Η φασματοσκοπία πεδίου χρόνου Terahertz επιτρέπει την ανέπαφη παρακολούθηση της κατάστασης του νερού της αμπέλου

• ¹ Τμήμα Αγροτικής Παραγωγής, Universidad Pública de Navarra, Παμπλόνα, Ισπανία
• ² Τμήμα Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών, Universidad Pública de Navarra, Παμπλόνα, Ισπανία

Η γεωργία είναι ο τομέας με τη μεγαλύτερη κατανάλωση νερού, καθώς η παραγωγή τροφίμων βασίζεται συχνά στην άρδευση των καλλιεργειών. Η σωστή διαχείριση της άρδευσης απαιτεί αξιόπιστες πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση του νερού των φυτών, αλλά όλες οι φυτικές μέθοδοι για τον προσδιορισμό της υποφέρουν από αρκετές δυσκολίες, που προκαλούνται κυρίως από την ανάγκη καταστροφικής δειγματοληψίας ή από αλλοίωση του οργάνου του φυτού λόγω εγκατάστασης επαφής. Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι να ελεγχθεί εάν οι μετρήσεις ανάκλασης του πεδίου χρόνου terahertz (THz) που γίνονται στον κορμό αμπέλου επιτρέπουν την ανέπαφη παρακολούθηση της κατάστασης του φυτού. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε φυτό 14 ετών σε γλάστρα, χρησιμοποιώντας κεφαλή δέκτη εκπομπού THz γενικής χρήσης. Το σήμα ανάκλασης στον τομέα χρόνου κορμού THz αποδείχθηκε πολύ ευαίσθητο στις αλλαγές στη διαθεσιμότητα νερού της εγκατάστασης, καθώς το πρότυπο του ακολουθεί την τάση της περιεκτικότητας σε νερό του εδάφους και των διακυμάνσεων της ανάπτυξης του κορμού. Επομένως, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανέπαφη παρακολούθηση της κατάστασης του νερού της εγκατάστασης. Εκτός από αυτό, το σήμα ανάκλασης THz παρατηρήθηκε ότι ανταποκρίνεται σε συνθήκες φωτός, οι οποίες, σύμφωνα με ένα ειδικά σχεδιασμένο πείραμα ζωνών, προκλήθηκαν από αλλαγές στο φλοίωμα. Αυτό το τελευταίο αποτέλεσμα ανοίγει ένα πολλά υποσχόμενο πεδίο έρευνας για την ανέπαφη παρακολούθηση της δραστηριότητας του φλοίματος.

Εισαγωγή

Η γεωργία, και ιδιαίτερα η αρδευόμενη γεωργία, είναι ο τομέας με τη μεγαλύτερη κατανάλωση νερού σε παγκόσμια κλίμακα (Frenken και Gillet, 2012). Από τεχνική άποψη, η σωστή διαχείριση της άρδευσης απαιτεί αξιόπιστες πληροφορίες για την κατάσταση του νερού των φυτών για να υποστηρίξει τους καλλιεργητές να λάβουν γρήγορες και αποτελεσματικές αποφάσεις (Naor, 2006). Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες πηγές πληροφοριών για τη λήψη αποφάσεων είναι (i) η εκτίμηση της κατανάλωσης νερού από κλιματικά δεδομένα, (ii) η μέτρηση της περιεκτικότητας ή διαθεσιμότητας σε νερό του εδάφους και (iii) η μέτρηση της κατάστασης νερού των φυτών ή (iv) η δραστηριότητα (Jones , 2004), όντας οι δύο τελευταίες πηγές οι πιο αξιόπιστες αφού οι πληροφορίες συλλέγονται απευθείας από το εργοστάσιο.

Ιδανικά, οι μέθοδοι εκτίμησης της κατάστασης του νερού για τη λήψη αποφάσεων άρδευσης θα πρέπει να είναι ευαίσθητες στις αλλαγές στην κατάσταση του νερού των φυτών και να επιτρέπουν την έγκαιρη ανίχνευση της υδατικής καταπόνησης που επιτρέπει στον καλλιεργητή να προσαρμόσει το καθεστώς άρδευσης πριν συμβεί σημαντική απώλεια απόδοσης ή ζημιά. Ωστόσο, δεν θα πρέπει επίσης να συνεπάγεται καταστροφική δειγματοληψία, να επιτρέπει την αυτοματοποίηση και επίσης να είναι εύκολη και φθηνή στην εφαρμογή. Τις τελευταίες πέντε δεκαετίες, υπήρξε μια αξιοσημείωτη ανάπτυξη μεθόδων, καθώς καμία από τις διαθέσιμες δεν ανταποκρίνεται σε αυτές τις απαιτήσεις. Για παράδειγμα, το δυναμικό νερού των φύλλων που μετρήθηκε με τη βόμβα πίεσης Scholander (Scholander et al., 1965) θεωρείται η μέθοδος αναφοράς από τους φυτοφυσιολόγους και τους γεωπόνους. Αυτό συμβαίνει επειδή παρέχει μια σχετικά γρήγορη, ευέλικτη και κατανοητή εκτίμηση της κατάστασης του νερού των φυτών, αλλά οι μετρήσεις είναι καταστροφικές και δεν μπορούν να αυτοματοποιηθούν. Αντίθετα, αυτοματοποιήσιμες και μη καταστρεπτικές μέθοδοι όπως η μέτρηση της ροής του χυμού ή η διακύμανση της διαμέτρου του κορμού του φυτού (TDV) απαιτούν σχετικά περίπλοκες ρυθμίσεις, επιδέξια συντήρηση και μια σχετικά περίπλοκη ερμηνεία δεδομένων (Braun, 1997; Fernandez and Cuevas, 2010; Vandegehuchte and Steppe , 2013). Κατά συνέπεια, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη νέων μεθόδων που επιτρέπουν μια εύκολη, οικονομικά προσιτή και ακριβή μη καταστροφική εκτίμηση της κατάστασης του νερού των φυτών.

Η ζώνη συχνοτήτων terahertz (THz), το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος μεταξύ των κλασικών μικροκυμάτων (3 mm, 100 GHz) και των υπέρυθρων (30 μm, 10 THz), γίνεται σιγά-σιγά πιο σημαντική τεχνολογικά λόγω του αυξανόμενου αριθμού ελκυστικών εφαρμογών που μπορεί να αναπτυχθεί δυνητικά, π.χ. ιατρική (ανίχνευση καρκίνου του δέρματος, ανίχνευση τερηδόνας,…), ασφάλεια και επιτήρηση (ανίχνευση κρυμμένων όπλων ή εκρηκτικών, ανίχνευση αερίων,…), αμπελοκαλλιέργεια (έλεγχος της κατάστασης της αμπέλου), τομέας τροφίμων, χώρος , και αεροναυπηγική, βιομηχανική, παθητική τομογραφία απεικόνισης και διερεύνηση πρωτεϊνικής στη φαρμακευτική βιομηχανία. Από την άλλη πλευρά, την τελευταία δεκαετία, η φασματοσκοπία πεδίου χρόνου terahertz (THz-TDS) έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα πολύ ισχυρό και ακριβές εργαλείο για τον χαρακτηρισμό και την απεικόνιση διαφόρων υλικών (για ανασκόπηση, βλέπε Jepsen et al., 2011). Το THz-TDS είναι μια ισχυρή φασματοσκοπική τεχνική που επιτρέπει τη χρονικά επιλυμένη μέτρηση της αλληλεπίδρασης φωτός-ύλης με ευρυζωνικούς και ισχυρούς παλμούς THz. Σε αντίθεση με άλλες φασματοσκοπίες, οι πληροφορίες πλάτους και φάσης ανακτώνται απευθείας σε μία μόνο σάρωση, καθιστώντας το THz TDS ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της απορρόφησης και της δυναμικής απολαβής σε πολλά διαφορετικά είδη υλικών. Οι πληροφορίες χρόνου επιτρέπουν περαιτέρω ανάκτηση πληροφοριών βάθους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλούς διαφορετικούς κλάδους για τομογραφική απεικόνιση, η οποία επιτρέπει την ανάκτηση συγκεκριμένων πληροφοριών που προέρχονται από το εσωτερικό του υλικού. καθιστώντας το THz TDS ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της απορρόφησης και της δυναμικής απολαβής σε πολλά διαφορετικά είδη υλικών. Οι πληροφορίες χρόνου επιτρέπουν περαιτέρω ανάκτηση πληροφοριών βάθους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλούς διαφορετικούς κλάδους για τομογραφική απεικόνιση, η οποία επιτρέπει την ανάκτηση συγκεκριμένων πληροφοριών που προέρχονται από το εσωτερικό του υλικού. καθιστώντας το THz TDS ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της απορρόφησης και της δυναμικής απολαβής σε πολλά διαφορετικά είδη υλικών. Οι πληροφορίες χρόνου επιτρέπουν περαιτέρω ανάκτηση πληροφοριών βάθους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλούς διαφορετικούς κλάδους για τομογραφική απεικόνιση, η οποία επιτρέπει την ανάκτηση συγκεκριμένων πληροφοριών που προέρχονται από το εσωτερικό του υλικού.

Η περιοχή κυμάτων THz παρουσιάζει μια ιδιότητα ενδιαφέροντος για τον τομέα της γεωργίας. Δηλαδή, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που λειτουργούν σε αυτό το εύρος συχνοτήτων είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στην περιεκτικότητα σε νερό, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα υποψήφια για χαρακτηρισμό της κατάστασης του νερού των φυτών (Iriarte et al., 2010; Etayo et al., 2011a,b; Iriarte et al., 2011, Maestrojuan et al., 2013). Στην πραγματικότητα, ορισμένες έρευνες που αναπτύχθηκαν την τελευταία δεκαετία έχουν δείξει ότι η διαπερατότητα THz-TDS συσχετίζεται καλά με την περιεκτικότητα σε νερό των φύλλων στον καφέ (Jördens et al., 2009; Shakfa et al., 2009; Breitenstein et al., 2012), σέλινο ( Zhang et al., 2008), Arabidopsis (Castro-Camus et al., 2013) και ασημένιο έλατο (Born et al., 2014). Οι πρώτες ερευνητικές εργασίες πραγματοποιήθηκαν σε αποκολλημένα φύλλα που αφέθηκαν να στεγνώσουν υπό εργαστηριακές συνθήκες (Zhang et al., 2008· Shakfa et al., 2009).

Ωστόσο, σε όλες τις προαναφερθείσες έρευνες πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις THz-TDS σε φύλλα, γεγονός που συνεπάγεται διπλή δυσκολία για την εφαρμογή του υπό συνθήκες μέτρησης πεδίου. Από τη μία πλευρά, είναι δύσκολο να στερεωθούν οι αισθητήρες στα φύλλα, καθώς τα συστήματα συγκράτησης μπορεί να τα καταστρέψουν ή, τουλάχιστον, να αλλάξουν τις συνθήκες των φύλλων και, από την άλλη πλευρά, η σημασία των μετρήσεων που γίνονται σε ένα φύλλο είναι περιορισμένη, καθώς μπορεί να υπάρχει μεγάλη μεταβλητότητα στην κατάσταση του νερού μεταξύ των φύλλων στο ίδιο φυτό (Jones, 1990; Williams, 2012). Από αυτή την άποψη, και ιδιαίτερα για τα ξυλώδη είδη, θα ήταν πιο επιθυμητό να μετρηθεί η κατάσταση του νερού στον κορμό, ο οποίος θα λειτουργούσε ως ολοκληρωτής της κατάστασης του νερού των φυτών. Επιπλέον, οι περισσότερες από τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε επίπεδο άδειας σε συχνότητες THz έχουν πραγματοποιηθεί σε διαμορφώσεις τρόπου μετάδοσης,

Στόχος αυτής της έρευνας είναι να αξιολογήσει για πρώτη φορά τη δυνατότητα των μετρήσεων ανάκλασης THz-TDS που πραγματοποιούνται σε κορμούς αμπέλου να μετρήσουν την κατάσταση του νερού των φυτών μη καταστροφικά και σε πραγματικό χρόνο.

Υλικά και μέθοδοι

Πειραματική διάταξη

Όλα τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν το 2013 σε ένα φυτό 14 ετών αμπέλου (Vitis vinifera L., cv. ‘Tempranillo’), το οποίο είχε εκριζωθεί 2 χρόνια πριν από έναν εμπορικό αμπελώνα, μεταφυτεύτηκε σε γλάστρα 26 L γεμάτη με μίγμα τύρφης: άμμου (2:1) και συντηρείται σωστά σε εξωτερικούς χώρους. Το φυτό κλαδεύτηκε ως μονόκλαδο και η βλαστική και αναπαραγωγική του ανάπτυξη ήταν παρόμοια με εκείνη των φυτών που καλλιεργούνται στο χωράφι μέτριας ευρωστίας. Τα πειράματα ξεκίνησαν τον πρώτο Αύγουστο, όταν το φυτό είχε φτάσει στο veraison (φαινολογικό στάδιο 35 στην κλίμακα Eichhorn-Lorenz). Ένα μήνα πριν την έναρξη του πειράματος το φυτό μεταφέρθηκε, για σωστό εγκλιματισμό, σε θάλαμο ανάπτυξης όπου έγιναν όλες οι μετρήσεις.

Κατά τη διάρκεια της περιόδου εγκλιματισμού, ο θάλαμος ανάπτυξης προγραμματίστηκε για μια φωτοπερίοδο 16 ωρών, ο κύκλος ημέρας-νύχτας, η θερμοκρασία ημέρας και νύχτας ήταν, αντίστοιχα, 23 και 16°C. Ο θάλαμος ήταν εξοπλισμένος με μικτό φωτισμό πυρακτώσεως και φθορισμού που παρείχε περίπου 400 μmol m ^-2 s ^-1 PAR (400–700 nm) στο πάνω μέρος του θόλου. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, η φωτοπερίοδος ήταν 14 ώρες ημέρας/10 ώρες νύχτας (εκτός εάν εκφράζεται διαφορετικά), η θερμοκρασία ημέρας και νύχτας καθορίστηκε στους 21°C για να αποφευχθούν παρεμβολές θερμοκρασίας και το φυτό ποτιζόταν ξανά σε χωρητικότητα χωραφιού κάθε δεύτερη μέρα.

Μέθοδοι παρακολούθησης κατάστασης νερού εγκατάστασης

Συμβατικές Μέθοδοι

Η περιεκτικότητα σε νερό εδάφους μετρήθηκε χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα υγρασίας εδάφους χωρητικότητας (mod. EC10, ECH2O, Decagon Devices Inc., Pullman, WA, USA) που εισήχθη στη γλάστρα. Αυτός ο αισθητήρας υπολογίζει την ογκομετρική υγρασία του εδάφους (m ³ νερό m ^-3έδαφος) με τον προσδιορισμό της φαινομενικής διαπερατότητας του εδάφους. Τα TDV παρακολουθήθηκαν επίσης χρησιμοποιώντας ένα δενδρόμετρο, το οποίο αποτελείται από έναν γραμμικό μεταβλητό διαφορικό μετασχηματιστή (LVDT, mod. DF 2.5, Solartron Metrology, West Sussex, UK) στερεωμένο στον κορμό με ένα μεταλλικό πλαίσιο Invar (ένα μεταλλικό κράμα με ελάχιστη θερμική διαστολή ), που επιτρέπει τον εντοπισμό μικρών αλλαγών στο μέγεθος του κορμού. Το TDV έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για την αξιολόγηση της κατάστασης του νερού των φυτών (Goldhamer and Fereres, 2001; Naor, 2006; Intrigliolo and Castel, 2007), καθώς η καθημερινή ανάπτυξη και το μέγεθος της συστολής του στελέχους κατά τη διάρκεια μιας ημέρας σχετίζονται με αυτό. Το έλλειμμα νερού μειώνει την ανάπτυξη του κορμού, ενώ η ημερήσια συρρίκνωση και οίδημα των ιστών που εξαρτάται κυρίως από το επίπεδο ενυδάτωσης του φυτικού ιστού (Simonneau et al., 1993) και σχετικά με το βαθμό ακτινικής μεταφοράς νερού από τους ιστούς του φλοιού στο ξυλώμα ή το αντίστροφο (Parlange et al., 1975). Οι μετρήσεις που παρέχονται από τον ανιχνευτή νερού εδάφους και το δενδρόμετρο καταγράφονται κάθε 2 λεπτά με καταγραφικό πολλαπλών χρήσεων CR10X (Campbell Scientific Ltd., Logan, UT, USA).

Χαρακτηρισμός ανάκλασης στον τομέα χρόνου THz

Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ανάκλασης THz στον τομέα του χρόνου στον κορμό της αμπέλου, χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή δικτύου (VNA, Agilent E3861C), μια εξωτερική κεφαλή συχνότητας δέκτη/πομπού στο εύρος συχνοτήτων από 140 έως 220 GHz (OML V05VNA2-TR) και ένα ζεύγος επίπεδων κυρτών φακών, των οποίων η διάταξη απεικονίζεται στο Σχήμα 1 και απεικονίζεται στο Σχήμα 2. Ο επιλεγμένος εξοπλισμός Agilent μπορεί να μετρήσει έως και 26,5 GHz, αλλά μέσω της χρήσης των εξωτερικών κεφαλών, οι οποίες αντιστοιχούν στη συχνότητα μείκτες, η συχνότητα λειτουργίας εξόδου μετακινείται στη ζώνη των 140–220 GHz. Το σύστημα επιτρέπει διαφορετικούς τύπους μετρήσεων. δηλ. απαντήσεις στον τομέα συχνότητας και χρόνου. Το VNA μετρά την απόκριση συχνότητας της συσκευής και υπολογίζει μαθηματικά έναν μετασχηματισμό πεδίου χρόνου των δεδομένων για να μετατρέψει τις πληροφορίες του τομέα συχνότητας στον τομέα χρόνου. Στη λειτουργία ανάκλασης, το VNA μετρά τον συντελεστή ανάκλασης ως συνάρτηση της συχνότητας. Ο συντελεστής ανάκλασης μπορεί να θεωρηθεί ως η συνάρτηση μεταφοράς που σχετίζεται με την προσπίπτουσα τάση και την ανακλώμενη τάση. Ένας αντίστροφος μετασχηματισμός μετατρέπει τον συντελεστή ανάκλασης σε συνάρτηση του χρόνου (την παλμική απόκριση). Οι αποκρίσεις βήματος και παλμού μπορούν να υπολογιστούν περιελίσσοντας το βήμα ή τον παλμό εισόδου με αυτήν την απόκριση παλμού του συντελεστή ανάκλασης. Η μέτρηση που προκύπτει είναι μια πλήρως διορθωμένη απόκριση ανάκλασης του πεδίου χρόνου της συσκευής δοκιμής, που εμφανίζεται σχεδόν σε πραγματικό χρόνο. Οι τιμές απόκρισης παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τη συμπεριφορά του κορμού του αμπέλου πέρα ​​από τα απλά χαρακτηριστικά συχνότητας. Ένας αντίστροφος μετασχηματισμός μετατρέπει τον συντελεστή ανάκλασης σε συνάρτηση του χρόνου (την παλμική απόκριση). Οι αποκρίσεις βήματος και παλμού μπορούν να υπολογιστούν περιελίσσοντας το βήμα ή τον παλμό εισόδου με αυτήν την απόκριση παλμού του συντελεστή ανάκλασης. Η μέτρηση που προκύπτει είναι μια πλήρως διορθωμένη απόκριση ανάκλασης του πεδίου χρόνου της συσκευής δοκιμής, που εμφανίζεται σχεδόν σε πραγματικό χρόνο. Οι τιμές απόκρισης παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τη συμπεριφορά του κορμού του αμπέλου πέρα ​​από τα απλά χαρακτηριστικά συχνότητας. Ένας αντίστροφος μετασχηματισμός μετατρέπει τον συντελεστή ανάκλασης σε συνάρτηση του χρόνου (την παλμική απόκριση). Οι αποκρίσεις βήματος και παλμού μπορούν να υπολογιστούν περιελίσσοντας το βήμα ή τον παλμό εισόδου με αυτήν την απόκριση παλμού του συντελεστή ανάκλασης. Η μέτρηση που προκύπτει είναι μια πλήρως διορθωμένη απόκριση ανάκλασης του πεδίου χρόνου της συσκευής δοκιμής, που εμφανίζεται σχεδόν σε πραγματικό χρόνο. Οι τιμές απόκρισης παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τη συμπεριφορά του κορμού του αμπέλου πέρα ​​από τα απλά χαρακτηριστικά συχνότητας.

ΕΙΚΟΝΑ 1. Ρύθμιση για μετρήσεις ανάκλασης terahertz (THz) .

ΣΧΗΜΑ 2. Εικόνες της ρύθμισης για μετρήσεις ανάκλασης THz .

Ο εξοπλισμός διαμορφώθηκε ώστε να λαμβάνει αυτόματα την απόκριση του πεδίου χρόνου του κορμού αμπέλου. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το λειτουργικό εύρος ζώνης είναι 80 GHz, η επιτευχθείσα χωρική ανάλυση (SR) είναι 1,875 mm (SR = c/2 * BW) όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός και BW το εύρος ζώνης που εξετάζεται. Το σύστημα κατέγραφε και επεξεργαζόταν τα δεδομένα αιχμής ανάκλασης του πεδίου χρόνου THz κάθε 10 λεπτά (ανάλυση σε πραγματικό χρόνο).

Οι επίπεδες κυρτές φακοί χρησιμοποιούνται για την εστίαση του σήματος από την εξωτερική κεφαλή του δέκτη/πομπού THz σε ένα μικρότερο και συγκεντρωμένο σημείο δέσμης πάνω από τον κορμό της αμπέλου. Αυτό το ενισχυμένο σήμα επιτυγχάνεται με απόσταση 5 cm από την κόρνα της εξωτερικής κεφαλής συχνότητας έως τον πρώτο επίπεδο-κυρτό φακό, απόσταση μεταξύ φακών 50 mm και 50 mm από τον δεύτερο επίπεδο-κυρτό φακό μέχρι τον κορμό του αμπέλου. Η χρήση αυτών των φακών βελτιώνει το δυναμικό εύρος του συστήματος και αποτρέπει τις ανεπιθύμητες διαθλάσεις από τις άκρες του κορμού. Η διάμετρος του σημείου δέσμης που επιτεύχθηκε ήταν περίπου 2 mm.

Η βασική αρχή για αυτή τη διαδικασία μέτρησης είναι ότι το ανακλώμενο σήμα υποτίθεται ότι είναι ευθέως ανάλογο με την περιεκτικότητα σε νερό του αμπελιού στον κορμό του. Έτσι, όσο μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε νερό στον κορμό, τόσο υψηλότερος δείκτης διάθλασης υποτίθεται ότι συναντάται από το σήμα THz και ένα υψηλότερο σήμα ανάκλασης θα μετρηθεί στην εξωτερική κεφαλή του πομπού/δέκτη.

Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν

Προκειμένου να αξιολογηθεί η καταλληλότητα του χαρακτηρισμού Time Domain THz Reflection για την εκτίμηση της κατάστασης του νερού των φυτών, διεξήχθησαν τρία διαφορετικά πειράματα.

Πείραμα 1: Κύκλοι ποτίσματος

Το φυτό υποβλήθηκε σε κύκλους ποτίσματος και ξήρανσης τον Αύγουστο και το πρώτο δεκαπενθήμερο του Σεπτεμβρίου. Κατά τη διάρκεια των πρώτων 2 εβδομάδων, το φυτό ποτιζόταν κάθε 3-4 ημέρες οδηγώντας το φυτό σε ήπιο έλλειμμα νερού, ενώ τις επόμενες 4 εβδομάδες, το πότισμα γινόταν κάθε 6-7 ημέρες, έτσι ώστε το φυτό να φτάσει σε μέτριο έως σοβαρό νερό. έλλειμμα.

Πείραμα 2: Σύζευξη του σήματος THz με τις αλλαγές στο φως και στο σκοτάδι

Στις 23 Σεπτεμβρίου, το μοτίβο ημέρας και νύχτας άλλαξε προκειμένου να αξιολογηθεί πώς το ανακλώμενο σήμα THz ανταποκρίνεται στο φως και στο σκοτάδι. Έτσι, προγραμματίστηκε ένας εναλλασσόμενος κύκλος φωτός προς σκοτάδι, που αποτελείται από 4 h-(4 h)-3 h-(2 h)-1 h-(1 h)-30′-(30′)-20′-(20 ′)-10′-(10′), όπου οι περίοδοι σκότους υποδεικνύονται μεταξύ των παρενθέσεων.

Πείραμα 3: Σύζευξη του σήματος THz με τη δραστηριότητα ξυλώματος και φλοιώματος

Τις τελευταίες ημέρες του Σεπτεμβρίου, προκειμένου να ελεγχθεί η εξάρτηση του σήματος THz από τη δραστηριότητα του φυλλώματος και του ξυλώματος, διακόπηκε η χρήση του φλοιώματος σε ένα τετράγωνο 3 cm × 3 cm γύρω από την περιοχή εστίασης του φακού μέσω της ζώνης φλοιώματος. Αυτή η τεχνική συνίσταται στην αφαίρεση λεπτών λωρίδων φλοιού προκειμένου να αποτραπεί η φλοιική ροή να φτάσει στην περιοχή της ζώνης, έτσι ώστε το ανακλώμενο σήμα THz να εξαρτάται λιγότερο από τη δραστηριότητα του φλοιώματος. Η περιοχή με ζώνη φλοιώματος φαίνεται στο σχήμα 3.

ΣΧΗΜΑ 3. Λεπτομέρειες ζώνης ζώνης. Οι γραμμές ασυνέχειας φλοέμου σημειώνονται με κόκκινα βέλη.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Πείραμα 1: Κύκλοι ποτίσματος

Το σήμα ανάκλασης στον τομέα χρόνου κορμού THz αποδείχθηκε πολύ ευαίσθητο στις αλλαγές στη διαθεσιμότητα νερού των φυτών, καθώς το μοτίβο του ακολουθεί την τάση της περιεκτικότητας σε νερό του εδάφους είτε για σύντομους (Εικόνα 4) είτε για μεγάλους (Εικόνα 5) κύκλους ποτίσματος, με την απόκριση να είναι σαφέστερη για το τελευταίο, όπου αγκαλιάστηκε ένα ευρύτερο φάσμα της κατάστασης του νερού. Το σήμα ανάκλασης THz δεν δείχνει την κορυφή που ανιχνεύεται μετά από κάθε γεγονός άρδευσης από τους αισθητήρες υγρασίας του εδάφους, οι οποίοι αντιστοιχούν σε βαρυτικό νερό, το οποίο αποστραγγίζεται στα λεπτά μετά την άρδευση και δεν είναι χρήσιμο για το φυτό. Όλα αυτά υποστηρίζουν την υπόθεση που διατυπώθηκε στην εισαγωγή, συνδέοντας το σήμα ανάκλασης κορμού THz με την κατάσταση του νερού των φυτών. Στην πραγματικότητα, το σήμα ανάκλασης THz ακολουθεί τους κύκλους άρδευσης μεταβάλλοντας (αυξάνοντας την ποσότητα της ανακλώμενης ισχύος που σημαίνει μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε νερό στον κορμό) το επίπεδο του.

ΣΧΗΜΑ 4. Εξέλιξη της περιεκτικότητας σε νερό του εδάφους και του σήματος ανάκλασης THz κορμού κάτω από τους σύντομους κύκλους ποτίσματος. Τα βέλη δείχνουν τα γεγονότα άρδευσης.

ΣΧΗΜΑ 5. Εξέλιξη της περιεκτικότητας σε νερό του εδάφους και του σήματος ανάκλασης THz κορμού κάτω από τους μεγάλους κύκλους ποτίσματος. Τα βέλη δείχνουν τα γεγονότα άρδευσης.

Όταν το σήμα ανάκλασης του τομέα χρόνου THz συγκρίθηκε με το TDV που μετρήθηκε με το δενδρόμετρο, η αντιστοιχία που παρατηρήθηκε δεν είναι σαφής ούτε για σύντομους (Εικόνα 6) ούτε για μεγάλους (Εικόνα 7) κύκλους ποτίσματος. Λαμβάνοντας υπόψη την καθαρότητα της ανταπόκρισης που παρατηρείται στα γεγονότα ποτίσματος, αυτή η έλλειψη συνοχής με το TDV μπορεί να είναι συνέπεια της απώλειας ευαισθησίας που έχει το TDV μετά τον έλεγχο, όπως φαίνεται από τους Intrigliolo και Castel (2007). Ωστόσο, οι πληροφορίες που παρέχονται από τα δενδρόμετρα αποδείχθηκαν χρήσιμες για την κατανόηση των αλλαγών που παρατηρούνται για το σήμα ανάκλασης THz, όπως φαίνεται στα σχήματα 4-7, η παρατηρούμενη γενική τάση είναι αρκετά παρόμοια, και οι μετρήσεις ανάκλασης TDV και THZ ανταποκρίνονται στο με τον ίδιο τρόπο στους κύκλους άρδευσης. Οι τιμές TDV αυξάνονται κατά το πότισμα μειώνοντας την τιμή του μεταξύ των κύκλων άρδευσης, το σήμα ανάκλασης THz αυξάνεται επίσης κατά το πότισμα του φυτού, μειώνοντας την τιμή του μεταξύ των κύκλων. Ωστόσο, εάν γίνει μια πιο λεπτομερής επιθεώρηση στους κυματισμούς που παρατηρήθηκαν, αυτοί δείχνουν ότι το ανακλώμενο σήμα THz αυξάνεται κατά τη διάρκεια της ημέρας και μειώνεται κατά τις νυχτερινές ώρες. Στο Σχήμα 8, αυτή η ημερήσια τάση έχει αναπαρασταθεί με περισσότερες λεπτομέρειες για 1 ημέρα στους σύντομους (Σχήμα 8Α) και άλλη στους μεγάλους (Εικόνα 8Β) κύκλους ποτίσματος.

ΣΧΗΜΑ 6. Εξέλιξη των διακυμάνσεων της διαμέτρου κορμού (TDVs) και του σήματος ανάκλασης THz κορμού κάτω από τους σύντομους κύκλους ποτίσματος. Τα βέλη δείχνουν τα γεγονότα άρδευσης.

ΕΙΚΟΝΑ 7. Εξέλιξη των TDV και του σήματος ανάκλασης κορμού THz κάτω από τους μεγάλους κύκλους ποτίσματος. Τα βέλη δείχνουν τα γεγονότα άρδευσης.

ΣΧΗΜΑ 8. Καθημερινά μοτίβα για TDV και THz ανάκλαση στις (Α) στις 3 Αυγούστου και στις (Β) στις 22 Αυγούστου .

Οι μετρήσεις ανάκλασης και δενδρομόμετρου THz έδειξαν αντίθετες ημερήσιες τάσεις (Εικόνα 8), έτσι ώστε το μέγεθος του κορμού να μειώνεται γρήγορα όταν ανάβουν τα φώτα (8:00 π.μ.), ενώ το σήμα ανάκλασης THz αυξάνεται στην αρχή της ημέρας, και τα δύο σήματα είναι σχετικά σταθερό αφού το φυτό είχε εκτεθεί σε 2-4 ώρες φωτός της ημέρας για τις μετρήσεις TDV και 2 ώρες για το ανακλώμενο σήμα THz. Η συμπεριφορά που μετρήθηκε από το δενδρόμετρο συμφωνεί με την αναμενόμενη συμπεριφορά σύμφωνα με παλαιότερες έρευνες (βλ. κριτική των Fernandez και Cuevas, 2010): στην αρχή της ημέρας, τα στομάχια άνοιξαν και τις πρώτες ώρες φωτός το φυτό εγκαταλείπει μέρος του συνταγματικού του νερό (αρχική απότομη πτώση) στο ρεύμα διαπνοής. Στη συνέχεια, δεν παρατηρήθηκε σχεδόν καμία διακύμανση στη διάμετρο του κορμού, υποδηλώνει ισορροπία μεταξύ της απώλειας νερού από τη διαπνοή και της πρόσληψης από τις ρίζες. Τελευταία, κατά τη διάρκεια της νύχτας, καθώς η διαπνοή σχεδόν σταματά, αλλά διατηρείται η πρόσληψη νερού από το έδαφος, εμφανίζεται μια αύξηση της διαμέτρου του κορμού. Η αντίστροφη συμπεριφορά του σήματος ανάκλασης THz δείχνει επομένως ότι οι διεργασίες που το επηρεάζουν είναι διαφορετικές από αυτές που προκύπτουν σε TDV. Έτσι, σε ένα χρονικό διάστημα μιας ημέρας, όταν η περιεκτικότητα σε νερό του κορμού είναι γνωστό ότι είναι χαμηλότερη (κατά τη διάρκεια της ημέρας), το σήμα ανάκλασης THz αυξήθηκε και η διάμετρος κορμού μειώθηκε (Εικόνα 8), ενώ όταν θεωρήθηκε μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (7 ημέρες) Σχήμα 7), τόσο η ανάκλαση THz όσο και η διάμετρος μειώθηκαν καθώς η διαθεσιμότητα νερού ήταν χαμηλότερη. Τα πειράματα 2 και 3 σχεδιάστηκαν για να ρίξουν φως σε αυτή τη συμπεριφορά. Δεδομένου ότι η διαπνοή σχεδόν σταματά, αλλά η πρόσληψη νερού από το έδαφος διατηρείται, εμφανίζεται μια αύξηση της διαμέτρου του κορμού. Η αντίστροφη συμπεριφορά του σήματος ανάκλασης THz δείχνει επομένως ότι οι διεργασίες που το επηρεάζουν είναι διαφορετικές από αυτές που προκύπτουν σε TDV. Έτσι, σε ένα χρονικό διάστημα μιας ημέρας, όταν η περιεκτικότητα σε νερό του κορμού είναι γνωστό ότι είναι χαμηλότερη (κατά τη διάρκεια της ημέρας), το σήμα ανάκλασης THz αυξήθηκε και η διάμετρος κορμού μειώθηκε (Εικόνα 8), ενώ όταν θεωρήθηκε μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (7 ημέρες) Σχήμα 7), τόσο η ανάκλαση THz όσο και η διάμετρος μειώθηκαν καθώς η διαθεσιμότητα νερού ήταν χαμηλότερη. Τα πειράματα 2 και 3 σχεδιάστηκαν για να ρίξουν φως σε αυτή τη συμπεριφορά. Δεδομένου ότι η διαπνοή σχεδόν σταματά, αλλά η πρόσληψη νερού από το έδαφος διατηρείται, εμφανίζεται μια αύξηση της διαμέτρου του κορμού. Η αντίστροφη συμπεριφορά του σήματος ανάκλασης THz δείχνει επομένως ότι οι διεργασίες που το επηρεάζουν είναι διαφορετικές από αυτές που προκύπτουν σε TDV. Έτσι, σε ένα χρονικό διάστημα μιας ημέρας, όταν η περιεκτικότητα σε νερό του κορμού είναι γνωστό ότι είναι χαμηλότερη (κατά τη διάρκεια της ημέρας), το σήμα ανάκλασης THz αυξήθηκε και η διάμετρος κορμού μειώθηκε (Εικόνα 8), ενώ όταν θεωρήθηκε μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (7 ημέρες) Σχήμα 7), τόσο η ανάκλαση THz όσο και η διάμετρος μειώθηκαν καθώς η διαθεσιμότητα νερού ήταν χαμηλότερη. Τα πειράματα 2 και 3 σχεδιάστηκαν για να ρίξουν φως σε αυτή τη συμπεριφορά. Η αντίστροφη συμπεριφορά του σήματος ανάκλασης THz δείχνει επομένως ότι οι διεργασίες που το επηρεάζουν είναι διαφορετικές από αυτές που προκύπτουν σε TDV. Έτσι, σε ένα χρονικό διάστημα μιας ημέρας, όταν η περιεκτικότητα σε νερό του κορμού είναι γνωστό ότι είναι χαμηλότερη (κατά τη διάρκεια της ημέρας), το σήμα ανάκλασης THz αυξήθηκε και η διάμετρος κορμού μειώθηκε (Εικόνα 8), ενώ όταν θεωρήθηκε μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (7 ημέρες) Σχήμα 7), τόσο η ανάκλαση THz όσο και η διάμετρος μειώθηκαν καθώς η διαθεσιμότητα νερού ήταν χαμηλότερη. Τα πειράματα 2 και 3 σχεδιάστηκαν για να ρίξουν φως σε αυτή τη συμπεριφορά. Η αντίστροφη συμπεριφορά του σήματος ανάκλασης THz δείχνει επομένως ότι οι διεργασίες που το επηρεάζουν είναι διαφορετικές από αυτές που προκύπτουν σε TDV. Έτσι, σε ένα χρονικό διάστημα μιας ημέρας, όταν η περιεκτικότητα σε νερό του κορμού είναι γνωστό ότι είναι χαμηλότερη (κατά τη διάρκεια της ημέρας), το σήμα ανάκλασης THz αυξήθηκε και η διάμετρος κορμού μειώθηκε (Εικόνα 8), ενώ όταν θεωρήθηκε μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (7 ημέρες) Σχήμα 7), τόσο η ανάκλαση THz όσο και η διάμετρος μειώθηκαν καθώς η διαθεσιμότητα νερού ήταν χαμηλότερη. Τα πειράματα 2 και 3 σχεδιάστηκαν για να ρίξουν φως σε αυτή τη συμπεριφορά.

Πείραμα 2: Σύζευξη του σήματος THz με τις αλλαγές στο φως και στο σκοτάδι

Η απόκριση της ανάκλασης THz στο φως και το σκοτάδι που παρατηρήθηκε στους ημερήσιους κύκλους στο Πείραμα 1 επιβεβαιώθηκε όταν άλλαξε η φωτοπερίοδος, εναλλάσσοντας μικρότερη περίοδο φωτός και σκότους (Εικόνα 9). Όταν ξεκίνησε μια περίοδος φωτός, το μέγεθος του κορμού μειώθηκε, ενώ η ανάκλαση THz αυξήθηκε. Αυτή η τάση διατηρήθηκε ακόμη και με μικρές εναλλασσόμενες περιόδους φωτός-σκότους, βλέπε το δεξιό άκρο του τμήματος του άξονα x του Σχήματος 9 (ώρες μεταξύ 5 και 7).

ΣΧΗΜΑ 9. Εξέλιξη των TDV και της ανάκλασης κορμού THz υπό μεταβαλλόμενους κύκλους ημέρας-νύχτας στις 23 Σεπτεμβρίου. Τα μέρη του σχήματος με γκρι φόντο αντιστοιχούν στις περιόδους σκότους.

Δεδομένου ότι η απόκριση του σήματος ανάκλασης THz στο φως και στο σκοτάδι ήταν προοδευτική (η ανάκλαση αυξήθηκε σταδιακά περίπου 1-2 ώρες), αυτή η συμπεριφορά δεν φαίνεται να είναι συνέπεια μιας άμεσης απόκρισης του σήματος ανάκλασης THz στο φως, αλλά να αντανακλά αλλαγές σε φυσιολογικό επίπεδο. Η πιο προφανής φυσιολογική πτυχή που αλλάζει μεταξύ φωτός και σκότους είναι η φωτοσύνθεση, επομένως υποθέσαμε ότι, εκτός από την αντίδραση στην κατάσταση του νερού μεσοπρόθεσμα (4-7 ημέρες), το σήμα ανάκλασης THz ανταποκρινόταν κατά κάποιο τρόπο στη φωτοσυνθετική δραστηριότητα ή/και σε διεργασίες φλοηματικής φόρτωσης/εκφόρτωσης. Για να επιδειχθεί αυτή η συμπεριφορά, ρυθμίστηκε το Πείραμα 3.

Πείραμα 3: Σύζευξη του σήματος THz με τη δραστηριότητα ξυλώματος και φλοιώματος

Όταν το phloem διακόπηκε γύρω από την περιοχή μέτρησης THz, η απόκριση της ανάκλασης THz στις περιόδους φωτός και σκότους άλλαξε εντελώς (Εικόνα 10). Σε αυτό το σημείο, τόσο τα σήματα ανάκλασης του δενδρόμετρου όσο και τα σήματα ανάκλασης THz ακολουθούν την ίδια τάση, μειώνοντας κατά τη διάρκεια φωτεινών περιόδων και αυξάνοντας κατά τις ώρες του σκότους. Ως εκ τούτου, φαίνεται ότι μόλις διακόπηκε η φλοαματική ροή, το σήμα ανάκλασης THz αντικατόπτριζε αποκλειστικά τους κύκλους αφυδάτωσης-επανυδάτωσης που κάνει και το TDV. Αντίθετα, όταν ο κορμός του φυτού ήταν αναλλοίωτος, η ανάκλαση THz επηρεαζόταν από διαδικασίες που σχετίζονται με το ξυλόμυλο και το φλοιό, με το πρώτο να κυριαρχεί μεσοπρόθεσμα (3-7 ημέρες) και το δεύτερο βραχυπρόθεσμα (εντός μίας ημέρας ). Δεδομένου ότι η ανάκλαση THz είναι γνωστό ότι εξαρτάται από τη συγκέντρωση σακχάρου σε υδατικά διαλύματα (Arikawa et al., 2008; Born and Havenith, 2009),

ΣΧΗΜΑ 10. Εξέλιξη των TDVs και της ανάκλασης THz κορμού κάτω από μεταβαλλόμενους κύκλους ημέρας-νύχτας, αφού η περιοχή μέτρησης είχε ζωνοποιηθεί. Τα μέρη του σχήματος με γκρι φόντο αντιστοιχούν στις περιόδους σκότους.

συμπέρασμα

Αυτή η εργασία παρουσίασε τη δυνατότητα των μετρήσεων ανάκλασης THz-TDS να μετρήσουν την κατάσταση του νερού των φυτών μη καταστροφικά και σε πραγματικό χρόνο σε κορμούς αμπέλου. Αυτά τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με παραδοσιακές τεχνικές που βασίζονται σε αισθητήρες υγρασίας εδάφους και μετρήσεις TDV με δενδρόμετρο.

Η μέτρηση αντανάκλασης του πεδίου χρόνου Terahertz στους κορμούς έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα κατάλληλο και πολλά υποσχόμενο εργαλείο για την εκτίμηση της κατάστασης του νερού των φυτών των ξυλωδών φυτών σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, η ευαισθησία που έχει δείξει ότι το σήμα ανάκλασης του πεδίου χρόνου THz έχει εντός της ημέρας, προφανώς συνδεδεμένη με τη δραστηριότητα του φλοιώματος, ανοίγει ένα άλλο ερευνητικό πεδίο προς διερεύνηση που μπορεί να οδηγήσει σε νέες γνώσεις για τη φυσιολογική δραστηριότητα των φυτών.

Δήλωση Σύγκρουσης Συμφερόντων

Οι συγγραφείς δηλώνουν ότι η έρευνα διεξήχθη απουσία εμπορικών ή οικονομικών σχέσεων που θα μπορούσαν να ερμηνευθούν ως πιθανή σύγκρουση συμφερόντων.

Ευχαριστίες

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Τμήμα Βιομηχανίας της Κυβέρνησης της Ναβάρρας (VITICS, Αναφ.: IIM14244.RI1, έργο συγχρηματοδοτούμενο με κονδύλια της ΕΕ από το ΕΤΠΑ) και από το Ισπανικό Υπουργείο Οικονομίας και Ανταγωνιστικότητας (BACAVID, Αναφ.: AGL2011-30408 -C04-03 και DIDAcTIc, Αναφ.: TEC2013–47753-C3-1-R).

δενδρόμετρο, Phloem, THz φασματομετρία, Vitis vinifera L., υδατικές σχέσεις, ξυλ.