DD282761A5

DD282761A5 - Verfahren zur messung von nadelschaedigungen

Info

Publication number: DD282761A5
Application number: DD32800689A
Authority: DD
Inventors: Heino Hertel; Jochen Ploetz; Heike Hertel; Reinhold Koepp
Original assignee: Inst Forstwissenschaften
Priority date: 1989-04-27
Filing date: 1989-04-27
Publication date: 1990-09-19

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Messung von Nadelschaedigungen, das der Erfassung von Schaeden des Assimilationsgewebes, besonders von Vergilbungen, Verbraeunungen und Fleckenbildungen, wie sie durch Immissionen, Herbizide oder andere biotische und abiotische Einwirkungen hervorgerufen werden koennen, dient. Bei Bestrahlung der Probe mit Rotlicht bzw. Infrarotlicht wird das rueckgestrahlte Licht vermessen. Der Quotient aus beiden Meszwerten liefert den Schaedigungsindex.{Nadelschaedigung; Forstwirtschaft; Nadelholz; Reflexionsmessung; Remission}

Description

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Neben der Bonitur des Schadbildes, die jedoch nur eine grobe und subjektiv geprägte Einschätzung erlaubt, sind zur Bestimmung von Blatt- und Nadelschäden verschiedene Labormethoden bekannt.

Angewendet werden eine Extraktion der Blattpigmente und Bestimmung von Chlorophyll a, b und der Carotinoide sowie die Messung von Veränderungen der Chlorophyll-Protein-Komplexe. Beide Methoden sind geeignet, Veränderungen der Pigmente qualitativer und quantitativer Art anzuzeigen, jedoch erfordern sie aufgrund der Aufarbeitungs- und Meßmethodik einen hohen Aufwand. Noch ungünstiger hinsichtlich des Aufwandes sind biochemische Methoden wie Peroxidase-Isoenzymbestimmung oder Superoxiddismutase-Isoenzymbestimmung zu werten. Für sämtliche o.g. Pigment- und Enzymbestimmungen müssen Nadelproben entommen werden, wodurch allein aufgrund des zunehmenden Nadelverlustes eine den Versuch begleitende Messung bei kleineren Pflanzen unmöglich wird.

Weitgehend berührungslos arbeitet die Fluoreszenzmessung. Veränderungen der Dynamik der prompten und verzögerten Fluoreszenz liefern ein Maß für die Effizienz des Photosynthesevorganges. Nachteil dieser Methoden ist die starke Abhängigkeit vor allem von den Beleuchiungsverhältnissen vor und während der Messung sowie die schnelle Reaktion auf deren Veränderung. Damit ist die Gefahr einer hohen Meßwertvariabilität gegeben, die den Einsatz unter Soreening-Bedingungen oft unmöglich macht.

Bekannte Verfahren der Luftbildananlyse sind ebenfalls geeignet, Baumschäden zu erfassen. Aussagekräftig ist hier vor allem die Reflexion im nahen Infrarot, wie auch in anderen Spektralbereichen. (WP: DE 3433190) Nachteilig bei allen Luftbildanölysen sind jedoch neben dem hohen technischen Aufwand die Abhängigkeit der Reflexionsmeßwerte von Sonnenstand, Beleuchtungsintensität und Aufnahmewinkel.

Als problematisch wird weiterhin die Interpretation der Luftbildaufnahmen angesehen, wenngleich Korrelationen zum Benadelungszustand der Biomasse und zum Chlorophyllgehalt nachgewiesen wurden. Weiterhin beruhen diese Verfahren stets auf einer Einstrahlung mit dem gesamten Spektrum des Lichtes und der Auswertung von speziellen Wellenlängen. Die für Vergilbungen typische Verschiebung der Maxima des reflektierten Lichtes im grünen, gelben und roten Bereich wird somit nicht vollständig erfaßt.

Es wurde bereits vorgeschlagen, farbliche Veränderungen an Blättern als Schädigungsmaß zu erfassen (WP: DD 254782).

Bekannt ist eine Anzahl Gerätepatente, die anhand von Reflexionsmessungen Sortiervorgänge von granulären landwirtschaftlichen Produkten (WP: SU 618672; USA 4,350,442; USA 4,699,273; USA 4,697,709; USA 4,624,368) bzw. von Tabakblättern (WP: DE 2222211 C2; DE 3043675 C3; SU 939139; SU 825197; SU 737029) ermöglichen.

Gemeinsames Merkmal dieser Sortierapparaturen ist der Vergleich der Meßwerte mit vorgegebenen Standards. Nach dem selben Prinzip mehrere Farberkennungsverfahren und -vorrichtungen (WP: DE 2636846; DE 2328269; USA 3,604,815).

Bekannte Verfahren und -vorrichtungen zum Bestimmen des sog. Reflexionskoeffizienten beruhen auf einer Quotientenbildung aus abgestrahltem und reflektiertem Licht und geben damit lediglich ein Maß für die Rauheit der so vermessenen Oberfläche (WP: SU 807166; USA 4,484,819; USA 4,412,746; DE 3332986C2; DE 3428743A1; DE 3407754A1).

Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Bestrahlung monochromatisches Licht zu verwenden (WP: DE 2935812 A1; USA 4,629322; USA 4,624,572).

Bekannt ist weiterhin das Verfahren der Infrarot-Reflexions-Spektiockopie, insbesondere zum Zwecke der Analyse von Futter- und Nahrungsmitteln hinsichtlich des Gehaltes an Wasser, Proteinen, Stickstoff und anderen Inhaltsstoffen.

Veröffentlichungen geben Auskunft, daß anhand des Reflexionsspektrums Chlorophyllbcstimmungen an Rapssamen sowie Nadeln von Pinus taeda möglich wa^en. Hierbei werden bekannte Zusammenhänge zwischen dem Reflexionsspektrum grüner Blätter und dem Chlorophyllgehalt genutzt.

Zur Auswertung großer Serien pflanzlichen Materials wurde bereits vorgeschlagen, nach definierter Beeinflussung, insbesondere durch künstliche Nährmedien, Pilz-, Virus- oder Baktericnbefali, die Reaktion inbestimmten Spektralbereichtn durch Messung der Remission optisch zu erfassen. (WP: DD 238675Λ1)

Ein Verfahren zur Messung des rückgestrahlten Lichtes zum Zwecke der Quantifizierung von Nadelschäden ist derzeit nicht bekannt.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Messung des Schädigungsgrades von Zweigproben, die durch die Einwirkung von Immissionen, Herbiziden o. ä. Merkmale der Vergilbung, Verbräunung oder Fleckenbildung im Parenchym aufweisen. Damit können aufwendige Labormethoden der Pigment- und Isoenzymbestimmung in Abhängigkeit der Aufgabenstellung teilweise oder ganz ersetzt werden, was einen hohen ökonomischen Effekt bedeutet.

Die zu messenden Zweige oder Blätter sollen nicht von der Pflanze abgetrennt werden, wodurch in unbegrenzter Wiederholung Messungen an der selben Versuchspflanze möglich werden, was wissenschaftlich von großem Interesse ist. Erforderlich ist die Eignung als Massentest.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung ermöglicht ein berührungsloses Messen des Schädigungsgrades von Blatt- und Nadelproban, ohne daß diese von der Pflanze entfernt werden müssen. Vermessen werden können sowohl ausgewählte, ein Quadratmillimeter große Bereiche als auch Nadelbündel oder Zweigpartien. Eine exakte okulare Kontrolle des gewählten Meßfeldes ist möglich. Das Verfahren gestattet einen erheblich höheren Probendurchsatz (200 bis 250 Proben pro Beschäftigten und Tag) als herkömmliche Verfahren, wodurch eine echte Massenuntersuchung ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß beruht das Verfahren zur Messung von Nadeischädigungen auf einer Bestrahlung der Probe zuerst mit Rotlicht von 650-700ηm und gleichzeitiger Messung des rückgestrahlten Lichtes sowie anschließender Bestrahlung mit infrarotem Licht von 800-850 nm und gleichzeitiger Messung des rückgestrahlten Lichtes. Als Strahlungsquelle wird z. B. eine Halogenlampe 20W mit vorgeschalteten Interferenzfiltern verwendet.

Empfängerseitig können wahlweise Linsensysteme vorgeschaltet werden. Über einen Prismen-Strahlungsteiler ist die okulare Kontrolle des Meßfeldes gewährleistet. Das rückgestrahlte Licht wird z. B. durch eine Photomeßzelle aufgenommen, verstärkt und analog oder digital dargestellt und abgespeichert.

Die Anwendung des Meßverfahrens besteht in folgenden Arbeitsschritten:

1. Auflagen der Probe und Erfassung der Reflexion bei abgeschalteter Beleuchtung (Nullwert)

2. Bestrahlung der Probe mit Rotlicht von 650-700nm und Erfassung des Reflexionsmeßwertes

3. Bestrahlung der Probe mit Infrarotlicht von 800-850nm und Erfassung des Reflexionsmeßwertes

4. Berechnung des Schädigungsindex als Quotienten beider Meßwerte nach Subtraktion des Nullwertes

Durch die Einstrahlung von Licht definierter Wellenlänge und Messung des gesamten rückgestrahlten Lichtes wird der Meßwert von allen Verschiebungen des Reflexionsmaximums, wie sie bei Vergilbungen auftreten, unabhängig. Die Einstrahlung von Rotlicht von 650-700nm (Absorptionsmaximum des Chlorophylls) und Messung der Reflexion bietet eine Aussage über den Chlorophyllgehalt, bzw. sein Lichtabsorptionsvermögen. Sinkt der Chlorophyllgehalt mit zunehmender Schädigung (Vergilbung), so vermindert sich die Fähigkeit des Assimilationsgewebes zur Lichtabsorption und die Reflexion erhöht sich. Die Erfassung der Reflexion bei 650-7Ü0nm erlaubt damit gleichzeitig eine Aussage über den Gehalt an Photosynthesepigmenten sowie deren Funktionsfähigkeit.

Die Anregung und Messung im nahen Infrarotbereich von 800~850nm gestattet Rückschlüsse auf die Funktionalität der zellulären Strukturen und deren Wassergehalt und dient weiterhin der Relativierung der Meßwerte. Bei Schädigung sinkt dieser Wert.

Durch Bildung des Quotienten beider Meßwerte wird eine Normierung der Messung erreicht und der Schädigungsindex von der Oberflächenreflexion der Proben sowie dem Bedeckungsgrad des Meßfeldes unabhängig.

Ausführungsbeispiele

I.Messung von 1 mm²großen Nadelbereichen der Baumart Kiefer

Charakteristik der Proben	Schädigungsindex
grün	0,233
grün mit punktförmiger	0,315
Vergilbung
grün/gelb mit punktförmiger	0,341
Vergilbung
grün/gelb mit punktförmiger	0,379
Vergilbung
grün/gelb	0,42
grün/gelb	0,513
gelb-brauner Parenchymber.	0,641
brauner Parenchymbereich	0,704
braune Nadelspitze	0,862
gelb mit punktförmiger	0,901
Verbräunung
gelb/braun	1,136

Der steigende Schädigungsindex verdeutlicht die zunehmende Schädigung der Proben.

2. Veränderung des Schädigungsindex bei Erhöhung des Anteils gelber Nadeln (Kiefer in einem 4cm² großen Meßfeld) Nadelanzahl

grüne Nadeln	gelbe Nadeln	Schädigungsindex
12	_	0,245
11	1	0,267
10	2	0,479
9	3	0,807
8	4	0,82
7	5	0,893
6	6	1,02

Mit zunehmendem Anteil gelber Nadeln erhöht sich der Schädigungsindex als Maß der Gesamtschädigung der Probe.

3. Vitalltätsbestlmrnung von Fichtenbäumen

Vergleich von 4 gesunden Fichtenbäumen mit 4 leicht geschädigten. Die Gruppenbildung wurde anhand der Nadelfeinbonitur des 2 Jahre alten Nadeljahrganges vorgenommen.

adelbcnitui, Chlorophyllgehalt und Schädigungsindex von 4 leicht geschädigten Fichtenbäumen

	2 Jahre alter Nadeljahrgang	5	9	5	5	X
Bonitur*	5	0,333	0,184	0,4	0,264	5
Schädigungs-	0,308					0,327
index		2,72	1,67	1,83	2,37
Chlorophyll	2,4					2,33
gehalt·*		1 JahralterNadeljahrgang
	9	9	9	X
Bonitur*	0,266	0,246	0,2	9
Schädigungs				0,224
index	2,84	2,02	2,36
Chlorophyll				2,22
gehalt¹*·

Nadelbonitur, Chlorophyllgehalt und Schädigungsindex von 4 gesunden Fichtenbäumen 2 Jahre alter Nadeljahrgang χ

Bonitur·	9	7	9	7	7	7,5
Schädigungs	0,161	0,181	0,108	0,168	0,209	0,18
index
Chlorophyll	2,92	3,79	2,96	3,99	3,22	3,48
gehalt·*
	1 Jahr alter Nadeljahr jang			X
Bonitur*	9	9	9	9
Schädigungs	0,162	0,197	0,165	0,158
index
Chlorophyll-	2,76	2,73	2,68	2,78
gehalf*

Das Beispiel zeigt die exakte Bestimmung des Schädigungsgrades der Bäume mittels sinkendem Chlorophyllgehalt der Nadeln und erhöhtem Schädigungsindex.

* Bonitur: 5stufige Boniturskala entspr. internal. Standard d. Amtes für Sortenwesen, 9 = ungeschädigt, 1 = stärkste Schädigung; bonitiert wurden parenchymatische Schaden wie Vergilbung, Fleckenbildung, Nekrosen, Chlorosen.

·· Chlorophyllbostimmung nach Zerkleinerung, Extraktion (Aceton 80%) und Berechnung nach LICHTENTHALER und WELLBURN, Angaben in pg/mg TM Biochem. Soc. Transactions 603 rd Meeting Liverpool 603: 591-592, 1983.

Claims

Verfahren zur Messung von Nadelschädigungen, gekennzeichnet dadurch, daß Nadelschädigungen erfaßt werden zunächst durch Bestrahlung mit Licht dor Wellenlängen von 650 bis700nm und danach mit Licht der Wellenlängen von 800 bis 850 nm, wobei der Quotient aus beiden Reflexionsmeßwerten den Schädigungsindes angibt.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Nadelschädigungen, besonders von Vergilbungen, Verbräunungen und Fleckenbildungen im Parcnchym, wie sie infolge von Immissionen auftreten. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren die Quantifierung aller Einwirkungen, die Veränderungen an Blattpigmenten hervorrufen. Es können Einzelbäume, Klone, Herkünfte oder Waldflächen hinsichtlich ihres Vitalitätszustandes sowie Versuchspflanzen während und nach Begasungs-, Herbizid oder Oüngungsversuchen charakterisiert werden. Das Verfahren ist aufgrund seiner Schnelligkeit und Unkompliziertheit als Massenscreening einsetzbar.