Zurich-Basel Plant Science Center Pflanzenwissenschaftliche Experimente 3 Pflanzenphysiologie

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1 Von der Versuchspflanze werden zwei Bilder mit der Kamera des Mobiltelefons aufgenommen. Oben: ein «normales» Bild im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums Unten: ein Bild mit vorgehaltenem NIR720 nm-filter im nahen Infrarotbereich des Lichtspektrums Fotos PSC 86

2 3.6 Messung des NDVI mit dem Mobiltelefon Dieses Experiment hat zum Ziel, mit einer einfachen Messung über die Kamera des Mobiltelefons die satellitengestützte Messung des Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) zu verstehen. Der NDVI ist ein spektroskopisches Messverfahren, welches zur Überwachung von Vegetationszonen oder landwirtschaftlicher Flächen verwendet wird. Mit diesem Experiment können die Jugendlichen ihre Kenntnisse über die Photosynthese vertiefen und Zusammenhänge zwischen dem Absorptions- und Wirkungsspektrum und der Photosynthese erkennen. Lernziele Die Jungendlichen lernen, das Verhältnis der sichtbaren Lichtfrequenzen im nahen Infrarotbereich zu messen, welche von einem Blatt absorbiert werden. Sie leiten daraus den NDVI ab. Sie vergleichen den NDVI für Vegetationszonen. Sie lernen Anwendungen des NDVI in der satellitengestützten Erdbeobachtung und der Landwirtschaft kennen. Als Vertiefung können sie die möglichen Veränderung des NDVI der Vegetationszonen im Klimawandel diskutieren. Publikum Klassen 11 und 12 auf gymnasialer Stufe. Ort Drinnen. 87

3 Materialien Protokoll Mobiltelefon mit Kamera 720 nm NIR-Filter Amazon.com Die Versuchspflanze, deren Fitness gemessen werden soll. Freie Bildbearbeitungssoftware ImageJ rsbweb.nih.gov /ij/download.html Als Versuchspflanzen eignen sich besonders Mais, Bohnen oder Stiefmütterchen. 1. Je eine Pflanze für 24 (oder 48) Stunden unter Tageslicht oder unter abgedunkelten Bedingungen (dunkler Raum) aufstellen. 2. Von je einem Blatt pro Versuchspflanze werden zwei Bilder mit der Kamera des Mobiltelefons aufgenommen: 2.1 ein «normales» RGB-Bild im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums 2.2 ein Bild mit vorgehaltenem NIR720 nm-filter im nahen Infrarotbereich des Lichtspektrums (NIR) HINWEIS: Gute Lichtverhältnisse verbessern die Qualität. Sorgen Sie für ausreichende Beleuchtung. Am besten im Sonnenlicht fotografieren, da Sonnenlicht mehr Rotlichtanteile besitzt als das künstliche Licht der Neonröhre. 3. Beide Bilder auf den Computer überspielen 4. ImageJ öffnen 5. NIR-Bild über «Drag and Drop» in ImageJ öffnen 6. Das Bild in Grauwerte konvertieren: Image > Type > 32-Bit 7. Das RGB-Bild über «Drag and Drop» in ImageJ öffnen 8. Das Bild in die einzelnen Farbkanäle des sichtbaren Spektrums trennen: Image > Type > RGB-Stack 9. Den Blaukanal abspalten: Image > Type > RGB-Stack und über Slider «Blau» den Kanal anwählen 10. Das Bild duplizieren: Rechte Maustaste > Duplicate 11. Das Bild nach dem blauen Kanal «Blau» benennen (Rechtsklick mit der Maus) Berechnung Der NDVI lässt sich über die folgende Formel berechnen: NDVI = (NIR-Blau) (NIR+Blau) NIR steht für Licht im nahen infraroten Wellenspektrum, blau für Licht im sichtbaren Bereich. 1. Das «NIR-Blau» Bild erstellen: Process > Image calculator 1.1 Das NIR-Bild für «Image 1» auswählen 1.2 Subtract für «Operation» auswählen 1.3 Das Bild «Blau» für «Image 2» auswählen 1.4 Das neue Bild «NIR-Blau» benennen 2. Diesen Schritt für die Erstellung des «NIR+Blau» Bildes wiederholen: «add» im «Image calculator» auswählen 3. NDVI berechnen: Process > Image calculator 4. Das Bild «NIR-Blau» für «Image 1» auswählen 4.1 Divide für «Operation» auswählen 4.2 Das Bild «NIR+Blau» für «Image 2» auswählen 5. Farbcodierung einfügen: Image > Lookup Table > Fire 6. Skalierung einfügen: Analyze > Tools > Calibration Bar 88

4 Interpretation Notizen Der Normalized Differenced Vegetation Index (NDVI) ist dimensionslos und bewegt sich zwischen -1 und 1. Je näher der Wert bei 1 liegt, desto «gesünder», d.h. photosynthetisch aktiver, ist das Blatt. Der NDVI berechnet sich als: NDVI = (NIR-VIS) (NIR+VIS) Wir verwenden hier die englischen Bezeichnungen: NIR = near-infrared light, Licht im nahen infraroten Bereich / VIS = visible light, Licht im sichtbaren Bereich. ABBILDUNG 1 Reflektionsanteil von Licht im nahen infraroten (NIR) und sichtbaren Bereich (VIS) in gesunden und gestressten Pflanzen 50% NIR 8% VIS 40% NIR 30% VIS Reflektionsanteile von gesunder Vegetation Reflektionsanteile von gestresster Vegetation Vertiefung Die Jugendlichen vollziehen auf den Karten des «NASA Earth Observatory» (siehe «Links») nach, in welchen Bereichen sich die NDVI verschiedener Vegetationszonen zu verschiedenen Jahreszeiten bewegen. Die Jugendlichen verstehen, dass die NDVI sich in den verschiedenen Vegetationszonen verändern, verursacht durch den Klimawandel. Welche Vegetationszonen werden langfristige NDVI-Anomalien aufweisen? In welchen Bereichen bewegen sich diese Veränderungen? Welche Aussagen können über die Produktivität der verschiedenen Vegetationstypen gemacht werden? 89

5 Reflexion Notizen Folgende Fragen können die Jugendlichen zum forschenden Lernen anregen: Welchen NDVI zeigen sehr dichte Vegetationen, welchen sehr lückenhafte Vegetationen, schneebedeckte Flächen oder Wüsten? Warum? Welche NDVI sind in der arktischen, subarktischen, borealen, gemässigten oder tropischen Zone zu erwarten? Gibt es einen Unterschied zwischen Sommer und Winter? Warum kommt es zu jahreszeitlichen Schwankungen? Wie lange dauern die Vegetationsperioden der verschiedenen Vegetationstypen? Wie hat sich der NDVI zwischen 2000 und 2013 in der borealen Zone verschoben? Wie könnte sich der NDVI in diesen Zonen in der Zukunft verschieben? Warum? ABBILDUNG 2 Wirkungsspektrum der Photosynthese 100 Photosyntheserate % Wellenlänge nm 90

6 Hintergrund Notizen Der NDVI basiert auf der Eigenschaft, dass «gesunde» Pflanzen im sichtbaren Bereich des Wellenspektrums sehr wenig Licht, im nahen infraroten Bereich aber sehr viel Licht reflektieren (ABBILDUNG 1). In der Photosynthese wird das Licht des sichtbaren Wellenspektrums durch die Blattzellen verwendet, das Licht des nahen infraroten Bereichs nicht (ABBILDUNG 2). Damit sind die Photosyntheserate und die Menge des aufgenommenen Lichts im sichtbaren Bereich direkt miteinander korreliert. Blattzellen reflektieren Licht im nahen infraroten Bereich, weil die Energie per Photon bei einer Wellenlängen von mehr als 700 Nanometer für den Aufbau von Kohlenhydraten durch die Photosynthese nicht ausreichend ist, aber gleichzeitig die Zellen aufheizen und schädigen kann. Dagegen reflektieren Blattzellen von weniger gesunden Pflanzen mehr Licht im sichtbaren Wellenspektrum und weniger im nahen infraroten Bereich. Die Photosynthese ist herabgesetzt. Über das Verhältnis der beiden Werte lässt sich der NDVI und die Fitness der Pflanze ableiten. Überwachung von Vegetationszonen. Der Index wird als spektroskopisches Messverfahren über Satelliten bestimmt. Hohe NDVI (> 0.6) deuten auf eine hohe Photosynteserate hin und dichte Pflanzenbestände, wie Wälder und Maisfelder. Lückige oder kranke und absterbende Pflanzenbestände weisen tiefere NDVI (< 0.3) auf. Obwohl der NDVI auch negative Werte bis -1 aufweisen kann (z. B. bei Wasseroberflächen), nimmt der NDVI bei fehlender Vegetation den Wert = 0 an. TABELLE Richtwerte für NDVI unterschiedlicher Vegetationszonen Vegetation Tropischer Regenwald Savannengebiet Wüstengebiet Wälder der temperierten Zone Wälder der borealen Zone Tundra Keine Vegetation NDVI < 0.1 > 0.6 > 0.4 < Temporäre Veränderungen des NDVI in einer Vegetationszone spiegeln witterungsbedingte Veränderungen von Vegetationen wieder. Sie werden als NDVI-Anomalien bezeichnet und können zum Beispiel durch Trockenheit in einem bestimmten Gebiet ausgelöst werden. Langfristige NDVI-Anomalien beobachten wir als Folge des Klimawandels z. B. in den Wäldern der borealen Zonen oder der Tundra. Die Dauer der Vegetationsperiode nimmt in den nördlichen Zonen durch den Klimawandel zu und damit auch die Zeit, in welcher die Pflanzen photosynthetisch aktiv sein können. In Alaska sind die NDVI-Werte im September 2013 im Vergleich zu September 2000 deutlich höher (siehe globale NDVI-Karten und Datensätze unter «Links»). 91

7 Zurich Basel Plant Science Center Gesellschaftliche Relevanz Wissenschaftliche Referenz Messen der photosynthetischen Aktivität in der Landwirtschaft Der NDVI ist eine einfache visuelle Methode, um die Vegetation mittels Satellit oder Kamera zu überwachen. Der NDVI ist daher für die Landwirtschaft von Bedeutung, da mit dem NDVI drohende Trockenheit in landwirtschaftlichen Flächer schon früh erkannt und durch gezielte Bewässerung ausgeglichen werden kann. Man spricht dabei auch von Präzisionslandwirtschaft («precision farming»). Mit einer auf dem Dach des Traktors montierten Kamera wird der NDVI der angebauten Nutzpflanzen quadratmetergenau bestimmt. Da wo der NDVI unter einen Grenzwert sinkt, wird punktgenau z. B. Stickstoffdünger ausgebracht. Neue Anwendungen in der Landwirtschaft werden derzeit getestet. Zum Beispiel wird der NDVI innerhalb eines Getreidefeldes mehrfach täglich mittels einer an einer Drohne befestigten Kamera bestimmt. Sinkt der NDVI in bestimmten Bereichen des Feldes zu einer bestimmten Tageszeit unter einen Grenzwert, so wird punktgenau bewässert. Durch Präzisionslandwirtschaft lassen sich kostbare Ressourcen wie Wasser und Dünger in Zukunft effizient einsetzen, nämlich in kleinen Mengen auf dem Feld genau da, wo sie gebraucht werden. Mula, D.J. (2013) Twenty five years of remote sensing in precision agriculture: Key advances and remaining knowledge gaps. Biosystems Engineering. 114: DOI: /j.biosystemseng Links Globale NDVI-Karten und Datensätze auf monatlicher Basis ab dem Jahr 2000 neo.sci.gsfc.nasa.gov Ausführliche Erklärungen zu den satellitengestützten Messungen des NDVI mit Vertiefung earthobservatory.nasa.gov/features/measuringvegetation 92

8 Zurich Basel Plant Science Center Forscherportrait Notizen Die Experimente 3.5, 3.6 und 3.7 wurden in Zusammenarbeit mit Prof. Achim Walter, Dr. Norbert Kirchgessner, Dr. Frank Liebisch und Marianne Wettstein entwickelt. Prof. Walter, welchem Rätsel wollen Sie mit Ihrer Forschung auf den Grund gehen? Wir möchten die vielseitigen Interaktionen zwischen Pflanzen und ihrer Umwelt verstehen. Was macht für Sie die Faszination der Pflanzenwissenschaften aus? Zur Formulierung und Beantwortung pflanzenphysiologisch relevanter Fragestellungen ist die Verknüpfung von Meteorologie, Pflanzenbau und digitaler Bildanalyse notwendig. Diese ausgeprägte Interdisziplinarität ist heute charakteristisch für die Pflanzenwissenschaften. So werden zum Beispiel Umweltparameter mit Wetterstationen zeitlich hochauflösend erfasst. Um deren Einfluss auf unsere Nutzpflanzen verstehen zu können, messen wir z. B. das Pflanzenwachstum mit selbstentwickelten bildgebenden Verfahren. Forschungsprojekt p3.snf.ch/project