be measured.
For the same purpose (removing the excess water from the circulating air), the heat exchanger 15 of the wind tunnel 13 is connected to a dryer 49 via a line 47 and a fan 48. In the line 47 as well as in the line 38, a flow meter 64 is provided; this determines the amount of air which is taken from the heat exchanger 15 and fed to the dryer 49. A line (denoted by 50) is also located here parallel to this dryer, and a line 51 leads back to the heat exchanger 15 from the point where the dryer and parallel line meet.
A valve 52 or 53 is arranged both in the line 50 and in the line 51. which valves are operated by a humidity controller F II. The humidity regulator Frr is connected to a humidity sensor Fz which is arranged in the heat exchanger 15.
In contrast to dryer 37, dryer 49 operates discontinuously and has two
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heated by means of the only indicated heating coils in order to thaw the ice in this way.
The water flowing out of the two dryers 37 and 49 is z. B. measuring vessels supplied so that the amount of water occurring per unit of time can be determined.
To keep the soil moisture in the soil vessels 3 constant at a certain value, spray nozzles 57 are provided which are periodically fed with fresh water. Moisture sensors Fs, which act on a moisture regulator Fm, are arranged in one or more bottom vessels 3.
This humidity regulator Fm actuates a fresh water valve 58 which periodically releases the flow of water from a pressure vessel 59 designed as a measuring glass to the spray nozzles 57, and the like. zw. The arrangement or the design of the controller Fm is such that the time between the individual spray periods remains constant and only the spray duration, ie. H. the length of time over which valve 58 is opened is changed.
To measure the CO content of the air and the water vapor content of the same, four measuring ports 60, 61, 62 and 63 are provided, which are connected to gas analysis devices, such as so-called "Uras" devices, by appropriate lines. The nozzles 60 and 62 are used to measure the CO 2 concentration of the fresh air and are therefore located in the lines 34 'and 36, through which the fresh air, saturated with water vapor and brought to the desired dew point, is supplied to the wind tunnel 5 and the wind tunnel 13, respectively. These two measuring stubs are connected to the recorder labeled "CO" (FIG. 2).
The measuring stubs 61 and 63, on the other hand, are located in the wind tunnels 5 and 13 behind the chambers 1 and 2 and are used to measure the CO 2 concentration in the air downstream of the chambers. These measuring nozzles are connected to the second CO2 recording device, which is labeled "CO2II" in FIG. In addition, a closable opening, only indicated, through which the air contained in the respective wind tunnel can be discharged in order to allow the fresh air to enter the wind tunnels, is provided for each measuring connection. In this way, the CO 2 concentration can be kept at a desired value.
To measure the emitted water, either the water quantities that flow through the indicated outflow connections on the heat exchangers 37 and 49 are measured volumetrically or the air flow rate through the associated dryer is measured with the aid of the air flow meters 64 and 65 and the temperature of the associated dryer is determined ; The amount of water can be determined from these values. In the exemplary embodiment shown, the flow meters 64 and 65 are each connected to a recording device H2OI or HO (FIG. 2).
The CO2 measurement is carried out in the following way:
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The assimilation or respiration of the plants causes a change in the CO2 concentration of the air in the climatic chambers, which can be kept within limits by correctly dimensioning the amount of fresh air, which can still be easily measured but have no physiological effects on the plants.
A gas analyzer (e.g. "Uras") is connected to the measuring sockets 60 or 62 for measuring the C02 input concentration and thus the concentration in the climatic chambers 1, 2,
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equation
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P2 - Pl results from reading off the concentration difference between that at the measuring ports 60, 62
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to multiply the fresh air flow L and to add the two products. This then results from the equation
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CO2 assimilation or respiration, after which Eq = 0 is set (tight design of the test arrangement, so that there are no CO2 sources or sinks apart from the plants).
The relationship between the absolute humidity of the fresh air or the climatic chamber air and the
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Water condenses and the chambers are so tight that no water exchange with the environment can take place. This avoids H2O sources or sinks except for the plants and the dryer and the following applies: a = L (pz-pi) + qT qT ... the water separated by the dryer per hour. qT can be determined simply by volumetric or weight-based measurement of the 49 outflowing defrost water from both measuring tubes
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casual.
The calculation is particularly simple when the dew point of the fresh air corresponds to the dew point of the chamber, i.e. when pi = P 2, because then a = q-r- = Ly'p applies.
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Addition of the amount of CO2 released by the roots into the intermediate zone 2 and measured at the measuring connection 63 over the same period of time and by adding the two sums with the correct sign.
The H20 balance is determined by reading the measured glass over a certain period of time
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formed pressure vessel 59 and by measuring the transpiration water discharged from the dryer 37 in the same period of time to its measuring connection or the water from the drying
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whose measuring nozzle determines the evaporation water released from the soil. The amount of water from Tran-registered values are formed over the relevant period. Adding the three amounts of water with the correct sign results in the water balance of plant + soil, which can be checked from time to time by weighing the plant and soil at the beginning and at the end of the respective time period and supplemented by taking into account the soil moisture measurement.
PATENT CLAIMS:
1. Method for achieving short-term balances of the HzO and CO2 balance of plants in a device in which the shoot and the roots are housed in separate chambers
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the passage through the chamber as well as the change in the COz content of the air after time with the moisture content kept constant and the HO balance by measuring the amount of water given off by the plant in the unit of time and excreted in order to keep the humidity constant using the differential equation
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is determined, where a = assimilation or
Transpiration (in gC02 or HzO / h) L = amount of air that passes through the test chamber per unit of time (m / h) Pl = COz * or HzO concentration of the air entering the test chamber (g / mS) P2 = COz- or . HO concentration of the air emerging from the test chamber (g / ms) V = volume of the test chamber (m3) q = COz or. HO sources or sinks other than the plants (g / h) mean.