title: Water status measurements on agricultural crops using THz spectroscopy
title: Wasserstatusüberwachung an Nutzpflanzen mittels THz-Spektroskopie
title: Wasserstatusüberwachung an Nutzpflanzen mittels THz-Spektroskopie
Creators: name: Gente, Ralf
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: spectroscopy
Pflanzenphysiologie
Terahertzbereich
Physics
Physik
THz , Zeitbereichsspektrokopie
drought
THz
Spektroskopie
plant physiology
Nutzpflanzen , Wassermangel

description: Das Grundprinzip der
      zerstörungsfreien, nicht-invasiven Messung des
      Blattwassergehalts mittels THz- und Sub-THz-Strahlung basiert
      darauf, dass Strahlung in diesem Frequenzbereich durch
      flüssiges Wasser wesentlich stärker absorbiert wird als durch
      die sonstigen Bestandteile eines Blattes. Die durch das Blatt
      transmittierte Signalamplitude hängt also maßgeblich von
      dessen Wassergehalt ab. Die Messung selbst erfordert keinen
      mechanischen Kontakt zum Blatt, allerdings ist es zweckmäßig,
      das Blatt so zu befestigen, dass es möglich wird, die
      Messungen reproduzierbar an derselben Stelle auf dem Blatt
      auszuführen. Zur Durchführung von Langzeit-Messreihen mit
      verschiedenen Nutzpflanzen wurde ein Laboraufbau realisiert,
      der Experimente mit mehreren Pflanzen gleichzeitig
      ermöglicht. In diesem Versuchsaufbau kommt ein
      fasergekoppeltes THz-Zeitbereichsspektrometer zum Einsatz,
      dessen Emitter und Detektor zusammen mit den THz-Optiken in
      Form eines kompakten Messkopfes am Arm eines Goniometers
      montiert sind. Die untersuchten Pflanzen sind in einer
      kreisförmigen Anordnung aufgestellt, so dass diese durch
      einen automatisierten Bewegungsablauf des motorisierten
      Goniometerarms erreicht werden können. Mit diesem
      Versuchsaufbau wurden Messungen mit verschiedenen
      Nutzpflanzen durchgeführt. Durch die gleichzeitige Erfassung
      des Gewichts der Töpfe mit den Pflanzen kann ein Bezug
      zwischen der Wasserversorgung der Pflanzen und deren
      Blattwassergehalt hergestellt werden. Im Vergleich zwischen
      Roggen und Hafer lässt sich so ein signifikanter Unterschied
      feststellen, was die Mindestmenge der Wasserversorgung
      betrifft, deren Unterschreiten zum Austrocknen der Pflanzen
      führt, was sich in einem Anstieg der Amplitude des durch das
      Blatt transmittierten THz-Signals zeigt. Wenn eine Pflanze
      nach dem Aussetzen der Bewässerung wiederbewässert wird,
      zeigt sich, ob das untersuchte Blatt sich vom Trockenstress
      wieder erholen kann. Sofern dies der Fall ist, fallen die
      unter Trockenstress angestiegenen THz-Messwerte wieder auf
      ihr ursprüngliches Niveau, auf dem sie sich vor dem
      Austrocknen des Blattes befanden. Es konnte nachgewiesen
      werden, dass ein Zusammenhang besteht zwischen dem durch die
      THz-Messungen festgestellten Wassergehalt eines Blattes zum
      Zeitpunkt der Wiederbewässerung und seiner Fähigkeit, sich
      nach der Wiederbewässerung zu erholen. Im Fall von
      Maispflanzen lassen sich die in dieser Hinsicht gemachten
      Beobachtungen in drei nach dem Grad der Austrockung der
      Blätter gestaffelte Gruppen einteilen, die dadurch
      gekennzeichnet sind, ob die Blätter sich vollständig, nur
      kurzzeitig oder gar nicht erholen. Es lässt sich so für die
      Messwerte eine Schwelle finden, bis zu der eine vollständige
      Erholung des Blattes sehr wahrscheinlich ist und nach deren
      Überschreiten unwahrscheinlich wird. Bei Messungen an
      Sojapflanzen wurden zudem parallel Messungen mit einem
      Photosynthese-Messsystem durchgeführt, deren Ergebnisse in
      sinnvoller Übereinstimmung mit den THz-Messungen sind. Zur
      Bestimmung des Blattwassergehalts als Volumen- oder
      Gewichtsanteil kann ein Modell verwendet werden, welches das
      Blatt als effektives Medium beschreibt, das sich aus einer
      Mischung aus Wasser, Trockenmasse und Luft zusammensetzt.
      Eine weitere Einsatzmöglichkeit der
      THz-Zeitbereichsspektroskopie im Bereich der Nutzpflanzen
      stellt die Qualitätskontrolle von Saatgut dar. Am Beispiel
      von Zuckerrübensamen wurde gezeigt, dass sich mittels
      THz-Messungen mit hoher Zuverlässigkeit bestimmen lässt, ob
      die Samen einen für ihre Keimfähigkeit notwendigen Embryo
      enthalten oder nicht. Eine Möglichkeit, die Kosten und die
      Komplexität eines THz-Spektrometers zu reduzieren, stellt die
      THz-Quasi-Zeitbereichsspektroskopie dar, die an Stelle eines
      modengekoppelten Kurzpulslasers eine einfache
      Multimode-Laserdiode verwendet. Mit einem solchen
      THz-Quasi-Zeitbereichsspektrometer wurden Messungen an
      Pflanzen ausgeführt, die in guter Übereinstimmung mit den
      Messreihen mit dem fasergekoppelten
      THz-Zeitbereichsspektrometer sind. Zudem wurde das
      THz-Quasi-Zeitbereichsspektrometer zu einem kompakten,
      vergleichsweise einfach zu transportierenden Messsystem
      weiterentwickelt, das im Freien verwendet werden kann. In dem
      Fall, dass nicht ein einzelnes Blatt untersucht werden soll,
      sondern ein größerer Teil einer Pflanze, kann dies durch die
      Verwendung etwas größerer Wellenlängen im
      Sub-THz-Frequenzbereich realisiert werden. Bei Messungen bei
      einer Frequenz von 35 GHz mit einer Gruppe von unter
      Trockenstress stehenden Gerstenpflanzen und einer regelmäßig
      bewässerten Kontrollgruppe war die Austrocknung der Pflanzen
      unter Trockenstress in den Messungen deutlich feststellbar
      und die beiden Gruppen waren klar voneinander zu
      unterscheiden. Die durchgeführten Arbeiten zeigen also, dass
      je nach angestrebtem Einsatzzweck verschiedene auf THz- und
      Sub-THz-Strahlung basierende Verfahren zur Bestimmung des
      Wasserstatus von Nutzpflanzen zur Verfügung stehen.
description: The basic principle of the
      non-destructive and non-invasive measurement of a plant's
      leaf water content by the means of THz and sub-THz radiation
      is based on the high contrast in absoption between liquid
      water and the leaves' other components in this frequency
      range. Thus the amplitude of the signal that is transmitted
      trough the leaf is strongly correlated to its water content.
      While the measurement itself is contacless, it can be
      convenient to fix the leaf in a sample holder that keeps the
      leaf in a defined position. To conduct long-term measurements
      on agricultural crop plants a laboratory setup was
      constructed which can be used for experiments with several
      plants at the same time. In this setup a fiber-coupled THz
      time domain spectrometer is used with the THz emitter and
      detector and the THz optics intergrated as a compact
      measurement head which is mounted on the motorized arm of a
      goniometer. The plants under examination are placed in a
      circular arrangement so that they can be reached by the
      automated movement of the measurement head. Using this setup
      measurements on several different crops were performed. In
      contrast to hand-operated experiments a continuous and
      comparably high rate of one measuement per plant per hour is
      achieved. Thus, a detailed view on changes in leaf water
      content is possible, revealing for example changes between
      day and night. By logging the weight of the plants' pots
      during the experiment the leaf water content can be seen in
      conjunction with the plants' water supply. The comparison
      between rye and oat shows a significant difference regarding
      the minimum amount of water needed by the plants before they
      start to dry out resulting in an increase of the transmitted
      THz signal. When such a stressed plant is rewatered, it may
      or may not recover. If it does, the amplitude of the THz
      signal will return back to its initial level. If the leaf is
      not able to recover any more, it will dry out despite of the
      irrigation until nearly the complete THz signal is
      transmitted through it. The experiments show that a
      correlation exists between the water content that is
      determined by the THz measurements at the moment of
      rewatering and the ability of the leaf to recover. In the
      case of corn the observations made during the experiments in
      this regard can be divided into three groups. Depending on
      how far the drought of the leaves has proceeded they are
      either able to recover completely, only temporarily or not at
      all. Similar observations are made with soy plants. However,
      these are only found to either recover completely or not at
      all. Therefore, a threshold can be found that decides whether
      the recovery of the leaf after rewatering will be likely or
      not. For determining the leaf water content as a volumetric
      or gravimetric fraction, a model based on an effective medium
      theory can be used describing the leaf as a mixture of water,
      solid material and air. By fitting this model to the measured
      THz spectra the fractions of these three components can be
      determined. The comparison to gravimetric measurements which
      were conducted in parallel shows that this method leads to
      realistic results. Another application of THz spectroscopy in
      the field of agriculture is the quality control of seeds.
      Measurements with sugar beet seeds in a THz time domain
      spectrometer were performed and based on the results of these
      measurements a good prediction rate of whether a seed
      contains an emryo that is needed for the seed to sprout or
      not is achieved. A great reduction of the overall costs and
      complexity of a THz time domain spectrometer can be achieved,
      when the modelocked fs-laser is replaced by a simple
      multimode laser diode. Measurements on plants under drought
      stress which were conducted with such a THz quasi time domain
      setup are in good agreement with the measurements with the
      fiber-coupled THz time domain setup. Aditionally, based on
      the THz quasi time domain spectrometer a comparably compact
      and portable setup that can be used in the field was built.
      In order to perform measurements not only on one leaf but on
      a larger part of a plant longer wavelengths in the sub-THz
      frequency range can be used. In a measurement series at a
      frequency of 35 GHz barley plants under drought stress were
      compared to a well-irrigated control group. Both groups could
      be clearly distinguished in the results of the measurements.
      The measurement setup is constructed in a way that captures
      not only the radiation that is transmitted trough the plant
      but also the parts which are scattered on the plant’s
      surface. From the measured values the water content of the
      plants can be calculated as the absolute amount of water in
      gramms as wells as the gravimetric fraction in percent. To
      sum up, the different experiments that are described above
      show that, depending on the intended use, several different
      possibilities exist how radiation in the THz and sub-THz
      frequency range can be used for water status measurements on
      agricultural crop plants.