2. fejezet - Porometria: a transpiráció mérése

szerző: Dr. Fodor Ferenc

Tartalom

2.1. Az AP4 porométer
2.1.1. A kalibrálás
2.1.2. A mérés
2.2. Feladatok

A transpiráló levelekben a víz a sejtfalakból párolog el, majd diffúzióval a sztómák alatti légudvarba kerül, áthalad a légrésen, kijut a levegő nem keveredő rétegébe, végül az atmoszférába. A fotoszintézisben felhasználódó szén-dioxid ugyanezt az útvonalat követi ellentétes irányban. A gázcserenyílásokon keresztül történő gázáramlás vizsgálata a porometria.

Valamely levéllemezben, a légrés ellenállása egy bizonyos gázra nézve csupán a légrés geometriájától, méretétől és egymástól való távolságától függ, míg a levegő nem keveredő rétegének ellenállása függ a levél tulajdonságaitól és a szélsebességtől.

Különböző növényfajokban az átlagos sztómaszám mm2-enként 100-200, melyek lehetnek a levél színén és fonákán egyaránt (amfisztomatikus levél), csak az abaxiális epidermiszben (hiposztomatikus levél), vagy ritkábban csak az adaxiális epidermiszben (episztomatikus levél). A légrés mélysége 10 és 30 µm, mérete a zárósejtekkel együtt 10 és 80 µm.

A sztómák mérete fordítottan arányos a sűrűségükkel, így az általuk által elfoglalt levélfelület kevéssé váltakozik fajonként, és általában 1% körül mozog (6 µm átlagos légrésszélesség esetén). A sztómák formája és eloszlása annál változatosabb: az egyszikű fűféléken hosszúak és keskenyek, sorokba rendeződnek, melyek párhuzamosan futnak a főérrel, míg a kétszikűek levelein ellipszis alakúak és látszólag véletlenszerűen, de egymástól nagyjából egyenletes távolságra helyezkednek el.

A sztómák nyitódását, illetve záródását befolyásolja a fény, a szén-dioxid, a hőmérséklet, a szennyező anyagok, a szárazság- és vízstressz, valamint a patogének. A porometria alkalmas a különböző növényfajok és változatok környezeti tényezők változására adott válaszreakciójának összevetésére. A porometriás mérés során a levél felületnek vízgőzleadással szembeni ellenállását, rezisztenciáját mérjük. Ez a levél, illetve növény fiziológiai állapotára jellemző érték. A mérés során a levélből távozó vízgőz megnöveli a páratartalmat a cellában, amit egy mikroszenzor érzékel. A szóban forgó készülék tehát csupán a vízgőzleadást méri, más gázokat nem. A készülék a gyakorlatban, az adott környezeti tényezők mellett történő kalibráció során, az alkalmazott cellához előre beállított páratartalom érték eléréséhez szükséges időt méri. Ezt azután összeveti a gyári kalibrációs lemezhez tartozó értékekkel. Ebből következően az adatokat rezisztencia egységekben kapjuk meg. A növények vízgőzleadása szempontjából azonban sokkal egyszerűbben értelmezhető az egységnyi felületen és idő alatt távozó víz moljainak száma, amely az alábbiak szerint számítható.

Az ellenállást, rezisztenciát az alábbi összefüggés írja le:

ahol E a vízgőz áram mértéke, mely kifejezi, hogy egységnyi idő alatt, egységnyi felületen keresztül mennyi víz halad át [g m-2 s-1] vagy [mol m-2 s-1], δΦ pedig a koncentráció különbség, az r pedig a vízárammal szembeni ellenállás értéke. Φ = [g m-3] vagy [mol m-3]. A vezetőképesség, vagyis konduktancia, a rezisztencia reciprokaként értelmezhető:

Fentiekből következik, hogy r mértékegysége [s m-1] és c mértékegysége [m s-1]. Ha a koncentrációt (Φ) a víz és a levegő móljainak hányadosaként adjuk meg, [mól mol-1], akkor a rezisztencia mértékegysége is tartalmazni fogja az anyagmennyiséget [m2 s mol-1]. Ekkor E = [mól m2 s-1], c= [mól m-2 s-1]. A növények transpirációjának jellemzésére a legkézenfekvőbb a konduktancia és ez utóbbi mértékegység használata, amely a mérőkészülékben közvetlenül beállítható és az idő és felületegységen át leadott víz mennyiségét jelenti.

2.1. Az AP4 porométer

A mérés előtt a készülékhez (AP4 porométer) csatlakoztatnunk kell a mérőcellát tartalmazó fejet és egy száraz szilikagéllel feltöltött műanyagoszlopot. A készülék hordozható, akkumulátor üzemelteti, de a hálózatba csatlakoztatva is működtethető. A kalibráláshoz szükség van egy gyári (műanyag) kalibrációs lemezre, méretre vágott szűrőpapír lapocskákra, szűrő- vagy vatta papírra, széles, vízhatlan ragasztószalagra, egy egyenes ollóra és kevés vízre. A mérés után a porométerből az adatokat RS232 kábelen keresztül számítógépre menthetjük, amelyhez előzőleg telepítenünk kell a letöltő szoftvert (2.1. ábra).

A porométer legérzékenyebb része a mérőfej, amely a kalibrációs lemezre, illetve a levelekre csíptethető. Ez tartalmazza a páratartalom-mérő felületet a cellában. Emellett található egy mikrochip termisztor (miniatűr hőmérő), amely a cella hőmérsékletét méri, illetve a „csipesz” másik oldalán, egy hajlékony szilikongumi lapba ágyazva egy másik termisztor, amely a levél hőmérsékletét méri. (A szilkongumi biztosítja, hogy a levelet sérülés- és légmentesen lehessen a mérőcellára szorítani.) Végül, a fej tartalmaz még egy fénymérőpanelt is.

2.1. ábra AP4 porométer és tartozékainak valamint a mérőfej fényképe

2.1. ábra AP4 porométer és tartozékai(a Delta-T Devices Ltd. engedélyével) (A) és a mérőfej nyitott állásban (B)

2.1.1. A kalibrálás

A mérés előtt legalább egy órával nedvesítsünk meg egy előre elkészített szűrőpapír lapocskát, majd két réteg szűrő- vagy vattapapír között itassuk le róla a felesleges vizet, majd ismételjük meg ezt a lépést még háromszor friss (száraz) felületek között. A kész lapocskát helyezzük rá a gyári kalibrációs lemezre a 2.2. ábra szerint, majd ragasszuk le a ragasztószalaggal és vágjuk le a felesleges részeket. Az így előkészített kalibráló lemez akár napokig is tárolható a műanyag tokjában.

2.2. ábra A műanyag kalibráló lemez összeállítását bemutató fénykép.

2.2. ábra AP4 porométerhez tartozó kalibráló lemez összeállítása és a mérőfej elhelyezése a lemezen. A. A műanyag kalibráló lemez, B. A szűrőpapír csík elhelyezése a kalibráló lemezen, C. A mérőfej elhelyezése a lemezen.

A készülék bekapcsolása előtt várjuk meg, amíg az felveszi a környező levegő hőmérsékletét. Kapcsoljuk be a készüléket, ellenőrizzük az elem töltöttségét és a memóriát, állítsuk be a dátumot és az időt, majd válasszuk ki a kalibráció üzemmódot. Mérjük le a légköri nyomást, a környező levegő páratartalmát és állítsuk be a mért értékeket. A fej csipesz-részének kismértékű nyitásával helyezzük el a kalibrációs lemezt az első vagy a hatodik, majd az ezt követő pozíciókba (2.2. ábra). (A különböző pozíciókban növekvő átmérőjű fúrt lyukak találhatók a lemezen.) A kalibráló mérés elindítása után a készülék belső pumpája segítségével a kívülről beszívott levegőt átnyomja a szilikagéllel feltöltött oszlopon, majd a mérőcellát tartalmazó fejhez vezető csövön, végül feltölti a cellát vízgőzmentes levegővel. Ezután a megnedvesített szűrőpapírból elpárolgó vízgőz telíti a cellát a kalibráló lemez furatain át és a gyárilag előre beállított érték elérésekor a készülék leállítja a mérést, kijelzi az integrációs időt, majd újraindítja az egész folyamatot. További beavatkozás nélkül ez ismétlődik ciklikusan mindaddig, amíg a két egymást követő mérési ciklus között a különbség megszűnik (vagy lecsökken), tehát a kijelzett érték stabilizálódik, amit a készülék egy dupla sípolással is jelez. Ekkor, tetszés szerinti ciklusszám után leállíthatjuk a mérést és továbbléphetünk a következő pozícióba. Az összes pozíció lemérése után a készülék kalibráló görbére illeszti az adatokat és amennyiben a beállított páratartalom és hőmérséklet értékek mellett kisebb a különbség a gyári értékekhez képest, mint 5 %, akkor elfogadjuk és átlépünk a mérési funkcióba. Amennyiben ennél nagyobb a különbség, akkor újra kezdjük a kalibrációs mérést, melyhez elegendő csupán a kijelzőn olvasható összehasonlító lista szerinti legrosszabb adatokhoz tartozó pozíciókban ismételni.

2.1.2. A mérés

A levél formájának megfelelően a porométerhez (AP4, Delta-T Devices, Cambridge, U.K.) kétféle mérőcellát alakítottak ki: egy hosszú, keskeny és egy kör alakú cellát. A cellát tartalmazó mérőfejet úgy rögzítjük a levélen, hogy annak szilikongumival körülhatárolt része a levéllemez kiválasztott szegmensét teljes egészében lefedje a megfelelő oldalon (2.3. ábra). Egy-egy mérésnél tehát erre a kis levélfelületre jellemző értéket mérjük. A levelek azonban eltérő fejlettségűek, árnyékolhatják egymást és különböző mértékben lehetnek érintettek a környezeti stresszhatások által. Ezért az egész növényre, illetve levélre jellemző érték eléréséhez célszerű több pozícióban, a sztómák eloszlásának függvényében az alsó és felső epidermiszen is megismételni a mérést, melyet később átlagolunk. A mérés indítása után ugyanaz történik, ami a kalibráció során és minden automatikus mérési ciklus után leolvashatók az aktuális adatok az előzőleg beállított mértékegységben. A készülék tehát addig ismétli a ciklusokat ebben az üzemmódban is, amíg a stabilnak tekinthető, egymástól nem vagy alig különböző értékeket (melyek elérését itt is dupla sípolás jelzi) el nem fogadjuk és a ciklust le nem állítjuk. A mérés során leolvasható a cella és a levél hőmérséklete közötti különbség, mely nem lehet több 1ºC-nál, bár a készülék korrigálja a különbséget. Ennek érdekében várjuk meg, míg a hőmérsékletek kiegyenlítődnek. Eltárolás előtt megjegyzést fűzhetünk az adathoz (pl. klorotikus levélszegmens), majd a fejbe épített fénymérő segítségével, melyet a levél eredeti pozíciójának megfelelő irányba forgatunk, lemérjük a PPFD (fotoszintetikus fotonáram sűrűség, [µmol foton m-2 s-1]) értékét is.

2.3. ábra AP4 porométer mérőfejének használatát bemutató fénykép.

2.3. ábra AP4 porométer mérőfejének elhelyezése a levélen a transpiráció levél fonákján végzett méréséhez

A mért adatok átlagolásánál ügyeljünk arra, hogy több növényen végzett mérések esetén, csak azonos pozícióban található leveleket átlagoljunk. Laboratóriumban nevelt növények esetén, ahol a környezeti tényezők stabilak, az alacsony szórás és a statisztikailag szignifikáns különbségek eléréséhez elegendő lehet 9 átlagolható adat, de a szabadföldi mérések esetén ennél jóval nagyobb adatmennyiségre van szükség.

Az AP4 porométer mikroprocesszorral vezérelt műszer, ami lehetővé teszi, hogy a kalibrálást nem kell a környezeti tényezők kis megváltozása esetén is újra elvégezni, hanem automatikusan korrigálja a mért adatokat. Ennek ellenére mégis szükség van ismételt kalibrálásra, ha a hőmérsékletváltozás meghaladja az 5 ºC-t, vagy megváltozik a levegő páratartalma az előzőleg beállított értékhez képest. 80% relatív páratartalom felett a mérés bizonytalanná válik, a porométer használata csak ez alatt az érték alatt javasolt.