張軍華 陳丹艷 盧有琦 孫章彤 張海輝 胡 瑾

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

植物光合作用是自然界最重要的物質(zhì)轉(zhuǎn)化積累過程，通常以凈CO2交換量(即光合速率)來衡量植物碳同化效率，而碳同化效率直接影響植株的生物量[1-2]。目前光合速率測(cè)量主要以單葉為對(duì)象，通過測(cè)量固定面積內(nèi)CO2交換量來進(jìn)行計(jì)算[3]，大量研究采用光合速率儀對(duì)植物單功能葉片光合速率等參數(shù)進(jìn)行精確采集，來分析不同光照、溫度、CO2濃度等外界環(huán)境條件下光響應(yīng)、CO2響應(yīng)等過程，進(jìn)而分析不同環(huán)境因子耦合情況對(duì)光合速率的影響，單葉凈光合速率也常用于溫室環(huán)境因子對(duì)作物生長(zhǎng)影響的分析和調(diào)控模型的建立，為設(shè)施農(nóng)業(yè)中作物的提質(zhì)增產(chǎn)提供了有效的途徑，因此在設(shè)施農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用[4-9]，但在實(shí)際的植株生長(zhǎng)環(huán)境中，光強(qiáng)的時(shí)間平均分布和瞬時(shí)分布不均勻，不同光誘導(dǎo)下單葉與整株的光合能力存在差異[10]，同時(shí)在植株的生長(zhǎng)過程中，不同葉位、不同時(shí)期、不同性狀功能葉片光合場(chǎng)所、葉綠素含量、吸收光譜不盡相同，導(dǎo)致同一植株不同空間分布葉片的光合速率也不相同[11-14]，隨著葉齡的增加葉片光合能力和氣孔導(dǎo)度會(huì)逐漸下降[15]，采用單葉片光合速率來表征植株冠層光合能力和光合需求存在一定局限性[16-19]，而通過單葉光合速率建模或三維虛擬植物模擬模型來分析冠層光合能力在精度方面受很多外界環(huán)境因素影響，需進(jìn)一步研究和改進(jìn)[20-22]，因此，實(shí)現(xiàn)植物整株/群體光合速率的高精度測(cè)量，對(duì)優(yōu)化設(shè)施農(nóng)業(yè)中環(huán)境高效調(diào)控具有重要意義。

植物整株/群體光合的測(cè)量主要由密閉同化箱配合CO2分析儀或光合速率儀進(jìn)行，通常采用玻璃、透明亞克力等制成半封閉氣室，以封閉/半封閉氣路的方式與分析儀器相連，通過測(cè)量一定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)CO2濃度的變化量來計(jì)算植物的光合同化效率，能夠更加準(zhǔn)確反映植株物質(zhì)積累效率[5, 23-25]。目前光合速率測(cè)量主要集中于單葉測(cè)量，已有研究基本采用精密的儀器精確地測(cè)量整株/群體的碳同化過程，且一般直接在作物生長(zhǎng)環(huán)境的條件下進(jìn)行[26-29]，環(huán)境參數(shù)的調(diào)控?zé)o法像單葉光合速率測(cè)量那樣由光合速率儀進(jìn)行精確設(shè)置和調(diào)控，無法測(cè)量光響應(yīng)曲線、溫度響應(yīng)曲線等數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)的分析在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的智能化調(diào)控中起著重要的作用。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)原理的原因，測(cè)量的半封閉/封閉氣路系統(tǒng)普遍存在漏氣現(xiàn)象，漏氣速率過大和不穩(wěn)定嚴(yán)重影響CO2濃度的檢測(cè)結(jié)果[23]，而密閉的環(huán)境則會(huì)出現(xiàn)由于植物的光合、蒸騰作用導(dǎo)致同化箱內(nèi)水汽濃度急劇升高的現(xiàn)象，已有測(cè)量系統(tǒng)在短時(shí)間碳同化過程測(cè)量后，需打開同化箱進(jìn)行水汽疏散[5]。因此，環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)可控，氣密性優(yōu)異是整株/群體光合碳同化檢測(cè)過程中重要的要求。

本文采用半封閉碳同化過程測(cè)量方式，設(shè)計(jì)氣密性良好的碳同化測(cè)量系統(tǒng)，基于高精度傳感器采集同化箱內(nèi)光合作用相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，并通過反饋控制實(shí)現(xiàn)環(huán)境的精確調(diào)控，采用線性模型完成對(duì)采集CO2濃度的擬合分析，以LI-6800型閉路碳同化檢測(cè)系統(tǒng)為參照，分析在不同作物、不同溫度、不同光照強(qiáng)度下系統(tǒng)檢測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為設(shè)施農(nóng)業(yè)作物整株/群體光合檢測(cè)建立更高效準(zhǔn)確的調(diào)控模型提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)光合速率測(cè)量方法主要依靠光合速率儀的小葉室對(duì)單葉進(jìn)行檢測(cè)獲取，本文針對(duì)設(shè)施蔬菜設(shè)計(jì)群體光合測(cè)量系統(tǒng)，可滿足葉菜類及果菜幼苗期整株/多株碳同化過程的測(cè)量，整個(gè)系統(tǒng)主要包括：透明檢測(cè)同化箱、LED可控?zé)粝?、同化箱環(huán)境因子測(cè)量控制系統(tǒng)、控制氣路，系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)同化箱內(nèi)環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、CO2交換相關(guān)參數(shù)的計(jì)算、光照強(qiáng)度自動(dòng)控制、氣體干燥、同化箱內(nèi)外氣體交換、CO2補(bǔ)給等功能，在植物群體光合過程中，CO2濃度會(huì)隨著植物光合作用急劇變化，同時(shí)同化箱內(nèi)氣體濕度也會(huì)由于蒸騰作用而升高，傳統(tǒng)同化箱測(cè)量一段時(shí)間后需要進(jìn)行開蓋換氣除濕。為控制同化箱內(nèi)水汽濃度，同時(shí)使每次測(cè)量起始CO2濃度基本相同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)CO2補(bǔ)給回路及空氣干燥回路構(gòu)成半封閉式調(diào)控系統(tǒng)；光輻射強(qiáng)度可通過光輻射傳感器與LED可控?zé)粝渑浜闲纬砷]環(huán)反饋控制，為群體光合營(yíng)造可控光環(huán)境。

1.2 透明檢測(cè)同化箱

透明檢測(cè)同化箱采用透明亞克力板制成，亞克力板厚6 mm，內(nèi)部尺寸為長(zhǎng)(300 mm)×寬(300 mm)×高(350 mm)，各個(gè)面板間通過專用密封膠進(jìn)行粘接，為方便測(cè)試，同化箱頂部面板可快速拆卸，采用不銹鋼彈簧伸縮搭扣進(jìn)行固定，同時(shí)上面板與箱體間使用三元乙丙硅膠發(fā)泡密封條進(jìn)行密封，保證同化箱的氣密性。

同化箱4個(gè)側(cè)面各預(yù)留1個(gè)通氣孔，每個(gè)通氣孔安裝穿板快擰直接接頭，并通過密封硅膠墊圈及AB膠進(jìn)行密封，2個(gè)相對(duì)側(cè)面通氣孔沿箱體對(duì)角線方向分布，其中一組用于系統(tǒng)干燥氣路與CO2補(bǔ)給氣路連接，另一組通氣孔預(yù)留，可用于光合儀、CO2紅外分析儀等檢測(cè)設(shè)備的連接，不使用時(shí)用堵頭進(jìn)行封閉；箱體內(nèi)配置接線盒用于連接同化箱內(nèi)環(huán)境因子檢測(cè)模塊及對(duì)流扇供電，接線盒通過8芯水密型插座與箱體外檢測(cè)設(shè)備連接，防止漏氣。對(duì)流扇沿箱體對(duì)角線方向安裝，且位于干燥氣路與CO2補(bǔ)給氣路進(jìn)出氣口附近，這樣能讓干燥后氣體及CO2快速對(duì)流，使箱體內(nèi)氣體相對(duì)均勻。

1.3 LED可控光源

LED可控光源采用正白光(6500 K色溫)全光譜燈珠進(jìn)行設(shè)計(jì)，單顆燈珠最大功率3 W，燈箱共布置10條燈板，每條燈板10顆LED燈珠，分為2路并聯(lián)連接，每路5顆燈珠串聯(lián)，整體最大發(fā)光功率300 W。燈箱外形尺寸為50 cm×50 cm×10 cm，發(fā)光面開孔39 cm×39 cm，10條燈板分兩組均勻布置，燈箱側(cè)面安裝2個(gè)散熱扇，另一側(cè)對(duì)稱位置進(jìn)行開孔，用于燈箱內(nèi)燈條及LED驅(qū)動(dòng)模塊的快速散熱，保證LED光源的穩(wěn)定輸出。

為保證LED發(fā)光的穩(wěn)定性，燈條采用恒流方式驅(qū)動(dòng)。整個(gè)燈箱采用明緯24 V/500 W (RSP-500-24型)開關(guān)電源供電，LED驅(qū)動(dòng)模塊采用PT4123E型降壓恒流芯片，通過PWM調(diào)光方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其轉(zhuǎn)換效率為97%，共設(shè)計(jì)10路LED驅(qū)動(dòng)，每路電流驅(qū)動(dòng)能力1.3 A，由同化箱環(huán)境因子測(cè)量控制系統(tǒng)輸出可控占空比PWM信號(hào)(1 kHz)進(jìn)行光源亮度的精確反饋控制，設(shè)計(jì)控制精度±5 μmol/(m2·s)，以滿足光合速率測(cè)量光源穩(wěn)定性的需求。

1.4 控制氣路

控制氣路由同化箱內(nèi)外換氣氣路、干燥氣路與CO2補(bǔ)給氣路組成，為簡(jiǎn)化氣路布置，氣路中采用2個(gè)二位五通電磁氣閥，使部分氣路可復(fù)用，整個(gè)氣路通過小型真空抽氣泵實(shí)現(xiàn)氣流循環(huán)，整體氣路設(shè)計(jì)如圖2所示。其中同化箱內(nèi)外換氣與干燥2路低氣壓氣路通過直動(dòng)式二位五通氣閥(SMC公司，VS4110-035U型)進(jìn)行連接，由于CO2補(bǔ)給需使用CO2發(fā)生器或CO2鋼瓶，其內(nèi)部存在高壓，因此CO2補(bǔ)給氣路采用先導(dǎo)式二位五通氣閥(CHINT 4V210-08 DC24V型)并入干燥氣路，在補(bǔ)給CO2的同時(shí)也能通過排氣口實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)多余氣體的排出，防止同化箱內(nèi)氣壓過高。

1.5 同化箱環(huán)境因子測(cè)量控制系統(tǒng)

同化箱環(huán)境因子測(cè)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)同化箱內(nèi)CO2濃度、光輻射強(qiáng)度、溫度、相對(duì)濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可通過環(huán)境參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)環(huán)境的精確調(diào)控，同時(shí)可根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行光合相關(guān)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)整體示意圖如圖3所示，由STC15核心處理模塊、傳感器模塊、工控屏、電源模塊組成。

其中核心處理模塊采用STC15W4K56單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)，通過單片機(jī)自帶10位AD采樣引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)光輻射傳感器數(shù)據(jù)的采集，串口1用于核心處理模塊與工控屏之間的數(shù)據(jù)通信，串口2用于CO2濃度、溫濕度數(shù)據(jù)的采集，除數(shù)據(jù)采集與通信功能，模塊設(shè)計(jì)開發(fā)了可控PWM信號(hào)輸出與繼電器控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈箱光源的精確輸出與控制氣路電磁閥的控制。

傳感器模塊集成光輻射強(qiáng)度、CO2濃度、空氣溫濕度4類環(huán)境因子的同時(shí)監(jiān)測(cè)，其中光輻射傳感器采用DAVIS 6450光輻射傳感器，光輻射檢測(cè)范圍為0～1 800 W/m2，精度±5%FS，由于傳感器檢測(cè)為光輻射通量密度，需對(duì)傳感器進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)。將傳感器與LI-6800型光合速率儀自帶的光量子通量密度傳感器在相同光環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，采用線性擬合對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，擬合模型的R2為0.999 9，均方根誤差為3.065 1 μmol/(m2·s)，其計(jì)算公式為

P=5.549 3ESR+3.657 0

(1)

式中P——光量子通量密度，μmol/(m2·s)

ESR——光輻射通量密度強(qiáng)度，W/m2

采用Sensirion SCD30型傳感器模塊檢測(cè)CO2濃度、空氣溫濕度，CO2濃度檢測(cè)范圍為0～40 000 μmol/mol，檢測(cè)精度±30 μmol/mol；溫度檢測(cè)范圍為-40～70℃，精度±(0.4+0.023(T-25))℃；空氣相對(duì)濕度檢測(cè)范圍為0～100%，精度±3%。該傳感器各項(xiàng)指標(biāo)性能優(yōu)異，均滿足本設(shè)備的設(shè)計(jì)需求。

采用步科MT4404T型工控屏，用于光合相關(guān)參數(shù)的顯示、計(jì)算與記錄存儲(chǔ)，同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)向核心處理模塊發(fā)送環(huán)境參數(shù)配置指令與控制指令。

1.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)碳同化過程CO2交換量檢測(cè)和群體光合速率計(jì)算，基于上述硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件，主要包括數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、環(huán)境調(diào)控、數(shù)據(jù)計(jì)算等功能，軟件流程圖如圖4所示。系統(tǒng)碳同化過程數(shù)據(jù)采集流程如下：首先設(shè)置參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)工控屏設(shè)置的光環(huán)境參數(shù)，對(duì)同化箱內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行閉環(huán)調(diào)控，同時(shí)，根據(jù)CO2濃度設(shè)置值開啟補(bǔ)給氣路，使同化箱內(nèi)CO2濃度達(dá)到設(shè)置水平，待工控屏CO2濃度變化曲線變化穩(wěn)定后，開始測(cè)量并記錄碳同化過程數(shù)據(jù)，單次測(cè)量時(shí)長(zhǎng)6 min，待測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)開啟同化箱干燥功能以降低同化箱內(nèi)水汽濃度，同時(shí)通過工控屏對(duì)采集存儲(chǔ)的CO2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，計(jì)算CO2濃度變化率，進(jìn)而計(jì)算試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)CO2交換量，最終將CO2交換量與環(huán)境參數(shù)代入光合速率公式計(jì)算植株群體光合速率并存儲(chǔ)。試驗(yàn)過程所有數(shù)據(jù)均可通過U盤導(dǎo)出用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

圖4 碳同化過程測(cè)量流程圖Fig.4 Measurement flow chart of carbon assimilation process

系統(tǒng)界面可用于試驗(yàn)過程中同化箱內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和光合參數(shù)的顯示，同化箱內(nèi)光照強(qiáng)度、CO2濃度、相對(duì)濕度、葉面積、采樣周期等環(huán)境參數(shù)和預(yù)設(shè)參數(shù)的設(shè)置，以及試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)操作日志的查詢與導(dǎo)出。其部分界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)Fig.5 System interface design

2 數(shù)據(jù)分析方法與測(cè)試

2.1 碳同化過程CO2濃度擬合方法

系統(tǒng)采用抽氣測(cè)量方式進(jìn)行LI-6800型閉路碳同化測(cè)量，獲取的CO2濃度變化數(shù)據(jù)受箱體內(nèi)氣流擾動(dòng)影響小，測(cè)量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，而自制群體光合測(cè)量系統(tǒng)傳感器模塊布置于靠近植株冠層位置，由于植株受對(duì)流扇氣流擾動(dòng)的影響使CO2濃度存在波動(dòng)，其次在暗環(huán)境、低光照及植株葉面積較小時(shí)，植株的呼吸速率與光合速率均很小，而CO2氣體擴(kuò)散至整個(gè)同化箱時(shí)濃度變化不明顯，同時(shí)也局限于傳感器模塊中CO2濃度的檢測(cè)精度，使設(shè)備在檢測(cè)CO2濃度時(shí)存在一定偏差，因此需通過數(shù)據(jù)擬合的方法進(jìn)行修正。植物在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中進(jìn)行光合作用時(shí)，當(dāng)輻射的光照強(qiáng)度一定，其光合速率基本穩(wěn)定，CO2同化速率也趨于穩(wěn)定，在同化箱無CO2補(bǔ)給的情況下，短時(shí)間內(nèi)CO2濃度的變化量與時(shí)間基本呈線性關(guān)系[30]，因此本文采用線性方程對(duì)自制群體光合測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的CO2變化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，用于修正系統(tǒng)的測(cè)量誤差。CO2濃度隨時(shí)間變化的線性擬合公式為

FCO2(t)=kt+ICO2

(2)

式中t——試驗(yàn)的相對(duì)時(shí)間，初始時(shí)間為0 s

k——線性擬合計(jì)算的斜率

ICO2——初始截距

通過式(2)擬合CO2濃度測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取斜率k，進(jìn)而計(jì)算光合試驗(yàn)測(cè)量時(shí)間內(nèi)同化箱中CO2濃度變化量ΔC為

ΔC=kΔt+ΔC′

(3)

式中 Δt——時(shí)間間隔，s

ΔC′——Δt時(shí)間內(nèi)的CO2漏氣量，μmol/mol

2.2 群體光合速率計(jì)算

群體光合速率是指同化箱內(nèi)所有植株的所有功能葉片光合速率的總和，它與植株光合葉面積、溫度、CO2濃度、大氣壓等因子密切相關(guān)，本文結(jié)合從LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)中導(dǎo)出的檢測(cè)數(shù)據(jù)，基于LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)提供的凈CO2交換量Fc(μmol/(m2·s))計(jì)算式

(4)

式中V——同化箱的體積，cm3

p0——箱體內(nèi)初始大氣壓，kPa

W——箱體內(nèi)水汽濃度，mmol/mol

R——理想氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)

Sleaf——植株葉面積，cm2

T0——箱體內(nèi)初始空氣溫度，℃

完成對(duì)兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)光合速率的計(jì)算。

為分析設(shè)備與LI-6800型測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的相關(guān)程度，通過線性相關(guān)分析進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)利用葉子飄光響應(yīng)曲線擬合工具中雙曲線修正模型進(jìn)行擬合，分別分析生菜與番茄光響應(yīng)建模結(jié)果。

2.3 葉面積測(cè)量

在完成植株碳同化檢測(cè)試驗(yàn)后，摘下所有功能葉片與1 cm×1 cm標(biāo)準(zhǔn)色塊進(jìn)行拍照，通過圖像處理軟件ImageJ對(duì)圖像分析測(cè)算獲取葉面積。

2.4 測(cè)試試驗(yàn)方案

為滿足設(shè)施作物光合相關(guān)參數(shù)的測(cè)量需求，整個(gè)同化箱系統(tǒng)需保證良好的氣密性和CO2交換量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)氣密性、光環(huán)境控制精度、植株碳同化過程測(cè)試試驗(yàn)方案，并選取合適擬合算法對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)進(jìn)行修正。

2.4.1氣密性測(cè)試

使用LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行氣密性測(cè)試，光合速率儀分析器更換自制葉室適配器，根據(jù)碳同化檢測(cè)方法對(duì)光合速率儀進(jìn)行規(guī)范連接，分析器出氣口接于同化箱進(jìn)氣口(圖1中IN_1)，主機(jī)進(jìn)氣口通過軟管與同化箱出氣口(圖1中OUT_1)相連，將空同化箱蓋頂面板密封后，開啟系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。利用氣體濃度差擴(kuò)散原理，同化箱內(nèi)外CO2濃度差異越大，在漏氣情況下會(huì)擴(kuò)散越快?；谠撛碓囼?yàn)共設(shè)置3個(gè)不同初始CO2濃度梯度進(jìn)行氣密性測(cè)試，每個(gè)梯度測(cè)試30 min，每5 s采集一次同化箱CO2濃度，繪制CO2濃度變化曲線并計(jì)算CO2漏氣速率，為群體光合測(cè)量系統(tǒng)光合相關(guān)參數(shù)計(jì)算進(jìn)行修正。試驗(yàn)梯度設(shè)置如表1所示，表中每個(gè)梯度CO2濃度為測(cè)試前10個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)均值，測(cè)試過程中外界環(huán)境CO2濃度為(650±50) μmol/mol。

表1 氣密性試驗(yàn)初始CO2濃度設(shè)置Tab.1 Initial CO2 setting of air tightness experiment

2.4.2植株碳同化檢測(cè)方案

為驗(yàn)證自制群體光合測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確性及適用性，在同化箱預(yù)留接口接入LI-6800型閉路碳同化檢測(cè)系統(tǒng)，與自制測(cè)量系統(tǒng)同步試驗(yàn)并記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析兩者CO2變化趨勢(shì)及變化速率，其中LI-6800型閉路碳同化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置為閉路CO2同化量檢測(cè)模式，通過自動(dòng)測(cè)量程序進(jìn)行記錄，每2 s檢測(cè)記錄一次數(shù)據(jù)；自制群體光合測(cè)量系統(tǒng)每1 s記錄一次數(shù)據(jù)并保存于USB存儲(chǔ)器中。試驗(yàn)材料為番茄(普羅旺斯)和玻璃生菜兩種典型設(shè)施作物，其中番茄選用幼苗期(6葉1心)植株，玻璃生菜選用4葉期幼苗和9葉期植株分別進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試設(shè)置多個(gè)溫度和光照梯度，番茄主要測(cè)試低溫條件下(8～20℃)光響應(yīng)碳同化過程，生菜測(cè)試中高溫(16～28℃)條件下光響應(yīng)碳同化過程，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置梯度如表2所示，其中番茄采用單株苗進(jìn)行試驗(yàn)，共設(shè)置4個(gè)溫度梯度和8個(gè)光照梯度；9葉期生菜采用單株進(jìn)行試驗(yàn)，共設(shè)置4個(gè)溫度梯度和9個(gè)光照梯度，4葉期生菜用于群體光合測(cè)試，單次試驗(yàn)放置4株生菜于同化箱中，設(shè)置1個(gè)溫度梯度和5個(gè)光照梯度進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 碳同化檢測(cè)試驗(yàn)梯度設(shè)置Tab.2 Gradient settings of carbon assimilation measurement experiment

整個(gè)試驗(yàn)于人工培養(yǎng)箱中進(jìn)行，培養(yǎng)箱主要用于對(duì)同化箱內(nèi)部溫度的控制，試驗(yàn)開始后，系統(tǒng)開啟持續(xù)內(nèi)外換氣模式，待同化箱內(nèi)部溫度達(dá)到預(yù)設(shè)梯度時(shí)關(guān)閉內(nèi)外換氣，靜置3 min左右待內(nèi)部CO2濃度充分?jǐn)_動(dòng)均勻，且儀器CO2濃度變化曲線斜率基本穩(wěn)定后兩套系統(tǒng)同時(shí)開始測(cè)量記錄，LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)每次測(cè)量時(shí)長(zhǎng)2 min，每個(gè)光照梯度連續(xù)測(cè)量3次，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量6 min。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 設(shè)備性能結(jié)果分析

3.1.1PAR控制精度分析

對(duì)LED燈箱不同光強(qiáng)設(shè)置條件下的輸出進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。其中圖6a為各個(gè)光照梯度下連續(xù)60個(gè)實(shí)測(cè)值分布及其均值，圖6b為誤差占對(duì)應(yīng)光強(qiáng)梯度的百分比及所有梯度下誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，表3為每個(gè)梯度實(shí)測(cè)光照強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)差。由圖6a可知，每個(gè)梯度下實(shí)測(cè)光照強(qiáng)度均值與設(shè)置值相差較小，實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)在設(shè)置值附近波動(dòng)，且較為集中；通過圖6b可看出，最大標(biāo)準(zhǔn)差百分比為光強(qiáng)梯度30 μmol/(m2·s)時(shí)的7.99%，隨著光照梯度增加，誤差占比逐漸降低，同時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)差箱圖可看出，標(biāo)準(zhǔn)差范圍為2.13～3.46 μmol/(m2·s)，均值為2.71 μmol/(m2·s)，說明系統(tǒng)光照強(qiáng)度的精確反饋控制誤差較小，且不隨LED發(fā)光強(qiáng)度的增加而增大，經(jīng)分析該部分誤差主要是由于LED實(shí)時(shí)反饋控制中PWM占空比的控制步長(zhǎng)與光輻射傳感器的自身檢測(cè)靈敏度導(dǎo)致的，綜上結(jié)果表明系統(tǒng)光強(qiáng)控制較為精確，能為光響應(yīng)碳同化測(cè)量過程中植株光合提供穩(wěn)定的光能。

表3 PAR控制精度及標(biāo)準(zhǔn)差Tab.3 PAR control accuracy and standard deviation μmol/(m2·s)

圖6 光照強(qiáng)度控制效果Fig.6 Analysis of control effect of light intensity

3.1.2氣密性測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)同化箱密閉性在不同內(nèi)外CO2濃度差情況下進(jìn)行測(cè)試，3個(gè)濃度梯度下漏氣結(jié)果如圖7a所示，測(cè)試過程中同化箱外環(huán)境CO2濃度為(700±50) μmol/mol，圖中C1、C2、C3濃度依次升高，低于環(huán)境濃度的2個(gè)梯度(C1、C2)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，高于環(huán)境濃度的梯度呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，在整個(gè)測(cè)試過程中3個(gè)梯度CO2濃度變化幅度均較小。分別對(duì)3個(gè)梯度進(jìn)行線性擬合分析，結(jié)果如圖7b～7d所示，C1、C2、C3擬合R2分別為0.988 7、0.974 4、0.902 2，斜率表示1 min內(nèi)同化箱漏氣的速率，濃度差500 μmol/mol左右時(shí)(C1、C3)漏氣速率分別為0.047 3、0.046 2 μmol/(mol·min)，C2濃度時(shí)漏氣速率為0.034 3 μmol/(mol·min)，與濃度差越大漏氣速率越大規(guī)律相符，從漏氣結(jié)果可以看出同化箱的氣密性較好，能滿足光合碳同化過程的測(cè)量。由于系統(tǒng)每次在測(cè)量碳同化過程的時(shí)間為6 min，試驗(yàn)過程中濃度差最大時(shí)漏氣量?jī)H為0.283 8 μmol/mol，因此在測(cè)試過程中漏氣可以忽略不計(jì)。

圖7 系統(tǒng)氣密性分析Fig.7 Air tightness results

3.2 碳同化過程檢測(cè)結(jié)果分析

3.2.1單/多株生菜碳同化過程檢測(cè)結(jié)果分析

通過本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)與LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)，采用線性相關(guān)性分析，生菜在不同溫度與光照梯度下碳同化過程的CO2變化量結(jié)果如圖8所示。

圖8 生菜碳同化過程檢測(cè)結(jié)果Fig.8 Analysis results of carbon assimilation in lettuce

單株9葉期生菜與4株4葉期生菜不同光溫條件下的CO2變化量具有良好的線性趨勢(shì)(圖8a、8c)，且與LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果基本吻合。由圖8a可知，生菜CO2變化量線性擬合的絕對(duì)系數(shù)R2為0.988，RMSE為5.82 μmol/mol，與LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量真值線接近，說明設(shè)備檢測(cè)性能與LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)性能接近。通過計(jì)算不同光強(qiáng)梯度下設(shè)備檢測(cè)值與LI-6800測(cè)量值的絕對(duì)偏差(圖8b)，并分析絕對(duì)偏差邊際直方圖及曲線分布(圖8c)，結(jié)果表明，其整體偏差較小，大偏差情況較少，證明設(shè)備在碳同化過程中檢測(cè)CO2濃度的性能較穩(wěn)定，隨著光強(qiáng)的增加，其絕對(duì)偏差逐漸增大，這是由于光強(qiáng)較大時(shí)，植株光合速率及蒸騰速率較大，使同化箱內(nèi)CO2氣體不均勻程度增大，而傳感器擺放位置位于同化箱中間及植株冠層附近，其CO2濃度檢測(cè)存在一定滯后性，因此設(shè)備檢測(cè)結(jié)果偏小。同樣，多株生菜碳同化過程CO2變化量如圖8d所示，其線性擬合決定系數(shù)為0.874，RMSE為5.80 μmol/mol，較單株大苗偏離真值的誤差波動(dòng)大，其主要原因也是由于同化箱內(nèi)部氣體循環(huán)欠佳，使氣體擴(kuò)散不均勻?qū)е?，由圖8e、8f中不同光照梯度下絕對(duì)偏差及邊際分布概率結(jié)果可知，大部分測(cè)量值偏差較小，能夠基本滿足植株光合作用過程中CO2變化量的測(cè)量要求。

3.2.2番茄幼苗碳同化過程檢測(cè)結(jié)果分析

番茄幼苗期不同溫度、光照梯度碳同化過程CO2濃度變化量檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，由圖9a可以看出，線性分析決定系數(shù)R2為0.952，RMSE為3.39 μmol/mol，且斜率接近于1，說明在不同光溫條件下設(shè)備在碳同化過程中CO2濃度檢測(cè)結(jié)果與LI-6800測(cè)量結(jié)果誤差很小，由圖9b、9c可知，在所有光照梯度下，設(shè)備整體偏差主要集中分布在小于5 μmol/mol范圍內(nèi)，僅少數(shù)點(diǎn)存在較大偏差，與生菜分析結(jié)果相比，番茄的CO2變化量整體偏差更小，更接近于LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果。主要原因是生菜為葉菜類植物，光合功能葉片主要集中于一個(gè)橫向空間，而番茄屬于直立生長(zhǎng)作物，光合功能葉片為垂直空間分布，CO2氣體吸收的空間范圍更大，同時(shí)番茄葉片間間隙較大，氣體經(jīng)循環(huán)扇攪動(dòng)后擴(kuò)散更快，使同化箱內(nèi)整體濃度能快速均勻，因此本系統(tǒng)更加適用于直立生長(zhǎng)植株的碳同化過程的測(cè)量。

圖9 番茄碳同化過程檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Analysis results of carbon assimilation in tomato

3.3 群體光合速率建模結(jié)果分析

基于凈CO2交換量計(jì)算公式，分別計(jì)算本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)與LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的不同溫度下光響應(yīng)各點(diǎn)光合速率，通過葉子飄雙曲線修正模型對(duì)光響應(yīng)光合數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，番茄不同溫度下的光響應(yīng)曲線如圖10所示。隨著溫度的增高，番茄光合速率逐漸增加，達(dá)到光飽和平穩(wěn)拐點(diǎn)的光照強(qiáng)度后移，與單葉光合速率測(cè)量結(jié)果一致。由圖10可得出，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)所計(jì)算的光合速率與LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)結(jié)果基本吻合，說明系統(tǒng)雖在碳同化過程中CO2濃度檢測(cè)結(jié)果存在一定偏差，但經(jīng)過擬合后能減小與LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)結(jié)果的差異，通過對(duì)2條光響應(yīng)曲線擬合結(jié)果間平均絕對(duì)誤差(Mean absolute error，MAE)進(jìn)行計(jì)算，不同溫度梯度下MAE分別為0.79、0.28、0.36、0.38 μmol/(m2·s)，平均MAE為0.45 μmol/(m2·s)，證明4個(gè)溫度梯度下兩者之間光響應(yīng)曲線偏差較小且能達(dá)到基本吻合的效果。圖10a中擬合曲線弱光條件下的差異較大，主要是由于低溫弱光時(shí)，番茄光合能力受到抑制，其整體光合速率較小，導(dǎo)致CO2吸收量較小，而傳感器自身也存在檢測(cè)波動(dòng)，使最終光合速率計(jì)算結(jié)果存在偏差，由圖中R2結(jié)果也可得出低溫弱光光合速率擬合的R2波動(dòng)較大，這與采用LI-6800型閉路碳同化系統(tǒng)低溫弱光條件下測(cè)量單葉的現(xiàn)象相同。本文系統(tǒng)光響應(yīng)擬合決定系數(shù)R2整體低于LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)，但其平均決定系數(shù)R2不小于0.95，表明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠滿足光響應(yīng)曲線中光合速率的測(cè)量要求。

圖10 不同溫度下番茄幼苗光響應(yīng)曲線擬合結(jié)果Fig.10 Fitting results of light response of tomato seedlings at different temperatures

為分析系統(tǒng)對(duì)不同生長(zhǎng)形態(tài)植株測(cè)量的適用性，采用與番茄碳同化率處理相同的方法，擬合不同溫度下生菜光響應(yīng)曲線，結(jié)果如圖11所示，各溫度梯度下MAE為0.24、0.45、0.33、0.39 μmol/(m2·s)，平均MAE僅為0.35 μmol/(m2·s)，說明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)與LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果趨勢(shì)及數(shù)值基本吻合，特別是0 ～ 400 μmol/(m2·s)光照區(qū)間內(nèi)，擬合結(jié)果基本一致，由圖11可以看出，溫度16℃時(shí)光合速率最低，24℃生菜光合速率最高，該結(jié)果與單葉光合速率檢測(cè)結(jié)果一致。隨著光照的增強(qiáng)，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)擬合曲線略低于LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)結(jié)果，這是由于強(qiáng)光條件下，生菜CO2吸收速率加快，內(nèi)部循環(huán)扇擾動(dòng)均勻需要一定時(shí)間，而本文系統(tǒng)傳感器部署位置位于同化箱中部植株冠層平面，相比較于LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)從底部抽氣方式氣體的均勻程度和穩(wěn)定性略差，因此檢測(cè)結(jié)果偏小。通過分析擬合的決定系數(shù)可知，系統(tǒng)決定系數(shù)均不小于0.985，能夠滿足生菜光響應(yīng)曲線的測(cè)量。相比較于番茄擬合結(jié)果，系統(tǒng)在高光時(shí)，生菜光合速率偏小，證明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在測(cè)量直立生長(zhǎng)植株的群體光合時(shí)效果更好，與碳同化過程CO2濃度變化結(jié)果分析結(jié)論一致。

圖11 不同溫度下生菜光響應(yīng)曲線擬合結(jié)果Fig.11 Fitting results of light response of lettuce at different temperatures

4 結(jié)論

(1)基于碳同化的光合速率測(cè)量系統(tǒng)中光調(diào)控平均誤差為2.71 μmol/(m2·s)，控制精度的誤差小、穩(wěn)定性高，為碳同化過程CO2濃度變化的測(cè)量提供了基礎(chǔ)，同時(shí)系統(tǒng)整體氣密性好，測(cè)試中最高漏氣速率僅為0.047 3 μmol/(mol·min)，完全滿足碳同化過程的檢測(cè)要求。

(2)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)葉菜與直立生長(zhǎng)植株碳同化過程中CO2變化量檢測(cè)精度良好，生菜與番茄在不同溫度、光照梯度下檢測(cè)均方根誤差分別小于5.82 μmol/mol和3.39 μmol/mol，能夠滿足不同作物的碳同化過程檢測(cè)需求。

(3)采用雙曲線修正模型對(duì)本文測(cè)量系統(tǒng)與LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)群體光合速率進(jìn)行擬合，通過計(jì)算兩條光響應(yīng)曲線間光合速率的MAE，得出番茄與生菜平均MAE分別為0.45、0.35 μmol/(m2·s)，證明本文系統(tǒng)群體光合光響應(yīng)曲線與LI-6800型閉路碳同化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)基本吻合，且偏差較??；番茄與生菜光響應(yīng)曲線擬合決定系數(shù)均不小于0.95，能滿足不同類型作物的檢測(cè)需求，且該系統(tǒng)在直立生長(zhǎng)作物群體光合速率檢測(cè)的效果更優(yōu)。