DE112011103545T5

DE112011103545T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose von Pflanzenwachstumsbedingungen

Info

Publication number: DE112011103545T5
Application number: DE112011103545T
Authority: DE
Inventors: Ernestas Petrauskas; Vytautas Petkus
Original assignee: UAB "ZEMDIRBIU KONSULTACIJOS"; UAB ZEMDIRBIU KONSULTACIJOS
Current assignee: UAB "ZEMDIRBIU KONSULTACIJOS"; UAB ZEMDIRBIU KONSULTACIJOS
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2031-10-04
Also published as: LT2010091A; DE112011103545B4; LT5858B; WO2012053877A4; WO2012053877A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose von Pflanzenwachstumsbedingungen. Die Erfindung ist darauf gerichtet, den Mangel der wichtigen chemischen Elemente (Fe, B, Mn, Zn, Cu, Mo) während der Vegetationsperiode der Pflanze zu erfassen. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Diagnose der Pflanzenwachstumsbedingungen basieren auf der Bestrahlung der in getrennten Kammern untergebrachten Blätter mit unterschiedlichem Alter (1A, 1B, 1C, 1D ...) mit sichtbarem und Infrarotlicht, und Spektralanalyse des von den Blättern reflektierten Lichts. Die Abschätzung des Mangels an Mikroelementen und die Diagnose der Pflanze werden gemäß den gemessenen Unterschieden zwischen den Spektren von Licht durchgeführt, das von allen Blättern der Pflanze reflektiert wurde.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Diagnose der Wachstumsbedingungen einer Pflanze.
Im Prinzip reichen für die meisten Pflanzen 17 chemische Elemente aus, damit sie wachsen und vollständige Vegetation entwickeln können. Einige Pflanzen benötigen zusätzlich 3 oder 6 chemische Elemente, für Sommerweizen reichen jedoch 17 aus: C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S, Mn, Fe, B, Cu, Zn, Mo, Ni, Cl (Makro- und Mikroelemente). Mn, Fe, Mo, Ni sind Schwermetalle, und deshalb sind im Falle von Überdüngung hohe Konzentrationen dieser Metalle in den Pflanzen und dem Boden schädlich. Jedes Element dient bei den Prozessen des Wachstums und der Vegetation unterschiedlichen Zwecken. Jedes Element ist unersetzbar, und darum kann der Mangel an einem der Elemente nicht durch ein anderes Element kompensiert werden.
Licht wird in Pflanzen durch Pigmente absorbiert. Bei der Fotosynthese hat die Fähigkeit der Pigmentmoleküle, Energie, wenn sie durch Licht angeregt sind, auf andere Moleküle zu übertragen, eine hohe Wichtigkeit, weil die Energie, die von den Lichtwellen absorbiert wird, in chemische Energie umgewandelt und zur Aufnahme von Kohlendioxid verwendet wird. Wenn die Moleküle dieser Punkte angeregt werden, wird die Energie des Lichtquantums in chemische Energie und zur Aufnahme von Kohlendioxid umgewandelt.
Es gibt in Pflanzen einige Hundert Pigmente mit unterschiedlichen Farben. Gemäß ihrer Chemie und Struktur werden Pigmente in vier Gruppen eingeteilt: Chlorophylle, Carotinoide, Phycobiline und Flavonoide. Die Chlorophylle, Carotinoide und Phycobiline kommen bei der Fotosynthese zum Einsatz.
Stand der Technik
Die meisten spektralphotometrischen Verfahren zur Bewertung von Wachstumsbedingungen von Pflanzen basieren auf deren Fluoreszenzemission. Fluoreszenzemission findet nach der Bestrahlung einer Pflanze mit sichtbarem weißen Licht der Wellenlängen im Bereich von 400 bis 650 nm statt. Bei der Fluoreszenzemission in der Dunkelheit strahlt die Pflanze Infrarotlicht mit Wellenlängenkomponenten von 690 nm und 740 nm ab. Die Abstrahlung von Komponenten dieser Lichtwellenlängen zeigt die Fähigkeit einer Pflanze an, Chlorophyll zu synthetisieren und stellt auch ein Maß für die Wassermenge (Biomasseindex) und Stickstoff in ihr dar. Hinzu kommt, dass vornehmlich Stickstoff für die Fotosynthese von Chlorophyll in den Pflanzen notwendig ist.
Die folgenden Erfindungen basieren auf diesem Effekt:
Die DE 10148737 betrifft ein Verfahren zur Abschätzung von biophysikalischen Parametern in den Blättern einer Pflanze. Das Verfahren basiert auf der Bestrahlung von Blättern mit Hilfe einer Xenonblitzlampe und nachfolgender Spektralanalyse des reflektierten sichtbaren und Infrarotlichts. Das reflektierte Licht wird durch optische Filter geleitet, die für unterschiedliche Lichtwellenlängen eingestellt sind. Unterschiedliche Wellenlängen des aufgespaltenen Lichts werden mit separaten Lichtzellen erfasst.
Die US 2005/072935 betrifft eine tragbare Vorrichtung zur Diagnose von Pflanzenwachstum. Die Vorrichtung basiert auf der Bestrahlung einer Pflanze mit Licht mit dem Wellenlängenspektrum von 400 nm bis 650 nm durch eine Reihe von Leuchtdioden (LEDs) und Spektralanalyse der Fluoreszenzemission der Pflanze. Die Wirksamkeit der Photosynthese wird gemäß den Niveaus der empfangenen Lichtkomponenten der Wellenlänge von 690 nm und 740 nm bestimmt.
Die WO 99/35485 beschreibt, dass die dominierende Wellenlänge der Komponenten des Lichts der Fluoreszenzemission 700 nm und 840 nm sind. Die WO 99/35485 beschreibt auch ein System von optischen Linsen mit optischen Filtern, die zum Filtern der Komponenten des abgestrahlten Lichts verwendet werden, und eine elektronische Vorrichtung, die zur Erfassung und Bewertung der Intensitäten dieser Komponenten des Lichts verwendet wird. Die Vorrichtung schätzt die Menge von Chlorophyll in der Pflanze gemäß den gemessenen Niveaus der Komponenten von Licht.
Die Menge von Chlorophyll in der Pflanze kann auch durch Analysieren des Spektrums von Licht abgeschätzt werden, das von den Blättern reflektiert wurde oder durch sie hindurchgetreten ist.
Die DE 10002880 betrifft ein System zur Diagnose der Wachstumsparameter von Pflanzen basierend auf der Bestrahlung ihrer Blätter mit passivem (Tageslicht) oder aktivem (LED- oder Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen) Licht, die Analyse des Spektrums des reflektierten Lichts und des abgestrahlen Fluoreszenzlichts und nachfolgenden Datenübertragung (über das Internet). Die Diagnose und Datenübertragung wird mit einem mit GPS ausgerüsteten Fahrzeug durchgeführt, das durch die Felder fährt und die Diagnose des Wachstums der in unterschiedlichen Stellen der Felder wachsenden Pflanzen durchführt. Der Pflanzenoberflächenindex, die Menge von Chlorophyll und Wasser in den Pflanzen werden durch Analysieren des Spektrums des reflektierten Lichts und abgestrahlten Fluoroeszenzlichts bestimmt.
Die JP 2006/250827 betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wachstumsbedingungen von Reispflanzen. Der Betrieb der Vorrichtung basiert auf der Spektralanalyse der von einem Flugzeug oder eine Satelliten aufgenommenen digitalen Bilder der Pflanzen. Durch Analyse der Komponenten D16 und D17 der Spektren dieser Bilder ist es möglich, die Menge von Protein in den Pflanzen (Reis) zu bewerten. Zur Analyse der fotografischen Bilder werden Methoden der multiplen Regression verwendet.
Die US 6567537 betrifft ein Pflanzendiagnosesystem basierend auf der Analyse von mit Digitalkameras genommenen Bildern der Pflanzen. Die Analyse der digitalen Bilder der Wellenlänge von 550 nm stellt die Menge von durch Chlorophyll reflektiertem Licht und die Wellenlänge von 680 nm die Menge von durch Chlorophyll absorbiertem Licht dar, und die Analyse der Wellenlänge von 770 nm stellt den Biomasseindex einer Pflanze dar (der Biomasseindex stellt die in einer Pflanze enthaltene Menge an Wasser dar).
Die WO 2009/007269 betrifft eine tragbare Vorrichtung, die für die Bewertung der Wassermenge in Pflanzen ausgelegt ist. Der Betrieb der Vorrichtung basiert auf der Bestrahlung von Pflanzen durch Licht aus zwei LEDs. Eine LED hat die Wellenlänge desjenigen Lichts, das durch die Wassermenge in der Pflanze verstärkt wird. Die zweite LED hat die Wellenlänge desjenigen Lichts, das durch die Wassermenge in der Pflanze nicht verstärkt wird. Die Wassermenge in den Pflanzen wird gemäß den Niveaus der detektierten Komponenten des Lichtspektrums bestimmt, nachdem das Licht durch die Blätter hindurchgetreten ist. Es werden nur zwei LEDs mit den festgelegten Wellenlängen verwendet.
Die oben erwähnten Verfahren und Vorrichtungen sind alle in der Lage, die Fähigkeit von Pflanzen zur Synthese von Chlorophyll wiederzugeben, oder zeigen die Wassermenge (Biomasse) in der Pflanze an; keine dieser Methoden erlaubt es jedoch, den Mangel an bestimmten chemischen Elementen in Pflanzen zu bestimmen.
Die in der US 6683970 beschriebene Erfindung kommt der vorliegenden Erfindung am nächsten. Die US 6683970 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose von Feldfrüchten. Die Vorrichtung basiert auf der Spektralanalyse der Digitalbilder von durch die Feldfrüchte reflektiertem Tageslicht. Das Spektrum des reflektierten Lichts wird aus den Bildern analysiert, die in verschiedenen Winkeln über das gesamte Feld von Pflanzen genommen wurden. Optische Filter zum Filtrieren des Lichts der festgelegten Wellenlängen (450, 550, 625, 650, 675, 700 nm für sichtbares Licht und 750, 850, 950 bis 1300 nm für Infrarotlicht) werden ausgetauscht, indem sie zur Trennung von verschiedenen Komponenten des Spektrums des reflektierten Lichts gewechselt werden. Gemäß dem Spektrum des reflektierten Lichts an unterschiedlichen Stellen des Felds wird die Menge von Stickstoff in Feldfrüchten bestimmt. Die US 6683970 betrifft auch eine tragbare Vorrichtung zur Bestimmung der Stickstoffmenge in Blättern von Pflanzen gemäß der Spektralanalyse des von den Blättern reflektierten Lichts. Als Lichtquellen für unterschiedliche Wellenlängen werden LEDs verwendet. Wenn sie zusammen mit optischen Filtern für sichtbares und Infrarotlicht verwendet werden, bilden sie ein Lichtspektrum der Wellenlängen von 550 nm bis 1100 nm. Die US 6683970 betrifft jedoch ein Verfahren, das es lediglich erlaubt, ein einziges von der Pflanze benötigtes chemisches Element (Stickstoff) zu bestimmen.
Hintergrund der Erfindung
Jedes chemische Element beeinflusst die Intensität der Pigmentaktivität in der Pflanze auf unterschiedliche Weise. Das Ziel der Erfindung betrifft die Abschätzung des Mangels von wichtigen chemischen Elementen (Fe, B, Mn, Zn, Cu, Mo) in der Pflanze während der Vegetationsperiode.
Jedes dieser chemischen Elemente hängt mit einer unterschiedlichen Beweglichkeit zusammen. Die Pflanze kompensiert den Mangel an jeder chemischen Komponente auf unterschiedliche Weise. Einige Elemente werden gemäß dem Bedarf der Pflanze von älteren Blättern auf Jüngere übertragen, andere Elemente werden teilweise übertragen oder sie verbleiben in den alten Blättern. Während des Vegetationsprozesses wachsen jüngere Blätter und entwickeln sich. Solche jüngeren Blätter sind durch eine hellere Färbung gekennzeichnet. Die Fotosyntheseverfahren haben eine höhere Intensität in älteren und bereits entwickelten Blättern als in jüngeren Blättern. Bei der Fotosynthese wird in den Blättern produzierte Energie auf die Pflanze übertragen. Solche Blätter haben eine dunklere Färbung. Der Unterschied zwischen jüngeren und älteren Blättern geht mit unterschiedlichen in diesen Blättern stattfindenden Prozessen einher, und dadurch wird die Menge von Mikro- und Makroelementen unterschiedlich aufgenommen. Auch haben die Fotosyntheseprozesse eine unterschiedliche Intensität. Ferner unterscheiden sich die Lichtspektren von jüngeren und älteren Blättern.
Die Wachstumsbedingungen der Pflanze können gemäß den Färbungen ihrer Blätter bewertet werden. Nach Bestrahlen von Blättern mit sichtbarem oder Infrarotlicht wird das Licht reflektiert und das Spektrum des reflektierten Lichts kann verwendet werden, um die Färbung der Blätter zu kennzeichnen und die Wachstumsbedingungen einer Pflanze zu bewerten.
Das von einer gesunden Pflanze (bei deren Wachstumsperiode alle notwendigen Mikro- und Makroelemente reichlich vorhanden waren) und das von einer Pflanze mit Mangel an Mikro- und Makroelementen bei der Wachstumsperiode reflektierte Licht unterscheiden sich.
Für das von unterschiedlichen Blättern derselben Pflanze (z. B. hat die Weizenpflanze sechs Blätter) reflektierte Licht wird ein unterschiedliches Spektrum erhalten. Das jüngste Blatt von gesundem Sommerweizen hat eine hellgrüne Färbung, weil die Intensität der Fotosynthese in diesem Blatt niedrig ist. Ein älteres Blatt, bei dem die Intensität der Fotosynthese höher ist, hat eine dunklere grüne Färbung. Das Spektrum des von diesen Blättern reflektierten Lichts unterscheidet sich. Die Aktivität und Dichte der Pigmente in den Blättern ist für jedes Blatt unterschiedlich, wenn bei ihrer Entwicklung unterschiedliche Mengen von Mikro- und Makroelementen zur Verfügung gestanden haben. Somit sind Unterschiede in den Spektren des reflektierten Lichts von Blättern, die sich mit einem Mangel der genannten Elemente entwickelt haben, kleiner als die Unterschiede in den Spektren des reflektierten Lichts einer gesunden Pflanze.
Gemäß den Spektren des von jüngeren und älteren Blättern reflektierten Lichts und der Differenz zwischen diesen Spektren ist es möglich, die Bedingungen des Wachstums einer Pflanze zu diagnostizieren und die für die Vegetation einer Pflanze benötigten chemischen Elemente zu bestimmen. Eine rechtzeitige Diagnose der Unterversorgung mit spezifischen Mikro- und Makroelementen kann dabei helfen, die notwendigen Elemente bereitzustellen und die Wachstumsbedingungen von Pflanzen zu verbessern (d. h. die Pflanzen mit notwendigen Elementen zu düngen).
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose der Wachstumsbedingungen einer Pflanze, umfassend Einrichtungen zur Bestrahlung von Blättern einer Pflanze mit sichtbarem oder Infrarotlicht und die Analyse des von unterschiedlichen Blättern reflektierten Lichts. Die neuartigen Merkmale der Erfindung lauten wie folgt:

– für die Analyse der Intensität des von den Blättern reflektierten Lichts werden mindestens zwei Blätter mit unterschiedlichem Alter verwendet. Die Differenz zwischen den Intensitäten als Funktion der Wellenlänge wird analysiert;
– Die Differenzen zwischen den zwei Blättern mit unterschiedlichem Alter werden zwischen einer gesunden Pflanze (einer Vergleichspflanze, die bei optimalen Bedingungen gewachsen ist) und der getesteten Pflanze verglichen;
– die Diagnose des Mangels an chemischen Elementen wird gemäß den Differenzen der gemessenen Spektren durchgeführt.

Bei den Messungen wird das Blatt in einer Dunkelkammer platziert und mit LED-Lichtquellen bestrahlt. Das Licht aus einer LED wird mit Hilfe von optischen Fasern zu einem Blatt geleitet. Die Vergleichspflanze und die getestete Pflanze können Weizen, Roggen, Gerste, Raps und andere landwirtschaftliche Pflanzen sein.
Die zur Verwendung in Verfahren zur Diagnose der Wachstumsbedingungen einer Pflanze vorgesehene Vorrichtung enthält eine Kammer zum Unterbringen eines Blatts, eine LED zur Bestrahlung eines Blatts, Fotozellen zur Lichterfassung, einen Verstärker, einen Analag/Digital-Wandler und einen Mikrokontroller zur Datenverarbeitung und -speicherung. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Dunkelkammern zur Unterbringung von Blättern, mindestens zwei LEDs mit elektronischen Steuerkreisen für jede Kammer, mindestens zwei Fotozellen zur Erfassung des von den Blättern reflektierten Lichts und einen Mikrokontroller hat, der in der Lage ist, die Messungen der Spektraldifferenzen des von den in mindestens zwei unterschiedliche Kammern platzierten Blättern reflektierten Lichts durchzuführen.
Der Lichtleiter wird verwendet, um das LED-Licht zu den Blättern zu leiten. Zur Verbreiterung des Bereichs des Lichtspektrums wird Licht von einer zusätzlichen Infrarot-LED und einer RGBA(Rot-Grün-Blau-Amber)-LED unter Verwendung einer zusätzlichen Linse gemischt. Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die am meisten bevorzugte Konfiguration der genannten Vorrichtung vier Dunkelkammern zur Unterbringung von Blättern, vier LEDs mit den elektronischen Steuerkreisen und vier Fotozellen zur Erfassung des von den Blättern reflektierten Lichts. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch Verwendung von Referenzblättern aus Papier mit schwarzer und weißer Farbe kalibriert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist die Nummerierung von Blättern von Sommerweizen;
2 ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung (erste Ausführungsform);
3 ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung (zweite Ausführungsform);
4 ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung (dritte Ausführungsform);
5 ist eine Auftragung der Differenzen (Unterschiede) zwischen den Spektren von Licht, das von den jüngsten 1A- und ältesten 1B-Blättern von Sommerweizen reflektiert wurde, der unter optimalen Bedingungen gewachsen war;
6A ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren von Licht, das von den Blättern von Sommerweizen reflektiert wurde, der unter optimalen Bedingungen und mit einem Mangel an Eisen (Fe) gewachsen war. Die gepunktete Linie ist die Spektraldifferenz der jüngsten Blätter 1A. Die durchgezogene Linie ist die Spektraldifferenz der älteren Blätter 1B;
6B ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren des Lichts, das von den jüngsten 1A- und älteren 1B-Blättern von Sommerweizen reflektiert wurde, der mit einem Mangel an Eisen (Fe) (gepunktete Linie) und unter optimalen Bedingungen (durchgezogene Linie) gewachsen war;
7A ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren von Licht, das von den Blättern von Sommerweizen reflektiert wurde, der unter optimalen Bedingungen und mit einem Mangel an Bor (B) gewachsen war. Die durchgezogene Linie ist eine Spektraldifferenz der jüngsten Blätter 1A. Die durchgezogene Linie ist die Spektraldifferenz von älteren Blättern 1B;
7B ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren des Lichts, das von den jüngsten 1A- und älteren 1B-Blättern von Sommerweizen reflektiert wurde, der mit einem Mangel an Bor (B) (gepunktete Linie) und unter optimalen Bedingungen (durchgezogene Linie) gewachsen war;
8A ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren des Lichts, das von den Blättern von Sommerweizen reflektiert wurde, der unter optimalen Bedingungen und mit einem Mangel an Mangan (Mn) gewachsen war. Die durchgezogene Linie ist eine Spektraldifferenz der jüngsten Blätter 1A. Die durchgezogene Linie ist die Spektraldifferenz von älteren Blättern 1B;
8B ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren von Licht, das durch die jüngsten 1A- und älteren 1B-Blätter von Sommerweizen reflektiert wurde, der mit einem Mangel an Mangan (Mn) (gepunktete Linie) und unter optimalen Bedingungen (durchgezogene Linie) gewachsen war;
9A ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren des Lichts, das von den Blättern von Sommerweizen reflektiert wurde, der unter optimalen Bedingungen und mit einem Mangel an Zink (Zn) gewachsen war. Die durchgezogene Linie ist eine Spektraldifferenz der jüngsten Blätter 1A. Die durchgezogene Linie ist die Spektraldifferenz von älteren Blättern 1B;
9B ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren von Licht, das durch die jüngsten 1A- und älteren 1B-Blätter von Sommerweizen reflektiert wurde, der mit einem Mangel an Zink (Zn) (gepunktete Linie) und unter optimalen Bedingungen (durchgezogene Linie) gewachsen war;
10A ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren des Lichts, das von den Blättern von Sommerweizen reflektiert wurde, der unter optimalen Bedingungen und mit einem Mangel an Kupfer (Cu) gewachsen war. Die durchgezogene Linie ist eine Spektraldifferenz der jüngsten Blätter 1A. Die durchgezogene Linie ist die Spektraldifferenz von älteren Blättern 1B;
10B ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren von Licht, das durch die jüngsten 1A- und älteren 1B-Blätter von Sommerweizen reflektiert wurde, der mit einem Mangel an Kupfer (Cu) (gepunktete Linie) und unter optimalen Bedingungen (durchgezogene Linie) gewachsen war;
11A ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren des Lichts, das von den Blättern von Sommerweizen reflektiert wurde, der unter optimalen Bedingungen und mit einem Mangel an Molybdän (Mo) gewachsen war. Die durchgezogene Linie ist eine Spektraldifferenz der jüngsten Blätter 1A. Die durchgezogene Linie ist die Spektraldifferenz von älteren Blättern 1B;
11B ist eine Auftragung der Differenzen zwischen den Spektren von Licht, das durch die jüngsten 1A- und älteren 1B-Blätter von Sommerweizen reflektiert wurde, der mit einem Mangel an Molybdän (Mo) (gepunktete Linie) und unter optimalen Bedingungen (durchgezogene Linie) gewachsen war.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung ist in 2 dargestellt.
Der Betrieb der Vorrichtung basiert auf dem folgenden Ablauf:
Die jüngsten und älteren Blätter 1A und 1B werden durch Licht aus RGB oder RGBA-LED-Dioden 4 (zusammengesetzt aus drei (Rot-Grün-Blau) oder 4 (Rot-Grün-Blau-Amber) Farben der LED-Quellen) bestrahlt. Die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts wird von 400 nm auf 1100 nm geändert, indem die LEDs über elektronischen Kreis 6 (Stromverstärker) angetrieben werden. Der Bereich der RGBA-LED-Wellenlänge kann 460 bis 700 nm sein. Zusätzliche LEDs mit fester Infrarot- und Ultraviolett-Wellenlänge werden für eine Lichtspektrumerweiterung von nm bis 1100 nm verwendet.
Das Licht aus RGBA- und Infrarot-LEDs wird durch die flexiblen Lichtleiter 3 (z. B. Glasfasern) in die Dunkelkammern 2 geleitet, in denen die Blätter 1A und 1B positioniert sind (zwei getrennte Kammern für jedes Blatt). Der Durchmesser von Lichtleiter 3 beträgt 1 mm bis 5 mm. Zur besseren Lichtweiterleitung in dem Lichtleiter ist die äußere Oberfläche des Lichtleiters mit einem schwarzen lichtabsorbierenden Material (oder die Innenseite mit einem lichtreflektierenden Material) beschichtet.
Das von jedem Blatt reflektierte Licht läuft durch den Empfängerlichtleiter 3 und wird von Photozellen 7 aufgefangen.
Das Lichtsignal wird durch Fotozellen 7 in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann in Differenzverstärker 8 weitergeleitet. Das Ausgangssignal aus dem Differenzverstärker 8 wird in einem Analog/Digital-Wandler 9 in ein digitales Signal zur Weiterverarbeitung in Mikrokontroller 10 umgewandelt. Der Mikrokontroller 10 steuert den Prozess der Messung und für die Messung der Differenzialspektren durch.
Die Differenz der gemessenen Spektren des reflektierten Lichts wird durch die Formel: U(λ_i) = k(λ_i)[I₁(λ_i) – I₂(λ_i)] + ΔU(λ_i), wiedergegeben,
wobei I₁ und I₂ die Intensitäten des reflektierten Lichts sind;
k der Durchgangskoeffizient (Verstärkung) des Verstärkers, des Lichtleiters und der LED-Quellen (in Abhängigkeit von der Wellenlänge) ist;
λ_i die Wellenlänge des Lichts ist;
ΔU(λ_i) ein additiver Messfehler ist, der durch Nullpunktwanderung des Verstärkers und durch Differenzen zwischen den Messkanälen des ersten und zweiten Blatts hervorgerufen wird.
Die Messungen werden durch Änderung der Farbe einer LED von λ = 400 nm auf λ = 1100 nm in diskreten Schritten durchgeführt. Die Differenz I₁(λ_i) – I₂(λ_i) wird bei jedem festgelegten Wert der Wellenlänge des Lichts gemessen.
K ist der Durchgangskoeffizient (Verstärkung) des Verstärkers, des Lichtleiters und der LED-Quellen (und hängt von der Wellenlänge ab). Die Funktion k(λ_i) wird erhalten, indem das Messsystem mit einem weißen Blatt Papier kalibriert wird. Der additive Fehler ΔU(λ_i) in Folge der Nullpunktwanderung des Verstärkers und Differenzen zwischen den Messkanälen wird erhalten, indem das System mit einem schwarzen Blatt Papier kalibriert wird.
Der Mikrokontroller 10 führt die Messung der Spektraldifferenz ΔI(λ) = I₁(λ) – I₂(λ) durch und überführt die Ergebnisse der Diagnose der Pflanze auf den Bildschirm 12 oder den Computer 11.
Die vereinfachte Ausführungsform der Vorrichtung zur Pflanzendiagnose ist in 3 dargestellt. In der Vorrichtung werden RGBA- und Infrarot-LED-Quelle 4 mit Linse 5 zum Mischen des Lichts verwendet. Licht von der Lichtquelle wird in den flexiblen Lichtleitern 3 zu beiden Dunkelkammern 2 geleitet. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform der Vorrichtung besteht in weniger Komponenten (Lichtquellen).
Die in 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen der Vorrichtung erlauben es, simultane Messungen der Spektrendifferenz des von jüngsten und älteren Blättern reflektierten Lichts durchzuführen. Für eine vollständige Diagnose der Wachstumsphasen einer Pflanze kann die Vorrichtung mit bis zu vier Messkanälen ausgerüstet werden. Dies würde die Fähigkeit der Vorrichtung erweitern, Messungen von Spektrendifferenzen von verschiedenen Blättern durchzuführen:

– zwischen dem jüngsten Blatt 1A und älteren Blatt 1B,
– zwischen dem jüngsten Blatt 1A und älteren Blatt 1C,
– zwischen dem jüngsten Blatt 1A und älteren Blatt 1D,
– zwischen dem älteren Blatt 1B und älteren Blatt 1C,
– zwischen dem älteren Blatt 1B und älteren Blatt 1D,
– zwischen dem älteren Blatt 1C und älteren Blatt 1D.

Im Fall von Sommerweizen gilt: 1A ist das jüngste Blatt, 1B ist ein älteres Blatt, das sich 7 Tage früher als 1A ausgebildet hat, 1C ist ein älteres Blatt, das sich 14 Tage früher als 1A ausgebildet hat, 1D ist das älteste Blatt, das sich 21 Tage früher als 1A ausgebildet hat (im Fall von Sommerweizen bildet sich alle 7 Tage ein neues Blatt aus).
Die Messung der Spektendifferenzen des Lichts von unterschiedlichen Blättern erlaubt es zu bestimmen, in welchen Blättern die wirksamen Prozesse der Fotosynthese stattfinden (vollständig entwickelte Blätter) und in welchen Blättern Fotosynthese nicht vollständig funktioniert (in Folge des Mangels an Mikro- und Makroelementen oder nicht abgeschlossener Vegetation in jüngeren Blättern).
Die Ausführungsform der Pflanzendiagnosevorrichtung, die in der Lage ist, die Messung von Spektrendifferenzen zwischen unterschiedlichen Blättern durchzuführen, ist in 4 dargestellt. Das Licht von RGBA- und Infrarot-LED-Quelle 4 wird mit Hilfe der Linse 5 in der Vorrichtung gemischt. Das Licht von der Quelle wird in den flexiblen Lichtleitern 3 zu vier Dunkelkammern 2 geleitet. In jeder Kammer werden die vier Blätter (ein Blatt je Kammer) 1A, 1B, 1C und 1D derselben Pflanze bestrahlt. Die Signale des von unterschiedlichen Blättern reflektierten Lichts werden in Differenzverstärker 8 und nachfolgend in Analog/Digital-Wandler 9 eingespeist. Der Mikrokontroller 10 führt die Messung der Spektrendifferenz durch und liefert die Ergebnisse der Pflanzendiagnose als Output an den Bildschirm 12 oder den Computer 11.
Der Vorteil einer solchen Ausführungsform der Vorrichtung besteht in der Fähigkeit, vollständige Informationen über die Effizienz der Fotosyntheseprozesse und Vegetation für jedes Blatt zu erhalten.
Experimentelle Ergebnisse
Die experimentellen Untersuchungen zeigten, dass die Intensitäten der Spektren von reflektiertem Licht I₁(λ), I₂(λ) und die Differenz I₁(λ) – I₂(λ) einer gesunden Pflanze als Funktion der Wellenlänge des reflektierten Lichts für eine Pflanzensorte (für Sommerweizen) typisch sind. Die Spektren I₁(λ), I₂(λ) des von einer gesunden Pflanze (die mit Bereitstellung aller benötigten Mikro- und Makroelemente wuchs) und der Pflanzen mit dem Mangel an Mikro- und Makroelementen (Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, B) reflektierten Lichts unterschieden sich. Die Differenz der Spektren des von dem jüngsten 1A-Blatt und dem älteren 1B-Blatt reflektierten Licht unterschieden sich für die gesunde Pflanze und für die Pflanze, die mit dem Mangel an Mikro- und Makroelementen wuchs.
Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sind in 5 bis 11 gezeigt.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer gesunden Pflanze die Spektrendifferenzen des von dem jüngsten 1A-Blatt und dem älteren 1B-Blatt reflektierten Lichts im gesamten Bereich des Lichtspektrums am höchsten sind. In den Fällen, bei denen während der Experimentdurchführung ein Mangel eines chemischen Elements künstlich erzeugt wurde, war die Differenz der Spektren des von dem jüngsten 1A-Blatt und dem älteren 1B-Blatt reflektierten Lichts kleiner. Darüberhinaus hatte diese Differenz eindeutige Charakteristika in Abhängigkeit von dem Mangel eines bestimmten chemischen Elements.
Die 5A, 6A, 7A, 8A, 9A, 10A und 11A zeigen die Spektrendifferenzen des von den 1A- und 1B-Blättern von Sommerweizen, der mit Mangel an bestimmten Mikro- und Makroelementen wuchs, und dem Sommerweizen, der bei optimalen Bedingungen wuchs, reflektierten Lichts. Diese Auftragungen veranschaulichen, dass differenzielle Spektren diagnostische Informationen liefern und durch Ereignisse mit individuellen Funktionen für jeden Fall eines Mangels an Mikro- und Makroelementen charakteristisch waren. Diese Messungen können unter Zuhilfenahme der in 4 dargestellten Vorrichtung durchgeführt werden.
Die in 5 bis 11 dargestellten experimentellen Untersuchungen wurden mit Hilfe des Spektralfotometers Lambda 35 durchgeführt. Die bei diesen Studien verwendeten Proben von Sommerweizen wuchsen unter Laborbedingungen in Behältern. Die Proben von Sommerweizen wuchsen unter unterschiedlichen Bedingungen:

– optimale Bedingungen mit Bereitstellung aller Mikro- und Makroelemente;
– Wachstum mit Mangel an Eisen, jedoch mit vollständiger Bereitstellung aller anderen Mikro- und Makroelemente;
– Wachstum mit Mangel an Bor, jedoch mit vollständiger Bereitstellung aller anderen Mikro- und Makroelemente;
– Wachstum mit Mangel an Mangan, jedoch mit vollständiger Bereitstellung aller anderen Mikro- und Makroelemente;
– Wachstum mit Mangel an Zink, jedoch mit vollständiger Bereitstellung aller anderen Mikro- und Makroelemente;
– Wachstum mit Mangel an Kupfer, jedoch mit vollständiger Bereitstellung aller anderen Mikro- und Makroelemente;
– Wachstum mit Mangel an Molybdän, jedoch mit vollständiger Bereitstellung aller anderen Mikro- und Makroelemente;

Industrielle Anwendbarkeit
Das neuartige Verfahren und die neuartige Vorrichtung zur Diagnose von Pflanzen gemäß der Erfindung basieren auf der Messung der Differenzen zwischen den Spektren des von den Blättern einer Pflanze reflektierten Lichts. Ein solches Verfahren ist in anderen Patentschriften nicht erwähnt. Die Spektren des von Pflanzen reflektierten Lichts hängen von den Pigmenten ab, die durch die chemischen Elemente beeinflusst werden, die in einer Pflanze während der Phase ihres Wachstums angereichert werden.
Im Fall des Mangels an einem bestimmten chemischen Element unterscheidet sich die Menge dieses Elements in eher entwickelten und sich gerade entwickelnden Blättern. Die Pflanze kompensiert diesen Mangel an jedem chemischen Element auf unterschiedliche Weise: indem etwas von den fehlenden Elementen von älteren Blättern auf Jüngere überführt werden: einige Elemente werden jedoch vollständig überführt, oder sie verbleiben in den älteren Blättern. Deshalb unterscheiden sich die chemischen Gehalte in jüngeren und älteren Blättern, und auch die Spektren des von diesen Blättern reflektierten Lichts sind unterschiedlich.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in der Lage, die Messungen der Spektrendifferenzen des von unterschiedlichen Blättern reflektierten Lichts durchzuführen:

– zwischen den älteren und jüngeren Blättern derselben Pflanze (indem die Unterschiede zwischen vier Blättern gleichzeitig verglichen werden). Dies erlaubt es zu bewerten, welche Blätter noch in der Vegetation sind, und welche Blätter Chlorophyll produzieren, und wie effektiv das Chlorophyll synthetisiert wird.
– um die Blätter der getesteten Pflanze mit der gesunden Pflanze zu vergleichen. Der Vergleich ist möglich zwischen den jüngsten Blättern (1A), bei denen sich Pigmente entwickeln, und den älteren Blättern (1B, 1C, 1D), die bereits begonnen haben, Chlorophylle zu synthetisieren.
– die Ergebnisse der Messung des Spektrums des Lichts einer gesunden Pflanze können in den Speicher einer Vorrichtung aufgenommen (oder in einen Computer überführt) und als Referenzspektrumdaten für weitere Messungen verwendet werden.

Der technische Vorteil des neuartigen Verfahrens besteht in der Möglichkeit, instrumentelle Fehler (in Folge der Differenzen von einigen Ereignissen Messkanäle und deren Wandern und die Ungleichmäßigkeit der Amplituden der Spektren des Lichts der Lichtleiter) zu minimieren, indem die Messung der Spektraldifferenz ausgeführt wird. Für eine vollständige Minimierung dieser instrumentellen Fehler führt man die Kalibrierung der Nullpunktwanderung und Differenz einiger Ereignisse der Messkanäle unter Verwendung von Blättern aus schwarzem und weißem Papier durch.
Erfindungsgemäß hängen mit dem Aufbau der Vorrichtung weitere wichtige Eigenschaften wie folgt zusammen:

• Eine RGBA-LED zusammen mit einer zusätzlichen Infrarot-LED und Ultraviolett-LED werden verwendet, um den Messbereich des Lichtspektrums bis 1100 nm zu erweitern. Indem LEDs mit den elektronischen Schaltkreisen gesteuert werden, ist es möglich, das Lichtspektrum von 400 nm bis 1100 nm zu bilden. Dies vereinfacht den Aufbau der Vorrichtung, weil nur wenige (bis zu drei) Dioden verwendet werden. Gegenüber anderen Erfindungen ist es nicht notwendig, ein LED-Feld mit einer hohen Anzahl von LEDs (üblicherweise > 3) mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen zu verwenden und optische Filter mechanisch zu ändern (keine sich bewegenden Teile). Die Linse 5 wird zum zusätzlichen Mischen von Licht aus RGBA-, Infrarot- und Ultraviolett-LEDs verwendet.
• Das von den Lichtquellen (zu den Blättern) abgestrahlte Licht und das von den Blättern (zu den Fotozellen) reflektierte Licht werden mit Hilfe der flexiblen optischen Leiter (z. B. Glasfasern) geleitet. Eine solche Verwirklichung minimiert direkten (störenden) Lichteinfall von den Lichtquellen in die Fotozellen. Der Lichtleiter, der das von dem Blatt reflektierte Licht aufnimmt, wird so positioniert, dass von dem einstrahlendem Lichtleiter abgestrahltes störendes Licht vermieden wird. Die Kammer zur Unterbringung eines Blatts hat innen schwarze Wände, die das eingestrahlte Licht absorbieren. Die Kammer ist optisch von jedweder externen Lichtquelle isoliert. Die Anwendung der flexiblen Lichtfasern erlaubt das Leiten des Lichts von einer Lichtquelle zu wenigen Messkammern. Dies erlaubt es, eine simultane Messung des von mindestens zwei Blättern reflektierten Lichts durchzuführen und die Spektrendifferenz des Lichts zu berechnen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10148737 [0006]
US 2005/072935 [0007]
WO 99/35485 [0008, 0008]
DE 10002880 [0010]
JP 2006/250827 [0011]
US 6567537 [0012]
WO 2009/007269 [0013]
US 6683970 [0015, 0015, 0015, 0015]

Claims

Verfahren zur Diagnose der Wachstumsbedingungen einer Pflanze, umfassend Einrichtungen zur Bestrahlung eines Blatts mit sichtbarem oder Infrarotlicht, Analyse des Lichtspektrums und Ändern der Wellenlänge des Lichts, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Blätter mit unterschiedlichem Alter zur Analyse der Spektren des von den mindestens zwei Blättern reflektierten Lichts genommen werden; die Differenz zwischen den Lichtspektren als Funktion der Wellenlänge berechnet wird; Spektrendifferenzen von reflektiertem Licht von Blättern mit unterschiedlichem Alter einer getesteten Pflanze mit Spektrendifferenzen von reflektiertem Licht von Blättern mit unterschiedlichem Alter einer Vergleichspflanze, die bei optimalen Bedingungen gewachsen ist, verglichen werden; gemäß den gemessenen Spektrendifferenzen ein Mangel an chemischen Elementen, der während der Vegetationsperiode vorgelegen hat, bestimmt wird.
Verfahren zur Diagnose der Wachstumsbedingungen einer Pflanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Leuchtdiode abgestrahltes Licht mit Hilfe von Lichtleitern zum Blatt einer Pflanze geleitet wird.
Vorrichtung zur Diagnose der Wachstumsbedingungen einer Pflanze, die eine Kammer zum Unterbringen des Blatts zum Testen, eine Leuchtdiode zur Bestrahlung des Blatts einer Pflanze, eine Fotozelle zur Lichterfassung, einen Verstärker, einen Analog/Digital-Wandler und einen Mikrokontroller zur Datenverarbeitung und -speicherung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei Dunkelkammern zur Unterbringung von Blättern einer Pflanze, mindestens zwei Leuchtdioden mit elektronischen Steuerkreisen für jede Kammer und mindestens zwei Fotozellen zur Erfassung des von den Blättern reflektierten Lichts aufweist, wobei der Mikrokontroller die Fähigkeit hat, Messungen der Differenzen der Spektren des von Blättern, die in mindestens zwei getrennten Kammer untergebracht sind, reflektierten Lichts durchzuführen.
Vorrichtung zur Diagnose von Wachstumsbedingungen einer Pflanze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das von einer Leuchtdiode abgestrahlte Licht mit Hilfe von Lichtleitern zum Blatt einer Pflanze geleitet wird.
Vorrichtung zur Diagnose der Wachstumsbedingungen einer Pflanze nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Mischen des von den Quellen für sichtbares und Infrarotlicht abgestrahlten Lichts eine optische Linse verwendet wird.
Vorrichtung zur Diagnose der Wachstumsbedingungen einer Pflanze nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung vier Dunkelkammern zur Unterbringung der Blätter zum Testen und vier Leuchtdioden mit elektronischen Steuerkreisen für jede Kammer und auch vier Fotozellen zur Erfassung des von den Blättern reflektierten Lichts aufweist.
Vorrichtung zur Diagnose der Wachstumsbedingungen einer Pflanze gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mittels weißer und schwarzer Blätter von Referenzpapier kalibriert ist.