Parbar: 便宜、易于制造的用于连续测量植物顶篷中的光拦截的证书台

此处概述的建筑立分表 (Parbar) 协议的成功实施最敏感地取决于两个步骤: 1.5 (胶合光电二极管到位) 和 1.6 (将光电二极管焊接到铜线上)。步骤1.5 通过对齐光电二极管相对于其固有极性不正确来容易出错。对于我们使用的光电二极管, 我们建议将其作为必要的特定项目, 极性是通过二极管上的两个具有明显不同尺寸的电气连接器选项卡来确定的。因此, 在使用氰基丙烯酸酯胶和焊接光电二极管之前, 强烈建议仔细检查所有二极管是否都放置在面向一个方向的大型连接器卡舌和面向另一个方向的小片舌上。步骤1.6 容易因焊接技术差和形成冷焊接结而失效。这可以通过在焊接前使用焊剂笔应用薄焊料通量来避免, 并确保在将焊丝本身应用于焊接之前, 用焊头 (约 350-400°c) 加热电线和光电二极管卡舌。结。参与杆中的电气连接问题通常以校准斜率的形式表现出来, 与其他 Parbar 的问题明显不同。这些问题可以通过在施工过程中测试每个电气连接而提前发现 (如步骤1.6 所述), 并且在所有连接都已焊接之后, 但在它们被封装在环氧树脂中之前 (步骤 1.9), 可以及早发现这些问题。第三个潜在的误差来源来自于未能使用对温度不敏感的低温系数精密电阻;使用普通电阻会导致误差作为电阻, 因此二极管吸收的每单位光的电压输出随环境温度的变化而变化。误差的最终主要来源并不是 Parbar 独有的, 而是适用于所有的冰各项测量: 即从光捕获中推断有效的植物面积指数或叶面积指数取决于冠层结构的特征 (特别是平均叶片吸收率和叶角分布;a和c在 eqns 1 和 2), 在植物发育过程中和基因型之间可能会有所不同。

这里描述的议定书可以在两个主要领域进行修改或调整。首先, 我们在这里介绍的 Parbar 是专门为在小麦和大麦等排种作物中使用而设计的, 但设计可以很容易地修改到其他应用中。例如, 具有较大电阻的分流电阻可用于在较低的 PAR 范围内提高增益 (单位 PAR 的 mV 输出)。对于多功能性, 可以使用低温系数精密电位器 (可变电阻) 根据需要修改 PARbar 的灵敏度范围, 或进行小的调整以获得增益, 以便许多 Parbar 中的每一个都具有相同的校准斜率。其次, 光电二极管还可以单独用作量子传感器, 使用户能够捕获单个天篷内的空间和时间变化, 其成本远远低于使用市售的量子传感器。考虑到在波动的光线条件下对动态光合作用的兴趣越来越大, 这可能特别有价值。第三, 尽管我们对本研究中提供的数据使用了传统的 (而且价格昂贵的) 数据采集器, 但仍有使用现成组件项构建数据采集器的空间, 从而能够在有限的预算。所谓的制造商平台的普及, 如 Arduino 和 Raspberry Pi, 在这一领域提供了巨大的希望;我们建议开源的基于 arduino 的洞穴珍珠项目¹³作为进一步发展的开始。洞穴珍珠数据采集器是为洞穴生态系统的环境监测而设计的, 因此坚固性和低功耗需求是其设计中的主要考虑因素。类似的考虑因素也与植物表型工作的实施有关。洞穴珍珠数据采集器组件价格低廉 (每台低于50美元), 体积小, 这可以使它们直接纳入 Parbar。

此处描述的 Parbar 的应用面临三个主要限制。首先, 从测量的光捕获中推断植物面积指数或叶面积指数受到强时间依赖性偏差的阻碍, 特别是在行作物⁷中。这可以通过在一天内进行重复或连续的测量来克服。其次, 廉价的光电二极管没有与光子通量 (光合作用研究中最感兴趣的变量) 完全成比例的光谱输出。当光线质量通过天篷发生很大变化时, 这可能会导致偏差, 尽管以前对由此产生的误差的估计表明, 它的顺序为几个^{百分比 7}。第三, Parbar 不能区分在天篷上方传入 PAR 的直接光束和漫反射分量。当漫射辐射比阳光直射14深入到天篷^中时, 随着总辐射量的漫反射分数的增加, 透射率将增加, pai_的影响将被低估。当所有辐射都是漫反射时, PAI_{ff 与}1/kw 的对数成正比 , 而不是方程 1 15 中所示的关系。Cruse等人(2015年)^{16. 注意}到目前可用于测量直接和漫反射 par 的商业仪器费用很高, 需要定期维修, 因此它们设计了一种简单和廉价的仪器来解决这一问题。他们的系统由一个量子传感器组成, 该传感器通常由机动移动的阴影带遮挡, 并允许连续测量总、直接和漫反射 PAR。Cruse 等中使用的传感器。¹⁶系统可以替换为与 parbar 中使用的相同的光电二极管, 以进一步降低成本, 并可以很容易地将其集成到现有的 parbar 设置中。这些测量可纳入数据处理管道, 并将进一步提高 PAI_的估计的可靠性。

与现有的商业进表计相比, Parbar 的主要优点是成本低, 因此可以大量生产。最近, 人们对用于估计树冠性状的新型高通量植物表型技术越来越感兴趣 (评论见 Yang等人, 2017年¹⁷)。虽然这些方法很有希望, 因为它们产生了大量的数据, 它们通常是非常间接的, 需要对传统技术进行验证。Parbar 可以作为这些新技术的一种具有成本效益的地面验证工具。

Parbar 的低生产成本也使其成为现场连续测量的可行选择。这可能有用, 原因有几个。例如, 连续测量可用于表征行方向偏差, 以开发瞬时测量的特定时间校正功能 (更多信息见 Salter等人, 2018⁷)。连续的观鱼测量还可以捕捉天篷光捕获随时间的短暂波动 (太阳斑和阴影), 由云通过头顶, 天篷的运动等。众所周知, 光合作用对环境条件的微小变化高度敏感, 光合作用的 “动态” 变化现在被认为对提高作物产量很重要 (评论见 Murchie等人, 2018-12⁾。安装在现场的参数线具有适当的短日志记录间隔, 可用于捕捉这些短暂的波动, 并更好地了解植物天篷的动态特性。