PARbars: goedkoop, makkelijk te bouwen Ceptometers voor continue meting van lichte interceptie in planten luifels

Environment
 

Summary

Hier presenteren we gedetailleerde instructies over hoe te bouwen en te kalibreren onderzoek kwaliteit ceptometers (licht sensoren die lichtintensiteit te integreren in vele sensoren lineair gearrayd langs een horizontale balk).

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Ceptometry is een techniek die wordt gebruikt om de overbrenging van fotosynthetisch actieve straling door een installatie luifel te meten gebruikend veelvoudige lichte sensoren die parallel op een lange staaf worden aangesloten. Ceptometry wordt vaak gebruikt om eigenschappen van luifel structuur en lichte interceptie te concluderen, met name Leaf Area index (LAI) en effectieve plant area index (PAIeff). Wegens de hoge kosten van commercieel beschikbare ceptometers, is het aantal metingen dat kan worden genomen vaak beperkt in ruimte en tijd. Dit beperkt het nut van ceptometry voor het bestuderen van genetische variabiliteit in lichte interceptie, en verzet zich tegen een grondige analyse van, en correctie voor, biases die kan scheef metingen afhankelijk van het tijdstip van de dag. We ontwikkelden continu logging ceptometers (de zogenaamde PARbars) die kunnen worden geproduceerd voor USD $75 per stuk en leveren kwalitatief hoogwaardige gegevens vergelijkbaar met commercieel beschikbare alternatieven. Hier bieden we gedetailleerde instructies over hoe te bouwen en kalibreren PARbars, hoe ze te implementeren in het veld en hoe te schatten PAI van de verzamelde gegevensoverdracht. Wij bieden representatieve resultaten van tarwe luifels en bespreken verdere overwegingen die moeten worden gemaakt bij het gebruik van PARbars.

Introduction

Ceptometers (lineaire arrays van lichtsensoren) worden gebruikt voor het meten van het aandeel van fotosynthetisch actieve straling (PAR) onderschept door planten luifels. Ceptometers worden op grote schaal gebruikt voor agrarisch gewas onderzoek als gevolg van de relatief eenvoudige aard van de metingen en de eenvoud van de interpretatie van gegevens. Het basisprincipe van ceptometry is dat de overbrenging van licht aan de basis van een installatie luifel (τ) van het geprojecteerde gebied van licht absorberende hierboven materialen afhankelijk is. De metingen van pari boven en onder de luifel kunnen, daarom, worden gebruikt om luifel trekken zoals de index van het blad gebied (LAI) en de efficiënte index van de installatie gebied (PAIeff) te schatten (die stammen, halmen en reproductieve structuren naast bladeren omvat)1 ,2,3. Betrouwbaarheid van PAIeff schattingen afgeleid van τ is verbeterd door het modelleren van de effecten van de bundel Fractie van inkomende par (fb), het blad absorptance (a) en de effectieve luifel extinctiecoëfficiënt (K ); K, op zijn beurt, hangt af van zowel de zonne-Zenith hoek (θ) en de bladhoek verdeling (χ)1,4,5,6. Het is een gangbare praktijk om te corrigeren voor deze effecten. Echter, er zijn andere vooroordelen die niet hebben ontvangen gepaste aandacht in het verleden als gevolg van methodologische en kosten beperkingen.

We hebben onlangs geïdentificeerd significante tijd-afhankelijke bias in momentane ceptometry metingen van de rij gewassen, zoals tarwe en gerst7. Dit bias wordt veroorzaakt door een interactie tussen rij het planten oriëntatie en zonne Zenith hoek. Om dit vooroordeel te overwinnen, kan het onophoudelijk registreren ceptometers in het gebied worden opgezet om dagelijkse cycli van luifel lichte onderschepping te controleren en dan dagelijks gemiddelden van τ en Paieff kan worden berekend. Nochtans, zijn de ononderbroken metingen vaak onhaalbaar wegens de onbetaalbare hoge kosten van commercieel beschikbare ceptometers-vaak verscheidene duizend dollars van de V.S. voor één enkel instrument-en de eis ten aanzien van metingen van vele gebieds percelen. De laatstgenoemde is bijzonder duidelijk in de-omics era waar vele honderden genotypen voor genomische analyses, zoals genoom brede verenigings studies (GWAS) en genomische selectie (GS) worden vereist (voor overzicht zie Huang & Han, 20148). Wij erkenden dat er behoefte was aan kosteneffectieve ceptometers die in grote aantallen geproduceerd zouden kunnen worden en gebruikt worden voor continue metingen over vele genotypen.

Als een oplossing, we ontworpen gemakkelijk te bouwen, hoge-nauwkeurigheid ceptometers (PARbars) tegen een kostprijs van USD $75 per eenheid en die ongeveer een uur van de arbeid te construeren. PARbars zijn gebouwd met behulp van 50 fotodiodes die gevoelig zijn alleen in de PAR golfband (golflengtes 390 – 700 nm), met zeer weinig gevoeligheid buiten dit bereik, wegnemen het gebruik van dure filters. De fotodiodes zijn parallel verbonden over een lengte van 1 m om een geïntegreerd differentieel spanningssignaal te produceren dat met een datalogger kan worden opgenomen. Het circuit is ingekapseld in epoxy voor waterdichtheid en de sensoren opereren over een groot temperatuurbereik (-40 tot + 80 ° c), waardoor de PARbars worden ingezet in het veld voor langere tijd. Met uitzondering van de fotodiodes en een lage-temperatuur-coëfficiënt weerstand, alle onderdelen die nodig zijn om een PARbar te bouwen kan worden gekocht bij een hardware winkel. Een volledige lijst van benodigde onderdelen en gereedschappen is opgenomen in de tabel van materialen. Hier presenteren we gedetailleerde instructies over hoe te bouwen en te gebruiken PARbars voor de schatting van PAIeff en de huidige representatieve resultaten van tarwe luifels.

Protocol

1. bouw en Kalibreer de PARbars

  1. Verzamel alle onderdelen en gereedschappen die nodig zijn voor de assemblage in een schone werkruimte.
  2. Boor een gat van 4 mm diameter 20 mm van elk uiteinde van een witte acryl diffuser Bar (1.200 mm lengte x 30 mm breedte x 4,5 mm dikte). Boor en tik met schroefdraad gaten 20 mm van elk uiteinde van een deel van aluminium U-bar om diffuser te beveiligen. Boor en tik op schroefdraad gaten aan te passen montage hardware (bijv. een statief montageplaat).
  3. Verkrijg een 1,25 m lengte van kale koperdraad (1,25 mm diameter). Als de draad kwam op een broodje, dan rechtzetten door het veiligstellen van een uiteinde in een vice-of klem en het andere uiteinde in de grepen van een handboor, en dan draaien op de boor op een lage snelheid (100-200 rpm). Herhaal dit met een tweede 1,25 m lengte van de kale koperdraad.
  4. Markeer de beoogde locaties van de fotodiodes langs de rand van de diffuser met behulp van een Fine-Tip permanent marker, te beginnen met de eerste fotodiode positie op 13,5 cm van het ene uiteinde van de diffuser en de andere posities gelegen om de 2 cm tussen de eerste diode en het einde van de diffuser.
    1. Markeer de positie van de eerste koperdraad op de diffuser door het centreren van een fotodiode op de diffuser bar met zijn elektrische verbinding tabbladen wijzend naar de zijkanten van de Bar, het plaatsen van de draad onder een van de tabbladen, en het markeren van de draad locatie.
    2. Herhaal de voorgaande stap om de positie van de draad in het midden en het tegenovergestelde uiteinde van de bar te markeren.
  5. Gebruik Cyanoacrylaat lijm om de eerste rechtgetrokken koperdraad lijm aan de diffuser, met behulp van de locaties gemarkeerd in de voorgaande stap om de draad af te stemmen.
    1. Gebruik Cyanoacrylaat lijm te lijmen 50 fotodiodes face-down langs de diffuser op 20 mm intervallen (zoals aangegeven in de voorgaande stap), ervoor te zorgen dat ze in het midden van de diffuser en dat alle zijn allemaal gerangschikt in dezelfde oriëntatie zodanig dat de grote tab zit op de co pper draad, en de kleine tab zit tegenover.
    2. Plaats de tweede koperdraad zodanig dat het zit onder elk van de kleinere tabbladen van de fotodiodes, en lijm de draad aan de diffuser met Cyanoacrylaat lijm.
  6. Natte beide tabbladen van een fotodiode, evenals de aangrenzende en onderliggende draden, met Flux met behulp van een soldeer flux pen. Soldeer elk lusje van de diode aan de onderliggende koperdraden gebruikend een fijn getipt soldeer ijzer bij een temperatuur van ongeveer 350-400 oC. test de soldeerverbindingen door een licht op de fotodiode te glanzen en voor een voltage signaal over de draden te controleren met behulp van een multimeter. Herhaal deze stap voor alle 50 fotodiodes.
    Opmerking: stap 1,7 is optioneel (als de weerstand niet in de PARbar is gesoldeerd, kan deze later parallel met de PARbar signaal ingangen op de datalogger worden aangesloten).
  7. Soldeer een 1,5 Ω lage temperatuur coëfficiënt nauwkeurigheid weerstand in parallel over de koperen draden.
  8. Soldeer de mannelijke uiteinde van een waterdichte DC-connector aan de uiteinden van de koperen draden (dezelfde uiteinden waarop de weerstand werd gesoldeerd, als je gevolgd optionele stap 1,7) en vervolgens afdichting van de verbindingen met behulp van lijm gevoerd warmte krimpen slang.
  9. Maak een continue siliconen barrière rond de Circuity op de diffuser om een vloeistof-strak goed te vormen, door toepassing van een kraal van siliconen sealant aan het oppervlak van de diffuser, in de buurt van de rand. Inspecteer de kraal nauw om ervoor te zorgen dat er geen luchtgaten blijven tussen de siliconen en de diffuser Bar, zoals hiaten zal toelaten epoxy uit te lekken. Zodra de kit is genezen, vul het goed met epoxyhars.
  10. Wanneer de epoxyhars is gehard ('s nachts), verwijder de siliconen Kit met behulp van een scheermesje. Bolt de diffuser aan de pre-threaded aluminium U-bar met behulp van M4 bouten.
  11. Gebruik masking tape om de diffuser veilig om het aluminium langs de hele lengte, en vul vervolgens de leegte in de ceptometer met polyurethaanschuim vulmiddel. Zodra het schuim vulmiddel heeft ingesteld ('s nachts), verwijder de masking tape.
  12. Soldeer de vrouwelijke uiteinde van de DC-connector op een lengte van twee-aderige kabel en afdichting van de verbindingen met lijm gevoerd warmte krimpen.
  13. Om de PARbar te kalibreren tegen een Quantum sensor,
    1. Sluit beide sensoren aan op een datalogger of voltmeter die een differentiële spanningsuitgang kan meten (Verbind een 1,5 Ω lage temperatuur-coëfficiënt nauwkeurigheids weerstand parallel met de PARbar als een weerstand niet in het ontwerp in stap 1,7 werd geïntegreerd),
    2. Zet ze buiten in volle zon op een vlakke vlak (niveau met een waterpas of geest zeepbel), registreert de uitgangen van beide sensoren over een periode waarin zonne-straling sterk varieert, zoals een volledige dagelijkse cyclus, en bepalen de kalibratiefactor voor de PARbar als de helling van een lineaire regressie van PAR gemeld van de Quantum sensor (als de afhankelijke variabele) versus ruwe voltage output (als de onafhankelijke variabele).

2. Installeer in het veld

  1. Om te concluderen effectieve plant area index (PAIeff), installeer een PARbar boven de luifel (ervoor te zorgen dat het niet in de schaduw door een licht-absorberende elementen in de luifel) en een ander onder alle licht-absorberende elementen waarvan absorptance u wenst te meten ( typisch, onder de laagste bladeren), met beide PARbars uitgelijnd op een 45 ° hoek aan het planten van rijen. Zorg ervoor dat de bovenste PARbar is zo gepositioneerd om niet de schaduw van de onderste PARbar. Niveau van de PARbars met behulp van een waterpas of Bubble niveau.
  2. Sluit de PARbars aan op een datalogger of voltmeter met behulp van kabels gemaakt in stap 1,11. Als een 1,5 Ω lage temperatuur-coëfficiënt precisie weerstand was niet geïntegreerd in de PARbar circuit tijdens de bouw (stap 1,7), dan sluit een dergelijke weerstand in parallel met elke PARbar in dit stadium.
  3. Converteer differentiële voltage output naar PAR met behulp van de kalibratiefactor bepaald voor elke PARbar in stap 1,13.

3. Bereken de effectieve index van het planten gebied (PAIeff)

  1. Bereken PAIeff voor elk paar van boven-en onder-luifel par metingen met behulp van de volgende vergelijkingen6:
    (1) Equation 1 ,
    Wanneer a = 0,283 + 0,0785a – 0,159a2 (waarin a is Leaf absorptance), τ is de verhouding van beneden-tot boven-luifel par, en K en fb zijn gemodelleerd door vergelijking 24 en Vergelijking 39, respectievelijk:
    (2) Equation 2 ,
    waar χ is een dimensieloze parameter beschrijft bladhoek verdeling, θ is de zonne-Zenith hoek, en
    (3) Equation 3 ,
    waar r is par boven de luifel (parboven) als een fractie van de maximaal mogelijke waarde (parboven, Max = 2550 ∙ cosθ); dwz r = parboven/parboven, Max. Raadpleeg de literatuur voor de waarden van a en c geschikt voor uw studie soorten (we verondersteld a = 0,9 en c = 0,9610 voor de tarwe luifels gebruikt voorproef metingen hier gepresenteerd).
    Opmerking: een sample R script wordt geleverd als een aanvullend bestand om gebruikers te helpen bij het ontwikkelen van code voor geautomatiseerde verwerking van grote datasets.

Representative Results

Een schematische voor de PARbar build is te zien in Figuur 1. In Figuur 2wordt een representatieve kalibratiekromme voor een PARbar weergegeven. De differentiële voltage output van een PARbar is lineair evenredig aan de pari output van een Quantum sensor, met R2 = 0,9998. PARbars werden ingezet in tarwe luifels en ingelogd om de 20 s over de ontwikkeling van de planten. Een typische dagelijkse tijdverloop van de luifel licht omgeving verzameld met behulp van een PARbar op een heldere zonnige dag wordt weergegeven in Figuur 3 (ruwe overbrenging gegevens en gecorrigeerd Paieff worden getoond ter vergelijking). Figuren 3B en 3c tonen de bias die zou kunnen worden geïntroduceerd door momentane ceptometry metingen te nemen op verschillende tijdstippen van de dag (per Salter et al. 20187). De graan percelen die voor de inzameling van deze gegevens worden gebruikt hadden een rij het planten richtlijn gepast Noord-Zuid met de transmissie van licht aan de lagere luifel die bij 12:30 (Figuur 3b) een hoogtepunt bereikt. Als er op dit moment een momentane meting zou worden gedaan, zou PAIeff worden onderschat, terwijl het in de ochtend of middag kan worden overschat. De weerbestendige PARbars kan ook worden ingezet in het veld voor lange tijd periodes; Figuur 4 laat zien hoe PARbars kan worden gebruikt om te controleren hoe luifel licht omgeving verandert als planten te ontwikkelen.

Figure 1
Figuur 1. Schema's voor de PARbar te bouwen. (a) plaats en regeling van de waterdichte schakelaar en de interne shunt weerstand; (b) regeling en afstand van de fotodiodes; (c) boor locaties op de acryl diffuser Bar; (d) boor locaties op de aluminium U-Bar; en (e) elektronisch schakelschema van een PARbar. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2. Representatieve PARbar kalibratiecurve. De relatie tussen de differentiële voltage output van een PARbar (mV) en de fotosynthetische foton fluxdichtheid of PAR (mmol m-2 s-1) van een Quantum sensor. Elk punt vertegenwoordigt één paar metingen van de PARbar en Quantum sensor, die eens om de 20 seconden over een periode van 4 uren voor één dag wordt geregistreerd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3. Representatieve dagelijkse timecourse van PARbar output. Gegevens verzameld op een heldere dag met behulp van PARbars in tarwe luifels op anthesis in Canberra, Australië (-35 ° 12 ' 00.1008 ', 149 ° 05 ' 17.0988 '). a PAR gemeten boven de luifel (mmol m-2 s-1), (b) ongecorrigeerde overbrenging (de verhouding van parboven/parhieronder) (eenheidloos), en (c) de effectieve index van het planten gebied (Paieff, m2 m-2); berekend op basis van vergelijking 1. Gegevenspunten in (b) en (c) zijn middelen (n = 30), vaste lijnen zijn loess lokale regressies gemonteerd in R (a = 0,5), gearceerde gebieden zijn standaardfouten van de pasvorm en de stippellijn horizontale lijnen vertegenwoordigen de dagelijkse middelen. Het gearceerde gebied tussen de stippellijnen is het tijdvenster (1100 – 1400h) aanbevolen voor momentane ceptometer metingen in tarwe door CIMMYT11. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4. Representatieve gegevens verzameld in een groeiseizoen. PARbar gegevens verzameld van vroege tillen aan anthesis in tarwe luifels in Canberra, Australië (-35 ° 12 ' 00.1008 ", 149 ° 05 ' 17.0988"). (a) niet-gecorrigeerde overbrengings gegevens (unitloze) en (b) effectieve index van het planten gebied (PAIeff, m2 m-2), berekend op basis van vergelijking 1. De getoonde gegevenspunten vertegenwoordigen de dagelijkse middelen voor de periode 1.000 – 400h (n = 30). Vaste lijnen zijn LOESs lokale regressies gemonteerd in R (a = 0,75), gearceerde gebieden zijn standaardfouten van de pasvorm. Ruwe gegevens werd niet opgenomen in de verdere analyse als PARhierboven was < 1.500 µmolm-2 s-1 en als paronder/parboven was > 1. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Discussion

De succesvolle implementatie van het protocol dat hier voor de bouw van ceptometers (PARbars) wordt geschetst hangt het meest gevoelig op twee stappen af: 1,5 (het lijmen fotodiodes in plaats) en 1,6 (solderende fotodioden aan de koperdraad). Stap 1,5 is gevoelig voor fouten door het uitlijnen van de fotodiodes ten onrechte met betrekking tot hun intrinsieke polariteit. Voor de fotodiodes die wij gebruikten, en die wij als essentiële specifieke punten adviseren, wordt de polariteit geïdentificeerde op grond van de twee elektro schakelaar lusjes op de diode die duidelijk verschillende grootte heeft. Dus, voor het aanbrengen van Cyanoacrylaat lijm en solderen van de fotodiodes op zijn plaats, is het sterk aangeraden om te controleren of alle diodes worden geplaatst met de grote connector tabbladen geconfronteerd in een richting en de kleine tabbladen geconfronteerd in de andere richting. Stap 1,6 is gevoelig voor falen als gevolg van slechte solderen techniek en de vorming van een koude gesoldeerd kruispunt. Dit kan worden vermeden door het toepassen van dunne soldeer Flux met behulp van een flux pen onmiddellijk vóór het solderen en ervoor te zorgen dat zowel de draad en de fotodiode tabblad worden verwarmd met de soldeer tip (op ongeveer 350-400 oC) voordat solderen zelf wordt toegepast op de Junction. Problemen met elektrische aansluitingen in een PARbar meestal manifesteren in de vorm van een kalibratie helling duidelijk verschillend van die van andere PARbars. Dergelijke problemen kunnen vroeg worden gevangen door het testen van elke elektrische verbinding tijdens de bouw (zoals beschreven in stap 1,6), en opnieuw nadat alle aansluitingen zijn gesoldeerd, maar voordat ze zijn ingekapseld in epoxy (stap 1,9). Een derde potentiële bron van fouten komt voort uit het niet gebruiken van een lage temperatuur-coëfficiënt precisie weerstand, waarvan de weerstand is ongevoelig voor temperatuur; met behulp van een gewone weerstand zal de fout veroorzaken als het verzet, en dus de spanning per eenheid van het licht geabsorbeerd door de diodes, veranderingen met omgevingstemperatuur. De laatste belangrijke bron van fouten is niet uniek voor PARbars, maar geldt voor alle ceptometry metingen: namelijk, de gevolgtrekking van effectieve plant gebied index of Leaf Area index van licht te vangen is afhankelijk van de kenmerken van de luifel structuur (met name mean Leaf absorptance en bladhoek verdeling; a en c in Eqns 1 en 2) die kunnen variëren tijdens de ontwikkeling van de plant en tussen genotypen.

Er zijn twee belangrijke gebieden waarop het hier beschreven protocol kan worden gewijzigd of aangepast. Ten eerste, de PARbars die we hier presenteren zijn speciaal ontworpen voor gebruik in de rij gewassen, zoals tarwe en gerst, maar het ontwerp kan gemakkelijk worden aangepast voor andere toepassingen. Bijvoorbeeld, zou een shunt weerstand met grotere weerstand kunnen worden gebruikt om aanwinst (mV output per eenheid pari) bij lagere pari waaiers te verbeteren. Voor veelzijdigheid, een lage-temperatuur coëfficiënt precisie potentiometer (variabele weerstand) kan worden gebruikt om de PARbar gevoeligheid bereik te wijzigen als nodig is of om kleine aanpassingen te maken om te winnen, zodat elk van de vele PARbars hebben identieke kalibratie hellingen. Ten tweede, de fotodiodes kunnen ook individueel worden gebruikt als Quantum sensoren, waardoor de gebruiker te vangen ruimtelijke en temporele variatie binnen individuele Luifels voor een veel lagere kosten dan mogelijk met behulp van commercieel verkrijgbare Quantum sensoren. Dit kan bijzonder waardevol zijn gezien de groeiende belangstelling voor dynamische fotosynthese onder fluctuerende lichtomstandigheden12. Ten derde, hoewel we gebruik gemaakt van een conventionele (en dure) datalogger voor de gegevens die in deze studie, is er ruimte voor dataloggers in plaats daarvan worden gebouwd met behulp van off-the-shelf componenten, waardoor de oprichting van een gecombineerde ceptometry en datalogger systeem op een beperkt budget. De populariteit van zogenaamde Maker platforms, zoals Arduino en framboos Pi, biedt grote belofte op dit gebied aan; Wij stellen voor de open-source Arduino op basis van Cave Pearl project13 als een starter voor verdere ontwikkeling. Cave Pearl dataloggers werden ontworpen voor het milieumonitoring van de grot ecosystemen, dus robuustheid en een laag vermogen vraag waren belangrijke overwegingen in hun ontwerp. Soortgelijke overwegingen zijn relevant voor de uitvoering van de plant fenotype werk. Cave Pearl datalogger componenten zijn goedkoop (minder dan USD $50 per eenheid) en klein, waardoor ze direct kunnen worden opgenomen in PARbars.

Toepassing van de hier beschreven PARbars gezichten drie belangrijke beperkingen. Ten eerste, de gevolgtrekking van de plant gebied index of blad gebied index van gemeten licht vangen wordt belemmerd door een sterke tijd-afhankelijke biases, met name in de rij gewassen7. Dit kan worden overwonnen door het maken van herhaalde of continue metingen over een dag. Ten tweede, goedkope fotodiodes hebben geen spectrale output die precies evenredig is aan foton flux (de variabele van de grootste belangstelling voor fotosynthese onderzoek). Dit kan bias veroorzaken wanneer de lichte kwaliteit zeer door een luifel verandert, hoewel de vorige ramingen van de resulterende fout erop wijzen dat het op de orde van een paar percenten7is. Ten derde, PARbars kan geen onderscheid maken tussen de directe straal en diffuse componenten van inkomende PAR boven de luifel. Zoals diffuse straling dieper doordringt in de luifel dan direct zonlicht14, zal de overbrenging worden verhoogd en Paieff zal worden onderschat als de diffuse Fractie van de totale straling stijgt. Wanneer alle straling diffuus is, is PAIeff direct evenredig met de logaritme van 1/τ in plaats van de relatie getoond in vergelijking 115. Cruse et al. (2015) 16 merkte op dat momenteel beschikbare commerciële instrumenten die kunnen meten directe en diffuse par zijn duur en vereisen regelmatig onderhoud, zodat ze ontwierp een eenvoudig en goedkoop apparaat om dit probleem aan te pakken. Hun systeem bestaat uit een Quantum sensor die routinematig wordt gearceerd door een gemotoriseerde, bewegende shadowband en zorgt voor continue meting van de totale, directe en diffuse PAR. De sensor gebruikt in de Cruse et al. 16 het systeem zou met de zelfde fotodiode kunnen worden vervangen die in PARbars wordt gebruikt om kosten verder te verminderen en kan gemakkelijk in de bestaande PARbar opstelling worden opgenomen. Deze metingen kunnen worden geïntegreerd in de gegevensverwerkings pijplijn en zouden de betrouwbaarheid van de ramingen van PAIeffverder vergroten.

Het grote voordeel van PARbars ten opzichte van bestaande commerciële ceptometers is hun lage kosten, waardoor het haalbaar is om ze te produceren in grote aantallen. Onlangs is er een groeiende belangstelling voor nieuwe high-throughput plant fenotype technologieën voor de schatting van de luifel eigenschappen (voor de herziening zie Yang et al., 201717). Hoewel deze methoden zijn veelbelovend in dat ze produceren enorme hoeveelheden gegevens ze zijn meestal zeer indirect en vereisen validatie tegen conventionele technieken. PARbars kan dienen als een kosteneffectieve, op de grond gebaseerde validatie tool voor deze nieuwe technieken.

De lage productiekosten van PARbars maken hen ook een haalbare optie voor ononderbroken metingen in het gebied. Dit kan nuttig zijn om verschillende redenen. Continue metingen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om rij-oriëntatie-biases te karakteriseren om tijdspecifieke correctiefuncties te ontwikkelen voor momentane metingen (voor meer informatie zie Salter et al. 20187). Continue ceptometry kan ook vastleggen korte schommelingen in de luifel licht vast te leggen in de tijd (sunflecks en shadeflecks) veroorzaakt door wolken passeren overhead, beweging van de luifel, enz. Fotosynthese is bekend dat zeer gevoelig zijn voor kleine veranderingen in de omgevingsomstandigheden en ' dynamische ' veranderingen in de fotosynthese worden nu gedacht dat het belangrijk in het rijden gewasopbrengst (voor de herziening Zie Murchie et al., 201812). PARbars geïnstalleerd in het veld met een voldoende korte logging interval kan worden gebruikt om deze korte schommelingen vast te leggen en een beter begrip van de dynamische aard van de plant luifels te bieden.

Disclosures

De auteurs bevestigen dat zij geen belangenconflicten en niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs willen bedanken Dr Richard Richards en Dr shek Hossain op CSIRO, landbouw, en voedsel voor de toegang tot en het beheer van het veld percelen gebruikt voor dit onderzoek. Dit onderzoek werd ondersteund door de internationale tarwe yield partnerschap, door middel van een subsidie die door de korrels onderzoek en ontwikkeling Corporation (US00082). TNB werd gesteund door de Australische Raad voor onderzoek (DP150103863 en LP130100183) en de National Science Foundation (Award #1557906). Dit werk werd gesteund door het nationale Instituut van USDA van voedsel en landbouw, de projecten 1016439 en 1001480 van het broedsel.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics