Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Environment

PARbars: ucuz, kolay bitki canopies ışık durdurma sürekli ölçümü için Ceptometreler Inşa etmek

doi: 10.3791/59447 Published: May 9, 2019

Summary

Burada, biz oluşturmak ve araştırma kalitesi ceptometreler (birçok sensörler arasında dikey yatay bir çubuk boyunca dizilmiş ışık yoğunluğu entegre ışık sensörleri) kalibre ayrıntılı talimatlar sunuyoruz.

Abstract

Ceptometri, uzun bir bara paralel olarak bağlı birden fazla ışık sensörü kullanarak bir bitki gölgeliği aracılığıyla fotosynthetically aktif radyasyonun geçirgenliğini ölçmek için kullanılan bir tekniktir. Ceptometri genellikle gölgelik yapısı ve ışık durdurma özellikleri, özellikle yaprak alan indeksi (LAI) ve etkili bitki alanı indeksi (PAIeff) gerçekleştirip için kullanılır. Ticari olarak kullanılabilen ceptometrelerin yüksek maliyetinden dolayı, alınabilen ölçüm sayısı genellikle uzay ve zamanda sınırlıdır. Bu ışık durdurma genetik değişkenlik eğitim için ceptometri kullanışlılığı sınırlar, ve ayrıntılı analiz önler, ve düzeltme, gün zaman bağlı olarak ölçümleri eğriltme olabilir önyargıları. Biz sürekli günlük ceptometreler (PARbars denilen) Bu $75 USD için üretilen ve ticari alternatifler karşılaştırılabilir yüksek kaliteli veri verim geliştirilmiştir. Burada, PARbars 'ı nasıl inşa etmek ve kalibre etmek, bunları alana nasıl dağıtacağınız ve toplanan geçirgenlik verilerinden PAı nasıl tahmin edileceğiz hakkında ayrıntılı talimat sağlıyoruz. Biz buğday saçaklar temsili sonuçlar sağlamak ve parbars kullanırken yapılması gereken daha fazla hususlar tartışmak.

Introduction

Ceptometreler (ışık sensörleri doğrusal diziler) bitki canopies tarafından yakalanan fotosentetik aktif radyasyon (PAR) oranını ölçmek için kullanılır. Ceptometreler, ölçümler ve veri yorumlaması kolaylığı nispeten basit doğası nedeniyle tarımsal ürün araştırması için yaygın olarak kullanılır. Ceptometri temel prensibi, ışığın bir bitki gölgeliği (τ) tabanına geçirgenliğinin, yukarıdaki ışık emici malzemelerin öngörülen alanına bağımlı olmasıdır. Yukarıda ve Kanopi altında PAR ölçümleri, bu nedenle, yaprak alan indeksi (LAI) ve etkili bitki alanı indeksi (PAIeff) gibi gölgelik özellikleri tahmin etmek için kullanılabilir (hangi oluşan içerir, culms ve yaprakları ek olarak üreme yapıları)1 ,2,3. PAIeff 'in güvenilirlik tahminleri, gelen par (fb), yaprak absorpsiyonu (a) ve etkili gölgelik tükenme katsayısı (K) ışın kesir etkilerini modelleme tarafından geliştirildi ); K, sırayla, hem güneş Zenith açı (θ) ve yaprak açı dağılımı (χ)1,4,5,6bağlıdır. Bu efektler için düzeltmek için yaygın bir uygulamadır. Ancak, geçmişte metodolojik ve maliyet sınırlamaları nedeniyle dikkate alınmadı diğer önyargıları vardır.

Son zamanlarda, buğday ve arpa gibi satır bitkileri, anlık ceptometri ölçümlerinde önemli zaman bağımlı önyargı tespit7. Bu önyargı satır Ekim yönü ve güneş tepe açısı arasında bir etkileşim kaynaklanır. Bu önyargı üstesinden gelmek için, sürekli oturum ceptometreleri Kanopi ışık durdurma gündüz döngüleri izlemek için alanda monte edilebilir ve sonra τ ve PAIeff günlük ortalamalar hesaplanabilir. Ancak, sürekli ölçümler, ticari olarak kullanılabilen ceptometrelerin yetersiz yüksek maliyetinden dolayı genellikle tek bir enstrüman için birkaç bin ABD Doları-ve birçok alan arazisi ölçümlerinin gereksinimi nedeniyle mümkün değildir. İkincisi, Genom geniş dernek çalışmaları (GWAS) ve genomik seçim (GS) gibi genomik analizler için yüzlerce genotipin gerekli olduğu-omics döneminde özellikle belirgindir (İnceleme için bkz Huang & han, 20148). Biz çok sayıda üretilen ve birçok genotip arasında sürekli ölçümler için kullanılabilir uygun maliyetli ceptometreler için bir ihtiyaç olduğunu tanıdı.

Bir çözüm olarak, birim başına $75 USD maliyetine kolay inşa edilmiş, yüksek hassasiyetli ceptometreler (PARbars) tasarladık ve yaklaşık bir saatlik işçilik gerektirir. Parbars sadece par dalgada (dalga boyu 390 – 700 nm) hassas olan 50 fotodiyotlar kullanılarak inşa edilir, bu aralığın dışında çok az hassasiyet ile, pahalı filtreler kullanımını ortadan kaldırır. Photodiyotlar bir Datalogger ile kaydedilebilir entegre bir diferansiyel voltaj sinyali üretmek için 1 m uzunluğunda paralel olarak bağlanır. Devreler su yalıtımı için epoksi kaplı ve sensörler büyük bir sıcaklık aralığı üzerinde çalışır (-40 ila + 80 °C), PARbars uzun süre alanında dağıtılmasını sağlar. Fotodiyotlar ve düşük sıcaklık katsayısı direnci dışında, bir PARBar oluşturmak için gereken tüm parçalar bir donanım deposundan satın alınabilir. Gerekli parça ve araçların tam listesi malzeme tablosundasağlanmıştır. Burada, PAıeff 'in öngörü Için parbars 'ın nasıl inşa edildiğini ve kullanılacağı hakkında ayrıntılı talimatlar sunuyoruz.

Protocol

1. oluşturmak ve PARbars kalibre

  1. Temiz bir çalışma alanında montaj için gerekli tüm parçaları ve araçları toplayın.
  2. Beyaz akrilik difüzör çubuğunun her ucunu (1.200 mm uzunluğunda x 30 mm genişlik x 4,5 mm kalınlığında) 4 mm çapında bir delik 20 mm matkap. Sondaj ve musluk dişli delikler 20 mm Alüminyum U-Bar bir bölümünün her ucundan difüzör güvenli. Montaj donanımına (örn. bir tripod montaj plakası) uyacak şekilde matkap ve musluk dişli delikler.
  3. 1,25 m uzunluğunda çıplak bakır tel (1,25 mm çap) alın. Tel bir rulo geldi, daha sonra bir yardımcı veya kelepçe ve diğer ucunu bir el matkap tutaları içine bir ucunu güvenli ve daha sonra düşük hızda (100-200 rpm) matkap açmak tarafından düzeltin. İkinci 1,25 m uzunluğunda, çıplak bakır tel ile tekrarlayın.
  4. Bir ince uçlu kalıcı marker kullanarak difüzör kenarı boyunca fotodiyotlar amaçlanan konumları işaretlemek, difüzör bir ucundan 13,5 cm ilk fotodiyot konumu ile başlayan ve diğer pozisyonları ilk diyot arasında her 2 cm bulunan ve difüzör uzak ucunda.
    1. Difüzör üzerindeki ilk bakır telin konumunu, Elektrikli bağlantı sekmeleri çubuğun kenarlarına doğru işaret ederek, telin sekmelerden birinin altına yerleştirilmesi ve telin konumunu işaretleyerek difför çubuğunda bir fotodiyot merkezleme ile işaretleyin.
    2. Kablo merkezini ve çubuğunun ters ucunu işaretlemek için önceki adımı tekrarlayın.
  5. İlk düzleştirilmiş bakır kabloyu difüzör ile tutkal için, önceki adımda işaretlenmiş yerleri kullanarak kabloyu hizalayın.
    1. 20 mm aralıklarla difüzör boyunca (önceki adımda işaretlenmiş olarak), difüzör merkezinde oldukları ve tüm aynı oryantasyonda tüm düzenlenmiş olduğunu sağlayarak, tutkal 50 fotodiyotlar yüz-aşağı yapıştırıcı için siyanoakrilat tutkal kullanın büyük sekme Co oturur PPER tel, ve küçük sekme karşısında oturur.
    2. İkinci bakır teli, fotodiotlar küçük sekmelerinin her birinin altında oturur ve sonra siyanoacrylate tutkal ile difüzör tel tutkal yerleştirin.
  6. Bir fotodiyot, hem de bitişik ve altta yatan teller, bir lehim Flux kalem kullanarak akı ile ıslak her iki sekmeleri. Yaklaşık 350-400 oC bir sıcaklıkta ince uçlu lehimleme demir kullanarak altta yatan bakır teller için Diode her sekme lehim ve fotodiyot üzerine bir ışık parlayan ve teller arasında bir voltaj sinyali kontrol ederek Lehim bağlantıları test bir multimetre kullanarak. Tüm 50 photodiodes için bu adımı yineleyin.
    Not: adım 1,7 isteğe bağlıdır (direnç PARbar içine Lehimlenmemiş ise, bunun yerine daha sonra paralel olarak Datalogger üzerinde PARbar sinyal girişleri ile bağlanabilir).
  7. Lehim a 1,5 Ω düşük sıcaklık katsayısı hassas direnç bakır teller arasında paralel.
  8. Bakır teller uçları için su geçirmez bir DC konnektörünün erkek ucu lehim (aynı biter hangi direnç, isteğe bağlı adım 1,7 takip eğer) ve daha sonra tutkal astarlı ısı Shrink boru kullanarak bağlantıları mührü.
  9. Difüzör üzerinde devre etrafında sürekli bir silikon bariyer oluşturmak bir sıvı-sıkı iyi oluşturmak için, diffün yüzeyine silikon yapıştırıcı bir boncuk uygulayarak, kenarına yakın. Boşlukların epoksi sızıntısına izin verdiğinden, silikon ile difüzör çubuğu arasında hava boşluklarının kalmadığından emin olmak için boncuğu yakından inceleyin. Sızdırmazlık maddesi tedavi edildikten sonra, iyi epoksi reçine ile doldurun.
  10. Epoksi reçine sertleşmiş olduğunda (gece), bir jilet kullanarak silikon sızdırmazlık maddesi çıkarın. Cıvata difüzör ön-dişli Alüminyum U-Bar M4 cıvata kullanarak.
  11. Tüm uzunluğu boyunca alüminyum difüzör güvenli ve daha sonra poliüretan köpük dolgu ile ceptometer içinde boşluk doldurmak için maskeleme bandı kullanın. Köpük Dolgu (gece) ayarlandığında, maskeleme bandı çıkarın.
  12. İki iletken kablo uzunluğuna DC konnektörünün kadın ucunu lehim ve tutkal astarlı ısı shrink ile bağlantıları mühürleyin.
  13. PARbar 'ı kuantum sensörüne karşı kalibre etmek için,
    1. Bir diferansiyel voltaj çıkışını ölçme yeteneğine sahip bir Datalogger veya voltmetre her iki sensörüne bağlayın (bağlantı bir 1,5 Ω düşük sıcaklık katsayısı hassas direnç PARbar ile paralel olarak Eğer bir direnç tasarım içine entegre değildi adım 1,7),
    2. Bir seviye düzleminde (bir ruh seviyesi veya ruh balonu ile seviye) tam güneşte dışarı onları ayarlamak, Güneş radyasyon yaygın olarak farklılık gösteren bir dönemde her iki sensörlerin çıkışları kayıt, tam bir gündüz döngüsü gibi, ve PARBar için kalibrasyon faktörü belirlemek gibi PAR bir doğrusal regresyon eğim (bağımlı değişken olarak) kuantum sensörü bildirilen ham voltaj çıkışı vs (bağımsız değişken olarak).

2. alana yükleme

  1. Etkili bitki alanı indeksi (PAıeff) sağlamak için, gölgelik üzerinde bir PARBar yükleyin (gölgelik içinde herhangi bir ışık emici elemanları tarafından gölgeli olmadığından emin olmak için) ve başka bir diğer tüm ışık emici elemanları hangi emici ölçmek istediğiniz ( Genellikle, en düşük yaprakları altında), her iki PARbars bir 45 ° açı satır dikmek için hizalanmış ile. Alt PARbar gölgeleme değil böylece üst PARbar konumlandırılmış emin olun. Bir ruh seviyesi veya kabarcık seviyesi kullanarak PARbars düzeyi.
  2. 1,11 adımda yapılan kabloları kullanarak PARbars 'a bir Datalogger veya voltmetre bağlayın. Eğer bir 1,5 Ω düşük sıcaklık katsayısı hassas direnç inşaat sırasında PARbar devresi entegre değildi (adım 1,7), daha sonra bu aşamada her PARbar ile paralel olarak böyle bir direnç bağlayın.
  3. 1,13 adımda her PARbar için belirlenen kalibrasyon faktörünü kullanarak diferansiyel voltaj çıkışını PAR 'a dönüştürün.

3. etkin bitki alanı dizinini hesaplayın (PAıeff)

  1. Aşağıdaki denklemler6kullanılarak Above ve Canopy par ölçümlerinin her ÇIFTI için PAIeff hesaplayın:
    (1) Equation 1 ,
    Burada bir = 0,283 + 0,0785a – 0,159a2 (hangi bir yaprak emici olduğu),,,, ve K ve fb denklemi 24 tarafından modellenmiştir,, Denklem 39, sırasıyla:
    (2) Equation 2 ,
    Burada χ yaprak açı dağılımını açıklayan boyutsuz bir parametresidir, θ güneş zirve açısı ve
    (3) Equation 3 ,
    Burada r maksimum olası değerinin bir kısmı olarak (par Above) KANOPI üzerinde par (parAbove, Max = 2550 ∙ cosθ); Yani r = yukarıda/par yukarıda, Max. Çalışma türlerine uygun a ve c değerleri için literatüre danışın (burada sunulan deneme ölçümleri için kullanılan buğday saçaklar için = 0,9 ve c = 0,9610 kabul ettik).
    Not: örnek bir R komut dosyası, büyük veri kümeleri otomatik olarak işlenmesi için kod geliştirmede kullanıcılara yardımcı olmak için ek bir dosya olarak sağlanır.

Representative Results

PARbar yapısı için şematik Şekil 1' de gösterilir. Bir PARbar için temsili bir kalibrasyon eğrisi Şekil 2' de gösterilir. Bir PARbar 'ın diferansiyel voltaj çıkışı, R2 = 0,9998 ile BIR kuantum sensöründen par çıkışıyla doğrusal olarak orantılıdır. Parbars buğday saçaklar içinde dağıtılan ve her 20 s bitkiler gelişimi boyunca günlüğe kaydedilir. Şeffaf güneşli bir günde bir PARBar kullanılarak toplanan gölgelik ışık ortamının tipik bir gündüz zaman ders Şekil 3 gösterilir (ham geçirgenlik verileri ve düzeltilmiş PAIeff karşılaştırma için gösterilir). Rakamlar 3B ve 3c günün çeşitli zamanlarında anlık ceptometri ölçümleri alarak tanıtıldı olabilir önyargı göstermektedir (başına Salter et al. 20187). Bu verilerin toplanması için kullanılan buğday araziler, 12:30 de alt kanopi peaking ışık iletimi ile Kuzey-Güney nedeniyle bir satır Ekim oryantasyon vardı (Şekil 3B). Bu noktada bir anlık ölçüm alınırsa, PAIeff , sabah ya da öğleden sonra alınırsa, abartılabilir. Hava koşullarına dayanıklı PARbars da uzun zaman dilimleri için alanda dağıtılabilir; Şekil 4 , bitki geliştikçe gölgelik ışık ortamının nasıl değiştiğini Izlemek Için parbars nasıl kullanılabileceğini gösterir.

Figure 1
Şekil 1. PARbar yapısı için şemalar. (a) su geçirmez konnektörünün ve iç şant direncin konumu ve düzenlenmesi; (b) fotdiotların düzenlenmesi ve aralıkları; (c) akrilik difüzör çubuğunda sondaj konumları; (d) Alüminyum U-Bar üzerinde sondaj konumları; ve (e) bir PARbar elektronik devre diyagramı. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2. Temsili PARbar kalibrasyon eğrisi. Bir kuantum sensöründen bir PARbar (mV) ve fotosentetik foton flux yoğunluğu veya PAR (mmol m-2 s-1) Diferansiyel voltaj çıkışı arasındaki ilişki. Her nokta, bir gün boyunca 4 saatlik bir süre boyunca her 20 saniyede bir kaydedilen PARbar ve kuantum sensöründen tek bir ölçüm çifti temsil eder. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3. PARbar çıkış temsilcisi günlük timecourse. , Canberra, Avustralya (-35 ° 12 ' 00.1008 ", 149 ° 05 ' 17.0988") içinde anthesis de buğday saçaklar içinde parbars kullanarak net bir gün toplanan veriler. (a) kanopi (mmol m-2 s-1), (b) düzeltilmemiş geçirgenlik (PAR/paraltındanominal oranı) (unitless) ve (c) etkili bitki alanı indeksi (PAIeff, m2 m-2) üzerinde ölçülen par Denklem 1 ' den hesaplanır. (B) ve (c) ' de gösterilen veri noktaları (n = 30), düz çizgiler R (a = 0,5) ile donatılmış Loess yerel regresyonlar, gölgeli alanlar uygun standart hatlardır ve kesikli yatay çizgiler günlük araçları temsil eder. Noktalı çizgiler arasındaki gölgeli alan, CıMMYT11tarafından buğday içinde anlık ceptometer ölçümleri için önerilen zaman penceresi (1100 – 1400h) ' dir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4. Büyüyen bir sezonda toplanan temsili veriler. PARBar verileri erken kardeşlenme dan anthesis için Canberra, Avustralya (-35 ° 12 ' 00.1008 ", 149 ° 05 ' 17.0988") buğday saçaklar içinde toplanır. (a) denklem 1 ' den hesaplanan düzeltilmemiş geçirgenlik verileri (unitless) ve (b) etkili tesis alanı indeksi (PAıeff, m2 m-2). Gösterilen veri noktaları 1.000 dönemi için günlük araçları temsil eder – 1, 400h (n = 30). Düz çizgiler, R (a = 0,75) ile donatılmış Loess yerel regresyonlar, gölgeli alanlar uygun standart hatlardır. PARabove < 1.500 μmol m-2 s-1 ise veYukarıdaki /paraltındaise > 1 ise ham veri daha fazla analizlere dahil edilmedi. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Discussion

Ceptometreler (PARbars) oluşturmak için burada özetlenen protokolün başarılı bir şekilde uygulanması, iki adımda en hassas şekilde değişir: 1,5 (yerinde fotodiyotlar yapıştırarak) ve 1,6 (bakır tel lehimleme fotodiyotlar). Adım 1,5, fotodiotlar kendi içsel polaritesi ile ilgili olarak yanlış hizalayarak hataya eğilimli. Kullanılan fotdiotlar için, ve hangi biz temel özel öğeler olarak tavsiye, polarite açıkça farklı boyutlarda olan diyot iki elektrik konnektörü sekmeleri sayesinde tanımlanır. Böylece, siyoakrilat yapıştırıcısını uygulamadan ve fotodiyotlar yerine lehim yapmadan önce, tüm diyotlar tek yönde dönük büyük bağlayıcı sekmeleri ve diğer yönde bakan küçük sekmeler ile yerleştirildiğini iki kez kontrol etmeniz şiddetle tavsiye edilir. Adım 1,6 kötü lehimleme tekniği ve soğuk lehimlenmiş kavşak oluşumu nedeniyle başarısızlık eğilimli. Bu lehim önce hemen bir Flux kalem kullanarak ince lehim akı uygulayarak önlenebilir ve hem tel ve fotodiyot sekmesi lehim ucu ile ısıtılır sağlanması (yaklaşık 350-400 oC) lehimleme kendisi uygulanmadan önce Kavşak. Bir PARbar 'da Elektrik bağlantılarıyla ilgili sorunlar, genellikle diğer PARbars 'dan farklı olarak bir kalibrasyon eğimi şeklinde tezahür ederler. Bu tür sorunlar, inşaat sırasında her bir elektrik bağlantısını test ederek erken yakalanabilir (adım 1,6 ' de açıklandığı gibi) ve tüm bağlantılar lehimlendikten sonra, ancak Epoksi (Step 1,9) kaplı olduktan önce. Üçüncü bir olası hata kaynağı, direnci sıcaklığa duyarsız olan, düşük sıcaklık katsayısı hassas direnç kullanmaması nedeniyle ortaya çıkar; sıradan bir direnç kullanarak, direnç olarak hataya neden olacak ve dolayısıyla diyotlar tarafından emilen ışık birimi başına voltaj çıkışı, ortam sıcaklığına sahip değişiklikler. Hata son büyük kaynak PARbars için benzersiz değildir, ancak tüm ceptometry ölçümleri için geçerlidir: Yani, ışık yakalama etkili bitki alanı indeksi veya yaprak alan indeksi çıkarma kanopi yapısının özelliklerine bağlıdır (özellikle ortalama yaprak absorpatif ve yaprak açı dağılımı; Eqns 1 ve 2 ' de a ve c ), bitki gelişimi sırasında ve genotipler arasında farklılık gösterebilir.

Burada açıklanan protokolün değiştirilmiş veya uyarlanabilir iki ana alanı vardır. İlk olarak, burada sunacağız PARbars özellikle buğday ve arpa gibi satır bitkileri, kullanmak için tasarlanmış, ancak tasarım kolayca diğer uygulamalar için değiştirilebilir. Örneğin, daha büyük direnç ile bir şant direnci daha düşük PAR aralıkları (PAR birim başına mV çıkışı) kazanç artırmak için kullanılabilir. Çok yönlülük için, düşük sıcaklık katsayısı hassasiyeti potansiyometresi (değişken direnç), PARbar 'ın hassasiyet aralığını gerektiğinde değiştirmek veya birçok PARbars 'ın aynı kalibrasyon yamaçlarına sahip olması için küçük ayarlamalar yapmak için kullanılabilir. İkinci olarak, fotodiyotlar da bireysel saçaklar içinde ticari olarak kullanılabilir kuantum sensörleri kullanarak mümkün olandan çok daha düşük bir maliyet için uzamsal yanı sıra temporal değişimi yakalamak için izin kuantum sensörleri olarak ayrı olarak kullanılabilir. Bu özellikle dalgalanan ışık koşulları altında dinamik fotosentez artan ilgi verilen değerli olabilir12. Üçüncü olarak, bu çalışmada sunulan veriler için geleneksel (ve pahalı) bir Datalogger kullanılsa da, bunun yerine kapalı-the-raf componentry kullanılarak inşa etmek için veri verileri için kapsam vardır, bir kombine ceptometry ve Datalogger sisteminin oluşturulmasını sağlayarak sınırlı bütçe. Arduino ve Raspberry Pi gibi sözde Maker platformlarının popülaritesi bu alanda büyük bir söz sunuyor; Biz daha fazla gelişim için bir Starter olarak açık kaynak Arduino tabanlı Cave Pearl projesi13 öneririz. Mağara inci veri kaydediciler mağara ekosistemlerinin çevresel izlenmesi için tasarlanmıştır, bu nedenle sağlamlık ve düşük güç talebi kendi tasarımında önemli hususlar vardı. Benzer hususlar fenotipleme çalışması bitki uygulama için geçerlidir. Cave Pearl Datalogger bileşenleri ucuz (birim başına $50 USD 'den az) ve küçük, doğrudan PARbars içine dahil edilmesini olanaklı kılan.

Burada açıklanan PARbars uygulaması üç ana sınırlama ile karşı karşıyadır. İlk olarak, ölçülen ışık yakalama bitki alanı indeksi veya yaprak alan indeksi çıkarma özellikle satır bitkileri7, güçlü zaman bağımlı önyargıları tarafından engel olur. Bu, bir gün içinde tekrarlanan veya sürekli ölçümler yaparak üstesinden gelebilir. Ikinci, ucuz fotodiyotlar tam olarak foton Flux (fotosentez araştırma büyük ilgi değişkeni) ile orantılı bir spektral çıktı yok. Ortaya çıkan hatanın önceki tahminleri birkaç yüzde7' nin sırasına göre olduğunu belirtse de, ışık kalitesi bir gölgelik üzerinden büyük ölçüde değiştiğinde bu önyargı neden olabilir. Üçüncü olarak, PARbars doğrudan kiriş ve gölgelik üzerinde gelen PAR diffü bileşenleri arasında ayırt edemez. Diffik radyasyon doğrudan güneş ışığından daha gölgeliğin derinliklerine nüfuz olarak14, geçirgenlik artırılacak ve toplam ışınlama artışlarının diffik FRAKSIYONU olarak PAIeff hafife olacaktır. Tüm radyasyon diffü olduğunda, PAIeff , denklem 115' te gösterilen ilişkinin yerine 1/τ logaritması ile doğrudan orantılıdır. Cruse ve ark. (2015) 16 doğrudan ve DIFFDÜR par ölçmek için şu anda mevcut ticari araçların pahalı ve düzenli bakım gerektirir, bu yüzden bu sorunu gidermek için basit ve ucuz bir cihaz tasarlanmış kaydetti. Sistemleri, düzenli olarak motorlu, hareketli bir shadowband tarafından gölgeli ve toplam, doğrudan ve diffize PAR sürekli ölçümü için izin veren bir kuantum sensörü oluşur. Sensör Cruse et alkullanılır. 16 sistem, maliyeti daha da azaltmak Için parbars 'da kullanılan aynı fotodiyot ile değiştirilebilir ve mevcut PARBar kurulumuna kolayca eklenebilir. Bu ölçümler veri işleme boru hattına entegre edilebilir ve PAıefftahminlerinin güvenilirliğini daha da artıracak.

Mevcut ticari ceptometreler göreli PARbars büyük avantajı onların düşük maliyetli, bu çok sayıda onları üretmek için mümkün kılar. Son zamanlarda, gölgelik özellikleri tahmini için yeni yüksek verim bitki fenotiplemeyi teknolojilerinde büyüyen bir ilgi olmuştur (İnceleme için bkz: Yang et al., 201717). Bu yöntemler, genellikle çok dolaylı ve geleneksel tekniklere karşı doğrulama gerektiren büyük miktarlarda veri ürettikleri için umut verici iken. PARbars, bu yeni teknikler için ekonomik, zemin tabanlı bir doğrulama aracı olarak hizmet verebilir.

PARbars düşük üretim maliyeti de onları alanda sürekli ölçümler için uygun bir seçenek haline. Bu, çeşitli nedenlerle yararlı olabilir. Örneğin, sürekli ölçümler anlık ölçümler için zamana özel düzeltme fonksiyonları geliştirmek için satır oryantasyon önyargıları karakterize etmek için kullanılabilir (daha fazla bilgi için bkz: Salter et al. 20187). Sürekli ceptometri de zaman içinde gölgelik ışık yakalama kısa dalgalanmalar yakalayabilir (sunflecks ve shadeflecks) bulutların yükü geçen neden, gölgelik hareket, vb. Fotosentez çevresel koşullarda küçük değişikliklere son derece duyarlı olduğu bilinmektedir ve fotosentez ' dinamik ' değişiklikler şimdi ürün verim sürüş önemli olduğu düşünülmektedir (İnceleme için bkz: Murchie et al., 201812). Bu kısa dalgalanmalar yakalamak ve bitki canopies dinamik doğası daha iyi anlayış sağlamak için bir uygun kısa günlük aralığı ile alanda yüklü PARbars kullanılabilir.

Disclosures

Yazarlar onlar ilgi ve hiçbir şey ifşa anlaşmazlıkları olduğunu teyit.

Acknowledgments

Yazarlar Dr Richard Richards ve Dr Shek Hossain CMARıS, tarım, ve gıda erişim ve bu araştırma için kullanılan alan araziler yönetimi teşekkür etmek istiyorum. Bu araştırma, tahıl araştırma ve Geliştirme Kurumu (US00082) tarafından sağlanan bir hibe yoluyla uluslararası buğday verim ortaklığı tarafından destekleniyordu. TNB Avustralya Araştırma Konseyi (DP150103863 ve LP130100183) ve Ulusal Bilim Vakfı (ödül #1557906) tarafından destekleniyordu. Bu çalışma USDA Ulusal Gıda ve Tarım Enstitüsü tarafından desteklenen, Hatch projeleri 1016439 ve 1001480.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1.5 Ω low temperature coefficient precision resistor TE Connectivity Ltd., Schaffhausen, Switzerland. UPW25 series Could be made using multiple larger resistors in parallel but they need to have low temperature coefficient (i.e. ± 3 ppm/°C).
URL for commercial source: https://bit.ly/2DFuPpm
Acrylic diffuser Plastix Australia Pty. Ltd., Arncliffe, NSW, Australia. 445 - Opal White 1200 mm length x 30 mm width x 4.5 mm thick.
URL for commercial source: https://bit.ly/2Bq0fyc
Aluminum U-bar Capral Ltd., Bundamba, QLD, Australia. EK9160 1220 mm length x 35 mm width x 25 mm depth.
URL for commercial source: https://bit.ly/2PPfJou
Bare solid core copper wire Non-specific part
Bolts Non-specific part
Clamps Non-specific part
Clear epoxy potting resin Solid Solutions, East Bentleigh, VIC, Australia. 651 - Universal Epoxy Potting Resin Clear epoxy resin for electrical applications.
URL for commercial source: https://bit.ly/2qY0pHa
Cyanoacrylate glue Non-specific part
Datalogger Campbell Scientific, Logan, Utah, USA. CR5000 Other dataloggers that record differential voltages could be used.
URL for commercial source: https://bit.ly/2U7Io5H
Drill or drill press Non-specific part
Glue lined heat shrink Non-specific part
Heat gun Non-specific part
LED torch Non-specific part
Masking tape Non-specific part
Photodiodes (50) Everlight Americas Inc., Carrollton, Texas, USA. EAALSDSY6444A It is important that this specific component is used due to spectral response.
URL for commercial source: https://bit.ly/2FzVnuH
Polyurethane foam filler Non-specific part
Quantum sensor LI-COR, Lincoln, Nebraska, USA. LI-190R For calibration of PARbars only.
URL for commercial source: https://bit.ly/2HEfKbh
Screwdrivers Non-specific part
Silicone sealant Non-specific part
Solder Non-specific part
Solder flux pen Non-specific part
Soldering iron Non-specific part
Spirit/bubble level Non-specific part
Tap and die set Non-specific part
Two-core cable Non-specific part
Voltmeter Non-specific part
Waterproof connectors Core Electronics, Adamstown, NSW, Australia. ADA743 2 core waterproof connector. DC power connectors work well.
URL for commercial source: https://bit.ly/2Brcrik

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Armbrust, D. V. Rapid measurement of crop canopy cover. Agronomy Journal. 82, (6), 1170-1171 (1990).
  2. Breda, N. J. J. Ground-based measurements of leaf area index: a review of methods, instruments and current controversies. Journal of Experimental Botany. 54, (392), 2403-2417 (2003).
  3. Francone, C., Pagani, V., Foi, M., Cappelli, G., Confalonieri, R. Comparison of leaf area index estimates by ceptometer and PocketLAI smart app in canopies with different structures. Field Crops Research. 155, 38-41 (2014).
  4. Campbell, G. S. Extinction coefficients for radiation in plant canopies calculated using an ellipsoidal inclination angle distribution. Agricultural and Forest Meteorology. 36, (4), 317-321 (1986).
  5. Cohen, S., Rao, R. S., Cohen, Y. Canopy transmittance inversion using a line quantum probe for a row crop. Agricultural and Forest Meteorology. 86, (3-4), 225-234 (1997).
  6. AccuPAR PAR/LAI Ceptometer Model LP-80 Operator's Manual. Decagon Devices, Inc.. (2017).
  7. Salter, W. T., Gilbert, M. E., Buckley, T. N. Time-dependent bias in instantaneous ceptometry caused by row orientation. The Plant Phenome Journal. (2018).
  8. Huang, X. H., Han, B. Annual Review of Plant Biology. Merchant, S. S. 65, Annual Reviews. 531-551 (2014).
  9. Application Note: Beam fraction calculation in the LP80. Decagon Devices, Inc. (2009).
  10. Campbell, G. S., Van Evert, F. K. Light interception by plant canopies - efficiency and architecture. Nottingham University Press. (1994).
  11. Pask, A., Pietragalla, J., Mullan, D., Reynolds, M. Physiological breeding II: a field guide to wheat phenotyping. CIMMYT. (2012).
  12. Murchie, E. H., et al. Measuring the dynamic photosynthome. Annals of Botany. 122, (2), 207-220 (2018).
  13. Beddows, P. A., Mallon, E. K. Cave Pearl Data Logger: a flexible Arduino-based logging platform for long-term monitoring in harsh environments. Sensors. 18, (2), 26 (2018).
  14. Li, T., et al. Enhancement of crop photosynthesis by diffuse light: quantifying the contributing factors. Annals of Botany. 114, (1), 145-156 (2014).
  15. Lang, A. R. G., Yueqin, X. Estimation of leaf-area index from transmission of direct sunlight in discontinuous canopies. Agricultural and Forest Meteorology. 37, (3), 229-243 (1986).
  16. Cruse, M. J., Kucharik, C. J., Norman, J. M. Using a simple apparatus to measure direct and diffuse photosynthetically active radiation at remote locations. Plos One. 10, (2), 19 (2015).
  17. Yang, G. J., et al. Unmanned aerial vehicle remote sensing for field-based crop phenotyping: current status and perspectives. Frontiers in Plant Science. 8, 26 (2017).
PARbars: ucuz, kolay bitki canopies ışık durdurma sürekli ölçümü için Ceptometreler Inşa etmek
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Salter, W. T., Merchant, A. M., Gilbert, M. E., Buckley, T. N. PARbars: Cheap, Easy to Build Ceptometers for Continuous Measurement of Light Interception in Plant Canopies. J. Vis. Exp. (147), e59447, doi:10.3791/59447 (2019).More

Salter, W. T., Merchant, A. M., Gilbert, M. E., Buckley, T. N. PARbars: Cheap, Easy to Build Ceptometers for Continuous Measurement of Light Interception in Plant Canopies. J. Vis. Exp. (147), e59447, doi:10.3791/59447 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter