Summary
אנו מציגים שיטה פשוטה וחסכונית לבנות אוגר נתונים קוד פתוח, המודד את מוליכות של cryptogams nonvascular יחד עם הסביבה טמפרטורה ולחות. אנחנו מתארים את עיצוב חומרה אוגר נתונים ומספקים הוראות הרכבה צעד אחר צעד, את רשימת התוכנות נדרש רישום פתוח, הקוד כדי להפעיל את אוגר נתונים, פרוטוקול כיול.
Abstract
קהילות של cryptogams nonvascular, כגון מוזס ואקססוריז או חזזיות, הם חלק חשוב של המגוון הביולוגי של כדור הארץ, לתרום ברגולציה של פחמן, חנקן מחזורים של מערכות אקולוגיות רבות. להיות poikilohydric אורגניזמים, לא פעיל לשלוט התוכן מים פנימיים שלהם והם צריכים סביבה לחים כדי להפעיל את חילוף החומרים שלהם. לכן, לימוד קשרי גומלין מים של nonvascular cryptogams חיוני להבין דפוסי המגוון שלהם והן שלהם פונקציות מערכות אקולוגיות. אנו מציגים את אוגר נתונים BtM, פלטפורמת קוד פתוח בעלות נמוכה לצורך המחקר של התוכן מים של nonvascular cryptogams. אוגר נתונים נועד למדוד את טמפרטורת הסביבה, לחות ו מוליכות מדגימות עד שמונה בו זמנית. אנו מספקים עיצוב לוח מעגלים מודפסים (PCB), פרוטוקול מפורט להרכיב את הרכיבים, קוד המקור הנדרש. כל זה הופך נגיש לכל קבוצת המחקר, ההרכבה של אוגר נתונים BtM אפילו לאנשים ללא ידע מיוחד הקודם. לכן, העיצוב המוצג כאן יש פוטנציאל לסייע פופולרי את השימוש בסוג זה של התקן בקרב האקולוגים שדה ביולוגים.
Introduction
קהילות nonvascular cryptogams הם בכל מקום חלק מוזנחים תדיר של מערכות אקולוגיות יבשתי1. הן עשויות של צבירה של אורגניזמים שונים בגודל קטן, bryophytes, חזזיות ובהן המפיקים הראשי מצטיינים. אלה שתי קבוצות של אורגניזמים לשתף הפיזיולוגיות מאפיין שהופך אותו: poikilohydry, או חוסר יכולת לשלוט באופן פעיל את תכולת המים הפנימיים שלהם. זה יש השלכות עמוקות על תהליכים פיזיולוגיים שלהם מאז חילוף החומרים נפסקת כאשר התאים הם התייבש בתגובה רמות נמוכות של לחות וקורות כשהסביבה היא לח שוב2. כתוצאה מכך, nonvascular cryptogams להימנע הבצורת במקום להתמודד עם המצב2, אשר מאפשר קהילות אלה לשרוד במגוון רחב של סביבות מן המדבריות קרים וחמים עד3,הטרופיים4.
חוץ מזה, הם גם להראות מבנים פשוטים יחסית, יש דרישות התזונתי נמוך. מאפיינים אלו להפוך אותם רגישה מאוד לתנאים microclimatic. למעשה, nonvascular cryptogams לעתים קרובות לכבוש מרחב נישה אינה זמינה עבור צמחים עילאיים בגודל גדול, ויוצרים מערכות אקולוגיות בזעיר אנפין המהווים חלק חשוב המגוון ביותר בעולם. Bryophytes חזזיות לבד כוללים כמעט 40,000 סוגים (ca. 20,000 bryophytes . שאתה לאטו5,6 ו- ca. 20,000 חזזיות7). יתר על כן, תרומתם המגוון הביולוגי של כדור הארץ הוא אפילו יותר גדול. מאז הקהילות שלהם מציעים מקלט עבור מספר רב של מינים של פטריות, כולל של פלורה מגוונות של פטריות mycorrhizal ו אל-אווירני עצמאי, כחוליות קיבעון-N גדל כל אפיפיטים , ומספר רב של מיקרו-חסרי חוליות, כגון tardigrades, collembola, myriapods, חרקים ואקריות לנצל החזקת מים ותנאי קיבולת במאגר בתוך מערכות אקולוגיות אלו זעירים.
קהילות של הלא-וסקולרית cryptogams לתרום גם על ויסות הביוגיאוכימיים פחמן. מערכות אקולוגיות יבש, הקשה קרקע ביולוגיים לכאורה לכסות עד 40% של השטח שלהם8 , ממלאים תפקיד מרכזי כמו כיורים פחמן. סקירה האחרונות מעריכים כי הקרקע הביולוגי הקשה של סביבות יבש יכול להיות תיקון 7% של כל פחמן קבוע בצמחייה יבשתי. חוץ מזה, בעוד אחרים אקולוגיות או bryophytes או חזזיות או שילוב של שניהם איפה המפיק הראשי - כמו כמה יערות boreal מערכות או ביצות כבול - שהם מייצרים בין 30% ל-100% מתוך סה כ התפוקה העיקרית נטו10,11 . הם חשובים גם המערכות האקולוגיות שבו אורגניזמים אלה אינם דומיננטי, כגון יערות ממוזג. אכן, bryophytes רצפת היער הייתה המקבילה ספיגת פחמן שנתי של-10% יער קומה נשימה בתוך יער גשם ממוזג של ניו זילנד. יתר על כן, הם חשובים גם עבור קיבוע חנקן, מאז כחוליות כפי אפיפיטים ביישובים אלה יכול להיות קיבעון כמעט 50% מהסכום הכללית של חנקן ביולוגית4.
בשל התלות של פעילותם הפיזיולוגיות על זמינות המים מהסביבה הסובבת, שני המגוון של קהילות nonvascular חסרי זרע והפונקציות שלהם ב תעריפי תלויות חריפה תוכן מים2. שימו לב, מאז הם לא יכולים לשלוט באופן פעיל את תכולת המים הרקמות שלהם, תפקידיהם איזון פחמן, קיבוע חנקן נמצאים ביחד עם המחזורים לחות והתייבשות, לפיכך, תלויה מרווח הזמן ואת תקופתיות של מחזוריות יבש-רטוב. לפיכך, לדעת שמצב התוכן של מים של אורגניזמים אלה בזמן אמת היא המפתח להבין את הפונקציות נעשות על ידי cryptogams ב מערכות אקולוגיות.
למרות חשיבותו, הפיתוח שיטות למדוד את המים תוכן ופעילות פיזיולוגית poikilohydric אורגניזמים היו חלשים יחסית. בשנת 1991, Coxson12 עשה בגישה הראשונה למדוד ישירות את תכולת המים חזזיות. אחרי זה, היה פער כזה של מחקר עד התפתחות, כאשר יצירות אחדות סיפקו שיטות אומדן מדדים של המצב הפיזיולוגיות של14,13,nonvascular cryptogams15, 16. למרות זאת, ידע כזה עדיין נדיר פזורים, ויש עבודות אלו הם התמקדו בעיקר באדמה הקשה4,8. עם זאת, bryophytes, חזזיות גם לשחק תפקיד רלוונטיים רבים אקולוגיות אחרים, במיוחד על אזורים ממוזג boreal, קוטב1, ואת חשיבותם היא משמעותית לא רק בקהילות קרקע אלא גם לקהילות epiphytic גוברת על עצים וקהילות saxicolous קרח. היעדר מחקר מקושר באופן חלקי העדר של אוגרי נתוני מדידה זמינים מסחרית, שכופה על קבוצות מחקר לבנות ציוד משלהם. פיתוח של אוגר נתונים דורשת ידע ספציפי מרבית האקולוגים שאין להם, אז זה מגדיל באופן משמעותי את העלות של יישום של רשתות מדידה גדולה יחסית צריך לאסוף נתונים נציג על הביצועים של nonvascular cryptogams לאורך סביבתיים ומעברי בית גידול.
בנייר זה, אנו מציגים שיטה פשוטה וחסכונית לבנות אוגר נתונים מסוגל למדוד את מוליכות של אורגניזמים cryptogamic nonvascular בו זמנית עם הסביבה טמפרטורה ולחות. היא מתוכנתת כך להקליט באופן עצמאי לתקופות ממושכות יחסית של זמן (חודשים עד שני), הוא מחוספס מספיק לעמוד בתנאים קשים שדה תחת כיפת השמיים. בשל פשטותו, יהיה כלי שימושי עבור אקולוגים ושל שדה ביולוגים ללא הכשרה מיוחדת בפיתוח של אוגרי נתוני או קבוצות מחקר אלה חסרי צוות מיוחד. לכן, אוגר נתונים זה יש פוטנציאל לסייע פופולרי השימוש של התקנים מסוג זה.
פיתחנו של צריכת חשמל נמוכה, בעלות נמוכה אוגר נתונים באפשרותך למדוד את מוליכות ממקורות שונים עד שמונה, הרשומה סביבתיים טמפרטורה, לחות יחסית בו-זמנית. המכשיר היא תוכננה אחרי עיצוב של Coxson12 ומומשה על פלטפורמת קוד פתוח (טבלה של חומרים). המטרה הייתה לקבוע סדר עדיפויות להקל על יעילות הייצור וכוח וכדי להקל על קיום התקנות לטווח ארוך. העיצוב נגזר מתוך מאמר מאת פתח מקור הבניין המדע חיישנים (OSBSS)17. עיצוב זה היה שונה על-ידי שילוב המעגלים נוספים כדי להקריא את אימפדנס של cryptogams, שהופך אותו קומפקטיים וקלים יותר לייצור.
התוצאה היא BtM לוח (פנסיון Bryolichen טמפרטורה לחות), מעגל מודפס פתוח לוח18. כל הלוח נשלטת על ידי מיקרו באנרגיה גבוהה (טבלה של חומרים). נתונים סביבתיים הטמפרטורות והלחות היחסית נאספים באמצעות חיישן טמפרטורה ולחות, מגיע precalibrated, מלבד צריכת חשמל נמוכה, יש יחס מחיר-ביצועים נאותים.
הלוח משתמש בפרוטוקול תקשורת דיגיטלית (טורי רגיל SPI) כדי לנהל את מחזור מדידה. שעון זמן אמת (DS3234) רכוב על כל הלוח מספק תזמון מדויק. על מנת להפחית את צריכת האנרגיה, המעבד נותר במצב המתנה רוב הזמן. נתונים כל הזמן צריך להיות שנאספו, שעון זמן אמת מפעילה את המעבד, מפעילה את תהליך הרישום. שעון זמן אמת משמש גם לתעד במדויק את התאריך והשעה בכל מקרה הנתונים.
עד שמונה מוס ו/או חזזיות דגימות יכול להיות מחובר במקביל באמצעות לוח BtM יחיד. בעת הגדרת הניסוי, שני רגשים אלקטרודה תנין-קליפ יוחלו על כל מדגם מוס/חזזית. לאחר מכן, משמשים מחלק מתח בין אלקטרודה כל הפניה resistor עם ערך ידוע (330 KΩ במקרה זה). ערך זה resistor היה נבחר באמצעות כיול, בהתבסס על מדדים קודמים של cryptogams. הוא מספק רזולוציה של סדר גודל אחד סביב הערך הפניה (100-1, 000 KΩ). הירידה מתח הוא באגירה מלאה ולאחר מכן קרא עם מיקרו-בקר באמצעות נמליה אנלוגי (A0 - A7)18. המתח מחושבת על-ידי החלת את הנוסחה הבאה.
Vi = (ADCi x VCC) / 1023
. ADCi הוא חומר טהור ערך מ נ (ממיר אנלוגי-לדיגיטלי) של הערוץ, vcc לחסכון אנרגיה הוא המתח (3.3 V במקרה זה), 1023 הוא הטווח של הפלט ADC. המתח שנוצר השישי משמש לאחר מכן בשילוב עם חוק אוהם כדי לחשב את ההתנגדות (Ri, Ω) ואת מוליכות (G, S) של כל מדגם מוס.
Ri = (vcc לחסכון אנרגיה x RL) / השישי - RL
G = 1 / רי
. הנה, RL הוא הערך של ההפניה resistor (330 KΩ במקרה זה). תוכנה המובנה של מיקרו-בקר משלבת כל המשוואות האלה, אז זה יכול להירשם ישירות את הערכים של מוליכות.
הלוח אוספת גם מדידות של טמפרטורת הסביבה, באמצעות חיישני לחות. לאחר מכן, כל נקודת נתונים נכתבת בקובץ יומן רישום בכרטיס microSD. MicroSD TransFlash הפריצה הלוח היה רכוב על כל הלוח BtM למטרה זו. לבסוף, כרטיס ה-microSD ניתן לאסוף באופן ידני לאחר הניסוי. ניתן להעביר לכל נקודות הנתונים למחשב לצורך ניתוח נוסף.
Protocol
1. הרכבה של אוגר נתונים
- להכין במלחם סליל חוט הלחמה. לחכות המלחם לחום, להרטיב את הספוג לניקוי.
- לחתוך את רצועות כותרת סיכה עד לאורך הרצוי, לכל אותם לתוך שאדני את חיישן טמפרטורה ולחות, מיקרו ומודולים של RTC השעון ואת microSD הפריצה.
- לבדיקות, מחממים את הצירוף הרצוי עם קצה המלחם.
- לאחר מכן, להחיל כמות קטנה של חומר מן הלחמה הכבל, מספיק כדי למלא את הצומת.
- בסופו של דבר, להסיר את המלחם ולחכות לצומת להתקרר.
- להרכיב את הרכיבים אל המעגל באמצעות ההליך אותו כמו שלב 1.2, בעקבות הסימנים של PCB ו ההפניות הרכיב שצוין טבלה של חומרים (לקבלת ערכת הרכבה, ראה איור 1 ).
- ראשית, הלחמה של נגדים. לאחר מכן, הלחמה שאדני מגברים מבצעית את החיישן SHT7X, השעון של RTC ומודולי הפריצה microSD.
- בשלב הבא, הלחמה את שני הטרנזיסטורים. הלוח גם צריך להיות מולחמים, באמצעות כותרות ה-pin. לבסוף, הלחמה המחברים ללוח.
- הלחמה את חיישן טמפרטורה/לחות SHT7X לתוך pin עליונה או הארכת כבל כדי לחזק את ההפניות.
- הכן של multimeter במצב המשכיות בדיקות או מוליכות הבדיקה. להשתמש את multimeter כדי לוודא שאין לא מעגלי קצר בין סיכות או חיבורים.
- Doublecheck המסופים חיוביים ושליליים של הכוח לספק. כמו כן, ודא כי כל מפרק הלחמה יוצר קשר יציב בין הפינים רכיב פסי נחושת של המעגל.
הערה: השלב זה חשוב מאוד; לא לדלג על זה.
- Doublecheck המסופים חיוביים ושליליים של הכוח לספק. כמו כן, ודא כי כל מפרק הלחמה יוצר קשר יציב בין הפינים רכיב פסי נחושת של המעגל.
- לחבר את קוטבי הסוללה ואת קטעי כבל הלוח בעזרת מברג.
- תחילה, השתמש בכל כלי חיתוך להתפשט ~ 4 מ מ בכל קצה חוט, לחשוף את ליבת מוליך. בשלב הבא, מציגים את כל הכבלים לתוך הטרמינל המתאים והדק את הבורג עם מברג פיליפס.
- להבטיח והענק doublecheck הקיטוב הנכון של הכבלים, במיוחד אלה של הכוח. לבדוק את עוצמת החיבור על ידי משיכת הכבלים מעט, וידוא כי הכל מחובר היטב.
- כדי לצמצם עוד יותר את צריכת החשמל, להסיר נורית ההפעלה של הלוח מיקרו-בקר desoldering או לחתוך את דיודות LED מהלוח.
- לבסוף, הר BtM הלוח במארז עמיד כדי לשמור על לחות מן האלקטרוניקה.
- מתאים המתחם עם מארז הסוללה, חיבורו אל המסופים חיוביים ושליליים. לטעון את חיישן טמפרטורה/לחות מחוץ לקופסה, להשאירו מחובר ללוח BtM.
- מסלול שמונה זוגות של תנין סרטונים לצורך מדידות מוליכות החיצוני של המתחם עמיד. אתמול, קליפ גדיל אחד מוס בקליפים התנין.
2. טעינת התוכנה
- הורד והתקן את סביבת פיתוח משולבת (IDE) 1.0.6 מ אתר19. מיקרו בשימוש הוא פלטפורמה מחשוב הפיזי פתוח והוא בא עם IDE משלו. חשוב להוריד את הגירסה נאותה מאחר שישנן בעיות תאימות ידועות עם חלק הספריות הדרושות.
- הורד את ספריות הדרושים של מאגר GitHub18: DS3234, DS3234lib3, PowerSaver, SdFat ו- Sensirion.
- הורד את קוד המקור העיקרי עבור אוגר נתונים המאגר GitHub18.
- פתח את הקובץ clock.ino כדי להגדיר את התאריך והשעה הנוכחיים. ערוך את הפרמטרים של הפונקציה RTC.setDateTime עם השעה והתאריך הנוכחיים באמצעות התבנית הבאה:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); תאריך: DD/MM/YY hh:mm:ss
. הנה, DD הוא היום, MM הוא החודש, YY היא שנה, hh הוא שעה, mm דקות ו- ss הן השניות. - לאחר מכן, להעלות את התוכנית השעון הלוח BtM, חיבור מתאם USB-כדי-סדרתי (FTDI הפריצה) לתוך היציאות מיקרו תכנות ושימוש כבל mini-USB-ל-USB כדי להתחבר למחשב הלוח. לבסוף, הקש תחילה ודא ואז, להעלות ב- IDE.
- פתח את הפרוייקט datalog ב- IDE ולשנות את הקובץ datalog.ino. להגדיר את שעת ההתחלה עבור לוגר עריכה המשתנים הבאים:
int dayStart = DD, hourStart = hh, minStart = מ מ
. כאן, DD הוא המספר של היום, hh מייצג את השעה ההתחלתי של מדידות, וכן מ מ ברגע של ההתחלה.
הערה: הקוד. כדי לקבוע זמן מסוים צריך להיראות ככה:
RTC.setDateTime(DD,MM,YY,hh,mm,ss); / / תאריך 01/12/17 12:00:00 - להגדיר את מרווח הזמן בין מדידות (בשניות) שינוי הערך של משתנה מרווח.
3. הגדרת המדידה רגשים
- הצב בקליפים התנין במיקום מרכזי של הקהילות במקרים של bryophytes, חזזיות עבות, foliose חזזיות (איור 2). עבור חזזיות עבות, לצרף את הקליפים את הדיגום ו, עבור מוזס ואקססוריז ישירות על הגבעול של הפרט. במקרה של חזזיות foliose, מקם את הקליפים על גבול הדיגום.
- שמרו על מרחק מינימלי של ca. 5 מ מ בין האלקטרודות. ודא כי הקליפים לא בקלות מנותקים לפני תחילת המדידות.
4. כיול למדידות מוליכות
- כדי להבטיח כי הדגימות יבש, לבצע את הכיול בצהריים, ביום עם לחות אוויר נמוך יחסית, כשלפניו לפחות אחד, ועדיף שניים, בימים היבשים.
- בחר קהילה של מוס או חזזיות שהוא בריא והוא בנוי היטב.
- חבר את אוגר נתונים מוס או חזזיות, השלבים בסעיף 3 של פרוטוקול זה.
- להתחיל את המידות (הפעל אוגר נתונים) ולהשאיר את הלוח BtM פועל למשך כ 3 דקות לייצב את הערכים המוקלט.
- לבצע בדיקה precalibration כדי להעריך את כמות המים הדרושה באירוע בכל השקיה. להתחבר את סרטוני הדגימה ומוסיפים מים עד מוליכות מגיע ערך אינה מגדילה עם התוספת של מים. זהו הערך המרבי מוליכות של הדגימה. ערך זה ישמש כדי לבסס את שלבי הכיול השקיה (ראה שלב 4.7.1).
- המתן עד האמצעים מוליכות לחזור הערכים ההתחלתיים (הדגימות יבשים).
- לאחר מכן, מוסיפים מים באופן רציף עם תרסיס קטן.
- להרטיב את הדגימות עם כמות מים שווה ערך ל 1/10 של כמות המים הדרושה כדי להשיג את מוליכות המרבי (ראה שלב 4.5) במדגם.
- המתן עד מוס או חזזיות לחלוטין סופג את המים, המידות מוליכות יציבים לפני להשקות שוב (~ 1 דקות בין כל אירוע השקיה).
- חזור עד מוליכות מגיע לערך המרבי (רוויה), מוס או חזזיות להתייבש לחלוטין.
הערה: כל בדיקה וכיול צריך לקחת כ- 15 דקות, בהתאם למרווח בין waterings, אשר צריכה להיות 1-2 דקות.
- לאחר שסיים את הכיול, לקחת את כרטיס ה-microSD מן הלוח BtM ולהעתיק קובץ הנתונים למחשב.
הערה: הערכים שנרשמו ואז ניתן כקו על הניסויים. יש גם צורך לבצע שלב זה כדי לאמת הסידור הוא רישום כראוי את מוליכות של הדגימות, בדיוק לפני הפעלת הניסוי בפועל.
5. אלטרנטיבית כיול עבור ניסויים במעבדה
- מלא מימה הקהילה של מוס או חזזיות עד עודף מים חיצוני נצפית. כדי להבטיח כי הקהילה באופן מלא להתייבש, לשמור את הקהילה לחות למשך 30 דקות.
- חבר את אוגר נתונים מוס או חזזיות, השלבים בסעיף 3 של פרוטוקול זה.
- להתחיל את המידות ולהשאיר את הלוח BtM פועל למשך כ 3 דקות לייצב את הערכים המוקלט.
- חכו עד מוליכות מגיע לערך המינימלי (לייבוש) מוס או חזזיות כבר לא מנהלת חשמל.
הערה: כיול כל יכול להימשך לפחות שעה, אך משך הזמן הוא מאוד משתנה בהתאם למין. יש לקחת מידות עד ערך מינימלי מוליכות מושגת.
Representative Results
. ניתחנו את השינויים במוליכות, שני מינים של מוזס ואקססוריז, Dicranum scoparium Hedw רוב ה Homalothecium aureum (אשוחית). (איור 3), במהלך תהליך כיול בתנאי מעבדה. מחצלות של מוזס ואקססוריז שני היו שמרה במשך 24 שעות ביממה בסיליקה ג'ל והניח סובסטרט מלאכותי (קרי, בד אריג מגבות) שמנע את המבנה המקורי שלהם (איור 2). לאחר מכן, הדגימות היו 15 שמושקים x 20 x עם תרסיס צבע במרווחים 1 דקות. כל אירוע השקיה כללה ca. 0.1 מ ל מים. ב שני מינים, מתאם גבוה בין המים הוסיף מוליכות את מדגם (scoparium ד rS = 0.88, p < 0.001; Aureum ה rs = 0.87, p < 0.001) נצפתה. הייתה עלייה גבוהה ב- מוליכות (בין 0% ל- 25% לפחות) רק במים הראשון תוספת, ואת האמצעים להגיע שלהם מוליכות המרבי ב- 4 מ"ל scoparium ד , 10 מ עבור ה aureum. חשוב להעיר כי הקשר בין כמות המים מוליכות הוא לוגריתמי. לכן, הערכים של מוליכות צריך להיהפך של קשר ליניארי בין שני משתנים, מערכת היחסים שלהם צריך להיות המודל באמצעות רגרסיה לא ליניארית.
מצאנו כמה השתנות בין הדגימות (ראה את הצבעים השונים של דמויות 3a ו- 3b), למרות כל הדגימות השייכות מאותו המין ציירה עקומה דומה. וריאציית בין דוגמאות ניתן לייחס הבדלים ביומסה המורפולוגיה של המדבקות. דגימות בשטח סביר מאוד להראות סוג זה של השתנות, אז לוקח כמה צעדים של כל סוג הקהילה מומלץ. באופן לא מפתיע, ההשתנות הגבוהה ביותר נמצאה בין המינים, שכן מינים שונים זה מזה במספר תכונות יסוד (למשל, הצבירה של מחצלות או מורפולוגיה). כדי לשלוט על אינטרה - ולהבדלים בין זנים, אנו ממליצים על כיול כל סרטון עד להשגת הערכים המרבי מוליכות ו, אז, לשנות קנה מידה התוצאות עבור כל קליפ כך הערכים ללכת בין 0 ל- 100. קח בחשבון כי מוליכות מוחלט ערכים תלויים המרחק בין קליפים של מוליכות הבזליים הגבעולים, אז הערכים שהם מספקים אינן דומות ישירות.
כמות המים מוסיפים כל אירוע השקיה של תהליך כיול חיוני וישפיע בחריפות את התוצאות. כאן, המטרה הייתה יש כמה אירועים השקיה בטווח של דיוק מירבי של BtM. נציג דוגמה של עקומת כיול כשנוספת מדי מים בכל שלב (איור 4). אם המדגם הוא overwatered באירוע השקיה הראשונה, עליית מוליכות לא יכולה להיות מוערכת, הכיול לא יהיה מדויק. זה עלול להוביל הטיות בטווח איפה nonvascular cryptogams פעיל, אשר הם המדידות המעניינים ביותר לקחת את BtM.
גם ניתחנו את העקומה לייבוש מאותו המין שני (ה aureum ו scoparium ד), כדי לספק הליך חלופי כיול. מחצלות של מוזס ואקססוריז שני היו להשקות בן לילה כדי להבטיח שהם היו רוויה מלאה. לאחר מכן, גבעול נציג של כל שטיח שחולצו והניח בסביבה יציבה, מבוקר, מוליכות הוקלט ללא הרף. עבור המדד כיול אחרים, הערכים של מוליכות צריך להיהפך של קשר ליניארי בין שני משתנים, מערכת היחסים שלהם צריך להיות המודל באמצעות רגרסיה לא ליניארית.
דמויות 5a 5b מראים את עקומות גוועו של ה aureum , ההשתנות scoparium ד בין דגימות מאותו המין. אינטרה - ולהבדלים בין זנים שנמצאו היו גדולים למדי, כמו ההליך כיול אחרים, ניתן לייחס הבדלים ביומסה המורפולוגיה של כל גזע. כדי לשלוט על זה, אנו ממליצים על ביצוע מדידות לפחות שלושה לכל המינים. מוליכות מוחלט ערכים אינם דומות ישירות בהליך כיול, כפי שהם גם לסמוך על המרחק בין קליפים מוליכות הבזליים הגבעולים.
נציג דוגמה של שדה נתונים לאחר אירוע גשם אירעה בין יוני 23-26, 2014. אנו מראים את הווריאציה יומי באחוזים של מוליכות (איור 6), לחות יחסית (איור 6b), משקעים (איור 6c) עבור מין אחד של מוס (Syntrichia ruralis (Hedw). פ וובר & מור ד). היה קשר חזק בין מוליכות האיזוב, אירועי משקעים ואת הלחות היחסית של האוויר. במהלך תקופת מנותח, היו שם שתי הפסגות מוליכות ו לחות אלו שני אירועי משקעים. הראשונה אירעה לפני חצות של 23 ביוני והשני אחרי הצהריים ה-24 ביוני. בערך 8 שעות לאחר האירוע הגשם הראשון, הבחנו ירידה הלחות היחסית של האוויר, ולאחריו ירידה פתאומית מוליכות מוס שעובר מתחת ל 25%. אירוע הגשם השני היה קטן יותר והפיק, כתוצאה מכך, לשיא קטנות יותר במוליכות. לאחר אירוע זה גשם, האיזוב לא יתייבש מיד אבל נשאר רטוב בזמן הלחות היה מעל 75%.
איור 1 : הרכבה סכמטית אוגר נתונים BtM. התרשים כולל תמונה של הלוח BtM, את המיקום של כל רכיב על הלוח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2 : מיקום נכון קליפים מוס (Homalothecium aureum). התמונה מציגה כיצד למקם את הקליפים לשמור מרחק מינימלי בין סרטונים ללא פגיעה של טחבים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3 : התגובה של מוליכות על תוספת מים- אלה מראות את התגובה של מוליכות מים לתוספת ב () Dicranum scoparium ו- (b) aureum ח. הצבעים מראים את משכפל שונים. נקודות הנתונים הן הממוצע של מוליכות טרנספורמציה-יומן במרווח בין 10 ל-30 s לאחר האירוע השקיה. קווי השגיאה לייצג סטיית התקן של הנתונים מרווח זמן זה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4 : התגובה של טרנספורמציה-יומן מוליכות על תוספת מים ב scoparium ד כאשר כמות מים נוסף גדול מדי כדי לאפשר כיול. קווי השגיאה לייצג סטיית התקן של הנתונים מרווח זמן זה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 5 : לייבוש עקומות. אלה מראות את עקומות לייבוש של () scoparium ד ו- (b) ה aureum. נקודות הנתונים הם הממוצע של מוליכות יומן-טרנספורמציה נמדד כל תכנית 30 נקודות שחורות ס' משכפל הממוצע של שלושת קווי השגיאה לייצג סטיית התקן של הנתונים מרווח זמן זה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 6 : וריאציה יומי של מוס מוליכות (Syntrichia ruralis), משקעים, והלחות היחסית. האמצעים נלקחו בקהילות קרקע Cantoblanco, הקמפוס של אוניברסיטת Autónoma דה מדריד, ספרד. מוליכות והלחות היחסית נמדדו עם האבטיפוס BtM, בעוד הנתונים משקעים מגיע מתחנת מזג אוויר ממוקם מטרים ספורים מן המיקום מדידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
| תאריך/שעה | Temp(C) | RH(%) | Conductance(KMho) |
| 11/03/18: 12:00 | 26.6 | 66.6 | 139.53 |
| 11/03/18: 12:00 | 26.6 | 66.4 | 167.92 |
| 11/03/18: 12:00 | 26.8 | 66.4 | 199.14 |
| 11/03/18: 12:00 | 26.9 | 66.4 | 212.75 |
| 11/03/18: 12:00 | 26.6 | 66.6 | 217.15 |
| 11/03/18 12:01 | 26.9 | 66.7 | 218.93 |
| 11/03/18 12:01 | 27 | 66.8 | 139.53 |
| 11/03/18 12:01 | 27.1 | 66.9 | 164.28 |
| 11/03/18 12:01 | 27.1 | 67.3 | 194.21 |
| 11/03/18 12:01 | 27.3 | 67.3 | 209.28 |
טבלה 1: דוגמה הפלט BtM.
Discussion
לידע שלנו, זה הפעם הראשונה אוגר נתונים כדי למדוד טמפרטורה, לחות, מוליכות בו זמנית כמייצג של התוכן מים של אורגניזמים poikilohydric תוכנן מבוסס על פלטפורמת גישה פתוחה. אוגר נתונים BtM הוא קל לבנות וחסכונית, מספק גם מדידות באיכות גבוהה של לחות האוויר, טמפרטורה עכבה נתונים באמצעות כוח מינימלי.
ההרכבה פשוטה הוא אחד היתרונות העיקריים של אוגר נתונים זו. כמו שזה פרוייקט קוד פתוח, אנו מספקים את תוכנת רישום נתונים ואת ערכת נתונים היסטוריים של המבנה שלה, יחד עם מדריך מסתיים לבניית אוגר נתונים BtM מוכן לשימוש. זה הופך נגיש לכל קבוצת המחקר, שיטת אפילו לאלה לא עובדים עם מהנדס או טכנאים מיוחדים. חוץ מזה, ההרכבה של כל אוגר נתונים דורש כמעט שעה אם המעגל המודפס הלוח משמש כ- 4 שעות אם המעגל הוא רכוב על ידי החוקרים. בנוסף, אוגר נתונים BtM הוא מאוד יעיל. העלות המשוערת של הרכיבים של כל יחידה הוא כ 100 אירו, מחיר נמוך יחסית כי ניתן להפחית עוד יותר בפרויקטים בקנה מידה גדול על ידי הרכבת אצוות של אוגרי נתוני מספר.
אמנם היו כמה מתודולוגי ההתפתחויות מכוון יישום התקנים המודדים היבטים שונים הקשורים לפעילות הפיזיולוגית של קהילות nonvascular חסרי זרע, BtM מילוי של פער ידע חשוב. . Raggio et al. 15 מעסיקים מוני-Da, מערכת ניטור המשיגה פיזיולוגיים ומידע microclimatic. הפעילות הפיזיולוגית נאסף באמצעות כלורופיל פלורסצנטיות, שיטה בשימוש נרחב במעבדה כדי להעריך את הפעילות של אורגניזמים פוטוסינתטיים . שיטה זו אמנם ומדויקים, זה משמעותית יקר יותר מאשר אוגר נתונים BtM. חוץ מזה, מערכת ניטור היא מוצר חברה פרטית, אשר חותך בחזרה את האוטונומיה של קבוצת המחקר.
שתי שיטות נוספות שפורסמו לאחרונה מבוססים על הערכת תכולת המים של nonvascular cryptogams. הראשונה מבוססת על מדידות תרמי (שיטה כפול-בדיקה החום הדופק (DPHP)). למרות תוצאות מבטיחות לאחרונה הוכחו על ידי צעיר. et al. 16, העדר כל ערכה ספציפית בעיתון הופכת מרכיב אותה ללא ידע מיוחד מאוד מאתגר. לבסוף, וובר. et al. 14 הציגה חיישן נקרא המכשיר רטיבות biocrust (BWP), אשר דומה מאוד אוגר נתונים BtM. עם זאת, הם אינם מספקים כל ערכת לבנייה שלה, אשר מונע את האפשרות של בניית את אוגר נתונים ללא הסיוע של מומחה. לנו להתגבר על בעיה זו על-ידי מתן לא רק שיטת הבניה אלא גם את המעגל כדי להרכיב את אוגר נתונים. מעניין, BtM ניתן לשנות בקלות למדוד biocrusts, אנשים בודדים או כריות, פשוט על ידי שינוי את הקליפים תנין (עבור חזזית או טחבים יחידים/כריות) סגסוגת נחושת לפינים אלקטרודה (עבור biocrusts). במידת הצורך, רק חלק התנינים יכול להיות מוחלף, ומאפשר ישירה השוואות בין סוגי בדיקה שתי מדידות.
כאשר לפרש את התוצאות, הקשר בין פעילות תכולת המים צריך בזהירות להתייחס, כי BtM לא ישירות למדידת פוטוסינתזה. פוטוסינתזה ופעילות קשורים קשר הדוק ב- nonvascular cryptogams מאז אורגניזם poikilohydric יבש הוא חדל מטבולית, אחד רטוב פעילה. עם זאת, מידת הפעילות פוטוסינתטיים לא ניתן להסיק ישירות מן התוכן של מים, למרות פעילות מטבולית גבוהה יותר - ולפיכך, פעילות פוטוסינתטיים גבוה יותר - ניתן לצפותו אורגניזם שתיתן.
שלבים קריטיים:
למרות הקלות של הרכבה, ישנם כמה צעדים קריטיים פרוטוקול שדורש התייחסות בקפידה על ידי חוקרים בעת התקנת החיישן. ראשית, כפי מדגישים את הפרוטוקול, זה די קל לייצר מעגלי קצר בעת הלחמה, אשר, במקרה הגרוע ביותר, יכול לגרום נזקים רציניים מיקרו-בקר. חשוב מאוד לבדוק נוכחותם עם multimeter וכדי להסיר אותם לפני שתחבר את הסוללות. אנו ממליצים להשתמש העיצוב PCB שסופקו מאז היא משמעותית מפשט את התהליך, עשויה להיות האפשרות הטובה ביותר כדי להתגבר על בעיה זו. שנית, כל הגרסאות IDE תואמים הספריות הדרושות עבור אוגר נתונים זו. חשוב להוריד תקין אחד (1.0.6) כדי להימנע תאימות כל בעיות. שלישית, חשוב להבחין את הקוטביות של הסוללות. היפוך קוטביות יכול לגרום נזקים רציניים החומרה. רביעית, כיול הוא שלב קריטי. אוגר נתונים BtM תוכנן כך הרזולוציה הגבוהה עולה בקנה אחד עם הרגע שבו חסרי זרע ועובר יבש להרטיב את המדינה. זה מרמז כי הערכים מוליכות עיתוני הרבה לפני המדגם, רווי במים. עם זאת, אם המחקר שלפנינו דורש דיוק גבוה יותר סביב ערכים אחרים, זה יכול להיות שונה. אמצעים מעבר אחד סדר גודל של הפניה זו דורשים את resistor ישונו ותהליך למשובטים (ראו להלן). כאשר הטמפרטורה סביבתיים יכולים להשפיע על הדיוק של המדידות, מומלץ לקחת בחשבון גורם זה, כאשר כיול. כדי לעשות זאת, הכיול צריך להיעשות בטמפרטורות נמוכות כדי לבדוק שינויים מדידת דיוק ויציבות (ראה Coxson12 עבור טמפרטורה).
שינויים:
אמנם רוב מרכיבי BtM קבועים, כמה ניתן בקלות לשנות בשטח ללא resoldering. השינוי הפשוטה ביותר היא להחליף את הקליפים תנין עבור מערכות בדיקה או מדידה אחרות. לדוגמה, במקום הפריטים תנין, בדיקה עם שני פינים, כמו זו המוצעת וובר. et al. 14, יכול לשמש.
בסביבות מרחוק, איפה שינוי הסוללות לא יהיה אפשרי בטווח התדר הדרוש, סוללות יכול להיות השלים עם פאנל סולארי לשלטון את אוגר נתונים BtM לתקופות ארוכות.
על ידי שינוי של נגדים הפניה מועסק כדי למדוד את מוליכות, דירוגו של רזולוציה גבוהה יותר ניתן לשנות בקלות לערכי גבוהה או נמוכה יותר. אם שינוי, מומלץ מאוד למשובטים מדויק. כמו כן, בקוד המקור, המשתנה RValue , אשר מתוכנת עבור הערך resistor 330 KΩ, עליך להקצות לערך המקביל החדש (datalog.ino).
מסקנה:
חסרי זרע nonvascular קהילות מגוונים מאוד, לשחק במספר תפקידי מפתח אקולוגיים שונים, כדי להבין את מערכות היחסים שלהם עם הסביבה והאביוטיים הוא נושא קריטי. אוגר נתונים BtM יש מספר יישומים שיעזרו מראש את הידע של מערכות היחסים הללו. לדוגמה, זה יעזור להעמיק את התובנות על תנאי שבו אורגניזמים אלה מתנהגים כמו כיורים פחמן או מקורות פחמן. התנודות בין שני תפקידים אלה הקשורות בתנאי והאביוטיים כגון טמפרטורה, לחות3, אבל כמויות גדולות של נתונים נדרשים כדי לתאר ולהבין את הווריאציות יחסים בקנה מידה עולמי. פעולה זו דורשת רשתות סנסורים צפוף זה אפשרי רק אם הם מסתמכים נמוכים ציוד קל ליישם.
לסיכום, מכשיר זה הוא כלי שימושי עבור קבוצות מחקר אקולוגי והוא מתגבר על האילוצים הטכניים של עיצוב ובנייה של אוגר נתונים. השילוב של שני הגורמים הללו עלול להוביל הפופולריזציה בשימוש של אוגרי נתוני כדי למדוד את יחסי מים של nonvascular cryptogams בחיי עיר. זה, בתורו, יכול להגביר את הקמת רשתות ניטור בינוני ולטווח. פיתוח רשתות אלה חיונית כדי להעריך את התגובה של nonvascular cryptogams כדי מקומיים ואזוריים גורמים סביבתיים, כמו גם לקבוע את תפקידם בתהליכי המערכת האקולוגית (למשל, מחזורי מזין, הקהילה הרכבה) שלהם תגובה סביר לאור השינויים על גורמים אקלימיים האנתרופי המשויך השינוי העולמי.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
המחברים מודים מנואל מולינה (וייטנאם), כריסטינה Ronquillo (MNCN-CSIC) על העזרה שסופקו בבדיקות הכיול, ובמהלך אל בלן Estébanez (וייטנאם) עזרה בזמן ה קמפיינים הדגימה.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| BtMboard circuit (PCB) | 1 | ||
| Arduino Pro Mini 328 3.3 V (APM) | Arduino | 1 | |
| FTDI Basic Breakout | SparkFun | 1 | |
| MiniUSB to USB cable adapter | 1 | ||
| TLC274 operational amplifier | Texas Instruments | 2 | |
| 2.54 mm breakout pin strip | 1 | ||
| 330 KOhm resistor | 8 | ||
| 330 Ohm resistor | 2 | ||
| 10 KOhm resistor | 1 | ||
| 2N3904 Transistor | 2 | ||
| Bornier connector, 2x1 5.08 mm | 9 | ||
| 1.5 V AA battery | 3 | ||
| 3xAA battery holder with switch | 1 | ||
| Sensirion SHT71 | Sensirion | 1 | |
| DS3234 RTC Breakout (clock) | SparkFun | 1 | |
| CR1225 3 V Coin-cell battery | 1 | ||
| MicroSD Transflash breakout | SparkFun | 1 | |
| Crocodile clip connector | 16 | ||
| Weatherproof enclosure box | 1 | ||
| 12 AWG stranded cable spool | 1 | ||
| Cutting pliers | 1 | ||
| 30 W soldering iron | 1 | ||
| Solder wire spool | 1 | ||
| Arduino IDE 1.0.6 | Arduino | 1 | |
| Arduino library DS3234 | Arduino | 1 | |
| Arduino library DS3234lib3 | Arduino | 1 | |
| Arduino library Powersaver | Arduino | 1 | |
| Arduino library SdFat | Arduino | 1 | |
| Arduino library Sensirion | Arduino | 1 |
References
- Fontaneto, D., Hortal, J. Microbial Biogeography: Is Everything Small Everywhere. Microbial Ecological Theory: Current Perspectives. Ogilvie, L. A., Hirsch, P. R. , Caister Academic Press. Norfolk, UK. 87-98 (2012).
- Proctor, M. C. F., et al. Desiccation-tolerance in bryophytes: a review. The Bryologist. 110 (4), 595-621 (2007).
- Lindo, Z., Gonzalez, A. The Bryosphere: An Integral and Influential Component of the Earth's Biosphere. Ecosystems. 13 (4), 612-627 (2010).
- Elbert, W., et al. Contribution of cryptogamic covers to the global cycles of carbon and nitrogen. Nature Geoscience. 5, 459-462 (2012).
- Magill, R. E. Moss diversity: New look at old numbers. Phytotaxa. 9 (1), 167-174 (2014).
- Söderström, L., et al. World checklist of hornworts and liverworts. PhytoKeys. (59), 1-828 (2016).
- Lücking, R., Hodkinson, B. P., Leavitt, S. D. The 2016 classification of lichenized fungi in the Ascomycota and Basidiomycota - Approaching one thousand genera. The Bryologist. 119 (4), 361-416 (2016).
- Bowker, M. A. Biological Soil Crust Rehabilitation in Theory and Practice: An Underexploited Opportunity. Restoration Ecology. 15 (1), 13-23 (2007).
- Wilske, B., et al. The CO2 exchange of biological soil crusts in a semiarid grass-shrubland at the northern transition zone of the Negev desert, Israel. Biogeosciences Discussions. 5 (3), 1969-2001 (2008).
- Wardle, D. A., et al. Linking vegetation change, carbon sequestration and biodiversity: insights from island ecosystems in a long-term natural experiment. Journal of Ecology. 100 (1), 16-30 (2012).
- Lindo, Z., Nilsson, M. -C., Gundale, M. J. Bryophyte-cyanobacteria associations as regulators of the northern latitude carbon balance in response to global change. Global Change Biology. 19 (7), 2022-2035 (2013).
- Coxson, D. S. Impedance Measurement of Thallus Moisture Content in Lichens. The Lichenologist. 23 (1), 77-84 (1991).
- Raggio, J., et al. Continuous chlorophyll fluorescence, gas exchange and microclimate monitoring in a natural soil crust habitat in Tabernas badlands, Almeria, Spain: progressing towards a model to understand productivity. Biodiversity and Conservation. 23 (7), 1809-1826 (2014).
- Weber, B., et al. Development and calibration of a novel sensor to quantify the water content of surface soils and biological soil crusts. Methods in Ecology and Evolution. 7 (1), 14-22 (2016).
- Raggio, J., et al. Metabolic activity duration can be effectively predicted from macroclimatic data for biological soil crust habitats across Europe. Geoderma. 306, 10-17 (2017).
- Young, M. H., Fenstermaker, L. F., Belnap, J. Monitoring water content dynamics of biological soil crusts. Journal of Arid Environments. 142, 41-49 (2017).
- Accurate low power temperature/relative humidity data logger. , Available from: http://www.osbss.com/tutorials/temperature-relative-humidity/ (2015).
- GitHub - united-ecology/btmboard. , Available from: https://github.com/united-ecology/btmboard (2018).
- Arduino - Software. , Available from: https://www.arduino.cc/en/Main/Software (2018).
