测量植物的蒸腾作用的设备和方法

摘要

本发明涉及一种用于确定物体(1)，特别是植物叶片或植物针叶的蒸腾作用速率的设备(100)和方法。本发明包括以下步骤：确定物体(1)的表面上的温度和参考体(2)的表面上的温度之间的第一温度差，以及物体(1)的表面上的温度或参考体(2)的表面上的温度和与其间隔开的相应测量点(M1、M2)处的温度之间的第二温度差，从而最终由此计算物体的蒸腾作用速率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定物体(例如植物叶片或植物针叶)的蒸腾速率的设备，以及对应的方法。

背景技术

蒸腾作用是植物中的一个基本生理过程。蒸腾作用速率(即在一段时间内蒸腾的水量)是植物的水分平衡中的一个基本参数，并且因此在诸如灌溉控制、智能农业和研究的应用中有很重要的意义。蒸腾作用速率强烈依赖于植物种类和植物的灌溉状态。对于山毛榉，典型的蒸腾作用速率范围是0.2-4.0mmol*m^-2*s^-1，而对于云杉，典型的蒸腾作用速率范围是0.1-1.0mmol*m^-2*s^-1。

蒸腾作用可以用不同的方法测量。最简单的方法例如是蒸渗仪。在这里，与植物盆一起立在秤上的植物的重量的变化是连续确定的。重量的减少被视为蒸腾作用。

另一个重要的方法是测定木质部流量(US 4,745,805,DE 10222640,US 5,269,183 A)。

蒸渗仪和木质部流量都表明植物整体的蒸腾作用。然而，了解所讨论的实际部位处(即，在叶片水平上)的水消耗的直接植物衍生调节对于上述应用具有重要价值。然而，由于技术原因，关于叶片水平上的蒸腾作用的更精确的信息不能从蒸渗仪数据或木质部流量数据中得到。

最常见的用于测定叶片水平上的水释放的方法是使用气体比色皿进行气体交换测量。相应的蒸腾作用器官或物体(叶片、针叶或树皮)在这里被封闭在透明容器中。测定容器的空气或排出空气中的湿度上的增加，并由所测定的值计算每叶片面积的蒸腾作用(参见DE3032833C2)。这种方法的缺点是所考察的蒸腾作用器官的自然物理环境上的显著变化。由于环境物理条件上的这种变化，与实际蒸腾作用的较大偏差是无法避免的。

一种已知的方法(然而在过去很少考虑)是测量叶片和非蒸腾参考体之间的温度差(Delta-T(参考叶片))。在蒸腾作用期间，叶片中的水分变成气体形式，并从而使叶片冷却，而这种冷却并不发生在参考体内。因此，两者之间的温度上的差异反映了蒸腾作用的强度(Impens I.I.等：Diffusive resistances at,and transpiration rates from leavesin situ within the vegetative canopy of a corncrop.Plant physiology，1967年，第42卷，第1期，第99-104页)。

使用例如热电堆来测量温度差(Haines,F.M.：Transpiration and PressureDeficit,III.Observations by the Thermopile Method.Annals of Botany，1936年，第1期，第1-22页)。近年来，已经借助于热像图来执行温度测量(Garbe,C.,Schurr,U.,&Jaehne,B.:Thermographic measurements on plant leaves.2002年，Proc.SPIE，第4710卷，第407-416页)。

Delta-T(参考叶片)方法只在周边自然条件上造成很小的干扰，并且因此允许在实际条件下连续测量蒸腾作用。该方法的另一个重要优点是其相对简单且成本划算的实施。尽管有上述优点，但是这种方法在实践中并没有广泛使用。其中一个原因是测量信号的复杂解释，这是由于测量信号与环境因素的相互作用引起的，特别是与叶片表面上的风的相互作用。很明显，Delta-T(参考叶片)受到风的影响。在相同的蒸腾作用速率下，较强的风将导致较小的温度差Delta-T(参考叶片)。因此，只有在额外测量叶片表面上的风速度的情况下，才可能实际应用Delta-T(参考叶片)方法。然而，到目前为止，这是不可能通过合理措施来实现的。

发明内容

可以看出，本发明的目的在于通过在结构方面上最简单可行的手段来提供一种用于可靠地确定物体的蒸腾作用速率的设备和方法。

该目的是通过具有根据权利要求1的特征的设备和具有权利要求5的特征的方法来实现的。从属权利要求中规定了本发明的进一步的有利发展方案。

本发明基于以下令人惊讶的想法：除了用于比较物体(或样品)和理想的无蒸腾作用参考体的第一温度差之外，还确定所述物体或参考体的表面上的温度和与其间隔开的测量点之间的第二温度差。这个第二温度差现在被用作与所述物体的表面上的风速成比例的度量，以便能够基于两个测量的温度差来测定物体的蒸腾作用速率。用于记录或计算第一温度差和第二温度差的数据记录器可以是计算机。替代地，数据记录器可以专门提供记录功能，并且可以例如连接到计算机以用于评估数据。

优选地，该设备包括用于测量温度的温度传感器，特别是热敏电阻。

替代地，相应的热电偶(比如热电堆)然而可以用于测量第一温度差和/或第二温度差，这种类型的热电堆在例如DE 102015120899A1中被描述过。因此，本发明提供了直接测量温度差的可能性，而不是测量绝对温度。

根据有利的实施例，补偿体热连接到热电堆。该补偿体应该具有中至高的导热性。它允许测量物体的表面的较大区域的平均温度，而不是局部温度，并且这可能是有利的，特别是对于具有不均匀热属性的物体。

本发明还涉及一种用于确定物体的蒸腾作用速率的方法。该方法包括下述步骤：

-确定物体的表面上的温度和参考体的表面上的温度之间的第一温度差，

-确定物体的表面上的温度和与该物体的表面间隔开的第一测量点处的温度之间的第二温度差，或者参考体的表面上的温度和与参考体的表面间隔开的第二测量点处的温度之间的第二温度差，

-考虑第一温度差和第二温度差，确定物体的蒸腾作用速率。

因此，可以说，第二温度差被用作物体或参考体的表面与环境空气之间的边界处的风速的指标，使得独立于相应的吹过的风速可以结合第一温度差来确定叶片的蒸腾作用速率。

在考虑到校准来确定物体的蒸腾作用速率时，这将是有利的。这种校准可以基于例如物体或对比物体的蒸腾作用速率或蒸腾作用的重量测量来进行。为此，可以想象在尽可能精确的秤上放置测量装置，以便通过重力分析(即通过重量的变化)来测量水分损失以及由此的蒸腾作用，并同时测量两个温度差。根据这些测量数据随时间的变化或发展，蒸腾作用的参数可以通过示例被确切地测定或者被统计地测定。

在校准期间，叶片/针叶分支的通过重量分析确定的蒸腾损失(单位为kg水/单位时间，除以H

当第一测量点与物体的表面间隔开10cm的最大距离时，或者当第二测量点与参考体的表面间隔开10cm的最大距离时，这被证明是有利的。以这种方式，确保了分别在物体和参考体的位置处对风速的测量将被实际考虑。

当使用的物体是植物叶片或植物针叶时，该方法将是特别合适的。然而，该方法还可以应用于其他蒸腾物体。

对于特别精确的测量，当物体和参考体在它们的几何形状、它们的光特性和/或它们的热特性方面尽可能相似时，这将是有利的。具体而言，该方法可以在物体和参考体在尺寸、体积、特定波长处或特定波长范围内的吸收系数、它们的热容和/或它们的导热系数方面每个情况下彼此差异最大20％(优选地最大10％)时实现。

附图说明

在下文中，将基于附图更详细地解释本发明的有利实施例。各图示出了：

图1是第一实施例的示意图；

图2是第二实施例的示意图；

图3是第三实施例的示意图；并且

图4是第四实施例的示意图；

在所有附图中，相同的部件设置有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了用于确定物体1的蒸腾作用速率的第一设备100，该物体是可以例如放在或附接到载体T上的植物叶片1。

参考体2与叶片1在几何形状以及光和热特性方面相似，但是不会蒸腾，该参考体放置在距叶片1几毫米至最大约50cm的距离处。在本发明的背景中，短语“在几何形状以及光和热特性方面与叶片相似”意味着物体1和参考体2在尺寸、在特定波长或特定波长范围内的吸收系数、其材料的热容和/或其材料或其表面的导热系数方面在每个情况下彼此差异最大20％，优选地最大10％。例如，参考体2的尺寸D2可以与物体1的对应尺寸D1偏差高达20％。例如，在所讨论的尺寸具有较大值的情况下，该偏差可以被认为是以相应的物体1、2为基础。目的是参考体2和物体1在一个或更多个特征方面尽可能相似。但是，这不适用于蒸腾作用。举例来说，理想地，参考体2根本不进行蒸腾，即它不包含任何水分。在根据图1的实施例中，参考体2被放置在它自己的载体上，然而该载体是可选的或者也可以是用于物体1的同一载体T。

叶片1处的温度(Tl)、参考物处的温度(Tr)以及接近所述叶片处的温度(Tla)或接近参考物处的温度(Tra)的温度现在优选地并行测量。Delta-T(参考叶片)是由温度Tl和温度Tr之间的差异造成的。Tl和Tla以及Tr和Tra之间的温度差显示了边界层处的空气被风移除的强度。因此，它相应地是叶片1和参考物2的边界表面处/环境空气的风速的指标。叶片1的蒸腾作用速率可以用以下等式计算:

W＝f(Delta-T(参考叶片)，(Tr-Tra))或

W＝f(Delta-T(参考叶片)，(Tl-Tla))

这些等式的参数可以在实际测量(例如以校准的形式)之前通过重力分析来确定。当设备被放置在非常精确的秤上，并且蒸腾作用和四个温度因此被通过重力分析(即，经由一段时间内的重量损失)来并行地测量时，所述参数可以借由示例被确切地确定或者统计地确定。

该等式的具体示例可以如下所示:

W＝a+b*(Tr-Tl)+c*(Tl-Tla)+d*(Tr-Tra)

在可变的环境条件(辐射、空气温度、湿度)下，经由在云杉上的重量分析对比测量来确定的用于校准函数的参数

校准函数的确定系数Rsq：94.4％

a＝+0.000274455

b＝+0.452055039

c＝-0.005186585

d＝-0.000632594

图1中的设备100包括第一装置101，其用于测定物体1的表面1a上的温度和参考体2的表面2a上的温度之间的第一温度差。该第一装置101包括第一温度传感器9和第二温度传感器7，所述第一温度传感器接触载体T或者甚至更好地直接接触物体1的表面1a并测量后者的温度Tl，所述第二温度传感器直接测量参考体2的表面2a上的温度。此外，设备100包括用于测定第二温度差的第二装置102。为此，图1中示出了两种不同的变型。在一个变型中，第二装置102包括用于测量物体1的表面1a上的温度的第一温度传感器9和在第一测量点M1处的另一温度传感器8。这里，第一测量点M1与第一温度传感器9间隔开，然而该距离优选不大于10cm。在这种装置102的情形下，所确定的第二温度差是由两个温度传感器8、9测量的温度之间的差。

在第二变型中，装置102包括用于测量参考体2的表面2a上的温度的温度传感器7以及测量第二测量点M2处的温度的另一温度传感器6。该第二测量点M2与温度传感器7和参考体2的表面2a间隔开，然而该距离优选不大于10cm。

在图1中，叶片1和参考体2之间的温度差Delta-T(参考叶片)通过温度传感器7(Tr)和9(Tl)测量。接近叶片的温度(Tla)和接近参考体的温度(Tra)用另外两个温度传感器6、8测量。数据经由电缆3传输到数据记录器4。温度记录器4可以是计算机。

图2示出了另一种可能的实施例。代替使用温度传感器进行绝对测量，这里使用具有绕组12的热电堆11来直接测量温度差。热电堆11记录若干个测量点，并因此考虑叶片1的热不均匀性。参考体2和接近参考体的空气之间的温度差(Tr-Tra)通过用作温度传感器6和7的两个热敏电阻测量。

显然，温度传感器7和6还可以放置在叶片1的一侧上。由于不同的热特性，校准曲线将会不同。

类似于用于叶片的传感器，类似的传感器可以被生产成用于具有针形叶片1(作为物体)的植物种类。图3示出了针形叶片的可能的变型中的一种。这里，具有绕组12的热电堆11的测量点布置在参考体2上，该参考体具有与针叶1的热特性相似的热特性。热电堆11的另一侧插入到针叶簇1中，它在若干个点处测量针叶簇1的内部中的温度。参考体处的绝对温度(Tr)和接近参考体的空气中的绝对温度(Tra)由温度传感器6和7测量。

对于具有不均匀热特性的叶片1和针叶1，图2和3中的热电堆11可能仅难以精确测量正确的叶片温度。在这种情况下，补偿体10附接至叶片的一侧，如可以在图4中看到的。补偿体10具有尽可能好的热导率，并反映叶片1或针叶1的平均温度，并将其传输到热电堆11。