Sensoren in de tuinbouw
Plantsensoren: sense of non-sense?
In het algemeen willen we stresssituaties voor de plant voorkomen. Vooral nu de eisen ten aanzien van het milieu en kwaliteit toenemen, wordt er meer en meer op het scherpst van de snede geteeld, met kans op stress-situaties voor de plant en daarmee mogelijk negatieve gevolgen voor de opbrengst. Vroegtijdige detectie van stress door middel van plantsensoren kan hier uitkomst bieden.
In toenemende mate wordt er in de tuinbouw ketengericht geproduceerd. Hierbij speelt voorspelling en vooral ook planning van de oogst een steeds belangrijkere rol. Om de oogst te kunnen voorspellen of plannen wordt het noodzaak om de groei van het gewas en de processen die hiervoor van groot belang zijn continu te kunnen monitoren. Ook om de klimaatregeling en water- en nutriëntengift te kunnen optimaliseren is kwantitatieve informatie over groei en ontwikkeling van het gewas door monitoring van belang.
Een groot aantal facetten van plantgroei- en ontwikkeling kunnen met een verscheidenheid aan technieken gemeten worden. De mogelijkheden om technieken te combineren en verschillende processen simultaan te meten zijn hierbij nog onvoldoende geëxploreerd. De veranderingen in plantgroei en -ontwikkeling ten gevolge van wisselende omgevingsfactoren voltrekken zich met een traagheid, variërend van seconden tot enkele maanden. Het snelst reageren de processen die gerelateerd zijn aan waterhuishouding en fotosynthese (seconden-uren). Aanpassingen van de verdeling van koolstof en nutriënten over organen zijn trager (uren-dagen). Het traagst reageren de ontwikkelingsprocessen zoals bladafsplitsing, bloemvorming, vruchtzetting, vruchtrijping en veroudering (dagen-maanden).
We kunnen sensoren onderscheiden naar traagheid van de respons van de te meten variabele:
- Trage respons: bladoppervlak, generatieve ontwikkeling,
- Medium respons: koolstofverdeling, nutriëntenopname en groei (plantgewicht),
- Snelle respons: fotosynthese en verdamping
Trage respons variabelen: Bladoppervlak en generatieve ontwikkeling
De registratie van gewasontwikkeling met behulp van (digitale) spectrale cameras en beeldverwerkingsapparatuur is momenteel sterk in opkomst. De snelle technologische ontwikkelingen en prijsdaling van de benodigde hardware maken het in de nabije toekomst mogelijk om de ontwikkeling van blad, vrucht en plantvorm te registreren en te verwerken tot kwantitatieve schattingen van hoeveelheid en kwaliteit van het product. Metingen van reflectie en absorptie van licht van verschillende golflengten bieden overigens een veelheid aan mogelijkheden om informatie over verschillende variabelen met verschillende responstijd te verkrijgen. Voorbeelden van variabelen die hiermee meetbaar gemaakt kunnen worden, zijn stikstofgehalte, pigmentsamenstelling en (water- of nutriënten-)stress. Trage variabelen zoals bladoppervlakte bepalen in grote mate de marges waarbinnen optimalisering op de eronder liggende niveaus (op de kortere termijn) moet plaatsvinden.
medium respons variabelen: Koolstofverdeling, nutriëntenopname en groei
Sub-optimale groei van gewassen wordt veroorzaakt door een remming van groeiprocessen zoals celdeling, -differentiatie en -strekking. Groeibelemmeringen kunnen veroorzaakt worden door diverse factoren zoals een tekort aan nutriënten, droogte, hitte, koude, zoutschade, ziekte, anaërobie, luchtverontreiniging enz. In de meeste gevallen is er een direct effect van deze stressfactoren op genoemde groeiprocessen. Enkele voorbeelden van sensoren voor medium respons variabelen zijn:
- minisapstroommeters voor de bepaling van waterstromen in de houtvaten
- Image-processing om groeiprocessen in beeld te brengen.
- Geminiaturiseerde sensoren voor pigmentanalyse Tranducersystemen voor metingen van vruchtgroei.
- Weegschalen onder het gewas of load-cells waaraan het gewas eventueel met teeltsysteem is opgehangen om de gewichtstoename van het gewas te meten
Snelle respons variabelen: fotosynthese en verdamping
Verdamping van een kasgewas kan relatief eenvoudig gemeten worden door het gewichtsverlies van plant en substraat te meten. Klassieke lysimeters, die in feite weegschalen onder het substraat zijn, of load-cells waaraan het gewas en substraat hangen kunnen hiervoor gebruikt worden. De temperatuur van het blad hangt sterk samen met de verdamping en uiteraard ook met de luchttemperatuur en instraling. Metingen aan bladtemperatuur kunnen dan ook indirect gebruikt worden om schattingen van bladverdamping en huidmondjesopening te maken. Bladtemperatuur kan bijvoorbeeld met behulp van infrarood thermometers gemeten worden, waarvan de kosten de laatste jaren sterk verlaagd zijn.
Om fotosynthesekarakteristieken te bepalen zijn verschillende technieken beschikbaar. CO2-opname kan direct gemeten worden met behulp van gasanalyse. Daarnaast zijn er spectroscopische technieken die de CO2-opname niet direct meten maar de vastlegging van lichtenergie in reducerend vermogen in de electronentransport processen, voorafgaand aan de omzetting van CO2 naar suikers. Deze spectroscopische technieken zijn als sensor beter geschikt dan gaswisselingstechnieken, want ze zijn geschikt voor niet-invasieve on-line metingen en technisch eenvoudiger te bouwen. Voor gaswisselingsmetingen is het nodig het gewas in te sluiten in een ruimte om de CO2-opname te kunnen meten, waardoor het gewas beïnvloed wordt door verminderde instraling en veranderde luchtstroom en temperatuur rond het gewas. Bij spectroscopische technieken wordt gebruikt gemaakt van uitgezonden meetlichtbundels en worden meetsignalen opgevangen met specifieke detectoren. Hierdoor wordt het gewas nauwelijks beïnvloed.
Tot voor kort werd in het onderzoek nog veelal gewerkt met sensoren die één meetwaarde per blad of een stukje blad gaven. In de kas blijkt zich echter een grote variatie voor te doen tussen planten, maar ook tussen bladeren van dezelfde plant en zelfs tussen bladdelen. Door een toename aan technische mogelijkheden dienen zich nu ook mogelijkheden aan om bladtemperatuur en spectroscopsiche eigenschappen te imagen, waarbij een ruimtelijk patroon verkregen wordt van de gemeten variabelen .
Top