Inleiding

De Dualex is een kleine draagbare gewassensor, die gebruikt kan worden voor het monitoren van de stikstofstatus van het gewas. De gewassensor meet de chlorofyl- en flavonoïde–inhoud van het blad. Uit de gemeten waarden voor chlorofyl en flavonoïden berekent de Dualex een Nitrogen Balance Index (NBI). Met behulp van GNSS koppelt de Dualex alle drie de parameters aan de betreffende GEO–locatie. Op basis van de berekende NBI en de bijbehorende GEO–locatie kan een agrariër de juiste hoeveelheid stikstof op de juiste plaats en op het juiste moment toedienen. Precisielandbouw dus!

De Dualex heeft een gewicht van slechts 220 gram. De meetkop van de Dualex gewassensor kan de chlorofylinhoud van het mesofyl en flavonoïde–inhoud van de epidermis van het blad monitoren. Epidermis is een ander woord voor opperhuid. Zowel aan de boven- en onderzijde van het blad bevindt zich een opperhuid. Het mesofyl ligt daar als fotosyntheseweefsel tussen. (Berg, 2008)

De meting is non–destructief voor het gewas en de gemeten waarden verschijnen direct in beeld. De metingen vereisen geen monstervoorbereiding of iets dergelijks. De metingen kunnen verricht worden in het laboratorium of in het veld, in alle temperatuur- en lichtcondities. (Force-a, 2010)

Doel

Inspelen op gewasontwikkeling tijdens het seizoen waarbij rekening wordt gehouden met variaties binnen een perceel. Hierdoor kan een beter en tijdig inzicht verkregen worden in het gewas en het perceel. De Dualex gewassensor is, zoals te zien in figuur 1, bedoeld voor onderzoeksinstellingen en landbouwbedrijven.

Mogelijkheden

Precisielandbouw wordt gedefinieerd als het verrichten van de juiste teelthandelingen op het juiste moment, op de juiste plaats in de juiste hoeveelheid. Doordat de Dualex de gemeten parameters koppelt aan een GEO–locatie en een ratio voor de stikstofstatus berekend, past dit meetinstrument prima in het plaatje van precisielandbouw.

Het monitoren van de stikstofstatus van het gewas is een voorbeeld van een toepassing. Daarbij berekent de Dualex de Nitrogen Balance Index (NBI). Enkele jaren van onderzoek en experimenteren hebben laten zien dat polyfenolen, in het bijzonder flavonoïden, indicatoren van de stikstofstatus van planten zijn.

Wanneer een plant in optimale conditie verkeerd, worden volop fotosyntheseproducten gevormd. Daarnaast worden er eiwitten (bouwsteen voor chlorofyl) en flavonoïden gevormd. Daarentegen wordt het metabolisme in het geval van stikstoftekort gericht op de productie van flavonoïden. Zie onderstaand schema voor meer verduidelijking, zie figuur 2.

De index NBI is het resultaat van de ratio chlorofyl/flavonoïden. De NBI kan uitgedrukt worden in een bereik van 0,00 tot 999,00. Deze ratio maakt het mogelijk om eerder informatie te verkrijgen over de stikstofstatus van een gewas. In elk geval voordat stikstofgebrek voor het menselijke oog zichtbaar wordt. (Force-a, 2010) De berekende NBI–index door de Dualex correleert goed (r2=0,931) met de gemeten stikstofinhoud van het blad in tarwe. Figuur 3 laat het verband zien. (Tremblay, 2011)

Wanneer een stikstofgift wordt gegeven, zal de NBI toenemen. Als een gewas meer stikstof tot zich kan nemen, zal de chlorofyl–inhoud toenemen en de flavonoïde–inhoud afnemen. De NBI–index neemt in dit voorbeeld dus toe. (Abdallah, z.d.)

Het is dus van belang dat men tijdens het groeiseizoen tijdig actie onderneemt wanneer de NBI– index gaat afnemen. Want dan is dus ook de chlorofyl–inhoud aan het afnemen en kan er minder energie uit het licht worden gebruikt voor de fotosynthesereactie. En dat leidt tot productieverlies!

Werking

De meetkop van de Dualex gewassensor kan de chlorofylinhoud van het mesofyl en flavonoïde– inhoud van de epidermis van het blad monitoren. Figuur 4 geeft een overview van de Dualex:

Wanneer de Dualex aan wordt gezet, zal het instrument direct beginnen met het zoeken naar GNSS– signaal. Elke meting wordt namelijk gekoppeld aan een GEO–locatie, inclusief tijdstip en temperatuur. Het interne GNSS heeft een nauwkeurigheid van ongeveer één meter. Daarna vraagt het instrument om één van de drie opties te selecteren:

Measurement;
USB;
Settings.

De keuzeopties ‘measurement’ en ‘USB’ worden nader toegelicht. Onder de keuzeoptie ‘settings’ kan de gebruiker bijvoorbeeld de gewenste taal instellen. Men kan kiezen tussen Engels en Frans.

Meten aan het gewas

Kies measurement om aan het gewas te gaan meten. De Dualex start in groep A, meting 1. Door op de hefboom te drukken, wordt de meetkop van de Dualex geopend. Tussen de twee helften dient het te meten blad gestoken te worden (fig. 5). Zorg ervoor dat de meetkop niet op een nerf staat. In de automaatstand start de meting direct na het sluiten van de meetkop. Daarbij is het van belang dat de meetkop met het blad ertussen in één beweging gesloten wordt. De gemeten oppervlakte heeft een diameter van vijf millimeter. Het blad mag maximaal één millimeter dik zijn. Er kan, gemeten vanaf de rand van het blad, tot een afstand van acht centimeter gemeten worden (fig. 6).

Na één pieptoon verschijnen de gemeten waarden voor chlorofyl en flavonoïden op het beeldscherm. Daarnaast komt ook de berekende Nitrogen Balance Index (NBI) in beeld. De Dualex berekent de NBI op basis van de gemeten chlorofyl- en flavonoïde–inhoud. Lees daarover verder in de paragraaf ‘mogelijkheden’. Verwijder het blad door met de hefboom de meetkop te openen en neem een volgend blad. De Dualex zal de volgende meting opslaan in groep A, meting 2.

De gewasmetingen worden achtereenvolgens in dezelfde groep (in dit voorbeeld A) opgeslagen, totdat op de pijl (ᴧ) wordt gedrukt. De Dualex geeft dan een overzicht van de gemiddelde waarden voor chlorofyl, flavonoïden en NBI. Door op OK te drukken gaat de Dualex verder bij de volgende groep (in dit voorbeeld dus B). In totaal kan de Dualex 10.000 metingen opslaan. (Force-a, 2010)

Gemeten data uitlezen De gebruiker van de Dualex kan de gemeten data uitlezen met de computer. Sluit daartoe de Dualex aan op de computer, via de mini–USB van het meetinstrument naar de USB–poort van de computer. Zet de Dualex aan en kies USB om de gemeten data uit te lezen.

De Dualex zal nu herkend worden door de computer en de gegevens kunnen gekopieerd worden, net zoals bij een gangbare USB–stick. De meetgegevens staan inclusief GEO–locatie, tijdstip, temperatuur, gemiddelden en standaarddeviatie in een CSV–bestand. Een CSV–bestand heeft zogenaamde ‘comma separated values’ en kan met Microsoft Excel geopend worden (fig. 7).

Theorie achter de flavonoïden metingen Wat zijn Flavonoïden? Groente en fruit dat rijk is aan flavonoïden, zijn vaak rood, blauw, paars of zwart gekleurd. Flavonoïden zijn antioxidanten die het risico op hartziekten, kanker en andere ouderdomsziekten reduceren. Antioxidanten zijn chemicaliën die de van nature gevormde vrije radicalen vernietigen. Vrije radicalen zijn reagerende moleculen die het DNA, eiwitten en onverzadigde vetzuren in cellen beschadigen. (Berg, 2

Flavonoïden hebben de eigenschap dat ze ultraviolet (UV) licht absorberen. Daarom kunnen ze onderscheiden worden van de golflengten die chlorofyl absorbeert. De Dualex gebruikt deze natuurlijke UV–filters om de flavonoïden te identificeren en te kwantificeren.

Een golflengte van 375 nanometer in het UV–spectrum (nr. 1, fig. 8) wordt vergeleken met een tweede golflengte van 670 nanometer in de rode golflengte (nr. 2, fig. 8). Beide golflengten wekken de fluorescentie van chlorofyl op. Maar alleen UV wordt beïnvloed door de aanwezigheid van flavonoïden.

Het verschil in de gemeten chlorofyl fluorescentie in het infrarode spectrum houdt dus direct verband de hoeveelheid flavonoïden dat aanwezig is in de epidermis van het blad (fig. 10).

In formulevorm is de flavonoïde–inhoud:

Log infrarood fluorescentie opgewekt door rood licht (no. 2) infrarood fluorescentie opgewekt door UV–licht (no. 1)
De flavonoïde–inhoud kan uitgedrukt worden in een bereik van 0,00 tot 3,00. (Force-a, 2010)
Opwekkende golflengte UV
referentiegolflengte rood

Theorie achter de chlorofyl metingen In de ‘Inleiding gewassensoren’ is de functie van chlorofyl reeds aan de orde geweest. De optische eigenschappen van chlorofyl laten een nauwkeurige en snelle meting toe door transmissie. De eerste golflengte van 710 nanometer (nr. 3, fig. 9), zeer dicht tegen de golflengte van rood licht, kwantificeert het chlorofyl. Een tweede golflengte van 860 nanometer (nr. 4, fig. 9), in de golflengte van infrarood licht, houdt rekening met de effecten van de bladstructuur. Door deze twee golflengten te gebruiken, kan de Dualex een numerieke waarde berekenen die goed correleert met de chlorofyl inhoud in een gemeten monster (fig. 11). In de statistiek wordt de mate van correlatie tussen twee variabelen uitgedrukt in een correlatiecoëfficiënt (r2). De waarde ervan kan variëren tussen -1 en +1, waarbij 0 betekent dat er totaal geen lineaire samenhang is. Hoe dichter de waarde bij -1 of +1 ligt, hoe meer lineaire samenhang er is. Een r2 van 0,95 (fig. 11) is dus goed.

In formulevorm is de chlorofylinhoud:

transmissie infrarood licht (no.4) – transmissie infrarood licht (no. 3) Transmissie infrarood licht (no. 3)

De chlorofylinhoud kan uitgedrukt worden in een bereik van 0,00 tot 150,00.

Samengevat heeft de Dualex vier LED–lichtbronnen, één in het UV–spectrum (375 nm), één in het rode spectrum (670 nm) en twee in het infrarode spectrum (710 resp. 860 nm). (Force-a, 2010)

Bibliografie

Abdallah, F. B. (z.d.). Potential indicators based on leaf flavonoids content for the evaluation of potato crop nitrogen status. Gembloux.

Berg, L. (2008). Introductory Botany. Brooks/Cole: Cengage Learning. Force-a. (2010, december). Dualex 4, flavonoid & chlorophyll meter . Cedex, Frankrijk.

Ratering, N. (2012). Wiki Precisielandbouw. Opgeroepen op 6 19, 2013, van Gewasmonitoring principe:

Schans, D. v. (2011). Gewas reflectiesensoren. Wageningen, PPO-AGV.

Tremblay, N. (2011). Sensing crop nitrogen status with fluorescence indicators. INRA and Springer Science+Business Media.