Lavet af: Morten Steg JT 12-14, planter Dato: 24/1 2014 Klorofyl, et redskab til optimering af planteavl Synopsis Fag: Specialeprojekt Erhvervsakademiet Lillebælt Vejleder: Lenette Brock Iversen Tegn: 5.993 1|Si de Morten Steg Erhvervsakademiet Lillebælt JT 12-14 Vejleder: LBI 24.1.2014 Specialeprojekt Kan, og hvordan kan NDVI-foto give en økonomisk- og eller bæredygtigheds optimering? I de senere år har der været markant fokus på droneteknologi og dens mange muligheder i planteavl. Planteavl, i dag, har ikke meget gavn af den nye teknologi, der mangler tillid og beskrivelser til droners bidrag, økonomisk, arbejds- og miljømæssigt. I følgende synopsis vil fokus være, måling af klorofyl i afgrøder og dets anvendelse. Verdensbefolkningen forventes at Naturens stige med tre milliarder frem til fabrik 2050, velstanden stiger, hvilket Planters største og vigtigste egen- samlet resulterer i en øget føde- skab er fotosyntesen, der omdan- 1 grønne kemiske vareefterspørgsel . Øget fødevare- ner vand og kuldioxid til stivelse efterspørgsel kræver nytænkning og ilt – og i sidste ende – liv til os. I og optimering af landbrug. Det er plantecellen er der kloroplastre svært at forudse landbrugets ud- (grønkorn) der indeholder thyla- vikling, der er mange forhindringer koider, hvor fotosyntesen sker. Et undervejs, eksempelvis klimafor- af de vigtigste stoffer til foto- andringer, ødelagt jord- og nær- syntesen er pigmentet, klorofyl, ringsstofbalance, miljøtiltag m.v. der opfanger lys og omdanner det Axzon A/S har stor interesse i optimering og nytænkning af deres landbrug, det er på de store landbrug, en optimering har størst gavnlig effekt, både for miljøet og pengepungen. Direktør, Tom Axelgaard mener at bæredygtighed altid skal kobles sammen med nytænkning og optimering.2 Droneteknologien bliver mere og mere interessant for landbrug. Der findes i dag kameraer der kan måle planters klorofylindhold 3 (NDVI-kamera ) og derved vurdere plantesundhed. 1 Kilde 1, (Kristensen, 2010) Kilde 2, (Axelgaard) 3 Normalized Difference Vegetation Index til kemisk energi.4 Når der er brug for klorofyl ved plantevækst begynder en lang proces, klorofylsyntese. Figur 1 viser klorofyl a, der indgår kulstof, hydrogen, ilt og mineralske næringsstoffer, nitrogen og magnesium, disse stoffer skal være til stede ved en klorofylsyntese, plus enzymer og energi. Kornets modning er en ældningsproces, hvor afgrøder redder værdifulde stoffer (sukker-arter, proteinstoffer og nukleinsyrer) til frø eller rødder. Fotosyntesen går i stå, klorofylet spaltes til mindre molekyler og kloroplastrene skrumper til små tørre korn. 2 Figur 1, Klorofylmolekyle. Det er sammensat af molekylet Chlorophyllide (øverst) og Phytol (nederst). Der kan ses magnesium i midten af Chlorophyllide, derfor er magnesium vigtig for planternes vækst. (Kilde: Medicines Complete) Kornene ender delvist med at bestå af nedbrudte klorofylmolekylers phyto-del5, illustreret ved figur 1. Klorofylnedbrydning sker normalt ved tre mekanismer. 1. Ved høj lysintensitet aktiveres nedbrydningsenzymet chlorophyllase 2. Klorofylindholdet er bestemt af plantens alder. Indkodet i gener. 3. Klorofyl indholdet kan variere over nat og dag, endogent rytme.6 5 4 Kilde 3 (Torp, 2012) 6 Kilde 5 (Berg, 1995) Kilde 4 (Goss, 1973) 1|Side Morten Steg Erhvervsakademiet Lillebælt JT 12-14 Vejleder: LBI 24.1.2014 Specialeprojekt Det er ikke fotografering der er Forventet udbytte svært, men at tage brugbare For at afgrøden skal kunne opnå billeder det højst potentielle udbytte, Klorofyls sammenhæng med foto- kræver det kendskab til fald- synteseaktivitet gør det muligt at grupper og ageren derpå. Figur 3 forudsige meget når klorofyl- viser indholdet vides. Et NDVI-kamera NDVI (klorofylindholdet) og det tager billeder af bølgelængder størst mulige potentielle udbytte. hvor klorofyl har stor absorption Ved (rødt med knække en smule men stadig reflekteres stige, dog ikke med mulighed for lys) sammenholdt bølgelængder der (nærinfrarødt lys) Det giver et indeks for bladarealet i forhold til pigmentindholdet. Figur 2 viser at klorofyl a, har den største absorption ved ca. 670 nm (rødt lys). Formlen for NDVI ser således ud: NDVI=(R800–R670)/(R800+R670)7 sammenhængen afgrødeskade vil mellem kurven 100 % udbytte.8 Plantesundhed/Vækststadie Figur 4 viser et eksempel på et Figur 4, Almindeligt billede(RGB) og NDVI-foto. Skalaen i NDVI-fotoet viser at afgrøden ligger i bunden af skalaen, dvs. det er en nyetableret afgrøde. Allerede i dette vækststadie kan der vurderes om eventuel svampe-bekæmpelse er lønsom når afgrøden har taget skade under spiringsfasen (Skade i ”Overgang fra bar jord” i figur 3). (Kilde: Public Lab) NDVI-foto af en nyetableret afgrøde hvor plantebestanden er lav. Med billedet kan planteavleren vurdere afgrøden i forhold til vækststadiet og nærmiljøet. Efterfølgende behandling kan vurderes og lønsomheden kan beregnes i forhold til det forventede udbytte. Figur2, viser klorofyl a og b´s absorption i forhold til bølgelængde. Det er tydeligt at det er de blå, lilla, gule og røde farver der absorberes bedst. (Kilde: Wikimedia commons) Som planteavler har man interesse i informationer omkring sine afgrøder, mangler de noget?, virker mine behandlinger?, kan Figur 3, Illustration af forholdet mellem NDVI og udvikling af afgrøder/potentielt udbytte ved aktuelle vækstbetingelser. (Kilde: egen tilvirkning. 2014) det betale sig at behandle?, hvilke marker har størst potentiale og hvilke er først høstklar?, m.v. 8 7 Kilde 6 (Wardlow, 2006) Kilde 7 (Nidumolu, 2008) Kilde 8 (Jianqiang, 2007) 2|Side Morten Steg Erhvervsakademiet Lillebælt JT 12-14 Vejleder: LBI 24.1.2014 Specialeprojekt Høstplanlægning kalier og en mere bæredygtig pro- - Sygdomme og ukrudt Planlægning i planteavl er svær, duktion. - NDVI fejlkilder. Nye klorofyl/ fordi planters cyklus kan påvirkes blad indeks systemer af mange faktorer. Store plante- Opsamling avl, såsom Axzon A/S, har store Der er mange muligheder, de skal vendelsesmuligheder planlægningsopgaver. Der er store bare potentiale for alle?) chancer ved teknologien og metoden mestres transporttid, afgrødespild, ineffek- er der gode muligheder for økono- tiv høstning m.v. NDVI-foto kan misk bæredygtig optimering. Nu er hjælpe med valg i forhold til høst. det vigtigt at planteavlere får egne Figur erfaringer med drone- og NDVI- 5 for ineffektivitet viser modenhed for - Oplistning af tænkelige an- gribes. Når biologien, sojabønner, hvor høsttidspunkter teknologien. er angivet. Der kan koordineres sammenlignes efter fergusontraktorer der kom til hver marks modenhed, Teknologien med de kan første (muligt Litteratur Kilde 1 Thorup-Kristensen, Kristian Kunsten at brødføde verdens befolkning Aktuel Naturvidenskab 2010 og Danmark i 1947, mange kunne Kilde 2 høsttidspunkt på de knap så ikke se ideen og var skeptiske, Axelgaard, Tom. AXZON A/S modne områder, eksempelvis ved men i dag kan planteavlere ikke Link: http://axzon.eu/da/om- læhegn og lavninger. undvære en traktor. axzon mejetærskerens kapacitet Sidst besøgt: 14.1.2014 Kilde 3 Cæsar Torp, Kresten Biokemibogen 2. Udgave, 2. Oplag 2012 Nucleus Forlag ApS Kilde 4 Goss, James A Physiology of plants and their cells Division of Biology, Kansas state Figur 5, Kort over høsttidspunkt for sojabønner, Kina. (Kilde: Precision agriculture 2013) Der anvendes mange høstmetod- University Pergamon Press Inc. 1973 er, eksempelvis nedvisning, snit- Diskussionsemner ning, skårlægning m.v. Nedvisning I indlægget vil følgende emner Kilde 5 er miljøbelastende. Med et NDVI- blive berørt, fordi de alle har Berg, Rolf W foto kan planteavleren, se prob- betydning Naturens verden 1995 lemområder, ukrudt og umodne interesser: arealer9. Der kan præcisions- for - Forventet anvendelse og Ny viden, Om bladgrønt og udbytte kontra doseres kemikalier på problem- vækststadie og NDVI, (behand- områder der sikre et godt produkt, lingslønsomhed) effektivitet, besparelser på kemi- efterårets farver Rhodos, København 1995 - Planlægningsredskab til høst, (økonomiberegningseksempel) 9 Kilde 9 (Warwick ) 3|Side Morten Steg Erhvervsakademiet Lillebælt JT 12-14 Vejleder: LBI 24.1.2014 Specialeprojekt Kilde 6 Kilde 9 4. Wardlow, Brian D & Egbert, Warwick, Grace Kuckenberg, Jan & Tartachnyk, Stpephen L & Kastens, Jude H AIRBORNE REMOTE SENSING Iryna & Noga, Georg Analysis of time-series MODIS 250 USING ARA-AWI TRISPECTRAL Temporal and spatial changes of m vegetation index data for crop SCANNER chlorophyll fluorescence as a basic classification in the U.S Central Airborne Research Australia for early and precise detection of Great Plains Link: leaf rust and powdery mildew Remote Sensing of environment, http://www.graceresearch.com infections in wheat leaves, 2008 2006 Direkte link: Institute of Crop Science and http://www.graceresearch.com/R Resource Conservation, Germany Kilde 7 emote%20Sensing.html Nidumolu, Uday & Sadras, Victor Sidst besøgt: 16.1.2014 Billeder og figurer Øvrige kilder Forsidebillede, tværsnit af blad 1. ASU, school of life science Carthy, J. D Link: https://sols.asu.edu/ Planternes liv Direkte link: Marshall Cavendish Books Ltd., http://askabiologist.asu.edu/imag London 1969 es/aab-wallpaper-micro-2-small Sats: Krohns bogtrykkeri A/S, Sidst besøgt: 18.1.2014 & Hayman, Peter & Crimp, Steven Comparison of NDVI seasonal trajectories and modelled crop growth dynamics Australian Society of Agronomy Link: http://www.regional.org.au/ Direkte link: http://www.regional.org.au/au/as a/2008/concurrent/managingsite-season/5783_nidumouu.htm Sidst besøgt: 15.1.2014 Kilde 8 Jianqiang Rena, Zhongxin Chena, Qingbo Zhoua, Huajun Tanga Regional yield estimation for København 2. Can. J. Plant Sci Effect of harvest date and swathing in moisture content and Forsidebillede, Ebee drone Haefeli Lysnar Link: http://www.hlse.com.au/ Direkte link: chlorophyll content af canola seed, http://www.hlse.com.au/detail/pr 1989 oducts/267/ebee--the-working- winter wheat with MODIS-NDVI data in Shandong, China. 3. Remote Sensing of environment, Haboudanee, Driss & R. Miller, 2007 John & Pattey, Elizabeth & J. drone/ Sidst besøgt: 23.1.2014 Zarco-Tejada, Pablo & B. Srechan, Ian Hyperspectral vegetation indices and novel algorithms for predicting green LAI of crop canopies: Modeling and validation in the context of precision agriculture, 2003 Remote Sensing of environment 4|Side Morten Steg Erhvervsakademiet Lillebælt JT 12-14 Vejleder: LBI Figur 1, Klorofyl molekyle Figur 5, Høstplanlægning Medicines Complete Google Books Link: Precision agriculture 2013 www.medicinescomplete.com Direkte link: Direkte link: http://books.google.dk/books?id= https://www.medicinescomplete. - com/mc/martindale/current/login 2KXijRtUGwC&pg=PA212&lpg=PA .htm?uri=http%3A%2F%2Fwww.m 212&dq=NDVI+harvest&source=bl edicinescomplete.com%2Fmc%2F &ots=4FDiNb_b_0&sig=WRRcmM martindale%2F2009%2Fms-2385- 88Md9uigf5UEcG43QXFyc&hl=da k.htm &sa=X&ei=_- Sidst besøgt 16.1.2014 TfUoqyNcnOtAaIqoCIBA&ved=0CG Figur 2, Klorofyl absorption Wikimedia commons Link: 24.1.2014 Specialeprojekt UQ6AEwBQ#v=onepage&q&f=fals e Sidst besøgt: 20.1.2014 http://commons.wikimedia.org/wi ki/Main_Page Direkte link: http://commons.wikimedia.org/wi ki/File:Chlorophyll_ab_spectra2.P NG Sidst besøgt: 18.1.2014 Figur 4, NDVI billed Public Lab Link: http://i.publiclab.org Direkte Link: http://i.publiclab.org/system/imag es/photos/000/000/385/original/r ows_6220.jpg Sidst besøgt: 19.1.2014 5|Side