CC BY
43
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
ISSN 1994-0408
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 06. С. 201-216.
Б01: 10.7463/0615.0782024
Представлена в редакцию: 26.04.2015 Исправлена: 11.05.2015
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 504.064.36
Экспериментальное исследование устойчивости формы спектров лазерно -индуцированной флуоресценции растений к виду грунта
Федотов Ю. В. , Булло О. А. , Ь eloy@bmstu.jrii
1 А 1
Белов М. Л. '' Городничев В. А.
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Статья посвящена разработке лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений. Приведены результаты экспериментальных исследований спектров лазерно -индуцированной флуоресценции кресс -салата при длине волны возбуждения флуоресценции 532 нм для разных типов грунта, в который высажено растение. Показано, что величина отношения интенсивности лазерно -индуцированной флуоресценции на длине волны 685 нм к интенсивности флуоресценции на длине волны 740 нм характеризуется устойчивостью к виду грунта, в который высажено растение. Различие величины этого отношения для разных типов грунта имеет тот же порядок, что и разброс величины этого отношения для разных образцов растения при одном типе грунта.
Ключевые слова: лазерный метод, растения, лазерно -индуцированная флуоресценция, спектры, стабильность
Введение
Различные внешние факторы (наличие загрязнителей в почве, отсутствие или недостаточное количество воды и питательных веществ и т.п.) приводят к стрессовым состояниям растений и невозможности их нормального развития. Стрессовые состояния сложно идентифицировать на ранних стадиях по внешнему виду растений, поэтому важным является разработка методов обнаружения стрессовых состояний растений, как индикаторов неблагоприятных внешних факторов.
Эффективным дистанционным или неконтактным методом контроля состояний растительности могут стать методы лазерной индуцированной флуоресценции [1 -11]. Эти методы основаны на различии спектров флуоресценции растений в нормальном и стрессовом состояниях.
Несмотря на то, что число работ, в которых приводятся результаты экспериментальных исследований спектров флуоресценции растительности довольно
велико (см. обзоры публикаций в [1,3,7,11,12]), некоторые важные вопросы остаются неясными.
Одним из таких неясных вопросов остается вопрос об устойчивости спектров флуоресценции растений (в частности, формы спектров) к влиянию разных факторов.
В предыдущих работах авторов исследовалась устойчивости формы спектров лазерно-индуцированной флуоресценции для разных образцов одного и того же растения, выращенных в похожих условиях при одном типе грунте. Данная статья посвящена экспериментальному исследованию устойчивости формы спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растений выращенных в разных почвах.
Эксперименты проводились при длине возбуждения флуоресценции 532 нм (вторая гармоника твердотельного импульсного ИАГ: Nd лазера). Лазерный источник на длине волны 532 нм является наиболее перспективным лазерным источником для создания бортовой аппаратуры контроля состояния растений [3,9,11,12]. Он имеет преимущество (при разработке аппаратуры для дистанционного зондирования) как перед азотным лазером на 337 нм (в бортовой аппаратуре лучше использовать твердотельные лазеры), так и перед лазером на 355 нм (третья гармоника лазера на ИАГ имеет меньшую энергию в импульсе, чем вторая). Кроме того, эффективность возбуждения флуоресценции на длине волны 532 нм существенно больше, чем на длинах волн 355 и 337 нм.
Тип грунта, в который они высажены растения является одним из факторов, который оказывает большое влияние на развитие растений. Во-первых, именно почвы обеспечивают водоснабжение и минеральное питание растений. Во-вторых, в большинстве случаев почвы являются тем субстратом, в котором происходит механическое закрепление растений. В третьих, через почвы осуществляются многие типы взаимодействий растений с другими организмами (почвенными микроорганизмами, грибами, животными) (см., например, [13]).
Однако, работ, посвященных исследованию влияния типа грунта (в который высажено растение) на форму спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растений, на сегодняшний день нет.
В работе приводятся результаты экспериментальных исследований устойчивости формы спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растений для разных типов грунтов при длине волны возбуждения флуоресценции 532 нм. Такая задача представляет практический интерес для мониторинга состояния растений (например, сельскохозяйственных культур) по результатам дистанционных измерений.
1. Эксперимент
Для исследования спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растений была создана лабораторная установка [12].
В качестве источника возбуждения излучения флуоресценции в лабораторной установке использована вторая гармоника ИАГ: М лазера (энергия лазерного импульса на длине волны 532 нм порядка 0,37 мДж со среднеквадратичным отклонением ~ 3 %).
Подсистема регистрации излучения флуоресцентного излучения построена на основе полихроматора и высокочувствительного матричного детектора с усилителем яркости.
В работе были проведены измерения спектров лазерно - индуцированной флуоресценции растений в спектральном диапазоне 600 - 800 нм.
Экспериментальное исследование спектров лазерно- индуцированной флуоресценции растений включало в себя, как предварительный этап калибровку оборудования:
- калибровку системы регистрации по длине волны с использованием калибровочного источника света на основе ртутно-аргоновой лампы с линейчатым спектром излучения;
- калибровку системы регистрации по чувствительности с использованием галогенной лампы с непрерывным спектром излучения.
Экспериментальные исследования проводились для быстрорастущих и неприхотливых видов растений. В статье приводятся результаты исследований спектров лазерно-индуцированной флуоресценции кресс-салата, высаженного в разных грунтах.
На рис. 1 представлена фотография образцов кресс-салата, которые были высажены в песке (группы растений 1.1-4.1; 1.1 - песок, 2.1 - песок с добавкой удобрения, 3.1 - песок с добавкой активатора роста, 4.1 - песок с добавкой удобрения и активатора роста) и в универсальном почво-грунте Compo Sana (группа растений 5.1) .
2.1 Ы 4.1 5.1
Рис. 1. Внешний вид образцов кресс-салата, высаженных в песке и грунте
На рис. 2 представлена фотография образцов кресс-салата, которые были высажены в перлите (гидропоническом субстрате).
Рис. 2. Внешний вид образцов кресс-салата, высаженных в перлите
2. Анализ полученных экспериментальных данных
На рис. 3-8 приведены характерные примеры измеренных спектров лазерно-индуцированной флуоресценции кресс-салата в различных грунтах.
На рисунках 3 и 4 показаны спектры флуоресценции образцов кресс-салата, высаженных в песке, относящиеся к разным образцам кресс-салата и разному грунту -чистый речной песок и речной песок с внесенными разными количествами удобрений и активаторов роста. Представленные на рисунке 3 спектры были получены при измерениях через 1 0 дней после посадки, на рисунке 4 - через 22 дня после посадки.
Рис.3 Спектры флуоресценции кресс-салата через 10 дней после посадки в песке
Рис.4 Спектры флуоресценции кресс-салата через 22 дней после посадки в песке
На рисунке 5 и 6 показаны аналогичные спектры флуоресценции образцов кресс-салата, высаженных в универсальном почво-грунте. Представленные на рисунке 5 спектры были получены при измерениях через 11 дней после посадки, на рисунке 6 -через 18 дня после посадки.
600 650 700 750 800
Рис.5 Спектры флуоресценции кресс-салата через 11 дня после посадки в грунте
Рис.6 Спектры флуоресценции кресс-салата через 18 дня после посадки в грунте
На рисунке 7 и 8 показаны спектры флуоресценции кресс-салата в перлите, относящиеся к разному времени измерения и разным образцам кресс-салата.
Рис.7 Спектры флуоресценции кресс-салата через 25 и 32 дня после посадки в перлите
Рис.8 Спектры флуоресценции кресс-салата через 45 и 47 дня после посадки в перлите
Представленные на рисунке 7 спектры были получены при измерениях в течение двух дней - через 25 и 32 дня после посадки, на рисунке 8 - через 45 и 47 дней после посадки.
Из рисунков 3-8 видно, что спектр флуоресценции растения (находящегося в нормальном состоянии) имеет два максимума - в области ~ 680 нм и в области ~ 740 нм. При этом для большинства растений в нормальном состоянии при всех типах грунта интенсивность флуоресценции в области ~ 680 нм меньше интенсивности флуоресценции в области ~ 740 нм.
Для характеристики спектров флуоресценции растений часто используют параметр Я, равный отношению интенсивностей флуоресценции в узких спектральных диапазонах (их ширина в разных работах разная) на двух длинах волн (одна длина волны в области ~ 680...690 нм, а другая - в области ~ 735...750 нм.).
На рисунках 9-14 показана (для соответствующих спектров на рисунках 3-8) величина отношения Я интенсивностей флуоресценции в узких спектральных диапазонах шириной 10 нм с центральными длинами волн 685 и 740 нм в зависимости от номера спектра I
Рис.9 Отношения Я для кресс-салата через 10 дней после посадки в песке
Рис.10. Отношения Я для кресс-салата через 22 дня после посадки в песке
Рис.11 Отношения Я для кресс-салата через 11 дня после посадки в грунте
Рис.12 Отношения Я для образцов кресс-салата через 18 дня после посадки в грунте
Рис.13 Отношения Я для кресс-салата через 25 и 32 дня после посадки в перлите
Рис.14 Отношения Я для кресс-салата через 45 и 47 дня после посадки в перлите
Средние значения и стандартные отклонения по выборке отношения Я для спектров на рисунках 3 - 14 приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Средние значения и стандартные отклонения по выборке отношения Я
Тип грунта и время после посадки Среднее значение отношения Я Стандартное отклонение по выборке отношения Я
Песок, 10 дней после посадки 0,69 0,093
Песок, 22 дня после посадки 0,705 0,072
Универсальный почво -грунт, 11 дней после посадки 0,636 0,055
Универсальный почво -грунт, 18 дней после посадки 0,68 0,063
Перлит, 25 и 32 дня после посадки 0,79 0,12
Перлит, 45 и 47 дня после посадки 0,75 0,063
Результаты обработки данных измерений, приведенные на рисунках 1-14 и в таблице 1, показывают следующее.
- Спектры флуоресценции растений, выращенные в похожих условиях, показывают хорошую повторяемость формы спектров для разных образцов растений и разного времени измерения при каждом исследованном типе грунта. Высокую стабильность имеет величина отношения Я интенсивности флуоресценции на длине волны 685 нм к интенсивности флуоресценции на длине волны 740 нм. Стандартное отклонение по выборке отношения Я разных образцов растения для одного типа грунта (для ширины спектральных диапазонов регистрации флуоресцентного излучения 10 нм) лежит в диапазоне ~ 0,055 - ~ 0,12.
- Хотя внешний вид растений, выращенных в разных грунтах, может заметно различаться (например, по размеру растений), но отличие между собой спектров флуоресценции растений для разных типов грунта имеет такой же порядок, что и различие спектров флуоресценции разных образцов растения для одного типа грунта. Различие средней величины отношения R для разных типов грунта лежит в диапазоне ~ 0,01 — 0,15.
Таким образом, экспериментальные измерения спектров лазерно-индуцированной флуоресценции кресс-салата показывают, что величина отношения R интенсивности флуоресценции на длине волны 685 нм к интенсивности флуоресценции на длине волны 740 нм устойчива к изменению типа грунта, в котором высажено растение, хотя внешний вид растений, выращенных в разных грунтах, может заметно различаться. Величина отношения R для разных типов грунта имеет разброс такого же порядка, как и разброс величины отношения R для разных образцов растения при одном типе грунта и может быть благодаря своей стабильности использована для обнаружения стрессовых состояний растений.
Заключение
Для разных образцов растения, выращенных в похожих условиях на разных почвах, величина отношения интенсивности флуоресценции на длине волны 685 нм к интенсивности флуоресценции на длине волны 740 нм характеризуется высокой стабильностью и может быть использована для обнаружения стрессовых состояний растений.
Список литературы
1. Gouveia-Neto A.S., Silva E.A., Oliveira R.A., Cunha P.C., Costa E.B., Camara T.J.R., Willadino L.G. Water deficit and salt stress diagnosis through LED induced chlorophyll fluorescence analysis in Jatropha curcas L. oil plants for biodisiel // Proc. of SPIE. 2011. Vol. 7902. Р. 79020А-1 - 79020А-10. DOI: 10.1117/12.872991
2. Burling K., Hunsche M., Noga G. Use of blue-green and chlorophyll fluorescence measurements for differentiation between nitrogen deficiency and pathogen infection in winter wheat // Journal of Plant Physiology. 2011. Vol. 168, no. 14. P. 1641-1648. DOI: 10.1016/j .jplph.2011.03.016
3. Belasque J., Gasparoto M.C.G., Marcassa L.G. Detection of mechanical and disease stresses in citrus plants by fluorescence spectroscopy // Applied Optics. 2008. Vol. 47, no 11. P. 1922-1926. DOI: 10.1364/AQ.47.001922
4. Panneton B., Guillaume S., Roger J.M., Samson G. Improved Discrimination Between Monocotyledonous and Dicotyledonous Plants for Weed Control Based on the Blue-Green Region of Ultraviolet-Induced Fluorescence Spectra // Applied Spectroscopy. 2010. Vol. 64, no 1. Р. 30-36. DOI: 10.1366/000370210790572106
5. Panneton B., Guillaume S., Roger J.-M., Samson G. Discrimination of Corn from Monocot-yledonous Weeds with Ultraviolet (UV) Induced Fluorescence // Applied Spectroscopy. 2011. Vol. 65, no 1. Р. 10-19. DOI: 10.1366/10-06100
6. Grishaev M.V., Sal'nikova N.S. A Setup for Remote Recording of the Spectrum of Laser-Induced Fluorescence from Crowns of Woody Plants // Instruments and Experimental Techniques. 2010. Vol. 53, no 5. P. 746-749. DOI: 10.1134/S0020441210050246
7. Gouveia-Neto A.S., da Silva E.A., Cunha P.C., Oliveira-Filho R.A., Silva L.M.H., da Costa E.B., Camara T.J.R., Willadino L.G. Plant abiotic stress diagnostic by laser induced chlorophyll fluorescence spectral analysis of in vivo leaf tissue of biofuel species // Proc. of SPIE. 2010. Vol. 7568. Р. 75680G-1 - 75680G-8. DOI: 10.1117/12.839462
8. Zhi-qiang C., Wen-li C. Effects of NaCl on photosynthesis in Arabidopsis and Thellungiella leaves based on the fluorescence spectra , the fast Chlorophyll Fluorescence Induction Dynamics Analysis and the delayed fluorescence technique // Proc. of SPIE. 2010. Vol. 7568. Р. 756822-1 - 756822-8. DOI: 10.1117/12.841257
9. Corp L.A., McMurtrey J.E., Middleton E.M., Mulchi C.L., Chappelle E.W., Daughtry C.S.T. Fluorescence sensing systems: In vivo detection of biophysical variations in field corn due to nitrogen supply // Remote Sensing of Environment. 2003. Vol. 86, no. 4. Р. 470479. DOI: 10.1016/S0034-4257(03)00125-1
10. Лысенко В.С., Вардуни Т.В., Сойер В.Г., Краснов В.П. Флуоресценция хлорофилла растений как показатель экологического стресса: теоретические основы применения метода // Фундаментальные исследования. 2013. № 4-1. С. 112-119.
11. Афонасенко А.В., Иглакова А.Н., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Прокопьев В.Е. Лабораторные и лидарные измерения спектральных характеристик листьев березы в различные периоды вегетации // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, № 3. С. 237243.
12. Белов М.Л., Булло О.А., Федотов Ю.В., Городничев В.А. Лазерный метод контроля состояния растений // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 2015. № 2. С. 71-82.
13. Влияние почв и грунтов на растения // Биофайл: сайт. Режим доступа: http://biofile.ru/bio/16552.html (дата обращения 16.03.2015).
Science and Education of the Bauman MSTU,, 2015, no. 06, pp. 201-216.
DOI: 10.7463/0615.0782024
Received: Revised:
26.04.2015 11.05.2015
Science^Education
of the Bauman MSTU
ISSN 1994-0408 <£> Bauman Moscow State Technical Unversity
Experimental Studies of Laser-Induced Fluorescence Spectra of Plants Immunity to the Kind of Ground
Yu.V. Fedotov1, O.A. Bullo1, M.L. Belov1*
b elov^bmstu. ju
V.A. Gorodnichev1
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: laser method, vegetation, laser-induced fluorescence, spectra, stability
Various external factors (pollutants available in the soil, a lack or insufficient amount of water and nutrients, etc.) lead to stressful conditions of plants and impossibility of their normal development. At the early stages it is difficult to identify visually the stressful situations of plants. Therefore development of methods and devices to detect stressful states is important.
A method of the laser-induced fluorescence is one of perspective methods for detection of stressful conditions of plants.
In spite of quite a great number of work presenting results of the pilot studies of fluorescence spectra of vegetation, there are some important issues, which are unclear.
The paper gives results of pilot studies of stability of a spectrum form of the laser-induced fluorescence of plants for different types of soil at the wavelength of excitation fluorescence of 532 nm.
Results of processing fluorescence spectra of plants show:
- fluorescence spectra of plants grown up under similar conditions have good repeatability of a spectra form for different samples of plants and different measurement time for each type of studied soil. The ratio value R of the fluorescence intensity at the wavelength of 685 nm to the fluorescence intensity at the wavelength of 740 nm has high stability. The standard deviation in sampling of the ratio R of different samples of a plant for one type of soil (for width of spectral ranges of recording fluorescent radiation of 10 nm) lies in the range ~ 0.055 - ~ 0.12;
- a difference in plant fluorescence spectra between themselves for different types of soil has the same order as a difference in fluorescence spectra of different samples of a plant for one type of soil. Difference in average value of the ratio R for different types of soil lies in the range ~ 0.01 - ~ 0.15.
Thus, the value of the ratio R is steady against a type of soil and can be used to control a condition of plants.
References
1. Gouveia-Neto A.S., Silva E.A., Oliveira R.A., Cunha P.C., Costa E.B., Câmara T.J.R., Willadino L.G. Water deficit and salt stress diagnosis through LED induced chlorophyll fluorescence analysis in Jatropha curcas L. oil plants for biodisiel. Proc. of SPIE, 2011, vol. 7902, pp. 79020A-1 - 79020A-10. DOI: 10.1117/12.872991
2. Burling K., Hunsche M., Noga G. Use of blue-green and chlorophyll fluorescence measurements for differentiation between nitrogen deficiency and pathogen infection in winter wheat. Journal of Plant Physiology, 2011, vol. 168, no. 14, pp. 1641-1648. DOI: 10.1016/j .jplph.2011.03.016
3. Belasque J., Gasparoto M.C.G., Marcassa L.G. Detection of mechanical and disease stresses in citrus plants by fluorescence spectroscopy. Applied Optics, 2008, vol. 47, no 11, pp. 1922-1926. DOI: 10.1364/A0.47.001922
4. Panneton B., Guillaume S., Roger J.M., Samson G. Improved Discrimination Between Monocotyledonous and Dicotyledonous Plants for Weed Control Based on the Blue-Green Region of Ultraviolet-Induced Fluorescence Spectra. Applied Spectroscopy, 2010, vol. 64, no 1, pp. 30-36. DOI: 10.1366/000370210790572106
5. Panneton B., Guillaume S., Roger J.-M., Samson G. Discrimination of Corn from Monocotyledonous Weeds with Ultraviolet (UV) Induced Fluorescence. Applied Spectroscopy, 2011, vol. 65, no 1, pp. 10-19. DOI: 10.1366/10-06100
6. Grishaev M.V., Sal'nikova N.S. A Setup for Remote Recording of the Spectrum of Laser-Induced Fluorescence from Crowns of Woody Plants. Instruments and Experimental Techniques,, 2010, vol. 53, no 5, pp. 746-749. DOI: 10.1134/S0020441210050246
7. Gouveia-Neto A.S., da Silva E.A., Cunha P.C., Oliveira-Filho R.A., Silva L.M.H., da Costa E.B., Câmara T.J.R., Willadino L.G. Plant abiotic stress diagnostic by laser induced chlorophyll fluorescence spectral analysis of in vivo leaf tissue of biofuel species. Proc. of SPIE, 2010, vol. 7568, pp. 75680G-1 - 75680G-8. DOI: 10.1117/12.839462
8. Zhi-qiang C., Wen-li C. Effects of NaCl on photosynthesis in Arabidopsis and Thellungiella leaves based on the fluorescence spectra , the fast Chlorophyll Fluorescence Induction Dynamics Analysis and the delayed fluorescence technique. Proc. of SPIE, 2010, vol. 7568, pp. 756822-1 - 756822-8. DOI: 10.1117/12.841257
9. Corp L.A., McMurtrey J.E., Middleton E.M., Mulchi C.L., Chappelle E.W., Daughtry C.S.T. Fluorescence sensing systems: In vivo detection of biophysical variations in field corn due to nitrogen supply. Remote Sensing of Environment, 2003, vol. 86, no. 4, pp. 470479. DOI: 10.1016/S0034-4257(03)00125-1
10. Lysenko V.S., Varduni T.V., Soier V.G., Krasnov V.P. Plant chlorophyll fluorescence as an environmental stress characteristic: a theoretical basis of the method application. Fundamental'nye issledovaniya = Fundamental research, 2013, no. 4-1, pp. 112-119. (in Russian).
11. Afonasenko A.V., Iglakova A.N., Matvienko G.G., Oshlakov V.K., Prokopyev V.E. Laboratory and lidar measurements of birch leaves spectral characteristics in different periods of vegetation. Optika atmosfery i okeana = Atmospheric and oceanic optics, 2012, vol. 25, no. 3, pp. 237-243. (in Russian).
12. Belov M.L., Bullo O.A., Fedotov Yu.V., Gorodnichev V.A. Laser Method for Vegetation Monitoring. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Priborostroenie = Herald of the Bau-man Moscow State Technical University. Ser. Instrument Engineering, 2015, no. 2, pp. 7182. (in Russian).
13. Vliyanie pochv i gruntov na rasteniya [Influence of soil and ground on plants]. Biofail: website. Available at: http://biofile.ru/bio/16552.html , accessed 16.03.2015. (in Russian).
