English Title: Development of a glass fiber coupled multi channel diode laser spectrometer for spatially resolved measurements in a plant leaf water vapor boundary layer

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Abstract

Pflanzen sind für 64 % der Wasseremission über den Landmassen verantwortlich und haben damit einen starken Einfluss auf das globale Klima. Dabei ist ihr Stoffaustausch mit der Atmosphäre dynamischer als oft vermutet. Ein Schlüssel zu dessen Verständnis ist die Grenzfläche zwischen Blättern und ihrer Umgebung, an der die Wasserabgabe durch Stomata kanalisiert wird. Ein genauerer Blick auf die komplexen Vorgänge bei der Blatttranspiration erfordert allerdings innovative Techniken für Wassermessungen in situ. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Laserspektrometers für die Messung ortsaufgelöster Transpirationsraten, der Stomataleitfähigkeit und der laminaren Grenzschichtleitfähigkeit mit einer Zeitauflösung im Sekundenbereich. Diese zentralen Kenngrößen des Wasseraustauschs zwischen Pflanzen und Atmosphäre wurden aus Mehrkanalmessungen in der direkten Blattumgebung abgeleitet. Dabei erwies sich die Spektroskopie mittels durchstimmbarer Diodenlaser (tunable diode laser absorption spectroscopy, kurz TDLAS) als besonders geeignete Messmethode und ermöglichte unter Einsatz von Glasfasertechnik die notwendige Miniaturisierung für die schwer zugängliche Messumgebung. Mit dem neu entwickelten, selbstkalibrierenden TDLAS-Blattspektrometer konnten Wasserkonzentrationen zwischen 27 ppm und 38200 ppm mit einer Präzision von 13 ppm (bei 20000 ppm, 0,5 Hz) und einer Zeitauflösung bis zu 833 ms gemessen werden. In einer hierfür konstruierten, kompakten Blattmesskammer wurde die Transpirationsrate entlang mehrerer Messpfade unter der Blattoberfläche bestimmt. Durch die Mehrkanalmessung absoluter Wasserkonzentrationen wurden erstmals gleichzeitig die stomatäre Leitfähigkeit und die laminare Grenzschichtleitfähigkeit eines Pflanzenblatts der Art Epipremnum aureum ermittelt. In anschließenden Messreihen mit systematisch modulierten Umweltbedingungen wurde neben anderen relevanten Ergebnissen erstmals die Transpirationsrate eines Pflanzenblatts bei Luftstillstand gemessen.

Translation of abstract (English)

Plants are responsible for 64 % of water emission over the landmasses and thus have a vast influence on global climate. In the process, the nature of their mass exchange with the atmosphere is more dynamic than commonly thought. An important clue to its understanding is provided by the boundary between leaves and their environment, through which water is channeled by stomata. However, gaining a deeper insight into the complex process of leaf transpiration requires innovative techniques for in situ water measurement. This work describes the development of a laser spectrometer for the measurement of spatially resolved transpiration rates, stomatal conductance and laminar boundary layer conductance with a time resolution in the range of seconds. These important characteristics of plant-atmosphere water exchange were deduced from multi-channel measurements within the direct vicinity of the leaf. Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) proved to be an especially suitable method. Combining it with glass fiber technology permitted the required miniaturization to access the hard to reach measurement environment. Employing the newly developed self-calibrating TDLAS leaf spectrometer, water concentrations from 27 ppm to 38200 ppm could be measured with a precision of 13 ppm (at 20000 ppm, 0.5 Hz) and with a time resolution of up to 833 ms. In a specifically engineered compact leaf chamber, the transpiration rate along multiple paths beneath the leaf surface was measured. Multi-channel measurements of absolute water concentrations allowed for the first simultaneous determination of stomatal conductance and laminar boundary layer conductance of an Epipremnum aureum plant leaf. Subsequent series of measurements with systematically varied environmental conditions led among other relevant results to the first measurement of a leaf’s transpiration rate in still air.