基于太阳高度角的光量子通量密度快速检测装置设计

光量子通量密度是农业生产中关键的光环境参数。设计一种光量子通量密度快速检测设备,对温室蔬菜、水果进行合理、精确补光,将有助于提升植物的生长发育和作物的产量与品质。该检测设备以STC90单片机为核心,搭载DAVIS 6450传感器、PCF8591模数转换器以及DS1302芯片,实现对各波段光量子通量密度的检测。首先,利用地物光谱仪OFS-1100对各光波段占太阳光的比例进行检测,并利用数据拟合方法得到任意太阳高度下的准确比例数据。然后,通过DS1302芯片获取时间,计算出太阳高度角,并通过传感器DAVIS 6450经模数转换得到太阳光能量。将得到的比例、能量数据代入公式获得各波段的光量子通量密度,为温室蔬菜、水果的合理、精确补光提供理论基础。

光合有效量子通量密度的气侯学计算

讨论了光合有效辐射（ＰＡＲ）的两种计量系统，提出了利用太阳总辐射照度估算光合有效量子通量密度的气候学公式。根据国外对昼光的观测资料，得到了ＰＡＲ能量的量子转换系数，即太阳总辐射中，ＰＡＲ每１Ｊ的能量含有４．５５μｍｏｌ的量子。在气候学计算中，可利用这个值进行ＰＡＲ的能量和量子的换算。

光合有效量子通量密度的计算及应用

分析了光合有效辐射3种度量标准的区别,根据3者的能量联系,推导出精确计算光合有效量子通量密度的表达式。据此,一方面编写程序计算了常用光源的光强在3种度量间的转换系数,使不同度量标准下的实验结果得以通用,另一方面提出根据光源的发光效率计算其光合有效量子产率的公式,初步实现光源产生光合有效辐射的定量效率。

植物LED光照中光量子通量密度与距离的关系

在植物工厂的实际生产中,随着植物的生长发育,植物距离光源的高度会逐渐减小,所获取的光量子通量密度(photosynthetic photon flux density,简称PPFD)也会随之不断变化。为探究光量子通量密度与距离的关系,采用矩形均匀排布的发光二极管(light emitting diode,简称LED)灯板作为植物光源,改变光源与测量层的距离,并在每一个测量层上均选取7个点作为测量点,测量各个点的光量子通量密度,最后将得到的数据使用曲线拟合的最小二乘法进行拟合。结果表明,随着距离的增大光量子通量密度下降的速度明显减缓,LED灯板下方中间测量点PPFD与距离(r)的关系为PPFD=a/(r0.3+b),边缘测量点PPFD与距离的关系为PPFD=a/(r0.7+b),其中r为LED灯板和被测点之间的距离,a、b为常数;且在只考虑光量子通量密度因素对植物生长影响的条件下,LED灯板和植物之间的距离选择在10~23 cm之间比较合适。

红松阔叶混交林林隙光量子通量密度、气温和空气相对湿度的时空分布格局

以小兴安岭原始红松阔叶混交林林隙为研究对象,通过对林隙内光量子通量密度(PPFD)、气温和空气相对湿度进行连续观测,比较其间的时空分布格局.结果表明:晴天和阴天阔叶红松林林隙的PPFD日最大值均出现在11:00—13:00,晴天林隙内各个时段最大值出现位置不同,日最大值出现在林隙北侧林冠边缘处;而阴天各个时段最大值均处于林隙的中心.林隙内月平均PPFD为6月最高、9月最低,极差7月最大.林隙内晴天气温的峰值出现在9:00—15:00,而阴天气温峰值在15:00—19:00,均位于林隙中心南8m.5:00—9:00林隙各点阴天的气温都高于晴天,9:00—19:00则相反.月平均气温为6月最高、9月最低.晴天和阴天空气相对湿度的峰值均出现在5:00—9:00,日最大值在林隙西侧林冠边缘处,且阴天的相对湿度始终大于晴天.月平均相对湿度为7月最高、6月最低.晴天PPFD的异质性大于阴天,而气温和相对湿度的异质性则不明显.生长季内不同月份PPFD、气温和空气相对湿度的最大值所处位置不同.PPFD和气温的月均值在林隙中心及附近变化梯度较大,而相对湿度的月均值则在林隙边缘变化梯度较大.

红松阔叶混交林林隙光量子通量密度的时空分布格局

以小兴安岭原始红松阔叶混交林林隙为对象,采用网格法布点,对生长季林隙内各样点光量子通量密度(photosynthetic photon flux density,PPFD)进行连续观测,利用基本统计学和地统计学方法分析其时空分布格局.结果表明:红松阔叶混交林林隙的PPFD高值区日变化明显,最大值出现在12:00,位于林隙北侧.林隙的PPFD 6月最高,7、8、9月依次递减,其中7月PPFD不同位置间的变异系数最大;各月均为中等变异.不同月份林隙PPFD空间异质性的强度和尺度不同,6月变程最大,7月基台值和结构比最大;各月林隙PPFD斑块复杂程度不同,最大值均位于林隙东北侧.郁闭林分和空旷地的月平均PPFD变化次序与林隙一致.各样点月平均PPFD为空旷地最高,林隙次之,郁闭林分最低.

环境因子对沙坡头人工植被区碳通量的影响

基于腾格里沙漠东南缘沙坡头人工植被区涡度相关通量观测数据,对人工植被区碳通量及环境因子进行分析.研究表明:碳通量的月均日变化和季节变化趋势明显.该生态系统在生长季(4-10月)各月均为碳汇,6月份碳吸收最多,日吸收量最大值也出现在6月份.由于遭遇严重干旱、持续高温、强辐射和大饱和水汽压差,使叶片的气孔阻力较大,抑制了植物的光合作用,盛夏7月净生态系统CO_2交换量较相邻月份小.采用通径分析方法解析了光量子通量密度、净辐射、饱和水汽压差、空气温度、空气相对湿度、5 cm土壤温度、5 cm土壤含水量和风速等环境因子与碳通量的关联性,结果发现白天碳通量的影响因子以光量子通量密度和饱和水汽压差为主,光量子通量密度是影响净生态系统CO_2交换量的最主要因子,饱和水汽压差次之.光量子通量密度与碳通量呈直角双曲线的关系,净生态系统CO_2交换量随光量子通量密度的增加而减小,但当饱和水汽压差大于1.5 kPa时,这种减小关系的程度有所减弱.不同月份的光响应模型参数光饱和时的最大光合速率、表观初始光能利用率和白天生态系统暗呼吸速率不同,三者的最大值都出现在6月份.夜间生态系统呼吸的主导因子为空气温度,次要因子为5cm土壤含水量.当土壤干旱(土壤含水量小于3.5%)时空气温度超过21.25℃后会降低夜间生态系统呼吸速率.

冬小麦光合作用的光响应曲线的拟合

测定了田间冬小麦叶片光合作用速率及其相应的气象要素 ,分别用直角双曲线和非直角双曲线方程拟合了光合作用对光强的响应。指出在田间条件下 ,用直角双曲线拟合得到的初始量子效率 ( α)偏高。由于非直角双曲线中引入了反映光合曲线弯曲程度的参数 (凸度 ) ,使得 α值正常 ,在高光强下光合作用趋于光饱和 。

不同光照条件下生长的曼地亚红豆杉光合特性的比较研究

研究了不同光照条件下3年生曼地亚红豆杉幼苗的光合生理特性,结果表明:自然光、1层遮荫、2层遮荫条件下生长的曼地亚红豆杉光饱和点分别为:887μmol·m-2·s-1,763μmol·m-2·s-1,650μmol·m-2·s-1;光补偿点分别为117μmol·m-2·s-1,96μmol·m-2·s-1和87μmol·m-2·s-1.遮荫增加了幼苗叶绿素含量,而叶绿素a的含量A与叶绿素b的含量B的比值降低,光呼吸速率升高,暗呼吸速率降低.1层遮荫下生长的幼苗叶绿素含量、表观量子效率、叶片厚度、叶面积及生物量最高.1层遮荫(50%透光率)的环境是曼地亚红豆杉在重庆低海拔地区较适宜的光环境.

遮荫条件下绞股蓝光合作用特点的研究

在夏季遮荫条件下栽培绞股蓝的净光合速率日变化呈现不典型的双峰曲线 ,第 1峰值出现在11:0 0时 ,达 13 8μmolCO2 ·m-2 ·s-1;日净光合速率达到 176 97μmolCO2 ·m-2 ,是强光下栽培的 3 1倍 ;净光合速率和光量子通量密度呈正相关 ,相对湿度对净光合速率的影响小 .强光下栽培绞股蓝 ,光合作用“午休”现象明显 ,净光合速率日变化呈现双峰曲线 ,第 1峰值出现在 10 :0 0时 ,为 3 0 μmolCO2 ·m-2 ·s-1,第 2峰值出现在 14 :0 0时 ,为 1 2 5 μmolCO2 ·m-2 ·s-1;相对湿度与净光合速率成正相关 ,对净光合速率的影响大 .当光量子通量超过 70 0 μmol·m-2 ·s-1时 ,净光合速率与光量子通量密度呈负相关 .在影响该植物蒸腾速率的诸多因子中 ,蒸腾速率和气孔导度之间的相关性最为显著 .因此绞股蓝属于高度耐荫而怕光的植物 ,人工栽培应重点考虑光照因子 .

华北地区冬小麦光合作用的光响应曲线的特征参数

在冬小麦各生育期测定了田间叶片光合作用速率及其相应的气象要素 ,拟合了各生育期的光合作用的光响应曲线 .得出它们的几个特征参数 :初始量子效率、最大光合速率和凸度 .在华北地区冬小麦的整个生育期 ,初始量子效率大多在 0 .0 50～ 0 .0 75之间变化 ,最大光合速率在 5～ 2 5μmol· m- 2 ·s- 1之间变化 .表明初始量子效率随生育期的变化不大 ,最大光合速率在营养生长期较高 ,为 2 0～ 2 5μmol· m- 2 · s- 1,在生殖生长期 ,随着叶片氮、磷、钾等营养元素含量的下降 ,叶片的最大光合速率显著降低 .

光照强度和CO_2浓度间接调控对甘薯无糖组培苗光合特性的影响

以自行研制的组培苗光合速率测量系统检测了叶用甘薯无糖组培苗的光合速率 ,定量分析了外环境中CO2 浓度和光合光量子通量密度 (PPFD)对无糖组培苗光合特性的影响。结果表明 :采用透气封口材料和自然换气 ,间接合理调控PPFD和外环境CO2 浓度对组培苗净光合作用产生积极促进作用 ;仅提高PPFD或外环境CO2 浓度不能有效促进光合作用。当使用透气率为 0 4的封口材料时 ,甘薯无糖组培苗的光合作用在光合光量子通量密度 2 5 0 μmol·m-2 ·s-1 和外环境CO2 浓度 8735 μmol·mol-1

两种杂交杨叶绿素荧光特性及光能利用

比较研究了伊犁地区两种杂交杨伊犁杨1号(Populus deltaids'cv-64'(P64))和伊犁杨小叶杨(P.simonii canaden×P.russkii-9(Jia))对太阳辐射光能的利用和耗散特性。两种杂交杨光合速率(Pn)的日变化均呈现双峰型,高光量子通量密度(PFD)阶段Pn达到20.1%的差距;实际最大光化学猝灭ΦPSII日变化均呈"U"型,于16:30时,P64的ΦPSII达到最低值,而Jia的值于14:30时达到最低(Jia>P64);光合系统的闭合程度(L)在14:30时均出现一个短暂回落,全天平均闭合程度无显著差异(p>0.05)。非光化学猝灭系数(NPQ)在16:30同时达到最大值(Jia>P64),两者NPQ全天相差31.7%。叶片转化吸收太阳能热能耗散(E.D)和光化学反应转化的光能量(E.P)进行估算表明:在PFD较低的环境条件下,两种杂交杨将吸收的光能50%以上用于光化学猝灭;在PFD较高的环境条件下,P64的E.P值比例大于Jia,两者全天的E.P值没有太大的差异,P64的E.D值显著大于Jia的E.D值(p>0.01),而P64的E.D值占全天转化能量的比例小于Jia。P64和Jia的E.P达到最大的估算值时,其E.D也达到了最大。分析结果表明:两种杂交杨对高光能形成不同的适应机制,P64利用更多的太阳能进行光化学猝灭反应,而Jia利用更多的太阳能进行非光化学猝灭反应,减缓强太阳辐射伤害;两种杂交杨用于光化学能量分配的比例P64大于Jia,而Pn值在强辐射阶段和全天平均值、累积值均出现Jia>P64。结果证明,仅通过杂交杨本身叶绿体对光的荧光特性反应计算接收到的光能中有多少能量被利用与实际植物光合速率的转化的干物质存在一定的差异,两种杂交杨光化学实际固定碳和转化光能的多少的内在关系需进一步的研究。

基于LabVIEW的智能LED植物补光照明系统设计

基于植物对光和温湿度的需求,系统利用RRGB芯片配光设计开发了LED光源模块,若干个光源模块组成LED阵列平面光源模组,基于Lab VIEW的上位机与控制器相结合的系统实现对温室或园艺植物的智能补光照明。控制器实时检测红绿蓝三色波段的光量子通量密度(PFD)和温湿度值,并将检测信息显示在上位机界面,通过控制器对脉宽调制(PWM)信号进行动态调节,以保持照射到植物的红、绿、蓝PFD值随环境光照改变而保持恒定不变,实现照明系统结合环境光照的智能补光。同时,系统也实现了对温湿度阈值范围的智能调节。该智能补光照明系统根据不同植物或同一植物不同生长阶段对PFD、光质比例补光需求的不同,通过上位机设置红、绿、蓝三色波段光不同的PFD值和温湿度范围,下位机按照设置完成环境调控,既满足了植物对补光环境的要求,又大大节省了能源。

人工湿地园沼泽植物水蓼(Polygonum hydropiper L.)的蒸腾特性日变化

对人工湿地园中沼泽植物水蓼(PolygonumhydropiperL.)蒸腾特性日变化进行了研究。结果表明:水蓼叶片的蒸腾速率日进程在晴朗的天气呈单峰曲线变化,最高峰值出现在下午的14:00。受光量子通量密度的影响最大,相关系数为0.668。与相对湿度的变化呈正相关(r=0.607),说明水蓼的蒸腾速率日变化是受其自身所具有的特殊生理特性所决定。叶片气孔阻力直接影响蒸腾速率。

曼地亚红豆杉蒸腾速率日变化及因子分析

应用LI— 1 60 0稳态气孔计对曼地亚红豆杉(Taxusmediacv .Hicksii)叶片的蒸腾速率、气孔阻力和几个生态因子的日变化同步进行了测定。并采用多元回归分析和灰色关联度分析的方法探讨了曼地亚红豆杉叶片蒸腾速率与影响因子的关系 ,结果表明 :影响曼地亚红豆杉蒸腾速率的主要因子是叶温、气温 ;其次是光量子通量密度、空气相对湿度、气孔阻力。灰色关联度分析与多元回归分析结论基本一致。对曼地亚红豆杉叶片蒸腾速率与气孔阻力的相关关系分析表明 :蒸腾速率和气孔阻力间属非线性关系 ,其方程为 :Tr =1 2 .789- 1 3.41 9lgRs(R2 =0 .971 7)

参棚透光率对西洋参叶片光合作用的影响

研究了参棚透光率与西洋参叶片净光合速率之间的关系 .结果表明 ,西洋参叶片光饱和点、净光合速率及其日变型均随参棚透光率的不同 ,存在一定的差异 .4年生西洋参叶片在 12 %、30 %、4 2 % 3种透光率下 (气温 2 9.0℃左右 ) ,光饱和点分别为 171.0、32 3.0和 4 2 9.0 μmol·m-2 ·s-1,净光合速率最大值为6 .5 4mg·dm-2 ·h-1(CO2 ) ,出现在透光率为 30 %的参棚下 ;3年生西洋参在透光率不超过 2 5 .8%的参棚下 ,叶片净光合速率日变化呈单峰型 ,透光率大于 2 5 .8%时 ,呈双峰型 ,参叶“光合午休”现象明显 .单相关分析表明 ,光量子通量密度是影响西洋参净光合速率的主要因子 ;回归分析结果表明 。

辽东地区次生林林窗生长季初期的光环境特征

为了解决次生林合理经营问题,以辽东山区次生林3种典型性林窗为研究对象,对生长季初期林窗光环境特征进行了研究。结果表明:林窗的光量子通量密度(PPFD)日变化均呈单峰型,林窗沿南北轴和东西轴的各点所接收的光强度PPFD值,随林窗面积的增大而增加;林窗面积、位置对直射光指数(DSF)、散射光指数(ISF)、全光指数(GSF)均有显著影响(P<0.05),林窗的全光指数(GSF)与其光量子通量密度(PPFD)存在极显著的正相关关系(P<0.01);林窗面积、位置的不同,使其光环境发生改变,最终影响森林的更新。

小兴安岭阔叶红松林不同大小林隙光照时空分布特征

以小兴安岭阔叶红松林林隙为研究对象,在对其形状和大小进行量化的基础上,对林隙内及其附近林分的光量子通量密度(DPPF)进行了连续的定位观测,分析了其时空分异特征。结果表明:3个不同大小林隙的面积分别为G1(528.13 m2)、G2(295.17 m2)、G3(83 m2),形状指数分别为1.524、1.455、2.146。每个林隙中心及林隙边缘各点光量子通量密度均为单峰型的日变化,呈南—北、东—西方向上的不对称分布。各时刻光量子通量密度的大小顺序分别为DPPF G1>DPPF G2>DPPF G3。3个不同大小林隙光量子通量密度最大值出现的时间和空间均存在差异。各林隙中心月平均光量子通量密度与林外光量子通量密度的比例分别为59.46%、35.34%、17.71%,林内和林隙有显著的季节性变化。林隙光量子通量密度在时间和空间上的变化是一个复杂的过程,由于林隙面积、形状和所处地理位置等的不同,各地观测结果不尽一致,探讨其时空分布特征需要进行长期深入连续的观测。

扁穗牛鞭草光合特性研究

利用Li-6400型光合作用测定系统测定了扁穗牛鞭草的光合特性。试验结果显示:扁穗牛鞭草叶片的光合日进程呈"单峰型",光饱和点较高,在2200μmol/(m2.s)以上仍然未达到饱和,光补偿点为4.53μmol/(m2.s),表观量子效率为0.038,CO2饱和点为1200μmol/mol,补偿点8.29μmol/mol,羧化效率(CE)为0.273。通过对净光合速率和其他相关因素的日变化分析得知:光量子通量密度是影响扁穗牛鞭草净光合速率的主要环境因子。