本文详细介绍了如何构建和校准科研级冠层分析仪（一种沿水平杆线性排列多个传感器以整合光强的光传感器）。
本文内容
摘要
摘要
冠层截光仪法是一种利用安装在长杆上并联的多个光传感器来测量光合有效辐射透过植物冠层透射率的技术。该方法常用于推断冠层结构和光截获特性，特别是叶面积指数（LAI）和有效植株面积指数（PAIeff）。由于商用冠层截光仪价格昂贵，通常在时空尺度上的测量数量受到限制。这限制了该技术在研究光截获遗传变异方面的应用，并且难以对可能因一天中不同时间而产生偏差的测量结果进行充分分析和校正。我们开发了一种可连续记录的冠层截光仪（称为PARbar），每台制造成本仅为75美元，且能提供与商用设备相当的高质量数据。本文详细介绍了PARbar的制作与校准方法、田间部署方式，以及如何从采集的透射率数据中估算PAI。我们展示了小麦冠层的代表性结果，并讨论了使用PARbar时需要进一步考虑的事项。
引言
冠层分析仪（线性排列的光传感器）用于测量植物冠层截获的光合有效辐射（PAR）比例。由于测量方法相对简单且数据易于解释，冠层分析仪在农作物研究中被广泛应用。冠层分析的基本原理是：透射到植物冠层基部的光量（τ）取决于冠层上方光吸收材料的投影面积。因此，通过测量冠层上方和下方的PAR，可用来估算冠层特征，如叶面积指数（LAI）和有效植株面积指数（PAIeff）（后者除叶片外还包括茎、秆和生殖结构）1,2,3。通过建模入射PAR的直射光组分（fb）、叶片吸收率（a）以及有效冠层消光系数（K）的影响，可提高由τ推导出的PAIeff估算值的可靠性；而K本身又取决于太阳天顶角（θ）和叶角分布（χ）1,4,5,6。对这些影响进行校正是常见的做法。然而，由于方法学和成本方面的限制，过去对其他一些偏差尚未给予充分关注。
我们最近发现，在对小麦和大麦等行播作物进行瞬时截光测量时，存在显著的随时间变化的偏差7。这种偏差是由种植行方向与太阳天顶角之间的相互作用引起的。为克服该偏差，可将连续记录式截光仪安装在田间，用于监测冠层光截获的日变化周期，进而计算每日平均的τ和PAIeff。然而，由于商业截光仪价格昂贵——单台仪器通常需数千美元——且需要对大量田间小区进行测量，连续测量往往难以实现。后者在组学时代尤为突出，例如在全基因组关联分析（GWAS）和基因组选择（GS）等基因组学研究中，通常需要测定数百个基因型（综述见Huang & Han, 20148）。我们意识到，亟需一种成本低廉、可批量生产并适用于大量基因型连续监测的截光仪。
作为解决方案，我们设计了一种易于搭建、高精度的量子传感器（PARbars），每台成本为75美元，组装耗时约一小时。PARbars采用50个仅对光合有效辐射波段（波长范围390–700 nm）敏感的光电二极管制成，在此范围之外灵敏度极低，因此无需使用昂贵的滤光片。这些光电二极管在1米长度上并联连接，产生一个可由数据记录仪采集的集成差分电压信号。电路部分用环氧树脂封装以实现防水，传感器可在较宽的温度范围（-40至+80 °C）内正常工作，使PARbars能够长期部署于野外环境。除光电二极管和一个低温漂电阻外，构建PARbar所需的所有其他部件均可在五金店购买。所需材料和工具的完整清单见《材料表》。本文提供了构建和使用PARbars估算有效叶面积指数（PAIeff）的详细操作步骤，并展示了小麦冠层的代表性实验结果。
方案
1. 构建并校准 PARbars
- 在洁净的工作区域中准备好组装所需的所有部件和工具。
- 在白色亚克力扩散条（长度 1,200 mm，宽度 30 mm，厚度 4.5 mm）两端各 20 mm 处钻一个直径为 4 mm 的孔。在一段铝制 U 型槽的一端各 20 mm 处钻孔并攻螺纹，用于固定扩散条。根据安装硬件（例如三脚架安装板）的要求，在适当位置钻孔并攻螺纹。
- 取一段长度为 1.25 m 的裸铜线（直径 1.25 mm）。如果铜线来自卷状包装，则通过将一端固定在台钳或夹具中，另一端夹入手电钻的夹头中，然后以低速（100–200 rpm）启动电钻将其拉直。重复上述步骤处理第二段 1.25 m 长的裸铜线。
- 使用细尖永久性记号笔在扩散条边缘标记光电二极管的预定位置，第一个光电二极管的位置从扩散条一端起 13.5 cm 处开始，其余位置以每 2 cm 间隔依次排列，直至扩散条远端。
- 将一个光电二极管居中放置于扩散条上，使其电极引脚朝向条的两侧，将一根铜线置于其中一个引脚下方，并标记该铜线的位置，以此确定第一根铜线在扩散条上的位置。
- 重复上述步骤，在扩散条的中心和另一端标记铜线的位置。
- 使用氰基丙烯酸酯胶将第一根已拉直的铜线粘接到扩散条上，依据上一步中标记的位置对齐铜线。
- 使用氰基丙烯酸酯胶将 50 个光电二极管以 20 mm 间隔面朝下粘接在扩散条上（按上一步标记的位置），确保它们位于扩散条的中心，并且所有光电二极管方向一致，即大引脚位于铜线上，小引脚位于对面。
- 放置第二根铜线，使其位于每个光电二极管的小引脚下方，然后使用氰基丙烯酸酯胶将该铜线粘接到扩散条上。
- 使用焊锡助焊笔对一个光电二极管的两个引脚以及相邻的铜线部分进行助焊剂润湿。使用尖头烙铁（温度约为 350–400 oC）将每个引脚焊接到下方的铜线上。通过用手电筒照射该光电二极管，并使用万用表检测导线间的电压信号，来测试焊点连接是否良好。对全部 50 个光电二极管重复此步骤。
注意：步骤 1.7 为可选步骤（若未在 PARbar 中焊接电阻，可在后续将电阻与数据记录仪上的 PARbar 信号输入端并联连接）。 - 将一个 1.5 Ω 低温度系数精密电阻并联焊接在两根铜线之间。
- 将防水直流连接器的公端焊接至铜线末端（若执行了可选步骤 1.7，则与焊接电阻的同一端连接），然后使用带胶热缩管密封连接处。
- 在扩散条表面靠近边缘处涂一圈硅胶密封剂，围绕电路形成连续的硅胶屏障，构成一个密封的凹槽。仔细检查硅胶条，确保硅胶与扩散条之间无气隙，否则环氧树脂会泄漏。待密封胶固化后，向凹槽内填充环氧树脂。
- 待环氧树脂硬化（过夜）后，使用刀片去除硅胶密封剂。使用 M4 螺栓将扩散条固定到预攻螺纹的铝制 U 型槽上。
- 沿整个长度用美纹纸胶带将扩散条固定在铝型材上，然后向测光仪内部空腔填充聚氨酯泡沫填充剂。待泡沫固化（过夜）后，移除美纹纸胶带。
- 将直流连接器的母端焊接至一段双芯电缆，并使用带胶热缩管密封连接处。
- 为将 PARbar 与量子传感器进行校准，
- 将两个传感器连接至能够测量差分电压输出的数据记录仪或电压表（若在步骤 1.7 中未将电阻集成到设计中，则需将一个 1.5 Ω 低温度系数精密电阻与 PARbar 并联连接），
- 将两个传感器置于户外水平面的阳光下（使用水平仪或气泡水平仪确保水平），在太阳辐射变化较大的时间段（例如完整的昼夜周期）内记录两个传感器的输出值，并通过线性回归分析确定 PARbar 的校准系数，其中以量子传感器报告的光合有效辐射（PAR）为因变量，以 PARbar 的原始电压输出为自变量，校准系数即为回归直线的斜率。
2. 安装到田间
- 为推算有效植物冠层面积指数（PAIeff），需在冠层上方安装一根光合有效辐射传感器条（PARbar），确保其不被冠层内任何吸光结构遮挡；同时在所有待测吸光结构（通常为最低层叶片）下方安装另一根PARbar，两根PARbar均需与种植行成45°角对齐。确保上方PARbar的安装位置不会对下方PARbar造成遮荫。使用水准仪或气泡水平仪将PARbar调平。
- 使用步骤1.11中制作的电缆将PARbar连接至数据记录仪或电压表。若在构建PARbar电路时（步骤1.7）未将1.5 Ω低温系数精密电阻集成至电路中，则在此阶段需将该类电阻与每根PARbar并联连接。
- 利用步骤1.13中为各PARbar确定的校准系数，将差分电压输出值转换为光合有效辐射（PAR）值。
3. 计算有效植物叶面积指数（PAIeff）
- 使用以下公式6计算每一对冠层上方和冠层下方PAR测量值的有效叶面积指数（PAIeff）：
(1)
，
其中 A = 0.283 + 0.0785a – 0.159a2（其中 a 为叶片吸收率），τ 为冠层下方与冠层上方PAR的比值，K 和 fb 分别由公式24和公式39建模：
(2)
，
其中 χ 为描述叶片角度分布的无量纲参数，θ 为太阳天顶角，且
(3)
，
其中 r 为冠层上方PAR（PARabove）与其最大可能值（PARabove,max = 2550∙cosθ）的比值，即 r = PARabove/PARabove,max。请查阅相关文献以获取适用于您研究物种的 a 和 c 值（本研究中试测所用小麦冠层假设 a = 0.9 且 c = 0.9610）。
注：作为补充材料，提供了一个R语言示例脚本，以帮助用户编写用于自动处理大型数据集的代码。
结果
PARbar构建的示意图如图1所示。一个典型PARbar的校准曲线如图2所示。PARbar的差分电压输出与量子传感器测得的光合有效辐射（PAR）呈线性正比关系，R2 = 0.9998。PARbar被部署于小麦冠层中，并在整个植株发育期间每20秒记录一次数据。在晴朗天气条件下，利用PARbar采集到的冠层光环境典型昼夜动态变化如图3所示（图中同时展示了原始透射率数据和校正后的PAIeff以供比较）。图3b和图3c说明了在一天中不同时间点进行瞬时截取测量可能引入的偏差（参见Salter et al. 20187）。用于采集该数据的小麦小区采用南北走向的行栽方式，下层冠层的光照透射在12:30达到峰值（图3b）。若在此时刻进行瞬时测量，PAIeff将被低估；而在上午或下午测量则可能被高估。防水型PARbar也可长期部署于田间；图4展示了PARbar如何用于监测植物发育过程中冠层光环境的变化。
图1. PARbar 构建的示意图。 (a) 防水接头和内部分流电阻的位置与排列；(b) 光电二极管的排列与间距；(c) 亚克力扩散条上的钻孔位置；(d) 铝制U型条上的钻孔位置；(e) PARbar 的电子电路图。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2. 典型的 PARbar 校准曲线。 PARbar 的差分电压输出（mV）与量子传感器测得的光合光子通量密度（PAR，μmol m-2 s-1）之间的关系。每个数据点代表在一天内每隔20秒记录的一组 PARbar 与量子传感器的同步测量值，持续记录4小时。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3. PARbar输出的典型日变化过程。 数据于澳大利亚堪培拉（-35°12'00.1008", 149°05'17.0988"）的小麦开花期晴朗天气下使用PARbar采集。（a）冠层上方测得的光合有效辐射（μmol m-2 s-1）；（b）未经校正的透射率（PARabove/PARbelow的比值，无量纲）；以及（c）有效植株面积指数（PAIeff，m2 m-2），由公式1计算得出。图（b）和（c）中的数据点为平均值（n = 30），实线为在R中拟合的LOESS局部回归线（a = 0.5），阴影区域为拟合的标准误差，虚线水平线表示日均值。两条虚线之间的阴影区域为国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）11建议的小麦瞬时冠层分析仪测量的时间窗口（1100–1400时）。请点击此处查看该图的放大版本。
图 4. 一个生长季内采集的代表性数据。在澳大利亚堪培拉（-35°12'00.1008"，149°05'17.0988"）的小麦冠层中，从分蘖初期至开花期采集的光合有效辐射（PARbar）数据。(a) 未经校正的透射率数据（无量纲）；(b) 根据公式1计算得到的有效植物叶面积指数（PAIeff，m2 m-2）。图中数据点表示每日10:00–14:00期间的平均值（n = 30）。实线为使用R语言拟合的LOESS局部回归线（a = 0.75），阴影区域为拟合的标准误差。若冠层上方PAR（PARabove）< 1,500 µmol m-2 s-1，或冠层下方与上方的PAR比值（PARbelow/PARabove）> 1，则该原始数据不纳入后续分析。请点击此处查看该图的高清版本。
讨论
成功实施本文所述构建量子传感器（PARbar）的方案最敏感地依赖于两个步骤：1.5（将光电二极管粘合到位）和 1.6（将光电二极管焊接到铜线上）。步骤 1.5 的常见错误是光电二极管的固有极性方向安装不正确。对于我们所使用并推荐为关键特定部件的光电二极管，其极性可通过二极管上的两个电极引脚具有明显不同的尺寸来识别。因此，在使用氰基丙烯酸酯胶水粘合以及焊接光电二极管之前，强烈建议仔细核对所有二极管是否均以大引脚朝向一个方向、小引脚朝向另一方向的方式正确放置。步骤 1.6 容易因焊接技术不佳而失败，导致形成冷焊点。为避免此问题，应在焊接前立即使用助焊笔涂抹少量助焊剂，并确保在施加焊料之前，焊头（温度约为 350–400 oC）同时加热铜线和光电二极管引脚，使两者充分受热后再进行焊接。PARbar 中的电气连接问题通常表现为校准斜率明显不同于其他 PARbar 的情况。此类问题可在组装过程中通过逐个测试每个电气连接（如步骤 1.6 所述）及在所有连接完成焊接后、但在环氧树脂封装前（步骤 1.9）再次检测而及早发现。第三个潜在误差来源在于未使用低温漂精密电阻器，该电阻器的阻值应对温度不敏感；若使用普通电阻器，则随着环境温度变化，其阻值会发生改变，从而导致单位光照下二极管输出电压的变化而引入误差。最后一个主要误差来源并非 PARbar 特有，而是适用于所有量子测量：即从光捕获推断有效植株面积指数或叶面积指数时，其准确性依赖于冠层结构特征（特别是平均叶片吸光率和叶倾角分布；即公式 1 和公式 2 中的 a 和 c），而这些特征可能随植物发育过程及不同基因型之间发生变化。
本研究中描述的实验方案可在两个主要方面进行修改或调整。首先，本文所展示的 PARbar 是专为小麦和大麦等行播作物设计的，但其设计可轻松适用于其他应用场景。例如，可通过使用阻值更大的分流电阻，在较低光合有效辐射（PAR）范围内提高增益（单位 PAR 对应的毫伏输出）。为增强通用性，也可采用低温漂精密电位器（可变电阻）来调节 PARbar 的灵敏度范围，或微调增益，从而使多个 PARbar 具有相同的校准斜率。其次，这些光电二极管也可单独用作量子传感器，使用户能够以远低于商用量子传感器的成本，获取单个冠层内部的空间与时间变化数据。鉴于目前对波动光照条件下动态光合作用的研究日益增多，这一改进可能尤为有价值12。第三，尽管本研究中所呈现的数据采用了传统（且昂贵）的数据采集器，但未来完全可使用市售组件自行构建数据采集器，从而在有限预算内实现冠层分析与数据采集系统的集成。近年来流行的所谓“创客平台”（如 Arduino 和 Raspberry Pi）在这一领域展现出巨大潜力；我们建议以开源的基于 Arduino 的 Cave Pearl 项目13作为进一步开发的起点。Cave Pearl 数据采集器最初设计用于洞穴生态系统的环境监测，因此其设计重点在于坚固性和低功耗，这些特性同样适用于植物表型研究中的应用。Cave Pearl 数据采集器的组件价格低廉（每台低于 50 美元）且体积小巧，可直接集成到 PARbar 中。
本文所述PARbars的应用面临三个主要局限性。首先，从测得的光捕获量推断植物面积指数或叶面积指数时，存在显著的时间依赖性偏差，尤其是在行播作物中尤为明显7。这一问题可通过在一天内进行重复或连续测量来克服。其次，廉价的光电二极管其光谱输出并不完全与光子通量（光合作用研究中最关注的变量）成正比。当冠层内光质发生显著变化时，这可能导致偏差，尽管先前对由此产生的误差的估算表明其幅度仅为几个百分点7。第三，PARbars无法区分冠层上方入射光合有效辐射（PAR）中的直射光和散射光成分。由于散射辐射比直射阳光能更深入地穿透冠层14，随着总辐照度中散射光比例的增加，透射率将升高，从而导致PAIeff被低估。当所有辐射均为散射光时，PAIeff与1/τ 的对数成正比，而非如公式1所示的关系15。Cruse et al.（2015）16指出，目前市面上可测量直射和散射PAR的商用仪器价格昂贵且需要定期维护，因此他们设计了一种简单且低成本的装置来解决此问题。该系统由一个量子传感器组成，该传感器通过电机驱动的移动遮光环定期遮蔽，从而实现对总PAR、直射PAR和散射PAR的连续测量。Cruse et al.16系统中使用的传感器可用与PARbars相同的光电二极管替代，以进一步降低成本，并可轻松整合到现有的PARbar装置中。这些测量数据可被纳入数据处理流程，从而进一步提高PAIeff估算结果的可靠性。
与现有的商用 ceptometer 相比，PARbars 的主要优势在于其低成本，这使得大规模生产成为可能。近年来，人们对于用于估算冠层性状的新型高通量植物表型技术越来越感兴趣（综述见 Yang et al., 201717）。尽管这些方法能够产生大量数据，前景广阔，但通常具有很强的间接性，需要通过传统技术进行验证。PARbars 可作为这些新技术的一种经济高效的地面验证工具。
PARbars 的低生产成本也使其成为在野外进行连续测量的可行选择。这可能在多个方面具有重要意义。例如，连续测量可用于表征因行向差异引起的偏差，从而为瞬时测量开发特定时间的校正函数（更多信息请参见 Salter et al. 20187）。连续测光法还可捕捉冠层光截获在短时间内因云层移动、冠层摆动等因素引起的波动（如光斑和暗斑）。已知光合作用对环境条件的微小变化高度敏感，目前认为光合作用的“动态”变化在驱动作物产量方面具有重要作用（综述见 Murchie et al., 201812）。在野外安装 PARbars 并设置足够短的数据记录间隔，即可捕捉这些短暂的波动，有助于更深入理解植物冠层的动态特性。
披露
作者确认不存在利益冲突，也无任何需要披露的内容。
致谢
作者谨向澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）农业与食品部门的 Richard Richards 博士和 Shek Hossain 博士致谢，感谢他们提供本研究所用的田间试验地块并进行管理。本研究由国际小麦增产联盟（International Wheat Yield Partnership）资助，该资助由谷物研究与开发公司（Grains Research and Development Corporation）提供（项目号：US00082）。TNB 受澳大利亚研究理事会（ARC）（项目号：DP150103863 和 LP130100183）以及美国国家科学基金会（NSF）（资助号：#1557906）支持。本工作还得到美国农业部国家食品与农业研究所（USDA National Institute of Food and Agriculture）Hatch 项目 1016439 和 1001480 的支持。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 Ω 低温系数精密电阻 | TE Connectivity Ltd., Schaffhausen, Switzerland. | UPW25 系列 | 可使用多个大阻值电阻并联制作，但必须具有低温度系数（即 ± 3 ppm/°C）。 商业来源网址：https://bit.ly/2DFuPpm |
| 亚克力扩散板 | Plastix Australia Pty. Ltd., Arncliffe, NSW, Australia. | 445 - 乳白色 | 1200 mm 长 × 30 mm 宽 × 4.5 mm 厚。 商业来源网址：https://bit.ly/2Bq0fyc |
| 铝制U型槽 | Capral Ltd., Bundamba, QLD, Australia. | EK9160 | 1220 mm 长 × 35 mm 宽 × 25 mm 深。 商业来源网址：https://bit.ly/2PPfJou |
| 裸露实心铜导线 | 非特定部件 | ||
| 螺栓 | 非特定部件 | ||
| 夹具 | 非特定部件 | ||
| 透明环氧灌封树脂 | Solid Solutions, East Bentleigh, VIC, Australia. | 651 - 通用环氧灌封树脂 | 适用于电气应用的透明环氧树脂。 商业来源网址：https://bit.ly/2qY0pHa |
| 氰基丙烯酸酯胶水 | 非特定部件 | ||
| 数据记录仪 | Campbell Scientific, Logan, Utah, USA. | CR5000 | 其他可记录差分电压的数据记录仪也可使用。 商业来源网址：https://bit.ly/2U7Io5H |
| 电钻或台钻 | 非特定部件 | ||
| 带胶热缩管 | 非特定部件 | ||
| 热风枪 | 非特定部件 | ||
| LED 手电筒 | 非特定部件 | ||
| 遮蔽胶带 | 非特定部件 | ||
| 光电二极管（50 个） | Everlight Americas Inc., Carrollton, Texas, USA. | EAALSDSY6444A | 由于光谱响应特性，必须使用此特定元件。 商业来源网址：https://bit.ly/2FzVnuH |
| 聚氨酯泡沫填充剂 | 非特定部件 | ||
| 量子传感器 | LI-COR, Lincoln, Nebraska, USA. | LI-190R | 仅用于 PAR 条的校准。 商业来源网址：https://bit.ly/2HEfKbh |
| 螺丝刀 | 非特定部件 | ||
| 硅酮密封胶 | 非特定部件 | ||
| 焊料 | 非特定部件 | ||
| 助焊剂笔 | 非特定部件 | ||
| 电烙铁 | 非特定部件 | ||
| 水平仪（气泡水平尺） | 非特定部件 | ||
| 丝锥和板牙组 | 非特定部件 | ||
| 双芯电缆 | 非特定部件 | ||
| 电压表 | 非特定部件 | ||
| 防水连接器 | Core Electronics, Adamstown, NSW, Australia. | ADA743 | 双芯防水连接器。直流电源连接器效果良好。 商业来源网址：https://bit.ly/2Brcrik |
参考文献
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